出口蘇丹CKD8S型內燃機車柴油機進氣系統防風沙設計

安曉雁, 王東屏, 袁士瑞

(1　北京二七軌道交通裝備有限責任公司　機車研發中心， 北京 100072；2　大連交通大學　機械工程學院, 遼寧大連 116028)

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出口蘇丹CKD8S型內燃機車柴油機進氣系統防風沙設計

安曉雁1, 王東屏2, 袁士瑞2

(1北京二七軌道交通裝備有限責任公司機車研發中心， 北京 100072；2大連交通大學機械工程學院, 遼寧大連 116028)

CKD8S型內燃機車是為蘇丹鐵路公司設計的交-直流電傳動內燃機車，該車運用時環境溫度高、風沙大且沙子的粒徑較小；針對惡劣環境，該車的柴油機進氣系統既要保證進氣的清潔度，又要保證進氣阻力滿足柴油機工作的需求。首先為防風沙在有限車體空間內優化布置過濾元件，采用了全新的設計方案；其次應用CFD方法對該車柴油機進氣通道的三維流場進行了數值仿真，獲取內部流場的信息，得到進氣通道各部分壓力損失的量化結果，對風道的設計方案給予評估；進氣阻力數值評估結果與該車出廠試驗獲得的試驗數據相吻合，說明數值計算結果準確可靠，也證實此車進氣系統的防風沙設計獲得成功。

CKD8S型內燃機車; 防風沙; 值仿真; 進氣道阻力評估

隨著我國內燃機車發展，不斷有非洲地區用戶多車型的需求，我國內燃機車性價比高和較短的交貨期是贏得用戶青睞的重要因素，除去配件的采購期、生產期，縮短設計周期是每個設計部門力爭做到的。傳統做法是進氣系統的設計較前實用車型有較大變化時應進行進氣系統的試驗或類比其他車型手工粗算進氣腔道阻力。通過試驗修改進氣系統中過濾元件布置和進氣通道的優化設計，這樣設計周期長，試驗成本高；因為腔道流場變化復雜，完全依靠類比其他車型手工粗算進氣系統阻力又缺乏準確度。

針對出口蘇丹CKD8S型內燃機車柴油機進氣系統防風沙設計，采用新的設計程序，首先為防風沙在有限車體空間內優化布置過濾元件，設計初步的布置方案，采用三維建模，應用CFD方法對該車柴油機進氣通道進行了數值仿真，獲取內部流場的大量微觀信息，對進氣通道各部分進行壓力數值評估。同時將進氣風道阻力數值評估結果與該車出廠試驗獲得的數據相比較，驗證數值計算結果的準確性。

1　結合車體有限空間設計進氣系統防風沙結構

為防風沙本車柴油機進氣系統采用了4級濾清，第1級為鋼板網及無紡布, 第2級為4組慣性式空氣濾清器, 第3級為6個紙筒濾清器,第4級為卡特比勒柴油機附件空濾器(單濾芯)；鋼板網能阻隔樹葉、紙片、塊狀物等體積較大的物體進入系統，防止進氣系統的堵塞，無紡布和4組慣性式空氣濾清器能濾掉空氣中較大的顆粒，6個紙筒濾清器和卡特空濾器對空氣進一步細濾，能濾掉空氣中較小的顆粒，卡特比勒柴油機附件空濾器(單濾芯)又進一步細濾小顆粒，這樣的多級濾清元件疊加使用； 6個紙筒濾清器增大了細濾的有效過濾面積和容塵量，并且進氣通道安裝密封，這樣保證了進氣過濾清潔度，起到防風沙的作用；在車體有限空間合理布置濾清元件及通道流暢是設計關鍵，4組慣性式空氣濾清器和6個紙筒濾清器安裝在進氣箱內，鋼板網及無紡布安裝在進氣箱門上，進氣箱安裝在柴油機輸出端主發電機兩側墻上，卡特比勒柴油機附件空濾器吊裝在車體內進氣箱斜上方，車體兩側對稱布置，系統布置圖如圖1所示，用CFD方法對該車柴油機進氣通道進行了數值仿真和內部流場模擬，反復微調修改流程通道設計，使進氣箱內部流場流暢并滿足進氣箱處內走廊通過能力，獲得本車最佳防風沙進氣系統布置圖。

2　選用濾清元件及阻力分析

對所選用的濾清元件在工作中的阻力進行了分析。

根據柴油機相關參數：最大進氣流量167.2 m3/min(標準工況)，柴油機增壓器前(干凈濾芯)≤3.7 kPa；所以單側增壓器空氣體積流量按5 040 m3/h。采用4組慣性式空氣濾清器并聯，則每個慣性式空氣濾清器流量為1 260 m3/h。

2.1氣流經慣性式空氣濾清器阻力

查相關表[1]:進氣口至清潔空氣出口阻力≤0.22 kPa。

2.2氣流經紙筒式濾清器阻力

采用6組紙筒式濾清器并聯，使經過慣性式空氣濾清器濾清后的空氣進一步過濾，根據廠家提供紙筒式濾清器試驗報告[2]，紙筒式濾清器原始阻力≤0.5 kPa。

圖1　進氣系統布置圖

2.3氣流經卡特空濾器(單濾芯)的阻力

查相關阻力曲線[3]得1.67 kPa。

2.4鋼板網組成的阻力

增加無紡布安裝結構如圖2示，這種結構可把大部分沙塵阻擋在車外。

圖2　粗濾裝置安裝

氣體流經無紡布及鋼板網的阻力≤0.3 kPa。

其中無紡布的阻力由專業生產廠試驗數據獲得≤0.18 kPa[4]。

2.5濾清元件總阻力

CKD8S型內燃機車方案行程中濾清元件原始總阻力≤0.22+0.5+1.67+0.3=2.69 kPa。

根據柴油機要求進氣阻力≤3.7 kPa，則進氣通道整行程總阻力≤1.01 kPa。

3　進氣通風道三維建模和CFD數值仿真檢驗進氣通道布置的合理性

3.1進氣通風道三維建模

進氣通風道三維建模如圖3所示，箭頭指向為空氣流動方向，虛線箭頭為內部空氣流動方向。

3.2進氣通風道三維流場的數值仿真

計算流體力學(CFD)是近代流體力學、數值數學和計算機科學結合的產物，是一門具有強大生命力的邊緣科學。近年來，CFD已經被越來越多地應用到各個工程領域中。通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關信息，是工程技術人員用于分析和解決問題的強有力工具[5]。應用CFD方法對CKD8S型內燃機車柴油機進氣通道流場進行數值仿真，對進氣道內慣性式空氣濾清器到紙筒濾清器之間的腔體、紙筒濾清器到卡特單濾芯空濾器之間的腔體、卡特單濾芯空濾器和柴油機之間的鋼管三維流場，分別做了數值計算。

進氣通道進氣箱的構成為：外界空氣經過門組成、直通旋流管式濾清器粗濾后由進風口進入風道，經過直通旋流管式濾清器到紙筒濾清器之間的腔體后，從紙筒側面進入紙筒空濾器過濾,再由6個出風口排出，通過6個進風口進入由1個出風口排出，通過紙筒濾清器到卡特單濾芯空濾器之間的腔體，進入卡特單濾芯空濾器過濾后，通過鋼管進入柴油機。圖4和圖5分別為進氣通道進氣箱上部和下部的計算模型。

圖3　進氣通風道方案模型

圖4　進氣通道進氣箱下部模型

圖5　進氣通道進氣箱上部模型

進氣通道進氣箱下部和上部流動腔體均采用四面體非結構性網格以適應復雜的幾何結構，進氣箱下部網格單元數為22.88萬個，進氣箱上部腔體網格單元數為16.81萬個，網格質量良好。

過濾器內部流場的空氣流動是三維、定常、不可壓縮流動。根據流場特點，描述空氣流動的控制方程包括連續性方程、Reynolds 時均Navier-Stokes 方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱RANS)以及湍流模型方程[6-7]。

隨著計算機硬件的發展及CFD軟件的成熟，采用CFD商業軟件進行工程計算及科研輔助日趨流行。本文采用了計算精度高且適用性好的Fluent流體分析軟件。

應用有限體積法中常用的SIMPLE算法對離散方程進行求解，離散方程時，對流項采用二階迎風格式，粘性項采用二階中心差分格式。

3.3計算結果分析

在柴油機轉速1 800 r/min，流量84 m3/min，進風口壓力為-1.2 kPa工況下，通過數值分析，獲得柴油機進氣通道進氣箱內部流場的量化結果。

圖6是進氣箱下部壁面壓力分布云圖。由于空氣行程較短，壓力沿程損失并不大。6個出風口壓力分布較均勻。進氣箱下部最大壓強差為進風口3與出風口6的壓力之差，即為

ΔP1=-1 215.30-(-1 350.66)=135.36Pa

故進氣箱下部的壓力損失，即氣體流經直通旋流管式濾清器到紙筒濾清器之間的腔體壓力損失為135.36 Pa。

從圖7中看出，入口氣流經過扁平的入口后,由于迎風面的阻擋作用,有回流現象，出口的流速分布均勻。

從圖8中看出，進氣箱上部拐角處由于風向的改變，氣流受到阻力，拐角大圓弧處壓力較大。出風口由于面積較小，氣體通過速度快，壓力較小。

根據數值計算結果及相關元件的數據得到CKD8S型內燃機車柴油機進氣通道的整個壓力損失。各部分/元件所產生的壓力損失如表1所示。

圖6　進氣箱下部壁面壓力分布

圖7　進氣箱下部截面速度分布

圖8　進氣箱上部壁面的壓力分布

經過計算，得到了柴油機進氣通道兩個腔體和鋼管的壓力沿程損失總和ΔP，即為進氣箱下部、進氣箱上部、鋼管壓力損失之和。

135.36+125.31+487.94=748.61Pa

則進氣通道整行程總阻力≤1.01 kPa, 根據設計要求，整個行程阻力P(柴油機進氣前)≤3.7 kPa。

經計算可得P=3 392.11 Pa≤3.7 kPa。計算表明該設計符合要求。

4　試驗運用情況

該車出廠前進行了試驗，柴油機加載時進氣系統阻力如表2所示。

在柴油機轉速1 800 r/min下，進氣阻力的計算結果是3.39 kPa，實驗值為3.1 kPa，相對誤差為9.35%。試驗數據表明，進氣阻力數值評估結果與該車出廠試驗

獲得的數據基本吻合，說明數值計算結果是準確的，同時也證明該車的進氣系統的防風沙設計滿足設計要求。

表2　柴油機進氣阻力實驗結果

5　結論

經過對柴油機進氣系統新的防風沙設計方案的確定、對進氣系統流場的數值分析及實車試驗的綜合研究，得出如下結論：

(1)經過數值分析結果和實車出廠試驗數據的對比，試驗值和計算結果的相對誤差為9.35%，滿足工程要求，說明數值計算結果是可靠的。

(2)試驗表明，進氣系統的進氣阻力為3.1 kPa，小于3.7 kPa，驗證了柴油機進氣系統的防風沙設計方案滿足設計要求。

(3)應用方案設計、數值分析及試驗驗證相結合的方法對柴油機進氣系統進行設計，是一種很好的全新設計思路。

[1]TB 2722-2008 內燃機車用空氣濾清器[S].

[2]盧文輝.圓筒式沙漠空氣濾清器檢驗報告, (2006)ZJZ(JL)字第W-335號[R].鐵道部產品質量監督檢驗中心.

[3]Caterpillar -3500 Airfilter options-AIR FILTERS - CIRCULAR - PERFORMANCE[Z].

[4]科德寶.ViledonP15系列超耐用濾棉(過濾級別G2-G4)產品使用說明[Z].寶翎無紡布(蘇州)有限公司

[5]王東屏,兆文忠,馬思群.CFD數值仿真在高速列車設計中應用[J].鐵道學報,2007,29(5):64-68.

[6]田紅旗. 列車空氣動力學[M].北京：中國鐵道出版社, 2007.

[7]王福軍. 計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社, 2004.Blown Sand Prevention Design for Diesel Engine Air Intake System of CKD8SDiesel Locomotives Exported to Sudan

ANXiaoyan1，WANGDongping2，YUANShirui2

(1Locomotive R & D Center, Beijing Feb.7th Railway Transportation Equipment Co., Ltd., Beijing 100072, China；2College of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028 Liaoning, China)

CKD8Sdiesel locomotive is a kind of AC-DC electric diesel locomotives which is designed for Sudan Railway Company. This kind of locomotives are working in conditions combined with high temperature，heavy wind and dust. Moreover, the size of the sand is small. According to the harsh environment, the locomotive′s engine air intake system should not only guarantee the purity of the air intake, but also ensure the air intake resistance to meet the working requirements of diesel engine. First of all, in order to prevent blown sand, this paper uses a new design about optimal layout of filter elements in the finite body space. Secondly, this paper adopts the method of CFD, conducts a numeric simulation in Three-Dimensional flow field of the diesel engine′s air intake channel, gains the information of internal flow field, obtains the quantitative results of partial pressure loss of the inlet channel, and evaluates the design of air duct. The numerical evaluate results of the air intake resistance are in agreement with the experimental data which is obtained from the ex-factory experiment. It is proved that the results of numerical calculation are correct and reliable, and it also confirms that the blown sand prevention design of the air intake system is successful.

CKD8Sdiesel locomotive; blown sand prevention; numeric simulation; air intake resistance evaluation

1008-7842 (2016) 02-0037-04

??)女，高級工程師(

2016-01-05)

U262.23+5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.08