基本信息
- 项目名称：
- 动车组发动机用冷却风扇设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 动车组发动机对冷却通风机的要求越来越高，目前同类型风机主要依赖进口，因此尽快提高此类风机的自主设计能力，实现国产化意义重大。本发明采用传统一维热力设计和三维数值模拟相结合的方法，对和谐号某系列动车组发动机用离心冷却通风机进行了气动设计、三维实体建模，并利用NUMECA软件对叶轮内部流场进行数值模拟，比选、确定最优方案。完成制造样机及气动性能试验验证。目前已经替代进口风机，装车投入运行。
- 详细介绍：
- 随着我国铁路电气化线路建设的发展及列车运行速度的提高，动车组逐步成为我国的主要牵引动力和运输工具。动车组是一种动力分散技术，运行时不仅靠机车带动，车厢本身也具有动力，可以达到高速的效果。由于动车组具有安全性能好、运量大、往返不需掉转车头、污染小、节能、自带动力等优点，受到国内外市场的青睐。 动车组发动机用冷却通风机是动车组中的重要部件，一般每台动车组配有四台牵引式离心冷却通风机和两台复合式轴流冷却通风机。动车组冷却风机要求其风量大、压头高、重量轻、噪音低、受车厢结构形状、进出口管道及运营状况的影响，占用空间小。以上要求限定了动车组的冷却风机是单级、大流量、高压比等，这一系列的设计困难使得目前动车组冷却风机主要都依懒进口，解决这一问题，实现动车组冷却风机的国产化设计意义重大。 在动车组冷却通风机国产化的设计过程中，由于设计要求苛刻，且离心通风机的内部流场十分复杂，这更增大了通风机的设计难度。目前冷却通风机在运行中都不同程度地存在低效运行、可靠性差和噪声大的问题，为了保证设计通风机的安全性与经济性，必须对其内部流动机理、流动结构和能量损失机理进行深入的研究。 以往研究通风机内部流场的方法大多是依靠经验与试验,近年来，随着计算流体力学的飞速发展,数值模拟技术在很多领域都得以广泛应用。本发明采用传统一维热力设计和三维数值模拟相结合的方法，对和谐号某系列动车组发动机用离心冷却通风机叶轮进行了气动设计，在获得的相关结构尺寸基础上完成三维实体建模，并利用NUMECA软件对叶轮内部流场进行三维数值模拟，比选、确定最优叶轮内部压力速度分布方案。完成制造样机及气动性能试验验证。和同类型进口风机相比，在外形尺寸不变、转速降低25.5%的条件下，全压提高11.8%，成功实现此类通风机的国产化。 国产化自主设计研究的 “和谐号”动车组3C系列机车牵引电机冷却用新型通风机已通过国家“机械工业风机产品质量监督检测中心”的性能检验，性能完全满足设计需求，并得到了国内外厂商的严格审查和认可。 目前，本自主设计的新型高全压大流量斜轮盘前向多翼叶轮离心冷却通风机已经替代进口通风机，装车投入运行。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 动车组发动机高速、重载的特点使其对冷却通风机的要求越来越高，目前同类型风机主要依赖进口，因此尽快提高此类风机的自主设计能力，实现国产化意义重大。本设计采用传统一维热力设计和三维数值模拟相结合的方法，对和谐号某系列动车组发动机用离心冷却通风机叶轮进行气动设计，完成三维实体建模，并利用NUMECA软件对叶轮内部流场进行三维数值模拟，比选、确定最优叶轮内部压力速度分布方案。完成制造样机及气动性能试验验证。和同类型进口风机相比，在外形尺寸不变、转速降低25.5%的条件下，全压提高11.8%，成功实现此类通风机的国产化。 设计难点分析： （1）由于机车内需要冷却的动力设备较多，结构布置很复杂，冷却空气流动阻力大，这就要求冷却通风机在提供大冷却风量的同时还必须具有很高的全压； （2）由于受到机车内空间和舒适度的限制，冷却通风机还要满足占用空间小、噪声低等要求； （3）在提高冷却通风机整体气动性能的同时还要保证运行的高可靠性。 首先，在性能上，同时满足高全压和大流量的要求是矛盾的。对于一般离心风机，若想兼顾高全压和大流量，就要以牺牲一些其他的性能参数如效率为代价； 其次，原进口风机叶轮采用后弯翼型叶片，在提高性能参数后，此叶轮已不能满足冷却通风要求，需要进行全新的设计。 最后，由于国内外驱动电机在供电频率上的差异造成本设计中的风机转速大大降低，在此基础上提高出口全压将面临很多困难。
科学性、先进性
- 设计风机是大流量、高扬程、低噪声、且占用空间小，我国通风机谱系中的风机均达不到这些要求。 （1）叶轮采用斜轮盘，兼顾了大流量和高全压的要求，且使叶轮内的流线形式更符合流动特点，降低了流动损失； （2）轮毂上加装进口导流罩，改善了叶轮进口处的空气流动状况，降低了通风机由于进口冲击产生的噪声； （3）叶片长度的增加等同于增大单个叶片的有效做功面积，使叶片数有所减少，叶栅稠密度减小，从而降低了叶轮的加工难度。 研究成果作为某动车组冷却用通风机替代进口、进行国产化设计与应用方案。
获奖情况及鉴定结果
- 1.国产化自主设计研究的 “和谐号”动车组3C系列机车牵引电机冷却用新型通风机已通过国家“机械工业风机产品质量监督检测中心”的性能检验，性能完全满足设计需求，并得到了国内外厂商的严格审查和认可，现已替代原进口风机批量生产并装车投入使用。 2.本作品获辽宁省第十届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 已批量装车，使用于和谐号三系列(HXD3C)机车
技术转让方式
- 该产品已由大连机车二分厂批量生产，于动车组“和谐号”3系列(HXD3C)机车装车使用。
作品可展示的形式
- 图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本发明要解决的技术问题是提供一种高全压大流量斜轮盘叶轮的离心通风机，在提供高全压大流量的情况下，克服传统通风机在大流量工作点运行效率低和能耗大的缺陷，进一步提高通风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低其消耗的功率在机车辅助功率中占有的比例，提高机车整体的运行效率。 本文可以为透平机械数值分析作为参考，最终设计实物应用于动车组“和谐号”3系列(HXD3C)机车，成功实现了此类离心通风机的国产化设计生产。
同类课题研究水平概述
- 离心通风机广泛用于车辆、船舶、工厂、矿井、隧道、冷却塔和建筑物的通风、排尘和冷却。它主要由叶轮和机壳组成，叶轮是离心通风机的主要部件，它的几何形状、尺寸、叶片个数和制造精度对性能有很大影响。 国内通风机的技术水平与国外大型企业相比存在较大差距，主要体现在中、小型通风机产品外观质量较差、能耗较大，难以打入国际市场。因此，今后国内风机的发展趋势将是以节能降耗为宗旨，这里既包括产品设计过程中的节能，又包括风机运行中调节控制方法的节能。首先需要通过应用叶轮、蜗壳等元件的科研成果，进一步提高产品的加工制造精度，力求使各种通风机的效率平均提高5%～10%；其次引进消化吸收国外的先进技术进一步开发高效节能风机；第三发展通风机运行过程中调节工作的节能研究。 由于机车内的空间相当有限，对离心通风机的要求更高，在提供高全压、大流量的同时，必须满足噪声低、结构紧凑、占用空间小等条件。而且在实际使用中，离心通风机在大流量工作点的运行效率较低，消耗电力较大，功率过高，其消耗的功率在机车辅助功率中占有较大比例，对机车整体的效率造成较大的影响。主要原因在于：现有技术中的机车用离心冷却通风机，它的叶轮轮盘都采用直轮盘结构，所谓直轮盘就是叶轮轮盘和电机轴在主视图中垂直，虽然结构简单，但气动性能较差。在要求高全压和大流量的情况下，直轮盘的叶轮需要很多的叶片，大约60～70片，这在一定程度上增加了叶轮制造的难度，提高了通风机的成本。而且由于此类风机一般为单级悬臂式，叶轮进口轮毂处大多为了结构简单，未安装导流装置，导致通风机进口处空气流动状况紊乱，产生冲击，不仅造成了效率降低还产生了极大的噪声。因此，需要设计改进离心冷却通风机，进一步提高其性能，降低其能量消耗。 本发明要解决的技术问题是提供一种高全压大流量斜轮盘叶轮的离心通风机，在提供高全压大流量的情况下，克服传统通风机在大流量工作点运行效率低和能耗大的缺陷，进一步提高通风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低其消耗的功率在机车辅助功率中占有的比例，提高机车整体的运行效率。 本发明风机和同类型进口风机相比，性能得到较大改善，在外形尺寸不变，转速降低25.5%的条件下，全压提高11.8%，可以说成功实现了此类型通风机的国产化。目前，本自主设计的新型高全压大流量斜轮盘前向多翼叶轮离心冷却通风机已经替代了进口通风机装车投入运行。
