一种强制对流换热系统的设计与应用
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一种强制对流换热系统的设计与应用
原 博 朱 宇
牟锦辉
(中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089)
摘 要: 针对某型航空
发动机地面工作时出现的滑油系统温度超温的问题,设计和开发了滑油喷水冷却系统解决该问题。实际应用表明:
该系统结构简单,
使用可靠,能够很好的解决上述问题,而且能够为今后类似问题的解决提供一定的借鉴
。
关键词: 滑油系统温度;超温;滑油喷水冷却系统
中图分类号:V2 文献标识码:A
文章编号:1671-7597(2010)1110058-02
0 前言
射流冲击是一种极
其有效的强化局部传热方法,由于射流冲击在靶面
上形成很薄的流动边界层,对流换热系数比常规要高出
几倍甚至一个数量
级。国内外许多学者对冲击冷却进行了研究,取得了一些很有意义的研究
成果
。文献[1-3]试验研究了单孔射流冲击的换热特性,结果表明冲击冷却
的有效范围为4倍冲击孔直径
,冲击间距与射流孔直径之比为2时换热效果
最好。
某型发动机是经过改进改型的涡轮螺旋桨发
动机,发动机装机后,在
一次地面开车检查试验中,当正常起动发动机到慢车转速,油门杆平缓上
推时,从现场测试监控设备和飞机仪表都可以看到,发动机进口滑油温度
和出口滑油温度不断升高并有
超温趋势,手动操作使滑油散热器风门全
开,此现象没有得到遏制,滑油温度超过限制值,操作人员拉油
门停车。
发动机技术说明书明确规定,滑油系统最佳工作范围为40℃~90℃,且只
允许短时
间超过90℃,但从测试数据来看,滑油温度实际已超过100℃,且
没有下降趋势。针对此问题作专题
检查,在接下来的几次地面试验中,此
现象复现。
1 滑油系统组成及超温原因分析
滑
油系统是向发动机各主要运转部件供给滑油,以减轻零件之间的摩
擦并带走因为摩擦而产生的大量热量,
同时还要向燃油调节器、螺旋桨调
速器,测扭机构及扭矩顺桨传感器供油,为了保证这些附件系统能够安
全
可靠的工作,滑油系统的油温、油压及供油量都必须维持在一个相当的水
平,滑油系统是发动
机的关键系统之一。该型发动机采用了独特的闭式滑
油系统,即发动机滑油散热器发动机,滑油系统滑油
在工作过程中为闭式
回路,不会回到滑油箱。辅助滑油泵内的调压活门保持主滑油泵进口油压
为
稳定油压,当滑油因被消耗而不能保持此油压时,辅助滑油泵就从滑油
箱抽油补充,以恢复此压力。图1
为滑油系统示意图。
系统滑油散热量,增加了滑油中油沫的含量,加重了系统负担,但是,与
此
相适应的滑油散热系统却未作重大更改,发动机工作时滑油系统的发热
量与系统散热量
不匹配,
导致上述故障现象的发生。
该故障现象只是在地面开车过程中发生,飞机起飞后,随着高度的增
加环境温度逐渐降低和迎面来流速度的增加,增大了滑油系统散热量,超
温现象消失,系统工作正常,这
进一步证实了故障原因为系统自身散热能
力不足。
2 解决方案及各方案的优缺点
针对
原滑油散热系统散热能力不足的问题,为提高系统的散热能力,
对该系统的基本散热原理进行分析,根据
该散热器的特点,我们可将其归
结为多排管的强制对流换热的范畴,关于该散热器的具体换热过程,我们
只做定性的分析,可以发现,滑油系统的散热量和以下因素密切相关,具
体的滑油系统散热量关
系式如下:
Q=f(P
*
,T
*
,ν,l,t,m,μ)
其中:Q为散热器散热量,P
*
为迎面来流总压,T
*
为迎面来流总
温,ν
为空气粘性系数,l散热器尺寸量,t为滑油温度,m为滑油流量,μ滑油粘
性系数。七
个参数中,认真观察此关系式,可以看到,右半部分七个参数
可以分成三个部分,其中前三项为迎面来流
相关量,中间一项为散热器尺
寸相关量,后三项为滑油相关量。所以,解决滑油系统超温的问题可以从<
br>三方面展开:
2.1 更改滑油散热器尺寸
由上式可以看出,滑油散热器尺寸越大,滑油
系统散热量越大,可以
通过更改散热器尺寸达到增大系统散热量的目的,包括更改滑油散热器局
部和新研滑油散热器,此方案的优点是显而易见的,可以一劳永逸的解决
滑油散热问题,但是,该方案资
金投入量大,研制周期长,只能作为中长
期方案待定。
2.2 用合适牌号滑油替代系统现用滑
油
如果能找到合适的滑油类型来替代目前滑油系统所用滑油,替代品所
要达到的要求是:在较高
的温度条件下,其粘性仍能满足滑油系统的润滑
条件,并且安全条件可以得到保障。但该方案也存在相当
的困难,一是合
适的滑油品牌不好找,二是就是找到了符合条件的滑油,没有经过权威部
门严格
论证,是否能用于飞行试验也是个问题。
2.3 加装滑油冷却喷水系统
由于射流冲击冷却突出
的散热能力[4],考虑采用射流冲击冷却的方
式增大原滑油散热系统散热量,其基本原理为:改变原有
的空气强制对流
换热方式为强制对流换热和射流冲击冷却相结合的换热方式。根据以上原
理,设
计研制了滑油散热喷水冷却系统,原理图见图2,鉴于水的价格比较
低廉,同时射流冲击效果要优于空气
,该系统射流冲击介质采用纯净水,
以进一步提高系统散热量。
喷水系统实物图见图3。喷水系统增压泵采用航空用柱塞泵,正常工作时泵后压力为:
59kPa~78kPa,流量17.
8Lmin;连接管路采用8mm航空用不锈钢管。
滑油系统超温故障只发生在飞机地面开车、地面滑行
、起飞、降落等
几种典型工作状态。发动机地面开车前,由后舱操作人员打开水路阀门,
1.发
动机本体 2.回油泵 3.风冷式滑油散热器
4.滑油箱 5.辅助滑油泵
6.主滑油泵
图1 某型发动机滑油系统简图
某型发动机经改进改型后,为了提高发动机的输
出轴功率,在结构上
作了较大变动,这样,改变了发动机原有滑油系统的结构,增加了发动机
5
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滑油冷却喷水系统处于待机状态,地面工作过程中飞行员注意观察座舱内
滑
油温度表,一旦发现滑油温度有超温的趋势,即按压座舱内喷水系统电
门,喷水系统开始工作,飞机起飞
滑油温度正常以后,后舱操作人员首先
关闭水路阀门,再打开高压空气路阀门,利用高压空气吹除水路中
余水,
防止系统高空低温条件下结冰,保证系统功能正常。
务人员工作量;
4)水泵在
使用过程中由于侵蚀、温度太低时易结冰等因素容易损
坏;
5)滑油冷却喷水系统操作部分分两
部分,一部分(即水泵按钮)在
前舱,一部分(即气阀和水阀)在后舱,必须保持前后舱通讯畅通;6)喷水系统只在起飞降落和地面工作时使用,而起飞降落时飞行员
对飞机的操作量最大,加装喷水
系统后,进一步加大了飞行员操作系统的
复杂性,不利于飞行安全。
3 喷水系统的应用
滑油冷却喷水系统经改装实施后,使用效果明显,在起飞和着陆过程
中能够很好的降低滑油温度,使滑
油温度能够保持在限制值以下,达到了
预想目的,满足了任务需要。图4为地面开车时滑油喷水系统打开
时的工作
情况曲线,从图中可以看出,喷水系统打开后,滑油温度降低很快,在温
度曲线上形成
一个低谷,说明了喷水系统降温效果明显。
1.水箱
2.水泵开关(位于飞行员座舱)
3.喷嘴 4.油散热器 5.阀门 6.水泵
7.气瓶
图2 滑油喷水系统原理图
图4
地面开车时喷水系统工作情况
4 结论
实践结果表明,滑油喷水冷却系统在实际使用中能够很好
的发挥作
用,降温效果明显,能够暂时满足实际需要。但是,正如上文所说的,由
于该方案存在
着诸多缺点和不方便之处,只能作为工作中解决问题的暂定
方案,并不适合长期使用,所以,研制一套新
的滑油散热系统才是最终解
决该问题的关键。
1.气瓶 2.通气嘴
3.水箱
图3 喷水系统机舱内部分
喷水系统优点非常明显:
1)投资少,见效快;<
br>2)原理简单,易实施;
3)短期内即可完成加改装,对试验进度影响不大。
但是,该方
案也存在许多缺点:
1)加装喷水系统,飞机上必须放置水箱,这样,不但占用了机内空
间,而
且增加了飞机重量;
2)若喷水系统用水为纯水,增加了成本,若改用自来水,则可能对
滑油散
热器造成一定量的侵蚀,长期使用下来,也有可能形成水垢,堵塞
换热通道,反而降低了换热效率;3)水箱用水需定期添加,气瓶气压也需维持在一定水平,增加了机
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作者简介:
原博(1980-),男,陕西蒲城人,飞行试验工程师,研
究方向:飞机发
动机工作特性飞行试验。
(上接第56页)
传感器值求其平均,当成一
次测量值。
致谢:
本系统设计过程中,一些资料来源于北京交通大学,在此表示感谢
!
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