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摘要：本文提出一种新的装置，对制动电阻风机的设计提供参数。
强迫风冷式制动电阻装置风机设计计算方法通过散热性能及风道系的定性分析和计算，确定在电阻制动额定功率下风机风量、风压，为风机选型提供设计参数。该法对制动电阻装置的设计具有一定的指导意义。
关键词：制动电阻 散热 风量 风机选型
【分类号】：U262.6
1前言
制动电阻是内燃机车电传动系统中的重要部件，工作是否可靠将直接影响机车牵引长大列车的安全运行。近年来，由于机车功率的提升，制动电阻装置的功率随之增大，而受机车结构尺寸的限
制，要求制动电阻要体积小、重量轻，由此给制动电阻的通风散热设计提出了较高的要求。
制动电阻装置设计涉及传热学、空气动力学、电机学等多个学科。受机车轴重及空间限制，该装置风机的设计要求尽可能紧凑、高效和耐高温，既要求有足够的风量和风压提供给电阻柜，满足电阻散热要求，又要求选型的风机体积、质量不可过大，并避免高噪声。
传统的制动电阻装置风机设计依赖于经验数据估计风机功率，待模型样机完成后，再进行风机冷吹风试验，然后通过调节电机功率或调整风叶角度的方法找出风机最佳工作点。此方法需多次反复才能得到理想的风机参数，设计成本高，试制周期长。
笔者结合自己多年来在内燃机车制动电阻设计中积累的经验，对制动电阻装置散热性能及流道系统阻力进行了定性分析和定量计算，摸索出了一套简捷的计算方法，在此以供同行一起探讨。
2设计依据
强迫风冷式制动电阻装置由风机、过渡风道及电阻柜组成（见图1）。风机将一定速度的冷空气吹入电阻柜，冷却空气在电阻柜内吸收高温电阻带散发的热量后，排人大气。
由风机设计可知，风机的功率（N=HV/ η）与风量V、风压H有关。在制动电阻装置中，风机的风量V为流经电阻柜的风量，该风量应满足制动电阻装置在额定功率下电阻柜散热的需要；风机的风压日等于静压（装置空气阻力）加动压（风机产生的压头）。由此，通过风量、风压的计算，就可确定风机的功率。
3风机风量的确定
3.1定性分析
由图1可见，流经制动电阻装置的风量V=3600A1u1 （1）式中：A1为出风口面积，m2；u1为出风口风速，m/s。
由式（1）分析，A1为设计值，因此，只需求出u1，便可计算出 V0 .
为方便计算，将电阻柜视为一个大功率散热器，在热平衡状态下，空气的吸热量Q X括对流散热量QX1辐射散热量QX2等于电阻的发热量Qf（等于电阻电功率P），即
P=Qf=QX= QX1+ QX2
（2）据此热平衡方程式即可计算出出风口风速u1，进而求得风量V0 。
3.2风量计算
对流散热量
QX1=CP1*U1ρ1出A1*△t1
（3）式中：CP1为柜内平均温度下的空气比定压热容，J/（kg·K）；ρ1出为出风口空气密度，kg/m3；△t1为经电阻柜后的空气温升，℃。
辐射散热量
式中：A2为电阻带的辐射面积，m2；占为电阻带热辐射系数；TW
为外层电阻带与内层电阻带的几何平均温度，K；Tf为电阻柜进口空气与出口空气几何平均温度，K。
将式（3）、式（4）代人式（2），可求出风量V0
3.3计算中应注意的问题
电阻柜中的辐射散热应在电阻带与其临近的空气之间进行，故辐射面积A2应为电阻带侧面积。因流道内空气和电阻带的温度从进口到出口呈线性升高，故温度TW应为外层电阻带与内层电阻带的几何平均温度，Tf为柜内进口空气与出口空气的几何平均温度。
由于目前国内还没有同类型式散热装置的详细研究数据，这里对出风口空气温度、电阻带温度的确定是以电阻带材质要求及各型制动电阻研究性试验、型式试验数据为基础进行的。计算时，取出风口空气平均温度200℃，电阻带平均温升400℃较为合适。
4风机全压的确定
忽略自然风压的影响，风机全压H为装置的空气阻力hr，和风机产生的动压hW和，即
H=hr+hW
4.1装置空气阻力
装置空气阻力hr包括空气在过渡风道中的 风阻hr1及在电阻柜阻力hr2两部分，即hr= hr1+ hr2
4.1.1过渡风道阻力
由于风扇出口为圆形截面，而电阻柜进口为矩形截面，因此在风机和电阻柜之间需增加从圆形到矩形变化过渡风道；同时，为保、正出风均匀，在扇叶轮毂处安装导流锥及导风板，使流道较光滑地完威
从圆到方的变化，避免流道突然扩张引起流场不均匀及风阻加大。
4.1.2 电阻柜风阻
电阻柜由若干个电阻单元组成，每个电阻单元由一定阻值的电阻带叠绕而成，为满足散热要求，电阻带表面为波纹状排列。其中空气的流动非常复杂。为进行损失计算必须先对其进行简化。
4.2风机动压
风机动压
（5）式中：ρ为风机出口空气密度，Ca机空气轴流速度。
5风机功率计算
风机功率
（6）式中：v为风量；H为全压；η为风机效率。
由于风压值是在20℃、标准大气压下计算的，当环境温度、海拔高度发生变化时，空气密度将发生改变，通风机性能曲线和系统阻力特性将随之改变，工作点也会随之漂移，电机的轴功率会因风压的变化而改变，设计中应注意这一点。
6风机工作点的确定
用式（6）可以计算不同风量V下的装置风压H，并得到装置的V-H特性曲线。它与风机的Vf-Hf特性曲线，用相同的比例、相同的单位绘制在同一直角坐标图上，两条曲线的交点，即为风机在该装置中的运行工作点。
风机的Vf-Hf特性曲线是在风机某一转速下得到的，风机转速改变，其特性曲线偏移，装置将会在新的工作点工作。但不论在哪一个工作点工作，风量必须满足在额定功率下电阻柜散热的要求。
7 结语
（1）由上述分析计算可见，不合理的结构设计是导致系统阻力增大，风量、风压失衡，风机效率不高的重要因素。因此，在制动电阻装置设计时应尽量减小流道的突缩、突扩，保证流道光滑，合理确定
影响系统阻力的各项参数，才能设计出尽可能紧凑、高效的制动电阻装置。
（2）为了避免繁琐的计算，在对电阻柜结构初步设计的基础上，可用EXCEL进行变量求解的方法，合理设计突起高度、突起圆弧半径、流道截面积、电阻带层数、电阻柜总长、流道当量直径和电阻柜进出口面积等参数，使阻力系数达到理想的范围。
（3）本计算方法通过求解制动电阻装置在热平衡状态下的出风口风速，从而得到风机的风量、风压。该方法已在模块化DFl0DDA外走廊机车顶置式制动电阻装置的设计中得到验证。
（4）影响风机功率选烈的因素较多，风叶的选型也是重要因素，这里不再赘述。
8 参考文献：
[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998.
[2] 王补宣.动力工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3]文严.制动电阻通风及温升计算探讨[J].电力机车技术，2002，
强迫风冷式制动电阻装置风机设计计算方法通过散热性能及风道系的定性分析和计算，确定在电阻制动额定功率下风机风量、风压，为风机选型提供设计参数。该法对制动电阻装置的设计具有一定的指导意义。
关键词：制动电阻 散热 风量 风机选型
【分类号】：U262.6
1前言
制动电阻是内燃机车电传动系统中的重要部件，工作是否可靠将直接影响机车牵引长大列车的安全运行。近年来，由于机车功率的提升，制动电阻装置的功率随之增大，而受机车结构尺寸的限
制，要求制动电阻要体积小、重量轻，由此给制动电阻的通风散热设计提出了较高的要求。
制动电阻装置设计涉及传热学、空气动力学、电机学等多个学科。受机车轴重及空间限制，该装置风机的设计要求尽可能紧凑、高效和耐高温，既要求有足够的风量和风压提供给电阻柜，满足电阻散热要求，又要求选型的风机体积、质量不可过大，并避免高噪声。
传统的制动电阻装置风机设计依赖于经验数据估计风机功率，待模型样机完成后，再进行风机冷吹风试验，然后通过调节电机功率或调整风叶角度的方法找出风机最佳工作点。此方法需多次反复才能得到理想的风机参数，设计成本高，试制周期长。
笔者结合自己多年来在内燃机车制动电阻设计中积累的经验，对制动电阻装置散热性能及流道系统阻力进行了定性分析和定量计算，摸索出了一套简捷的计算方法，在此以供同行一起探讨。
2设计依据
强迫风冷式制动电阻装置由风机、过渡风道及电阻柜组成（见图1）。风机将一定速度的冷空气吹入电阻柜，冷却空气在电阻柜内吸收高温电阻带散发的热量后，排人大气。
由风机设计可知，风机的功率（N=HV/ η）与风量V、风压H有关。在制动电阻装置中，风机的风量V为流经电阻柜的风量，该风量应满足制动电阻装置在额定功率下电阻柜散热的需要；风机的风压日等于静压（装置空气阻力）加动压（风机产生的压头）。由此，通过风量、风压的计算，就可确定风机的功率。
3风机风量的确定
3.1定性分析
由图1可见，流经制动电阻装置的风量V=3600A1u1 （1）式中：A1为出风口面积，m2；u1为出风口风速，m/s。
由式（1）分析，A1为设计值，因此，只需求出u1，便可计算出 V0 .
为方便计算，将电阻柜视为一个大功率散热器，在热平衡状态下，空气的吸热量Q X括对流散热量QX1辐射散热量QX2等于电阻的发热量Qf（等于电阻电功率P），即
P=Qf=QX= QX1+ QX2
（2）据此热平衡方程式即可计算出出风口风速u1，进而求得风量V0 。
3.2风量计算
对流散热量
QX1=CP1*U1ρ1出A1*△t1
（3）式中：CP1为柜内平均温度下的空气比定压热容，J/（kg·K）；ρ1出为出风口空气密度，kg/m3；△t1为经电阻柜后的空气温升，℃。
辐射散热量
式中：A2为电阻带的辐射面积，m2；占为电阻带热辐射系数；TW
为外层电阻带与内层电阻带的几何平均温度，K；Tf为电阻柜进口空气与出口空气几何平均温度，K。
将式（3）、式（4）代人式（2），可求出风量V0
3.3计算中应注意的问题
电阻柜中的辐射散热应在电阻带与其临近的空气之间进行，故辐射面积A2应为电阻带侧面积。因流道内空气和电阻带的温度从进口到出口呈线性升高，故温度TW应为外层电阻带与内层电阻带的几何平均温度，Tf为柜内进口空气与出口空气的几何平均温度。
由于目前国内还没有同类型式散热装置的详细研究数据，这里对出风口空气温度、电阻带温度的确定是以电阻带材质要求及各型制动电阻研究性试验、型式试验数据为基础进行的。计算时，取出风口空气平均温度200℃，电阻带平均温升400℃较为合适。
4风机全压的确定
忽略自然风压的影响，风机全压H为装置的空气阻力hr，和风机产生的动压hW和，即
H=hr+hW
4.1装置空气阻力
装置空气阻力hr包括空气在过渡风道中的 风阻hr1及在电阻柜阻力hr2两部分，即hr= hr1+ hr2
4.1.1过渡风道阻力
由于风扇出口为圆形截面，而电阻柜进口为矩形截面，因此在风机和电阻柜之间需增加从圆形到矩形变化过渡风道；同时，为保、正出风均匀，在扇叶轮毂处安装导流锥及导风板，使流道较光滑地完威
从圆到方的变化，避免流道突然扩张引起流场不均匀及风阻加大。
4.1.2 电阻柜风阻
电阻柜由若干个电阻单元组成，每个电阻单元由一定阻值的电阻带叠绕而成，为满足散热要求，电阻带表面为波纹状排列。其中空气的流动非常复杂。为进行损失计算必须先对其进行简化。
4.2风机动压
风机动压
（5）式中：ρ为风机出口空气密度，Ca机空气轴流速度。
5风机功率计算
风机功率
（6）式中：v为风量；H为全压；η为风机效率。
由于风压值是在20℃、标准大气压下计算的，当环境温度、海拔高度发生变化时，空气密度将发生改变，通风机性能曲线和系统阻力特性将随之改变，工作点也会随之漂移，电机的轴功率会因风压的变化而改变，设计中应注意这一点。
6风机工作点的确定
用式（6）可以计算不同风量V下的装置风压H，并得到装置的V-H特性曲线。它与风机的Vf-Hf特性曲线，用相同的比例、相同的单位绘制在同一直角坐标图上，两条曲线的交点，即为风机在该装置中的运行工作点。
风机的Vf-Hf特性曲线是在风机某一转速下得到的，风机转速改变，其特性曲线偏移，装置将会在新的工作点工作。但不论在哪一个工作点工作，风量必须满足在额定功率下电阻柜散热的要求。
7 结语
（1）由上述分析计算可见，不合理的结构设计是导致系统阻力增大，风量、风压失衡，风机效率不高的重要因素。因此，在制动电阻装置设计时应尽量减小流道的突缩、突扩，保证流道光滑，合理确定
影响系统阻力的各项参数，才能设计出尽可能紧凑、高效的制动电阻装置。
（2）为了避免繁琐的计算，在对电阻柜结构初步设计的基础上，可用EXCEL进行变量求解的方法，合理设计突起高度、突起圆弧半径、流道截面积、电阻带层数、电阻柜总长、流道当量直径和电阻柜进出口面积等参数，使阻力系数达到理想的范围。
（3）本计算方法通过求解制动电阻装置在热平衡状态下的出风口风速，从而得到风机的风量、风压。该方法已在模块化DFl0DDA外走廊机车顶置式制动电阻装置的设计中得到验证。
（4）影响风机功率选烈的因素较多，风叶的选型也是重要因素，这里不再赘述。
8 参考文献：
[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998.
[2] 王补宣.动力工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3]文严.制动电阻通风及温升计算探讨[J].电力机车技术，2002，