基于有限元的主發(fā)電機進風道設(shè)計

1、    基于有限元的主發(fā)電機進風道設(shè)計    劉敬知摘 要：以160km客運內(nèi)燃機車為實例，結(jié)合有限元仿真技術(shù)和性能計算，設(shè)計出了滿足阻力要求的主發(fā)電機進風道，為今后的類似設(shè)計提供了參考。關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機車；風道；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元1.背景內(nèi)燃機車上有大量需要散熱的部件，要利用風道來連接風源，為其提供冷卻用風。但由于空間、結(jié)構(gòu)等原因，該類風道往往結(jié)構(gòu)復雜且異形結(jié)構(gòu)，能夠巧妙的布置符合要求的風道尤為重要。本文以160km客運內(nèi)燃機車為實例，并結(jié)合有限元仿真技術(shù)和性能計算，設(shè)計出了滿足阻力要求的主發(fā)電機進風道，為今后的類似設(shè)計提供了參考。2.工作原理首次在干線內(nèi)

2、燃機車上布置冷卻塔，該部件主要用于集中冷卻從機車主變流器、輔助變流器以及主發(fā)電機所產(chǎn)生的熱量。混流式主冷風機安裝在冷卻塔主體機架內(nèi)，首先由風機將冷卻空氣從機車電機室吸入，經(jīng)過冷卻塔散熱器，將冷卻液冷卻后，冷卻空氣從冷卻塔底部進入主發(fā)電機冷卻風道，最后對主發(fā)電機冷卻，隨后排向車外。部件外形具體見圖1：3. 主發(fā)電機進風道結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1方案設(shè)計風道設(shè)計時，應盡可能降低阻力來為整個系統(tǒng)騰出更多的設(shè)計余量。由于本例中受機車整體空間布局的限制，風道設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖2。3.2有限元仿真3.2.1 網(wǎng)格劃分為了更準確的計算風道阻力，需要借助仿真分析軟件ansys 14.0對箱體沿程阻力和局部阻力進行估算，本次分

3、析主要利用幾何模型處理工具ansys dm 、流體網(wǎng)格劃分工具icem cfd及流體動力學分析軟件fluent等軟件，最終得到風道的流場分布和阻力特性。從creo 2.0輸出到ansys中的模型，在ansys icem cfd中將模型處理為沒有厚度的壁面來進行網(wǎng)格劃分，針對進出口段增長了一部分管道，有利于提高cfd分析的收斂性以及分析精度。在該幾何模型的基礎(chǔ)上，使用icem cfd中的直接從幾何體上劃分網(wǎng)格的魯棒性高的octree的四面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型及流場場線見圖3和圖4：3.2.2 邊界條件及分析模型邊界條件見表1。分析模型見表2。3.2.3 分析結(jié)果通過收斂曲線、監(jiān)控變量的值是否不再變化及進出口流量差是否小于規(guī)定值來判斷分析過程是否收斂，獲得了風道阻力= 550pa。由于此阻力超過了設(shè)計需求，不滿足要求，需要設(shè)計優(yōu)化。4.改進方案4.1 優(yōu)化項點1）風道與冷卻塔座設(shè)計了連接式倒流板2）在風道直段處，設(shè)計了均衡風速的導流板3）增大進風口，具體結(jié)構(gòu)見下圖5、6：4.2 有限元仿真結(jié)果網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置同上，最后獲得優(yōu)化后風道最大流速為66.31m/s，風道阻力位340pa。仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求，見圖7。5.結(jié)論因為風道阻力與風速的平方成正比，所以在設(shè)計風道時需要盡可能的優(yōu)化結(jié)構(gòu)來降低風速。本文中通過優(yōu)化主發(fā)電機進風道的結(jié)構(gòu)，并通過有限元仿真，最終獲得了滿足要