劉一福，李友瑜

(湖南聯(lián)誠(chéng)軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

牽引冷卻系統(tǒng)是軌道車(chē)輛的重要組成部分，主要包括風(fēng)機(jī)、換熱器、水泵及管路等部件。隨著軌道車(chē)輛應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，牽引系統(tǒng)所需冷卻功率不斷加大，導(dǎo)致冷卻裝置的體積、重量、噪聲等都偏大。隨著人們對(duì)噪聲危害性認(rèn)識(shí)的不斷深入，軌道裝備冷卻裝置的節(jié)能、噪音等問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注，因此，研究節(jié)能、低噪的新型冷卻系統(tǒng)很有必要。要解決這些問(wèn)題，需要應(yīng)用多種技術(shù)手段。

對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，噪聲來(lái)源包括湍流寬帶噪聲和離散譜噪聲兩部分，而對(duì)于轉(zhuǎn)速低、壓力小的通風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，湍流寬帶噪聲占主導(dǎo)地位[1]?？刂茪饬魍牧髟肼暤闹饕O(shè)計(jì)規(guī)則[2]為：減少壓降、降低流速、降低葉尖速度、避免流場(chǎng)中障礙物、改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等。系統(tǒng)降噪可以通過(guò)系統(tǒng)流場(chǎng)分析確定噪聲源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能降低風(fēng)機(jī)葉尖速度，應(yīng)盡可能避免障礙物后面的湍流噪聲，優(yōu)化氣動(dòng)流場(chǎng)，減小渦流，降低風(fēng)機(jī)性能。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，多風(fēng)機(jī)冷卻模塊是大功率商用車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)電子化發(fā)展的必然選擇，對(duì)于整車(chē)節(jié)能、降噪具有重大貢獻(xiàn)[3]。因此，本文研究一種符合冷卻系統(tǒng)減噪的多風(fēng)機(jī)方案。

1 機(jī)車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)流場(chǎng)分析

由以往冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)和散熱器、風(fēng)機(jī)部件性能試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，冷卻系統(tǒng)實(shí)際所需風(fēng)機(jī)靜壓比克服系統(tǒng)部件阻力所需的風(fēng)機(jī)靜壓高出約200 Pa。為了對(duì)其原因進(jìn)行分析，本文采用Fluent流體軟件對(duì)單風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)分析，其邊界條件設(shè)置[4]為：進(jìn)口為壓力進(jìn)口邊界(Pressure-inletlet)(溫度為313 K，全壓為-350 Pa)，出口壓力邊界(Pressure-Outlet)(操作溫度為 313 K，靜壓為0 Pa)密度設(shè)為不可壓理想氣體條件，流動(dòng)湍流模型選擇k-ε模型，風(fēng)機(jī)采用MRF模型，散熱器設(shè)置為Ungrouped Macro Model，數(shù)據(jù)采用2018JL字第R-SW0067號(hào)表2散熱器性能與空氣壓力損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)(進(jìn)氣40℃，遮擋15%)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

由仿真結(jié)果可知(見(jiàn)圖1～2)：?jiǎn)物L(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 460 rmp)結(jié)構(gòu)，冷卻塔內(nèi)流場(chǎng)較雜亂，散熱器截面速度分布不均勻，中部和兩側(cè)的風(fēng)速很低(風(fēng)速在2 m/s以下)，但局部風(fēng)速又很高，達(dá)到了22.74 m/s，其流速不均勻?qū)е峦ㄟ^(guò)散熱器的流動(dòng)阻力有所增加(相比流速均勻的情況下)；同時(shí)，由于空間限制導(dǎo)致散熱器距風(fēng)機(jī)出口距離不夠，由圖3可知，風(fēng)機(jī)出口流速發(fā)展不充分，這種布置方式使系統(tǒng)內(nèi)部附加阻力[5]增加，附加風(fēng)阻200 Pa左右。因此冷卻系統(tǒng)所需風(fēng)機(jī)靜壓比理論(均勻流場(chǎng))所需靜壓有所增加。

圖1 單風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)圖 圖2 單風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器截面流速圖

圖3 風(fēng)機(jī)出口截面流速圖

2 方案優(yōu)化及驗(yàn)證

2.1 方案優(yōu)化

為了使冷卻系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)盡量均勻，本文提出了一種多風(fēng)機(jī)方案。采取4個(gè)并列較高速風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 800 rpm)替代單個(gè)風(fēng)機(jī)，其目的是增大風(fēng)機(jī)出口與散熱器的間距(間距為風(fēng)機(jī)出口直徑的2.5倍以上)，使風(fēng)機(jī)出口流速盡可能均勻，消除系統(tǒng)附加阻力。以第2部分相同方式對(duì)多風(fēng)機(jī)方案進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，由圖4、圖5和圖7可知，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)較規(guī)則，散熱器截面速度比較均勻，最高流速為13.59 m/s，而4個(gè)角落的流速相對(duì)較低，流速也在6 m/s以上。

圖4 四風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)圖

圖5 水散熱器流速場(chǎng)分布(Z=70 mm)

圖6 水散熱器溫度場(chǎng)分布(Z=70 mm)

由冷卻系統(tǒng)散熱仿真表明(見(jiàn)圖6、圖8)：模擬遮擋面積15%，進(jìn)口溫度為40℃時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)量為12.5 m3/s，系統(tǒng)壓降為1 061 Pa，水散熱器為143.48 kW，油散熱器為292.807 kW。多風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)方案滿(mǎn)足冷卻系統(tǒng)散熱性能要求。對(duì)比風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 800 r/min)性能試驗(yàn)：流量12.5 m3/s時(shí)，靜壓1 053 Pa。仿真結(jié)果與試驗(yàn)相當(dāng)，冷卻系統(tǒng)所需風(fēng)機(jī)靜壓與理論(均勻流場(chǎng))所需靜壓基本一致，達(dá)到了消除系統(tǒng)附加阻力的目的。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步對(duì)多風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，本文試制了多風(fēng)機(jī)方案試驗(yàn)機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，如圖9所示。

圖7 油散熱器流速場(chǎng)分布(Z=70 mm)

圖8 油散熱器溫度場(chǎng)分布(Z=70 mm)

圖9 多風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)方案性能試驗(yàn)

試驗(yàn)表明：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 900 r/min時(shí)，多風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)流量為13 m3/s，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲為108.9 dB(A)；遮擋15%，進(jìn)口溫度為40℃時(shí)，水散熱器為150.8 kW，油散熱器為302.7 kW。此時(shí)系統(tǒng)風(fēng)阻為1 146 Pa。對(duì)比單風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)方案(在冷卻系統(tǒng)流量13 m3/s時(shí)，聲功率噪聲111.7 dB(A)；遮擋15%，進(jìn)口溫度為40 ℃時(shí)，水散熱器為149.49 kW，油散熱器為301.13 kW。此時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)阻為1 372 Pa)，在同等散熱功率下，多風(fēng)機(jī)系統(tǒng)阻力下降了226 Pa，系統(tǒng)噪聲降低了2.8 dB(A)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比分析了單風(fēng)機(jī)機(jī)車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)和多風(fēng)機(jī)機(jī)車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的系統(tǒng)散熱功率和噪聲，得到如下結(jié)論。

1)冷卻系統(tǒng)采用四風(fēng)機(jī)方案(聲功率為108.9 dB(A))相比單風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)噪聲(聲功率為111.7 dB(A))降低了2.8 dB(A)。

2)冷卻統(tǒng)采用四風(fēng)機(jī)方案(系統(tǒng)阻力為1 146 Pa)相比單風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)(系統(tǒng)阻力為1 372 Pa)系統(tǒng)阻力下降了226 Pa。

3)冷卻系統(tǒng)散熱器功率相同情況下風(fēng)機(jī)消耗功率降低了19.75%(功率為22.47 kW，原風(fēng)機(jī)功率為28 kW)。