刘沃鸿 王柳磊

摘 要： 为研究地铁隧道风机能效，本文采用数值模拟结合理论分析的方法，利用AutoCAD建立隧道风机二维模型，采用CFD通用求解器Fluent对风机进行能效模拟。结果表明，影响隧道风机能效的因素包括风机流量、叶片安装角度、电机功率、叶片翼型、内部结构及轮毂比等。最后提出了提高风机能效的建议。

关键词： 隧道风机;能效;理论分析;Fluent

1 绪论

地铁工程是一项旨在缓解城市交通压力，提高城市空间利用效率的重要市政工程。地铁通风空调系统是地铁工程的重要组成部分，其设计与应用的主要目的是满足地铁环境空气更新和空调温度调节等方面的需求，同时也为地铁乘客与工作人员提供良好的环境[1-2]。

在地铁通风空调系统中，地铁风机负责地铁空间内部与外部空间的气体交换，主要包括消防疏散、送排风、排烟等功能，对保证地铁安全运行的重要性不言而喻[3]。据统计，地铁通风排烟和空调系统耗电量占整个地铁耗电量的1/2～1/3[4-5]，其中车站隧道通风系统能耗约占整个车站通风空调能耗的15%，因此对风机进行优化从而提高风机的运行效率，降低风机能耗，将在一定程度上降低公司的运营费用，实现车站节能。

2 风机能效分析

根据国内地铁风机目前的市场需求及生产情况，我国地铁风机可以分为三类：射流风机、双向轴流风机（可逆转轴流风机）、单向轴流风机[6]。

2.1 地铁隧道风机

地铁隧道风机（Fan for Tunnel Ventilation，以下简称TVF风机）为可逆转轴流风机，具有保持风量和全压基本不变、可正反运行等优点。同时TVF风机还具有防喘振、耐高温及结构简单等特性，能应用于地铁特殊的运行环境。

TVF风机作为隧道事故冷却风机，在地铁系统中属于一类负荷设备。主要用于地铁每日运营前0.5h和运营结束后0.5h隧道的通风除湿，或列车阻塞、火灾时的通风和排烟。其正转或反转运行由运行模式决定，以达到向隧道排风、送风的目的。风机机房一般布置在车站两端，每端各设两台风机，分别对应上行线、下行线区间。当列车处于阻塞或火灾工况时，区间两端车站TVF风机视情况可单机运行或多机串、并联运行。

2.2 隧道风机能效分析

能效指在能源利用中，发挥作用的与实际消耗的能源量之比。TVF风机能效应符合《通风机能效限定值及能效等级》[7]（GB19761-2009）及《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》[8]（GB 18613-2012），具体要求如下所示。

（1）通风机的能效等级分为3级，其中1级能效最高，3级能效最低;

（2）对于采用普通电动机的通风机，以使用区最高通风机效率作为能效等级的考核值。

ηr= qvsg1·pF·kp 1000Pr   （1）

式中：

ηr——通风机效率，%;

qvsg1——通风机进口滞停容积流量，单位为立方米每秒（m3/s）;

kp——压缩机修正系数;

Pr——叶轮功率，即供给通风机叶轮的机械功率，单位为千瓦（kW）;

pF——通风机压力，单位为帕（Pa）。

一方面，传统风机流量设计一般以最大风量计算，其流量调整方式包括回流、设置挡板、启停电动机以及风门等，不仅无法形成闭合回路，且风机能耗较大。另一方面，传统风机的电气控制采用直接或Y-△起动，无法进行软启动，对设备机械冲击大，产生较大震动及噪音，使得传动系统寿命短、电源容量大、效率较低。

本文选取了广州地铁NXT-17RNO  -  16A型（正反风系列高温消防排烟轴流通风机）TVF风机作为能效理论分析模型，从影响风机能效的几个主要因素如电动机功率、风机流量、叶片安装角度对风机进行具体能效分析。

NXT-17RNO  -  16A型高溫消防排烟轴流通风机为正反风系列，采用电机直连传动，叶轮直径为1600mm，转速n=730r/min， 可配用Y180L-8、Y200L-8、Y225SL-8、Y225M-8等型号电机。根据NXT-17RNO  -  16A风机额定值绘制流量—效率、叶片安装角度—效率图，为有效进行风机能效分析，本文还绘制了NXT-17RNO  -  18A风机能效图进行对比分析，具体如下。

图1为隧道风机流量—效率图，从图中可以看出NO  -  16A和NO  -  18A两种机型效率随流量的增加出现了先升高后降低的趋势，风机效率在两种机型流量分别为30.93m3/h和44.05m3/h达到最高值，为75.1%。从效率最高点到效率最低点，效率下降了15.45%，两种机型流量分别下降17.02%和17.29%。

图2为风机叶片安装角度—能效图，从图中可以看出，风机效率随叶片安装角度出现了升高后趋于平缓的趋势。安装角度为22°时NO  -  16A机型效率最高，为72.68%;安装角度为28°时NO  -  18A机型效率最高，为65.49%。

由图1、图2综合可知，风机取得最大效率的流量和安装角度均随叶轮直径的增加而增加，而风机最大效率不随叶轮直径的变化发生改变，但随安装角度的增大而减小。因此，风机流量和叶片安装角度能较大地影响风机能效值，合理的设计风机入口风速、风机流量和叶片安装角度，对提高能效、减少能源浪费起到较好的作用。

此外，电动机功率对影响风机能效也起到了较大作用，具体如下表所示。

3 能效模拟分析

以NXT-17RNO  -  16A型TVF风机为模拟对象，利用AutoCAD建立该风机二维几何模型，采用CFD通用求解器Fluent对风机进行能效模拟，旨在对影响隧道风机能耗的因素进行分析。最后结合模拟数据对风机进行优化，提出提高风机效率的建议。

3.1模型建立

图3为TVF风机实物图，图4为采用AutoCAD建立的TVF风机几何模型，以此为模型进行模拟分析，其中AB端为风机正转进口端、CD为出口端、E为电动机及叶片几何模型，具体如下图所示。

3.2 边界条件

以图4为模型，其中AB端为风机进风端，设定为速度入口（velocity-inlet），CD端为风机出口端，设定为自由出流outflow。采用有限体积法离散控制方程，对风机的三维定常流场进行分离式隐式求解。计算采用标准k-epsilon湍紊流模型，近壁区的流动模拟采用标准壁面函数，差分格式为二阶迎风差分格式，压力-速度耦合采用标准SIMPLE算法进行求解[9]。

3.3 模拟结果分析

利用网格工具Gambit进行网格划分，划分为三角形网格。模拟结果如图7、图8所示。

图7为NXT-17RNO16A型轴流通风机涡流云图，从图中可以看出在风机入口及电机位置易产生涡流，风机效率因涡流数量增多而降低。一种易产生较大涡流损失的方法是使用带有底座和安装架的电机，使得静叶支撑不能沿圆周方向均匀分布。电机底座（超出轮毂直径）和电机安装架均成为流道中的障碍物，由此导致较大附加噪声和涡流损失，目前国内外一致认为应淘汰这种落后结构，且各类风机设计手册应明确表明避免采用这种结构型式。

图8为NXT-17RNO16A型轴流通风机速度流线图，从风机整体的流场与气动结构综合考虑，在结构上风机应保证内部流道光滑、无阻，以减少不必要的内部压力损失，进而提高风机的整体运行效率并降低噪声。

目前B5型内置电机是国内外公认的先进电机，如上海地铁1号线从德国进口的voith风机（如图9、图10所示）。其流道结构合理，出风侧整流内筒（内机匣）直径与轮毂相同，形状为圆筒形，静叶支撑沿圆周均匀分布，有利于提高风机效率。

（1）不同叶片翼型能效分析。TVF风机要保证在正转和反转工况下都具有相同或相近的风机性能，故对其叶片的翼型就有着特殊的要求——在正向和逆向送风时，翼型都能提供良好的气动性能。

根据地铁可逆轴流通风机翼型的使用要求，常用的翼型有3种常见形式：S形机翼翼型、S形圆弧板翼型和平直板翼型。本文对这3种常用翼型进行了流场数值模拟计算，通过对比分析，确定采用哪一种翼型更适合地铁可逆转轴流通风机。

图11中a、b、c分别给出3种翼型风机叶片径向350mm处剖面上的流场相对速度矢量分布。可以看出，3种翼型叶片都没有发生流动分离，说明叶片安装角设计合理。机翼翼型前后缘流场流动性能最好，出口速度分布比较均匀，而且速度偏转相对较小，流动损失最小，风机效率为66.67%。圆弧板翼型风机效率为61.75%。平直板翼型流动性能最差，流动损失最大，风机效率为60.26%。

经过以上对比分析可以看出，S形机翼翼型流动性能最好，流动损失最小，效率最高，总体性能最好。S形圆弧板翼型流动性能居中，平直板翼型流动性能最差。因此，S形机翼翼型更适合地铁可逆转轴流风机采用。

（2）不同轮毂比能效分析。由于地铁隧道在日常通风、列车阻塞与火灾排烟时叶轮需正反转都能运转，并且正反转两个工况风机的流量Q与全压P要基本保持一致。因此，风机结构设计上只能采用叶轮前后无导叶的单独叶轮级的设置。

根据空气动力学理论，轴流风机中气流的运动形式是旋涡流动与轴向流动叠加而成的螺旋形轴向流动，叶栅出口流动损失功耗为：

NDS=2QP/ ρω2R2 1+γ2    （2）

式中：

NDS——风机功率损耗，%;

ρ——空气密度，Kg/m3;

ω——风机角速度，rad/s;

R——叶轮半径，m;

γ——轮毂比。

在给定流量Q与全压P条件下，适当选取较大的叶轮直径R与轮毂比γ有益于降低轴流风机的功率损耗NDS。

4 结论

本文对地铁隧道风机能效进行了理论分析与数值模拟。结果表明，风机流量及安装角度等能较大影响风机能效，风机效率随流量增加呈现先上升后下降的趋势，随叶片角度增大呈现先增加后趋于平缓趋势。合理的设计风机流量、叶片安装角度、叶片翼型及轮毂比等对提高能效、降低成本具有重要作用，具体提高隧道风机能效的建议措施如下：

（1）合理选择风机流量：NXT-17RNO  -  16A型流量在为30.93m3/h效率达到最高值;

（2）叶片角度应根据风机入口风速、功率、流量等进行设计安装;

（3）可配置变频电机功率，根据行车对数及隧道内温度来控制风机的运行频率;

（4）在结构上风机应保证内部流道光滑、无阻，以减少风机不必要的内部压力损失;

（5）叶片翼型选择S形机翼翼型可有效降低流动损失，提高能效;

（6）适当选取较大的叶轮直径与轮毂比有益于降低轴流风机功率损耗。

地铁通风系统设备多、耗能大，隧道风机作为通风系统重要的组成部分，提高其能效有较大的实用意义。技术人员应从最初的设备选型到后期设备运行综合考虑，全面了解提高风机能效的措施。

参考文献：

[1]张胜利，席德科，李华星，等.高效低噪地铁风机气动设计及数值模拟[J].机械设计与制造，2011（8）：216-218.

[2]胡维撷.地铁风机及配套设备的合理选用[J].地下工程与隧道，1991（4）：30-34.

[3]程远维.地铁通风空调系统设计及节能研究[J].建材与装饰，2018（40）：274-275.

[4]刘华永.动叶可调地铁风机研究[J].流体机械，2018，46（05）：25-30.

[5]朱俊亮.地鐵通风空调系统现状及改进可行性研究[J].节能与环保，2018（02）：62-65.

[6]田彬，席德科，徐燕飞，等.轴流通风机内部流场数值研究[J].风机技术，2004（5）：10-13.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB19761-2009.通风机能效限定值及能效等级[S].北京：中国标准出版社，2010-09-01.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB18613-2012.中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级[S].北京：中国标准出版社，2012-09-01.

[9]梁之博，席德科，赵旭，等.不同叶片翼型可逆转地铁轴流通风机的数值模拟[J].风机技术，2018（6）：11-13.

作者简介： 刘沃鸿（1987—），男，汉族，广东广州人，硕士，工程师，研究方向：城市轨道交通机电一体化;王柳磊（1987—），男，汉族，河南驻马店人，硕士，研究方向：城市轨道交通机电一体化。

科技风2020年19期