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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 動(dòng)車(chē)組發(fā)動(dòng)機(jī)用冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 動(dòng)車(chē)組發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻通風(fēng)機(jī)的要求越來(lái)越高，目前同類(lèi)型風(fēng)機(jī)主要依賴(lài)進(jìn)口，因此盡快提高此類(lèi)風(fēng)機(jī)的自主設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化意義重大。本發(fā)明采用傳統(tǒng)一維熱力設(shè)計(jì)和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)和諧號(hào)某系列動(dòng)車(chē)組發(fā)動(dòng)機(jī)用離心冷卻通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)、三維實(shí)體建模，并利用NUMECA軟件對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，比選、確定最優(yōu)方案。完成制造樣機(jī)及氣動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。目前已經(jīng)替代進(jìn)口風(fēng)機(jī)，裝車(chē)投入運(yùn)行。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著我國(guó)鐵路電氣化線(xiàn)路建設(shè)的發(fā)展及列車(chē)運(yùn)行速度的提高，動(dòng)車(chē)組逐步成為我國(guó)的主要牽引動(dòng)力和運(yùn)輸工具。動(dòng)車(chē)組是一種動(dòng)力分散技術(shù)，運(yùn)行時(shí)不僅靠機(jī)車(chē)帶動(dòng)，車(chē)廂本身也具有動(dòng)力，可以達(dá)到高速的效果。由于動(dòng)車(chē)組具有安全性能好、運(yùn)量大、往返不需掉轉(zhuǎn)車(chē)頭、污染小、節(jié)能、自帶動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的青睞。 動(dòng)車(chē)組發(fā)動(dòng)機(jī)用冷卻通風(fēng)機(jī)是動(dòng)車(chē)組中的重要部件，一般每臺(tái)動(dòng)車(chē)組配有四臺(tái)牽引式離心冷卻通風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)復(fù)合式軸流冷卻通風(fēng)機(jī)。動(dòng)車(chē)組冷卻風(fēng)機(jī)要求其風(fēng)量大、壓頭高、重量輕、噪音低、受車(chē)廂結(jié)構(gòu)形狀、進(jìn)出口管道及運(yùn)營(yíng)狀況的影響，占用空間小。以上要求限定了動(dòng)車(chē)組的冷卻風(fēng)機(jī)是單級(jí)、大流量、高壓比等，這一系列的設(shè)計(jì)困難使得目前動(dòng)車(chē)組冷卻風(fēng)機(jī)主要都依懶進(jìn)口，解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組冷卻風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)意義重大。 在動(dòng)車(chē)組冷卻通風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)要求苛刻，且離心通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)十分復(fù)雜，這更增大了通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)難度。目前冷卻通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中都不同程度地存在低效運(yùn)行、可靠性差和噪聲大的問(wèn)題，為了保證設(shè)計(jì)通風(fēng)機(jī)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，必須對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理、流動(dòng)結(jié)構(gòu)和能量損失機(jī)理進(jìn)行深入的研究。 以往研究通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的方法大多是依靠經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn),近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)在很多領(lǐng)域都得以廣泛應(yīng)用。本發(fā)明采用傳統(tǒng)一維熱力設(shè)計(jì)和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)和諧號(hào)某系列動(dòng)車(chē)組發(fā)動(dòng)機(jī)用離心冷卻通風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)，在獲得的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸基礎(chǔ)上完成三維實(shí)體建模，并利用NUMECA軟件對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，比選、確定最優(yōu)葉輪內(nèi)部壓力速度分布方案。完成制造樣機(jī)及氣動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。和同類(lèi)型進(jìn)口風(fēng)機(jī)相比，在外形尺寸不變、轉(zhuǎn)速降低25.5%的條件下，全壓提高11.8%，成功實(shí)現(xiàn)此類(lèi)通風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化。 國(guó)產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)研究的 “和諧號(hào)”動(dòng)車(chē)組3C系列機(jī)車(chē)牽引電機(jī)冷卻用新型通風(fēng)機(jī)已通過(guò)國(guó)家“機(jī)械工業(yè)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心”的性能檢驗(yàn)，性能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，并得到了國(guó)內(nèi)外廠商的嚴(yán)格審查和認(rèn)可。 目前，本自主設(shè)計(jì)的新型高全壓大流量斜輪盤(pán)前向多翼葉輪離心冷卻通風(fēng)機(jī)已經(jīng)替代進(jìn)口通風(fēng)機(jī)，裝車(chē)投入運(yùn)行。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 動(dòng)車(chē)組發(fā)動(dòng)機(jī)高速、重載的特點(diǎn)使其對(duì)冷卻通風(fēng)機(jī)的要求越來(lái)越高，目前同類(lèi)型風(fēng)機(jī)主要依賴(lài)進(jìn)口，因此盡快提高此類(lèi)風(fēng)機(jī)的自主設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化意義重大。本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)一維熱力設(shè)計(jì)和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)和諧號(hào)某系列動(dòng)車(chē)組發(fā)動(dòng)機(jī)用離心冷卻通風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，完成三維實(shí)體建模，并利用NUMECA軟件對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，比選、確定最優(yōu)葉輪內(nèi)部壓力速度分布方案。完成制造樣機(jī)及氣動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。和同類(lèi)型進(jìn)口風(fēng)機(jī)相比，在外形尺寸不變、轉(zhuǎn)速降低25.5%的條件下，全壓提高11.8%，成功實(shí)現(xiàn)此類(lèi)通風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化。 設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析： （1）由于機(jī)車(chē)內(nèi)需要冷卻的動(dòng)力設(shè)備較多，結(jié)構(gòu)布置很復(fù)雜，冷卻空氣流動(dòng)阻力大，這就要求冷卻通風(fēng)機(jī)在提供大冷卻風(fēng)量的同時(shí)還必須具有很高的全壓； （2）由于受到機(jī)車(chē)內(nèi)空間和舒適度的限制，冷卻通風(fēng)機(jī)還要滿(mǎn)足占用空間小、噪聲低等要求； （3）在提高冷卻通風(fēng)機(jī)整體氣動(dòng)性能的同時(shí)還要保證運(yùn)行的高可靠性。 首先，在性能上，同時(shí)滿(mǎn)足高全壓和大流量的要求是矛盾的。對(duì)于一般離心風(fēng)機(jī)，若想兼顧高全壓和大流量，就要以犧牲一些其他的性能參數(shù)如效率為代價(jià)； 其次，原進(jìn)口風(fēng)機(jī)葉輪采用后彎翼型葉片，在提高性能參數(shù)后，此葉輪已不能滿(mǎn)足冷卻通風(fēng)要求，需要進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。 最后，由于國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)電機(jī)在供電頻率上的差異造成本設(shè)計(jì)中的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大大降低，在此基礎(chǔ)上提高出口全壓將面臨很多困難。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)是大流量、高揚(yáng)程、低噪聲、且占用空間小，我國(guó)通風(fēng)機(jī)譜系中的風(fēng)機(jī)均達(dá)不到這些要求。 （1）葉輪采用斜輪盤(pán)，兼顧了大流量和高全壓的要求，且使葉輪內(nèi)的流線(xiàn)形式更符合流動(dòng)特點(diǎn)，降低了流動(dòng)損失； （2）輪轂上加裝進(jìn)口導(dǎo)流罩，改善了葉輪進(jìn)口處的空氣流動(dòng)狀況，降低了通風(fēng)機(jī)由于進(jìn)口沖擊產(chǎn)生的噪聲； （3）葉片長(zhǎng)度的增加等同于增大單個(gè)葉片的有效做功面積，使葉片數(shù)有所減少，葉柵稠密度減小，從而降低了葉輪的加工難度。 研究成果作為某動(dòng)車(chē)組冷卻用通風(fēng)機(jī)替代進(jìn)口、進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用方案。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1.國(guó)產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)研究的 “和諧號(hào)”動(dòng)車(chē)組3C系列機(jī)車(chē)牽引電機(jī)冷卻用新型通風(fēng)機(jī)已通過(guò)國(guó)家“機(jī)械工業(yè)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心”的性能檢驗(yàn)，性能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，并得到了國(guó)內(nèi)外廠商的嚴(yán)格審查和認(rèn)可，現(xiàn)已替代原進(jìn)口風(fēng)機(jī)批量生產(chǎn)并裝車(chē)投入使用。 2.本作品獲遼寧省第十屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 已批量裝車(chē)，使用于和諧號(hào)三系列(HXD3C)機(jī)車(chē)
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 該產(chǎn)品已由大連機(jī)車(chē)二分廠批量生產(chǎn)，于動(dòng)車(chē)組“和諧號(hào)”3系列(HXD3C)機(jī)車(chē)裝車(chē)使用。
作品可展示的形式
- 圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高全壓大流量斜輪盤(pán)葉輪的離心通風(fēng)機(jī)，在提供高全壓大流量的情況下，克服傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)在大流量工作點(diǎn)運(yùn)行效率低和能耗大的缺陷，進(jìn)一步提高通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)效率、裝置效率和使用效率，以降低其消耗的功率在機(jī)車(chē)輔助功率中占有的比例，提高機(jī)車(chē)整體的運(yùn)行效率。 本文可以為透平機(jī)械數(shù)值分析作為參考，最終設(shè)計(jì)實(shí)物應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組“和諧號(hào)”3系列(HXD3C)機(jī)車(chē)，成功實(shí)現(xiàn)了此類(lèi)離心通風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 離心通風(fēng)機(jī)廣泛用于車(chē)輛、船舶、工廠、礦井、隧道、冷卻塔和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷卻。它主要由葉輪和機(jī)殼組成，葉輪是離心通風(fēng)機(jī)的主要部件，它的幾何形狀、尺寸、葉片個(gè)數(shù)和制造精度對(duì)性能有很大影響。 國(guó)內(nèi)通風(fēng)機(jī)的技術(shù)水平與國(guó)外大型企業(yè)相比存在較大差距，主要體現(xiàn)在中、小型通風(fēng)機(jī)產(chǎn)品外觀質(zhì)量較差、能耗較大，難以打入國(guó)際市場(chǎng)。因此，今后國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是以節(jié)能降耗為宗旨，這里既包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的節(jié)能，又包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行中調(diào)節(jié)控制方法的節(jié)能。首先需要通過(guò)應(yīng)用葉輪、蝸殼等元件的科研成果，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的加工制造精度，力求使各種通風(fēng)機(jī)的效率平均提高5%～10%；其次引進(jìn)消化吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效節(jié)能風(fēng)機(jī)；第三發(fā)展通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中調(diào)節(jié)工作的節(jié)能研究。 由于機(jī)車(chē)內(nèi)的空間相當(dāng)有限，對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的要求更高，在提供高全壓、大流量的同時(shí)，必須滿(mǎn)足噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等條件。而且在實(shí)際使用中，離心通風(fēng)機(jī)在大流量工作點(diǎn)的運(yùn)行效率較低，消耗電力較大，功率過(guò)高，其消耗的功率在機(jī)車(chē)輔助功率中占有較大比例，對(duì)機(jī)車(chē)整體的效率造成較大的影響。主要原因在于：現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)車(chē)用離心冷卻通風(fēng)機(jī)，它的葉輪輪盤(pán)都采用直輪盤(pán)結(jié)構(gòu)，所謂直輪盤(pán)就是葉輪輪盤(pán)和電機(jī)軸在主視圖中垂直，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但氣動(dòng)性能較差。在要求高全壓和大流量的情況下，直輪盤(pán)的葉輪需要很多的葉片，大約60～70片，這在一定程度上增加了葉輪制造的難度，提高了通風(fēng)機(jī)的成本。而且由于此類(lèi)風(fēng)機(jī)一般為單級(jí)懸臂式，葉輪進(jìn)口輪轂處大多為了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，未安裝導(dǎo)流裝置，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)進(jìn)口處空氣流動(dòng)狀況紊亂，產(chǎn)生沖擊，不僅造成了效率降低還產(chǎn)生了極大的噪聲。因此，需要設(shè)計(jì)改進(jìn)離心冷卻通風(fēng)機(jī)，進(jìn)一步提高其性能，降低其能量消耗。 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高全壓大流量斜輪盤(pán)葉輪的離心通風(fēng)機(jī)，在提供高全壓大流量的情況下，克服傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)在大流量工作點(diǎn)運(yùn)行效率低和能耗大的缺陷，進(jìn)一步提高通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)效率、裝置效率和使用效率，以降低其消耗的功率在機(jī)車(chē)輔助功率中占有的比例，提高機(jī)車(chē)整體的運(yùn)行效率。 本發(fā)明風(fēng)機(jī)和同類(lèi)型進(jìn)口風(fēng)機(jī)相比，性能得到較大改善，在外形尺寸不變，轉(zhuǎn)速降低25.5%的條件下，全壓提高11.8%，可以說(shuō)成功實(shí)現(xiàn)了此類(lèi)型通風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化。目前，本自主設(shè)計(jì)的新型高全壓大流量斜輪盤(pán)前向多翼葉輪離心冷卻通風(fēng)機(jī)已經(jīng)替代了進(jìn)口通風(fēng)機(jī)裝車(chē)投入運(yùn)行。
