新型市域列車的空調排水設計

□ 袁二娜

上海軌道交通設備發展有限公司 上海 201100

1 設計背景

隨著我國城鎮化進程的加快,市域列車因載客量大、快起快停、公交化服務等優點,逐漸成為城市之間重要的交通工具[1],大大緩解了人們通勤、通商、通學的交通壓力。空調機組是調節市域列車內保證空氣品質和乘客舒適性的關鍵設備,不間斷工作,會產生大量冷凝水。每臺空調機組的排水量每小時可達幾十千克,同時還有外界進入空調機組的雨雪水,這些水量匯集在一起,如不及時合理排放,小則滴水影響環境,大則排水倒灌車廂內影響列車運行[2-3]。特別是對于采用車下集排方式的列車而言,往往排放路徑會穿過車體,與多系統交匯,錯綜復雜,影響因素多且范圍廣,合理設計空調機組排水至關重要。筆者對120 km/h新型市域列車空調機組排水進行設計。

2 排水總體布置

120 km/h新型市域列車的設計填補了200 km/h城際動車組與80 km/h普通地鐵列車速度區間的空白[4],同時對車輛設計提出了更多更嚴格的要求。其中,空調機組排水不僅要滿足一般功能性要求,而且要確保在列車高速運行時不影響車廂內氣流的穩定性和空氣品質。120 km/h市域列車采用車頂一體式集成空調機組,車頂弧形設計,無擋水槽,不具備車頂排水條件。為避免空調機組產生的冷凝水和其它排水順延車窗及車外墻漫延,基于車體結構和空調機組布置,最終選擇豎向貫穿車體的車下集中排水方式。

3 空調機組內排水布置

每臺空調機組有兩個蒸發器,每個蒸發器設置單獨的接水盤[5],與空調機組底部排水管連通。空調機組內排水布置如圖1所示,冷凝水和雨雪水全部通過排水管排出空調機組。空調機組預留了與外部相連通的排水出口,可通過接頭、軟管等方式與空調機組外排水部件相連。對于空調機組而言,排水出口不易過多,否則既影響自身結構,又會提高車體排水線路的復雜度。每臺空調機組設置兩個排水出口,緩解單個排水出口的流量負擔,同時滿足冗余要求。具體管徑可根據排水量計算選擇。

▲圖1 空調機組內排水布置

4 車體排水布置

車體段選擇管路方式進行排水布置,以短路徑、小阻力、高密封、可維護性為原則來進行車體管路的具體布置。冷凝水從空調機組排出后,沿車體豎向一直流到車下排出。選擇離空調機組出水口最近的門立罩板區域豎向走管,以確保車體內段管路短和阻力小,降低后期管路堵塞的風險。此區域在后期維修中拆件少,易操作。排水管路從門立罩板下的底架穿到車下,在轉向架限界外設置排水出口,以免水流對轉向架區域的電子元件造成損傷。

車體排水布置如圖2所示。

▲圖2 車體排水布置

5 排水量計算

從空間考慮,空調機組內排水管擬采用內徑為18 mm的圓鋁管。因車體段路徑較長,為降低堵塞風險,在空間允許的情況下,盡可能選擇大管徑水管,于是車體排水管擬采用內徑為28 mm的圓鋁管。所選圓鋁管只要能滿足最惡劣工況下排水順暢要求即可。從列車運行的實際情況考慮,凝露工況是空調機組的最惡劣工況,產生的冷凝水量最大[6-7],基于此工況來計算排水量,驗證所選管徑是否能滿足排水要求。

空調機組空氣流量不小于4 500 m3/h,新風比為32.6。在凝露工況條件下,蒸發器進風干球溫度為27 ℃,濕球溫度為24 ℃,查濕空氣焓濕圖,干空氣含濕量為17.862 g/kg。蒸發器出風干球溫度為15.86 ℃,濕球溫度為14.37 ℃,查濕空氣焓濕圖,干空氣含濕量為9.747 g/kg。干空氣密度為1.214 kg/m3。凝露工況下空調機組的冷凝水量Q為:

Q=VρΔd

(1)

式中:V為空氣流量;ρ為干空氣密度;Δd為蒸發器進出風含濕量差值。

計算得冷凝水量為44.34 kg/h。

管徑計算采用式(2):

(2)

式中:D為排水管內徑;ζ為流速因數,圓管為0.6;g為重力加速度,取9.8 m/s2;H為水頭,為0.015 m。

計算得排水管內徑為7 mm,即僅考慮冷凝水時的排水管內徑。考慮雨雪水會增大排水量,加之管壁自身阻力大,實際排水情況為非滿管和非連續排放,安全因數取2,則排水管最小內徑為14 mm。空調機組排水管內徑18 mm和車體排水管內徑28 mm均大于14 mm,完全滿足各種工況下的排水要求。

6 具體設計

6.1 車體管路

市域列車每節車廂設置兩臺空調機組、四條排水管路。為降低漏水風險,每條排水管路盡可能用長管,減少接頭。每條排水管路中,穿過門立罩板區域用一根可拆卸鋁管,車下用一根可拆卸鋁管,車頂和底架分別焊接兩個過渡件,通過軟管將所有硬管連接起來,以喉箍緊固并涂密封膠,這樣既可以調整硬管裝配公差,又能夠保證密封不漏水,后期還可拆卸維護。

因為門立罩板下方是轉向架區域,電子部件較多,不得有連續性大量水流排放,所以車下管路要避開此區域,沿車體縱向走管最短要求距離后,設置排水出口。因為轉向架有豎向工作區間,所以盡可能貼底架下平面走管。考慮管壁的排水阻力,防止坡道停車水流倒灌或排水不暢,車下管路段還設計了大于3%的坡度。車體排水管路設計如圖3所示。

6.2 接水盒

車頂和底架焊接的兩個過渡件,涉及車體的密封性,須焊接可靠。其中,底架焊接一根同管徑的135 mm長鋁管,用以連接車體內穿過門立罩板區域的管路和車下管路。

車頂焊接的過渡件較為特殊。由于空調機組排水出口為水平方向,而管路豎向穿過車體,因此需要焊接折彎不小于90°的過渡件。但是,空調機組排水出口和車頂平臺僅有40 mm的落差,如果車頂直接焊接彎管,焊槍無法全周縫焊,車體密封性受損,外界雨水會進入車體。如果車頂焊接直管,連接空調機組排水出口和直管的彎管因空間不足而無法折彎。鑒于以上難點,對車頂焊接的過渡件進行特殊設計。

▲圖3 車體排水管路設計

設計一個自帶鉚螺母的鋁質接水盒,鉚螺母位于露在車頂外的接水盒內,伸入車體的接水盒尾端自帶一個鋁管接頭。接水盒如圖4所示。同時設計一個自帶鋁管接頭的法蘭。接水盒全周縫焊在車頂上,確保車體密封不漏水。焊接完成后,通過螺栓將法蘭固定在接水盒上,并涂密封膠密封。用夾布膠管將空調機組排水出口和法蘭連接,這樣既確保焊接可靠密封,又利于車體上管路安裝拆卸,同時給冷凝水從空調機組排出后一個緩沖空間。

▲圖4 接水盒

6.3 水封

列車高速運行時,周邊氣流波動較大。尤其是在進出涵洞路段,空調機組排水出口如果敞開設計,容易導致空調機組內外空氣互竄,影響空調機組的性能,并增大噪聲。對此,在車下排水出口設置水封[8-10]。水封材質為硅橡膠,用密封膠和喉箍配合,將水封緊固在鋁管端部。在有少量水流出時,封口可張開。無水流出時,封口會合上。這樣既滿足正常的排水功能,又保證空調機組內氣流穩定,防止外界雜物和蚊蟲進入空調機組。

7 結束語

120 km/h市域列車的車速高于普通地鐵列車,對車體和各系統的密封性要求較高。空調機組排水采用集中排放方式設計時,管路會與多系統交匯,復雜且難度大,不僅要考慮大排水量問題,而且要考慮管路穿過車體的焊接問題和后期拆卸維修問題。

另一方面,因排水出口在車下,排水出口選擇時要避開各種重要電子部件,并且與車下其它柔性零部件保持一定距離,避免這些零部件隨車體運行擺動時剮蹭排水管。

筆者綜合考慮多種影響因素和要求,對120 km/h市域列車空調機組排水進行設計,最終得到用戶認可。在設計中,采用接水盒和接頭法蘭,很好地解決了焊接和安裝拆卸問題。在排水出口增加水封,確保空調機組的高密封和氣流穩定,防止車外雜物蚊蟲進入堵塞管路。整套設計方案可以為其它類似軌道車輛項目提供參考。