CN107642491A - 动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机 - Google Patents
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Abstract
动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，包括叶轮、电机以及用于安装电机的电机安装盘体，所述的叶轮包括前盘体、后盘体、轮毂以及若干叶片，前盘体和后盘体的外径相同，叶片的前缘端和尾缘端分别对应连接在前盘体和后盘体上，轮毂固定在后盘体的中心，且轮毂与电机的动力输出轴相连接，由电机直接驱动叶轮，后盘体固定在电机安装盘体上；所述的叶片为三元扭曲叶片。本发明的离心风机，在同机号的情况下比二元常规离心风机性能提升10~15%，效率提高5~15%，噪声数值降低至少5dB。
Description
技术领域
本发明涉及动车、高铁牵引变压器技术领域，具体涉及一种动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机。
背景技术
随着我国对铁路建设投入力度的加大，中国铁路正迎来一个高速发展的时期。高速动车组、高铁无疑将成为我国未来铁路客运的主力，动车、高铁牵引变压器作为电力牵引系统的关键设备，是列车的动力来源，其工作条件较普通变压器更为苛刻。
现有的动车、高铁牵引变压器冷却用的普通二元流叶轮的风机，叶道出口处的熵增值较大，叶轮在前盘侧的叶片吸力面入口处流动分离较大，其风机效率低、噪音大。风机要满足列车持续运行时速在350公里的运行条件下，其参数要满足设计要求，且叶轮尺寸及重量应尽可能小，风机在上述工况下才可以降低自身高速运转产生的振动、噪音及能耗。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明采用三元流化离心风机闭式叶轮替代普通二元流的风机叶轮，提高冷却效率，降低噪音。
本发明采用的技术方案为：动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，包括叶轮、电机以及用于安装电机的电机安装盘体，所述的叶轮包括前盘体、后盘体、轮毂以及若干叶片，前盘体和后盘体的外径相同，叶片的前缘端和尾缘端分别对应连接在前盘体和后盘体上，轮毂固定在后盘体的中心，且轮毂与电机的动力输出轴相连接，由电机直接驱动叶轮，后盘体固定在电机安装盘体上；所述的叶片为三元扭曲叶片。
本发明中，将叶片在前盘体和后盘体上的投影分别标记为上投影型线和下投影型线，上投影型线的中弧线和下投影型线的中弧线采用相切的双圆弧型线，且二者中弧线的形状不相同；根据上投影型线和下投影型线通过曲面放样生成空间曲面，使空间曲面沿其法向加厚一定厚度，即加厚至叶片所需板厚，即为本发明的三元扭曲叶片。
进一步地，上投影型线在前盘体上的入口角为27~34°，上投影型线在前盘体上的出口角为37~47°；下投影型线在后盘体上的入口角为25~32°，下投影型线在后盘体上的出口角为45~55°。
进一步地，上投影型线的中弧线由上弧线Ⅰ和上弧线Ⅱ组成，其中，上弧线Ⅰ靠近前盘体的外缘，上弧线Ⅱ靠近前盘体的中心，上弧线Ⅰ和上弧线Ⅱ的半径比为1.5~1.74；下投影型线的中弧线由下弧线Ⅰ和下弧线Ⅱ组成，其中，下弧线Ⅰ靠近后盘体的外缘，下弧线Ⅱ靠近后盘体的中心，下弧线Ⅰ和下弧线Ⅱ的半径比为1.01~1.1。
进一步地，前盘体上安装有集流器，集流器的出气口与叶轮的进风口相连通。
本发明中，各叶片在后盘体的圆周方向均布，且各叶片向相同方向弯曲。
本发明中，叶片的个数为n，n为整数，且7≤n≤12。
本发明的三元流叶轮的最佳实施例，其参数为：上投影型线在前盘体上的入口角为32°，上投影型线在前盘体上的出口角为42°；下投影型线在后盘体上的入口角为30°，下投影型线在后盘体上的出口角为50°。上弧线Ⅰ和上弧线Ⅱ的半径比为1.64，下弧线Ⅰ和下弧线Ⅱ的半径比为1.037；叶片的个数n=9。叶片数量从传统的个数减少为优选的九片，能够减小轮阻损失及叶轮重量，还能够使气流在叶片通道中的边界层分离和涡流流场得到改善。
本发明采用叶片进行其前缘和尾缘弯掠的三元流化设计，运用三元流设计方法优化叶片的进出口角、叶片数、扭曲叶片截面形状等要素，其结构可适应流体的真实流态，通过叶轮流道内各工作点的分析，建立叶轮内流体流动的数学模型，进行网格划分和流场计算。
有益效果：本发明的三元扭曲叶片可避免叶片工作面的流动分离，减少流动损失，并能控制内部全部流体质点的速度分布，获得叶轮内部最佳流动状态，叶轮在前盘侧的吸力面入口处消除了流动分离，并且在前盘侧的流动情况得到改善，边界层分离得到抑制其气流在叶片通道中的边界层分离和涡流流场得到改善，最终保证流体输送的效率达到最佳，叶轮出口速度方向和大小、叶道中静压分布更加均匀，叶道出口处的熵增值较小，静压增长稳定。
通过CFD流场分析和试验样机的实际测试，三元流化的离心通风机在同机号的情况下比二元常规离心通风机性能提升10~15%，效率提高5~15%，噪声数值降低超过5dB。
附图说明
图1为本发明的总装图；
图2为图1的主视图；
图3为图2中叶轮的示意图；
图4为图3的左视图；
图5为叶片在后盘体上的下投影型线的中弧线；
图6为叶片在后盘体上的上投影型线的中弧线；
图7为上投影型线的中弧线在前盘体上的投影；
图8为曲面放样生成的空间曲面；
图9为空间曲面法向加厚生成的叶片。
附图标记：1、电机，2、电机安装盘体，3、前盘体，4、叶片，5、后盘体，6、轮毂，7、集流器，8、空间曲面，9、下弧线Ⅰ，10、下弧线Ⅱ，11、上弧线Ⅰ，12、上弧线Ⅱ。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征以及达成的目的便于理解，下面结合示意图，进一步阐述本发明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。
动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，如图1和图2所示，包括叶轮、电机1以及用于安装电机1的电机安装盘体2，叶轮包括前盘体3、后盘体5、轮毂6以及若干叶片4，前盘体3和后盘体5的外径相同，叶片4的前缘端和尾缘端分别对应连接在前盘体3和后盘体5上，轮毂6固定在后盘体5的中心，且轮毂6与电机1的动力输出轴相连接，由电机1直接驱动叶轮，后盘体5固定在电机安装盘体2上。其中，前盘体3、叶片4和后盘体5组对焊接为焊接部件，轮毂6是机加工铸钢件，机加工件与焊接部件通过热铆接工艺装配为一个部件。本发明的叶片4为三元扭曲叶片。
本发明的风机没有通用风机的阿基米德螺旋线蜗壳设计，直接安装于动车、高铁牵引变压器冷却器的箱体。电机1和电机安装盘体2通过螺栓连接安装在一起，电机1、电机安装盘体2和叶轮组装后安装于配套设备的箱体一侧。
如图1所示，前盘体3上安装有集流器7，集流器7的出气口与叶轮的进风口相连通，集流器的出气口与前盘体3连接处为套口型式。
本发明中，后盘体5为圆形平面板体，前盘体3为圆盘形曲面结构，具体结构如图2和图3所示。
如图3和图4所示，各叶片4在后盘体5的圆周方向均布，且各叶片4向相同方向弯曲。所述叶片4的数量为n，n为整数，且7≤n≤12。优选的，叶片4的个数为九个。
叶片4在前盘体3和后盘体5上的投影分别标记为上投影型线和下投影型线，上投影型线的中弧线和下投影型线的中弧线均采用相切的双圆弧型线，且二者中弧线的形状不相同；根据上投影型线和下投影型线通过曲面放样功能生成空间曲面8，使空间曲面8沿其法向加厚一定厚度，即为三元扭曲叶片，优选的，空间曲面8沿其法向加厚至叶片4所需板厚，如3mm，可以根据实际叶轮大小及需求，确定叶片的厚度，即空间曲面沿其法向加厚的厚度。
上投影型线在前盘体4上的入口角为27~34°，上投影型线在前盘体4上的出口角为37~47°；下投影型线在后盘体5上的入口角为25~32°，下投影型线在后盘体5上的出口角为45~55°。
本发明的三元流叶轮的最佳实施例，其参数为：上投影型线在前盘体4上的入口角为32°，上投影型线在前盘体4上的出口角为42°；下投影型线在后盘体5上的入口角为30°，下投影型线在后盘体5上的出口角为50°。
上投影型线的中弧线由上弧线Ⅰ11和上弧线Ⅱ12组成，其中，上弧线Ⅰ11靠近前盘体3的外缘，上弧线Ⅱ12靠近前盘体3的中心，上弧线Ⅰ11的半径R3与上弧线Ⅱ12的半径R4的比值为R3：R4=1.64；下投影型线的中弧线由下弧线Ⅰ9和下弧线Ⅱ10组成，其中，下弧线Ⅰ9靠近后盘体5的外缘，下弧线Ⅱ10靠近后盘体5的中心，下弧线Ⅰ9的半径R1与下弧线Ⅱ10的半径R2的比值为R1：R2=1.037。综合以上优化方法最终使叶轮效率提高8%。
本发明还提供了一种动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机及风叶建模方法，本发明的三元扭曲叶片的建模过程为：
（1）、在三维软件solidworks中，草绘前盘体、后盘体，并旋转生成实体，如图7所示；
（2）、在后盘体的盘面上草绘出叶片在后盘体上的下投影型线，如图5所示；
（3）、在后盘体的盘面上草绘出叶片在前盘体上的投影型线，如图6所示，并将该投影型线投影到前盘体上，如图7所示；
（4）、使用曲面放样命令，叶片在前盘体上的上投影型线和叶片在后盘体上的下投影型线通过曲面放样功能生成空间曲面8，如图8所示；
（5）、叶片加厚：选择加厚命令，使空间曲面8沿法向加厚一定厚度，如图9所示；
（6）、使用圆周阵列功能，多个叶片圆周均布。
由于离心通风机的流动特点，在前盘体一侧，气流由轴向转为径向时是先收敛后扩压的，在转弯后扩压加剧，使沿前盘体附近的气流发生分离。由于这里扩压度大，分离区容易扩大并向出口播散开来。相反，在靠近后盘体一侧，气流先扩压后收敛，所以即使在开始转弯时稍有分离，但接着进入收敛阶段，分离就受到抑制，不易扩散，前盘体附近的气流最容易分离、恶化，分离流动的复杂性决定了该处熵值较高，带来了能量损失。由于气体在叶轮入口前子午面上的速度分布存在不均匀性，一般在前盘处的子午速度要大于后盘处，因此这一不均匀性导致前盘处的气流角较大，后盘处的气流角则较小，进而导致离心通风机常用的二元叶片可能在前盘处存在较大的冲角，因此对二元叶轮进行三元优化。
根据10%、50%、90%叶片叶高处S1流面的速度矢量分布，叶高处10%、50%、90%分别是指叶片靠近叶轮后盘处、叶片中部、叶片靠近前盘处。叶片叶高处10%入口角合适，叶高处90%也就是靠近前盘体处入口角需要调整但不宜过大，否则会造成叶片扭曲较大而不易加工。叶片4在后盘体5上的入口角α1为30°，叶片在前盘体上的进口安装角增加2°的时候效果最好，增加到6°的时候流场开始恶化，叶片4上距离后盘体5高度为叶片5整体高度的90%处在前盘体3上的入口角α2为32°。
为了使叶轮的子午面叶轮出口面的速度方向更加均匀，合理改变前盘体处的叶片中弧线，调整合适的叶片出口角，能使叶片载荷分布得到很好的优化。对前盘体侧的出口角进行调整减小叶片吸力面的流动分离。叶片4在后盘体5上的出口角β1为50°，通过计算得到，叶片出口安装角减小8°时流动分离最小，减小到12°的时候流场开始恶化，叶片4在前盘体3上的出口角β2为42°。
Claims (8)
1.动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，其特征在于：包括叶轮、电机（1）以及用于安装电机（1）的电机安装盘体（2），所述的叶轮包括前盘体（3）、后盘体（5）、轮毂（6）以及若干叶片（4），前盘体（3）和后盘体（5）的外径相同，叶片（4）的前缘端和尾缘端分别对应连接在前盘体（3）和后盘体（5）上，轮毂（6）固定在后盘体（5）的中心，且轮毂（6）与电机（1）的动力输出轴相连接，由电机（1）直接驱动叶轮，后盘体（5）固定在电机安装盘体（2）上；所述的叶片（4）为三元扭曲叶片。
2.根据权利要求1所述的动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，其特征在于：叶片（4）在前盘体（3）和后盘体（5）上的投影分别标记为上投影型线和下投影型线，上投影型线的中弧线和下投影型线的中弧线采用相切的双圆弧型线，且二者中弧线的形状不相同；根据上投影型线和下投影型线通过曲面放样生成空间曲面（8），使空间曲面（8）沿其法向加厚至叶片（4）所需板厚，即为三元扭曲叶片。
3.根据权利要求2所述的动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，其特征在于：上投影型线在前盘体（4）上的入口角为27~34°，上投影型线在前盘体（4）上的出口角为37~47°；下投影型线在后盘体（5）上的入口角为25~32°，下投影型线在后盘体（5）上的出口角为45~55°。
4.根据权利要求3所述的动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，其特征在于：上投影型线在前盘体（4）上的入口角为32°，上投影型线在前盘体（4）上的出口角为42°；下投影型线在后盘体（5）上的入口角为30°，下投影型线在后盘体（5）上的出口角为50°。
5.根据权利要求2所述的动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，其特征在于：上投影型线的中弧线由上弧线Ⅰ（11）和上弧线Ⅱ（12）组成，其中，上弧线Ⅰ（11）靠近前盘体（3）的外缘，上弧线Ⅱ（12）靠近前盘体（3）的中心，上弧线Ⅰ（11）和上弧线Ⅱ（12）的半径比为1.5~1.74；
下投影型线的中弧线由下弧线Ⅰ（9）和下弧线Ⅱ（10）组成，其中，下弧线Ⅰ（9）靠近后盘体（5）的外缘，下弧线Ⅱ（10）靠近后盘体（5）的中心，下弧线Ⅰ（9）和下弧线Ⅱ（10）的半径比为1.01~1.1。
6.根据权利要求1所述的动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，其特征在于：前盘体（3）上安装有集流器（7），集流器（7）的出气口与叶轮的进风口相连通。
7.根据权利要求1所述的动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，其特征在于：各叶片（4）在后盘体（5）的圆周方向均布，且各叶片（4）向相同方向弯曲。
8.根据权利要求1或7所述的动车、高铁牵引变压器冷却用三元流化离心风机，其特征在于：叶片（4）的个数为n，n为整数，且7≤n≤12。
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