一種客車多功能送風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)

潘鳴宇 霍天樞

（長春中車軌道車輛有限公司，吉林 長春 130012；吉林廣播電視大學(xué)，吉林 長春 130012）

隨著時代和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸及旅游市場不斷壯大，乘客對鐵路客車的功能有著越來越多的訴求，空調(diào)送風(fēng)裝置作為鐵路客車重要的組成部分之一，送風(fēng)裝置直接關(guān)系著車內(nèi)空氣的流動性，從而影響車內(nèi)環(huán)境的舒適度，同時送風(fēng)裝置必須滿足在鐵路客車運(yùn)行時車內(nèi)溫度與空氣環(huán)境的要求。就此本文根據(jù)送風(fēng)裝置應(yīng)用于客車設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需求，闡述了客車風(fēng)道的設(shè)計(jì)概念，對多功能靜壓風(fēng)道型送風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了硬座車區(qū)域送風(fēng)、硬臥與軟臥區(qū)域送風(fēng)以及自由區(qū)域送風(fēng)，使其滿足整車各區(qū)域的均勻送風(fēng)。

一、風(fēng)道的設(shè)計(jì)概念

客車風(fēng)道設(shè)計(jì)采用變截面風(fēng)道、靜壓風(fēng)道等類型。在已有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，為了使客車各空間同時均勻出風(fēng)，需在風(fēng)道中加大量調(diào)節(jié)裝置，而這種方法往往降低了風(fēng)道本身的工藝性能，使風(fēng)道結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，導(dǎo)致成本上升安全性下降；另外在實(shí)際運(yùn)用過程中，因?yàn)轱L(fēng)道斷面內(nèi)加入了大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致沿程阻力過大，為了克服阻力過大又需要加大送風(fēng)風(fēng)速與壓頭，這樣最直接的后果是使風(fēng)道在送風(fēng)過程中產(chǎn)生振動導(dǎo)致更大的噪音，同時從送風(fēng)的客室始端到末端會出現(xiàn)溫度不均勻的現(xiàn)象。本文以25型車平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)客車風(fēng)道的功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)了多功能送風(fēng)裝置，該裝置應(yīng)用于整車中能夠?yàn)楦鞣N功能區(qū)域送風(fēng)，實(shí)現(xiàn)分別為硬座、硬臥、軟臥與自由區(qū)域均勻送風(fēng)。同時通風(fēng)系統(tǒng)還能夠?yàn)槌藙?wù)員室送風(fēng)、洗面室送風(fēng)、衛(wèi)生間強(qiáng)制排風(fēng)、配電柜強(qiáng)制排風(fēng)以及電開水器排風(fēng)。采用平臺中經(jīng)典的條縫式靜壓風(fēng)道設(shè)計(jì)，風(fēng)道結(jié)構(gòu)中的設(shè)置分為主風(fēng)道與靜壓腔，通過減少復(fù)雜調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)，使風(fēng)道有很好的送風(fēng)均勻性，可以有效的降低所需送風(fēng)機(jī)壓頭。送風(fēng)具體形式有頂板可調(diào)格柵送風(fēng)、車頂條縫式風(fēng)口，頂板可調(diào)百葉式送風(fēng)等形式；回風(fēng)具體形式有頂板格柵回風(fēng)；排風(fēng)具體形式為格柵與多孔板風(fēng)口。從而保證其在結(jié)構(gòu)簡單且工藝性好的前提下滿足整車各區(qū)域的均勻送風(fēng)從而達(dá)到高性價比。

二、風(fēng)道結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

1、風(fēng)道主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

已知條件：空調(diào)機(jī)組額定送風(fēng)量，客車內(nèi)有效的風(fēng)道可用容積。

依據(jù)TB/T 1951-87《空調(diào)客車設(shè)計(jì)參數(shù)》要求：

客室內(nèi)微風(fēng)速夏季不超過0.25m/s；

冬季不超過2m/s；

送風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速5-8m/s；

回風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速3/5m/s；

送、回風(fēng)口處風(fēng)速1-3m/s。

在不影響總體性能的前提下簡化模型，部分?jǐn)?shù)據(jù)取近似值進(jìn)行計(jì)算。

（1）主風(fēng)道相應(yīng)參數(shù)的確定

根據(jù)車輛總體要求總風(fēng)量為L=4500m3/h，依據(jù)客車設(shè)計(jì)參數(shù)要求可設(shè)主風(fēng)道最高風(fēng)速為v=8m/s，由此得出主風(fēng)道所需截面積為S=0.156m2，即主風(fēng)道設(shè)計(jì)截面的理論面積S必須大于0.156m2才能滿足需要。

設(shè)計(jì)上采用了在客室頂板和碳鋼車車頂間的空間作為風(fēng)道布置空間。為了充分利用此空間，采取風(fēng)道頂與車頂隨形的形式，最大限度上利用車頂空間，同時支風(fēng)道送風(fēng)采用了燈帶隱蔽式送風(fēng)口結(jié)構(gòu)，在隱蔽的前提下最大化地利用了客室空間。最后在氣流經(jīng)過了風(fēng)道結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)與處理后經(jīng)過燈帶腔體再次被處理為穩(wěn)定的氣流，使其變成更為穩(wěn)定柔和的微風(fēng)進(jìn)入客室環(huán)境，氣流在風(fēng)道末端出風(fēng)口向下通過可調(diào)節(jié)格柵送入包間。圖1所示為風(fēng)道截面及相應(yīng)參數(shù)表示。

圖1 風(fēng)道截面及相應(yīng)參數(shù)表示圖

c為風(fēng)道總寬度，mm；

a為主風(fēng)道寬度，mm；

b為風(fēng)道高度，mm；

A為主風(fēng)道向靜壓腔送風(fēng)的條縫寬度，mm；

B為向客室送風(fēng)的燈帶開口寬度，mm；

R為隨車頂形的風(fēng)道頂部圓弧，mm；

v1為主風(fēng)道向靜壓腔送風(fēng)的風(fēng)速，m/s；

v2為靜壓腔內(nèi)風(fēng)速，m/s；

pd2為靜壓腔動壓，pa；

pd3為風(fēng)道送風(fēng)口動壓，pa。

由車輛斷面已將c、R兩變量確定，由經(jīng)驗(yàn)取值a=800mm，b=270mm，由風(fēng)道斷面結(jié)構(gòu)可得出主風(fēng)道截面積為S=0.209m2，相應(yīng)可求取主風(fēng)道風(fēng)速為v=6m/s，在鐵標(biāo)要求內(nèi)利用反求法得出a、b的值，再利用a、b推導(dǎo)出靜壓腔寬度。

（2）主風(fēng)道風(fēng)速的確定

在考慮主風(fēng)道與靜壓腔之間保持一定靜壓且最大程度上降低主風(fēng)道噪聲等級的前提下由經(jīng)驗(yàn)取值v1為5.5m/s，總風(fēng)量L=4500mm3/h經(jīng)由主風(fēng)道均勻向兩側(cè)靜壓腔送風(fēng)所需的面積為S≈0.23m2。送風(fēng)裝置布置中靜壓條縫風(fēng)道的總長度為13m，主風(fēng)道向兩側(cè)靜壓腔送風(fēng)占用的總長度為L1，按照風(fēng)道總長度的60%選取的話，則有：

包間送風(fēng)風(fēng)口面積為SF=0.6m2

（3）靜壓腔風(fēng)速與動壓

在客車靜壓風(fēng)道送風(fēng)原理中要求靜壓風(fēng)道內(nèi)的流體流速盡量小。由相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸推導(dǎo)出：

靜壓腔風(fēng)速v2≈0.33m/s

靜壓腔流體動壓Pd2=1/2×ρ×v22=0.07Pa

全壓中動壓占比越小，則整體越趨近于靜壓，從而利于均勻送風(fēng)。

（4）送風(fēng)口風(fēng)速與動壓

靜壓腔出風(fēng)口風(fēng)速為v3，相應(yīng)動壓為Pd3。風(fēng)道采用條縫出風(fēng)結(jié)構(gòu)，該風(fēng)速直接影響客室內(nèi)微風(fēng)速、出風(fēng)口噪音及客室溫度傳遞效果。應(yīng)用反求法先設(shè)定條縫送風(fēng)速度，由鐵標(biāo)相關(guān)要求，選取出風(fēng)口風(fēng)速為v3=2m/s，最后由風(fēng)口寬度、靜壓腔長度等參數(shù)確定出風(fēng)口風(fēng)速v3=1.3m/s，出風(fēng)口動壓為：

2、風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

條縫式靜壓風(fēng)道設(shè)計(jì)如圖2所示，支風(fēng)道距靜壓腔的起始端距離為Q，由于進(jìn)入靜壓腔的流體具有一定慣性，進(jìn)入靜壓腔后則繼續(xù)向后流動，這個慣性造成的空氣流動影響了進(jìn)入支風(fēng)道的空氣流量；若進(jìn)入靜壓腔后在某點(diǎn)的風(fēng)速為va，則該點(diǎn)相對于靜壓腔內(nèi)的橫向風(fēng)速為vc，縱向風(fēng)速為vb，在空氣混合及其它阻力的作用下vb隨行程的增大而衰減至零，從而影響風(fēng)速的均勻性。

圖2 條縫式靜壓風(fēng)道的送風(fēng)形式

若使支風(fēng)道距靜壓腔的起始端距離Q增大，且在主風(fēng)道前端條縫處設(shè)置適當(dāng)形式的擋風(fēng)板，可通過對擋風(fēng)板的數(shù)量及高度的更改來調(diào)節(jié)風(fēng)道起始段靜壓腔的風(fēng)量分配；在靜壓腔中設(shè)置適當(dāng)形式的多孔板，多孔板將靜壓腔分割為與條縫出風(fēng)口相連的送風(fēng)段和單獨(dú)隔開的靜壓腔平緩氣流段，平緩氣流段中的氣流通過多孔板進(jìn)入送風(fēng)段，再與主風(fēng)道進(jìn)入的氣流混合成更為穩(wěn)定的氣流組織進(jìn)而從出風(fēng)口送出。

三、送風(fēng)裝置的具體實(shí)現(xiàn)

多功能送風(fēng)裝置分別實(shí)現(xiàn)了座車區(qū)域送風(fēng)、硬臥與軟臥區(qū)域送風(fēng)以及自由區(qū)域送風(fēng)，如圖3所示。

圖3 多功送風(fēng)裝置布置

座車區(qū)域和自由區(qū)域送風(fēng)結(jié)構(gòu)為兩側(cè)支風(fēng)道向客室送風(fēng)，送風(fēng)裝置起始段為座車送風(fēng)區(qū)域，同時單獨(dú)為乘務(wù)員室送風(fēng)，該段盡量減少了導(dǎo)流板，減少了后方送風(fēng)道的各段送風(fēng)阻力，如圖4所示。

圖4 座車區(qū)域送風(fēng)斷面

硬臥與軟臥送風(fēng)區(qū)域由主風(fēng)道下部向下方送風(fēng)，其中硬臥部分風(fēng)口格柵有一定調(diào)節(jié)功能，軟臥部分為隱蔽條縫式風(fēng)口，在整個風(fēng)道結(jié)構(gòu)末端有送風(fēng)軟管為洗面室送風(fēng)，如圖5與圖6所示。

圖5 硬臥區(qū)域送風(fēng)斷面

圖6 軟臥區(qū)域送風(fēng)斷面

送風(fēng)風(fēng)道主體為條縫式靜壓送風(fēng)風(fēng)道，中間為主風(fēng)道，兩端為靜壓腔，后端臥車部分為主風(fēng)道的延續(xù)，直接從主風(fēng)道下方向客室送風(fēng)，通過特殊的調(diào)節(jié)裝置對臥車的氣流穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)。

四、結(jié)束語

本文闡述了客車風(fēng)道的設(shè)計(jì)概念，設(shè)計(jì)了一種多功能靜壓風(fēng)道型送風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)，完成了對風(fēng)道結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，通過計(jì)算出主風(fēng)道風(fēng)速以及靜壓腔的風(fēng)速和動壓，確定了送風(fēng)口的風(fēng)速和動壓，并對風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使更為穩(wěn)定的氣流組織從出風(fēng)口送出。文本所設(shè)計(jì)的客車風(fēng)道在保證在結(jié)構(gòu)簡單且工藝性好的前提下，能夠滿足整車各區(qū)域的均勻送風(fēng)達(dá)到高性價比。另外，在達(dá)到多功能送風(fēng)的設(shè)計(jì)要求前提下，可加入更多自動化控制的風(fēng)門或手動控制的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥從而使客室氣流均勻性和空氣品質(zhì)達(dá)到更高的水準(zhǔn)。

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