CN104314867B - 轨道车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮，包括前盘、后盘以及夹设在前盘与后盘之间的主叶片和分流叶片，主叶片和分流叶片均呈圆周阵列排布，且相互间隔设置；主叶片高度为H1，分流叶片高度为H2，且H2/H1为0.5～0.6；主叶片的弦长为Lf，分流叶片的弦长为L，且L/Lf为0.7～0.75；主叶片具有工作面和非工作面，主叶片工作面侧的分流叶片离后盘中心轴线最近的点与主叶片离后盘中心轴线最近的点之间距离为△T1，主叶片非工作面侧的分流叶片离后盘中心轴线最近的点与主叶片离后盘中心轴线最近的点之间的距离为△T2，且△T1/△T2为0.24～0.35。本发明叶轮效率高，综合性能好，能够适应轨道车辆冷却系统的严格要求。

Description

轨道车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮

技术领域

本发明涉及轨道车辆通风冷却系统，具体为一种轨道车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮。

背景技术

随着中国轨道技术的发展，轨道列车的速度越来越快，相应的热量耗散越来越多，对轨道车辆冷却系统的散热系统要求越来越高，同时却在压缩整个冷却系统的视在功率值，所以迫切需要高性能、高效率的风机。

对于没有设置分流叶片的离心风机的叶轮，当叶片数较少时，在叶片通道后端容易产生负速度区域，导致气流分离，且叶片流道的当量扩张角过大，压力梯度和边界层会变大，导致离心风机叶轮的效率降低；而当叶片数较多时，在叶片气流进口处易产生阻塞，同时气流流动摩擦损失增加，离心风机叶轮的效率也会降低。设置分流式叶片，降低叶轮气流进口附近的马赫数，削弱叶轮进口堵塞程度，减小气流摩擦损失，同时叶轮气流出口界面气体的压力、速度等参数分布更均匀，促进叶轮外部箱体内的气体流动的平稳性，提高离心风机叶轮的工作效率。

虽然设置了分流叶片，但分流叶片的相对长度、相对高度及周向分布情况仍对离心风机的气动性能、效率和噪声有影响。若分流叶片长度过短，其改善流动条件优势不能充分发挥；若分流叶片长度过长，虽然分流作用加强，但会引起分流叶片进气边前缘附近的流场局部突变而导致旋涡产生，而且旋涡与主叶片进气边附近的冲击区域靠得很近，有可能互相影响而使气流进口流场恶化，从而降低综合性能。

分流叶片的相对高度会影响叶轮的效率和噪声的大小，若分流叶片高度过高，叶轮前盘和分流叶片之间距离过短，会导致气流在通过分流叶片时产生紊流，严重影响气流的稳定性，叶轮噪声变大；若分流叶片高度过低时，则分流叶片本身的作用无法展现，无法提高叶轮性能。

分流叶片与主叶片的相对位置分布同样会影响叶轮的气动性能与效率，分流叶片设置在偏向主叶片非工作面侧时，气体沿气流流道在主叶片工作面侧的流速很低，容易产生倒流区域。如果分流叶片的位置偏向主叶片的工作面侧，主叶片工作面侧的气体流道夹角减小，可使流道中气流的减速得到缓和。同时，随着气流在叶轮垂直于其轴向的横截面上的圆周速度的减小，哥氏力引起的速度差也相应减小，提高了径向方向长叶片工作面一侧的流速，从而减小甚至消除了负速度区。另外由于横截面上流速差减小，相应的压力梯度随之减小，这有利于削弱二次流，从而减小流动损失，提高叶轮的效率。

因此要想更进一步的提高离心风机叶轮的性能和效率，设置合适的分流叶片的相对长度、相对高度以及叶片之间的位置分布情况是非常必要的。

发明内容

本发明针对现有技术中只是提出分流叶片能够使气体流动更平稳，改善风机叶轮的效率，而没有研究因分流叶片与主叶片之间的相对高度，相对长度以及位置分布关系的设置不恰当而影响风机叶轮的性能和效率的问题，而研制一种高效率、综合性能好的离心风机叶轮。本发明采用计算机流体动力学(CFD)非定常数值方法计算了整个离心风机工况点的全三维流场，设计出分流叶片与主叶片之间的相对高度、相对长度和位置分布关系的最佳值以使风机叶轮达到最佳效率。

本发明的技术手段如下：

一种轨道车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮，包括前盘、后盘以及夹设在所述前盘与后盘之间的主叶片和分流叶片，气流从前盘进入，其特征在于：所述主叶片和所述分流叶片均呈圆周阵列排布，且相互间隔设置；所述主叶片高度为H1，所述分流叶片高度为H2，且H2/H1为0.5～0.6；所述主叶片的弦长为Lf，所述分流叶片的弦长为L，且L/Lf为0.7～0.75；所述主叶片具有工作面a和非工作面b，主叶片的工作面a侧的分流叶片离后盘中心轴线最近的点与主叶片离后盘中心轴线最近的点之间距离为△T1，主叶片的非工作面b侧的分流叶片离后盘中心轴线最近的点与主叶片离后盘中心轴线最近的点之间的距离为△T2，且△T1/△T2为0.24～0.35。

通过设置最佳的主叶片和分流叶片高度比、弦长比以及叶片之间的位置分布关系，尽可能的减小叶轮气流进口处气流堵塞，减小压力梯度及气流边界层的厚度，提高叶轮的性能。

进一步地，主叶片工作面a侧的分流叶片的弦与主叶片的弦的夹角α为30°～35°，主叶片非工作面b侧的分流叶片的弦与主叶片的弦的夹角β为41°～45°。

进一步地，H2/H1＝0.56，L/Lf＝0.715，△T1/△T2＝0.268。

进一步地，前盘过其中心轴线的截面型线具有圆弧过渡。在前盘上设置圆弧过渡，能够使气流更顺畅的进入叶片，减小摩擦阻力。

进一步地，所述前盘过其中心轴线的截面型线的圆弧半径为75.5mm。

进一步地，所述主叶片与所述前盘和后盘满焊固定；所述分流叶片与所述后盘满焊固定。主叶片和分流叶片通过满焊与前盘和后盘固定在一起，保证叶轮在高速工作时的可靠性。

进一步地，所述主叶片气流进口端具有圆角，所述主叶片的圆角半径r1为27.5mm。设置圆角有助于提高气流的流动效率。

进一步地，所述分流叶片气流进口端具有圆角。设置圆角有助于提高气流的流动效率。

更进一步地，所述叶轮的直径为300mm～650mm。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的轨道车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮削弱了叶轮气流进口处的堵塞程度，减小了气体流动损失，降低了旋涡产生的概率，避免叶轮气体流畅的恶化，从而提高了叶轮的综合性能，具有高性能、高效率的优点，能够适应轨道车辆冷却系统的严格要求。

附图说明

图1为本发明实施例立体结构示意图；

图2为本发明实施例前盘未示出时立体结构示意图；

图3为图2的左视图；

图4为图2的上视图；

图5为图4中A部分放大图。

图中：1、前盘，2、后盘，3、主叶片，4、分流叶片，a、工作面，b、非工作面。

具体实施方式

如图1～图5所示的车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮，包括前盘1、后盘2以及夹设在前盘1与后盘2之间的主叶片3和分流叶片4；主叶片3和分流叶片4均呈圆周阵列排布，且相互间隔设置；如图3所示，主叶片3高度为H1，分流叶片4高度为H2，且H2/H1为0.5～0.6，本实施例优选H2/H1＝0.56；从图5可以看出，主叶片3的弦长为Lf，分流叶片4的弦长为L，且L/Lf为0.7～0.75，本实施例优选L/Lf＝0.715；如图1所示的离心风机叶轮工作时逆时针旋转，主叶片3具有工作面a和非工作面b，如图5中所示主叶片3工作面a侧的分流叶片4离后盘2中心轴线最近的点与主叶片3离后盘2中心轴线最近的点之间距离为△T1，主叶片3的非工作面b侧的分流叶片4离后盘2中心轴线最近的点与主叶片3离后盘2中心轴线最近的点之间的距离为△T2，且△T1/△T2为0.24～0.35，本实施例优选△T1/△T2＝0.268。主叶片工作面a侧的分流叶片的弦与主叶片的弦的夹角α为30°～35°，本实施例优选α＝30.8°，主叶片非工作面b侧的分流叶片的弦与主叶片的弦的夹角β为41°～45°，本实施例优选β＝41.2°。通过设置最优的主叶片3和分流叶片4高度比、弦长比以及叶片之间的位置分布关系，尽可能的减小叶轮气流进口的气流堵塞，减小压力梯度及气流边界层的厚度，提高叶轮的性能。

气流从前盘1进入，流入叶轮，然后从叶轮的外缘流出，前盘1过其中心轴线的截面型线具有圆弧过渡，圆弧半径为75.5mm。在前盘1上设置圆弧过渡，能够使气流更顺畅的进入叶片，减小摩擦阻力。

主叶片3和分流叶片4均为5片；主叶片3与前盘1和后盘2满焊固定；分流叶片4与后盘2满焊固定。主叶片3和分流叶片4通过满焊与前盘1和后盘2固定在一起，能够保证叶轮在高速工作时的可靠性，且主叶片3和分流叶片4均采用高强度焊接结构钢HG70E，能够满足轨道车辆运行环境的耐低温要求。

主叶片3气流进口端具有圆角，其中圆角半径r1为27.5mm，分流叶片4气流进口端也具有圆角，设置圆角有助于提高气流的流动效率。

叶轮的直径d为300mm～650mm。

由于设置了分流叶片4，降低了叶轮气流进口附近的马赫数，削弱了叶轮进口堵塞程度，减小了气流摩擦损失，同时叶轮出口界面气体压力、速度等参数分布更均匀，促进叶轮外部箱体内的气流的平稳性，提高叶轮的工作效率。

本发明采用计算流体动力学(CFD)非定常数值方法计算了整个离心风机工况点的全三维流场，设计出L/Lf、H2/H1以及△T1/△T2的最优值，能够实现叶轮的最佳效率。为了验证△T1/△T2＝0.268为能够实现最高效率的最佳值，设计了四种方案，并仿真出了各方案在不同流量时的效率值。

不同方案的具体结构参数值如下表：

方案	1	2	3	4
					长度比L/Lf	0.715	0.715	0.715	0.715
高度比H2/H1	0.56	0.56	0.56	0.56
					位置比△T1/△T2	0.242	0.268	0.293	0.312

不同方案在相同流量时的效率值如下表：

根据以上数据可以看出：当分流叶片4与主叶片3的弦长比L/Lf与高度比H2/H1确定以后，改变△T1/△T2的值效率变化明显，可看出方案2的效率比其他三个方案的效率都高，说明当L/Lf＝0.715，H2/H1＝0.56，△T1/△T2＝0.268时，风机叶轮的效率最高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种轨道车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮，包括前盘、后盘以及夹设在所述前盘与后盘之间的主叶片和分流叶片，气流从前盘进入，其特征在于：所述主叶片和所述分流叶片均呈圆周阵列排布，且相互间隔设置；所述主叶片高度为H1，所述分流叶片高度为H2，且H2/H1为0.5～0.6；所述主叶片的弦长为Lf，所述分流叶片的弦长为L，且L/Lf为0.7～0.75；所述主叶片具有工作面a和非工作面b，主叶片工作面a侧的分流叶片离后盘中心轴线最近的点与主叶片离后盘中心轴线最近的点之间距离为△T1，主叶片非工作面b侧的分流叶片离后盘中心轴线最近的点与主叶片离后盘中心轴线最近的点之间的距离为△T2，且△T1/△T2为0.24～0.35，

主叶片工作面a侧的分流叶片的弦与主叶片的弦的夹角α为30°～35°，主叶片非工作面b侧的分流叶片的弦与主叶片的弦的夹角β为41°～45°，

所述前盘过其中心轴线截面型线具有圆弧过渡，

所述前盘过其中心轴线的截面型线的圆弧半径为75.5mm，

所述主叶片与所述前盘和后盘满焊固定；所述分流叶片与所述后盘满焊固定，

所述主叶片气流进口端、靠近前盘部具有圆角，所述主叶片的圆角半径r₁为27.5mm，

所述分流叶片气流进口端具有圆角，

所述叶轮的直径d为300mm～650mm。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆冷却系统用带分流叶片的离心风机叶轮，其特征在于：H2/H1＝0.56，L/Lf＝0.715，△T1/△T2＝0.268。