电动车组主电动机风道结构改造及性能分析

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摘要：提出主电动机风道改造的方案；计算原风道及新方案的能量损失；测定原风道及新方案的风量，总结新方案设计原则。

关键词：主电动机风道 阻力 能量损失 风量

1背景

主电动机风道是动车组主电动机冷却系统的主要零部件，用来为主电动机输送、分配冷却空气。其结构性能能否满足要求直接决定着牵引电机能否正常高效的运转。

自电动车组引进以来，主电动机风道一直沿用的是外方设计方案。由于在后续车型的设计过程中进行了方案调整，需要对原风道进行改造。本文通过对原风道和新风道进行计算并结合试验进行对比，以确定最佳新方案及后续改进设计原则。

2原风道和新风道结构介绍

原风道内设置导流片，在其作用下从风道入口位置起可将风道当成完全分隔的两分支管。具体结构如图所示：

根据后续车型相关设备的布置情况，初步确定风道的几个改进方案为：

方案一： 在原风道基础上将分支管一主直管段管壁向内缩进100mm；

方案二：在原风道基础上将分支管一主直管段沿气流流向后拐角处管壁向内作小角度斜切，并将相应管段宽度缩减30mm；

方案三：在原风道基础上将分支管一主直管段沿气流流向后拐角处管壁向内作大角度斜切；

上述各方案中，导流片也作了相应的调整，以均衡两分支管路中的风量。

3阻力计算

主电动机风道必须满足的条件为：动车组在最高速度下运行，在保证风量条件下，各支管路中的最大能量损失不应该大于牵引电动机送风机所提供的风压。

3.1初始条件

牵引电动机的冷却方式为强制风冷式，送风量为20m3/min，静压为2501Pa。

整个计算过程设定为在标准状态下，采用通用阻力计算公式进行计算。

3.2计算结果分析

主电动机风道外形比较复杂，断面变化很不规则，将整个风道简化成若干规则变化的组合后进行相关阻力计算。通过计算可知：原型车风道中分支管一的能量损失要小于分支管二。改进后，分支管一在截面减小的情况下，阻力有所增加，一方面这对于平衡两分支管之间的阻力是有利的，但当增加到一定值时，其阻力会大大超过分支管二，这无疑会增加牵引电动机送风机的载荷，这对于保证总的送风量是不利的。因此在对风道进行设计过程中，当风道变化较大时，应同时调整风道内的导流片，以使两分支管之间的阻力差额减小。

通过计算可以得知各方案之间的阻力变化是不大的，因此在实际选取的过程中考虑到在原风道基础上进行改动的简便性初步确定方案三为新风道最佳改造方案。

4试验

为了进一步确定改造后的风道能否满足要求，对原风道和方案三分别进行试验。

4.1试验情况

为了使气流稳定，保证测试结果准确、可靠，在风道出口增加一段直管段，测点布置在直管段区域，每一管道布有4个测点。

4.2 试验结果及分析

具体测试工况包括：主电机风机分别与两种风道配合，调节风机出风口面积（65%、70%、80%、90%），从而调整风机风量，在不同工况下测试风道出口风量。

经测试可知：最大风量情况下，原风道直管段和弯管段出口风量分配不均匀，直管段风量比弯管段风量大了约20%，但均大大超过了牵引电机理论所需风量。对于原有风道，鼓风机出风口面积封堵65%～90%时，直管段风量与弯管段风量之比为1.8～2.0；对改造后的新风道，鼓风机出风口面积封堵65%～90%时，直管段风量与弯管段风量之比为1.66～1.9（这一比值偏大，猜测可能是由于封堵所用的隔板通风口并非关于中心线对称所致。）。封堵面积较大（R80%）、风量较小时，改造后的新风道风量比原有风道风量稍小，但随着封堵面积的减小（Q70%）、风量的增大，两种风道风量基本相当。

5 结论及建议

通过对各设计方案的能量损失计算以及对原风道和选定新风道的风量测定，可以得到以下基本结论：

1）对于原有风道，直管段比弯管段的风量要大20%。两支管的风量分配不均匀但都超过了牵引电机理论所需风量20 m3/min，满足要求。

2）正常工况（没有任何封堵）下，新风道直管段和弯管段的压损不相等，弯管段要大于直管段的压损；直管段与弯管段风量分配不均匀，前者比后者要大，但均超过了牵引电机理论所需风量。

3）封堵面积较大（R80%）、风量较小时，改造后的新风道风量比原有风道风量稍小，但随着封堵面积的减小（Q70%）、风量的增大，两种风道风量基本相同。可见，在接近正常工况下，改造后的风道与原有风道性能相当。

4）相比于原方案所选新风道支管一的能量损失稍有增加，而分支管二则略微减小，这对平衡两支管的风量分配时有利的。通过实验也可以看出新方案的风量分配要更均匀一些且各分支管的风量足够。因此新风道能够满足要求。

今后在对新风道设计的过程中应该重点保证各支环路的能量损失及它们之间的差值最小，以均匀分配各支管路间的风量。

参考文献：

[1]蔡增基，龙天渝等.流体力学泵与风机.中国建筑工业出版社，2003.12

[2]山东工业大学孙珑等.工程流体力学.水利电力出版社，1996.6

[3]腾兆武等.车辆制冷与空气调节.同济大学，2004