基于多源约束的机车用冷却风机方案设计与优化研究

作     者：罗艾然 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王晓放

授予年度：2014年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：通风机 数值模拟 结构优化 国产化设计 性能改进 

摘      要：通风机是广泛应用于国民经济各个领域的通用流体机械。由于通风机压升低,单台能耗少,因此得不到足够重视,设计理论尚不完善。然而各种调查数据表明,消耗于驱动风机的能量约占年总发电量的10%,可见虽然单台通风机能耗较低,但在国民生产中,其总耗能量占有极大比例。因此,提高通风机的性能及效率,对节能降耗具有极其重要的意义。 传统通风机的设计,是通过大量的实验并不断改进得到性能优良的风机,针对不同流量和压力做成通风机谱系,再次应用时在谱系中选择,或者通过相似变换得到对应的通风机。随着中国铁路不断呈现出更加高速、重载的特点,其对内部发热元件的冷却通风要求越来越高,国内通风机谱系中对应的通风机已经不能满足其冷却通风要求,现大多依赖进口。尽快提高通风机的设计研发能力,代替进口,成为目前亟待解决的问题。 本文以3个工程实例为背景,应用CFD方法和优化理论,研究风机结构参数变化对其性能的敏感性,探索进口风机在转速降低,结构尺寸不变情况下的国产化设计方法,并应用于机车牵引风机的性能改进中。 其中第一部分,对某机车一号转向架用离心冷却风机进行国产化设计。主要应用CFD方法,从设计要求出发,针对设计难点,根据通风机基本原理进行多方案的叶轮一维气动设计、三维建模、数值模拟分析;总结几何参数对性能的敏感性;选择最优方案进行对应的多方案蜗壳气动设计,完成建模及数值模拟;最后得到最优的设计方案。 第二部分,以CKDOA内燃机车用牵引冷却离心通风机的性能校核为背景,结合CFD数值计算方法,对比校核数值计算结果与冷却通风要求,性能不能满足,需要进行改进设计;分析数值校核结果和后处理图,根据通风机基本原理和第一部分通风机叶轮几何参数与性能的敏感性结论,确定该风机的改进设计方案;对该风机进行多方案改进设计。 第三部分,针对某大功率机车用轴流冷却风机叶轮的国产化问题,基于人工神经网络代理模型,结合三维雷诺平均N-S方程进行优化设计。以叶片中弧线进口角、出口角和叶片的安装角为设计变量;以效率和静压升为优化目标函数。采用随机离散层取样方式,生成样本并进行三维流动分析,得到目标函数的模拟值;优化设计结果与原始模型相比在设计点和非设计点性能均有所提高。 以上三个工程实例均满足设计要求,现已装车运行。其中总结出来的经验可应用于今后进口风机的国产化设计,对其他类型风机的设计也具有借鉴意义。