AC311直升機(jī)主減滑油溫度偏高故障分析與改進(jìn)

朱 虹，常 莉，王 輝

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

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AC311直升機(jī)主減滑油溫度偏高故障分析與改進(jìn)

朱 虹，常 莉，王 輝

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

AC311直升機(jī)安裝LTS101-700D-2發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)行地面長(zhǎng)試及大功率懸停時(shí)，出現(xiàn)主減滑油溫度偏高以及滑油風(fēng)扇工作頻繁的現(xiàn)象。從散熱效率、進(jìn)氣構(gòu)型等方面對(duì)該故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，理清出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，并對(duì)相應(yīng)的改進(jìn)措施以及驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了說明。

AC311直升機(jī)；LTS101-700D-2發(fā)動(dòng)機(jī)；主減滑油溫度偏高

0 引言

AC311直升機(jī)滑油系統(tǒng)是在直11型民機(jī)適航取證的基礎(chǔ)上，換裝Honeywell公司LTS101-700D-2發(fā)動(dòng)機(jī)后的配套滑油系統(tǒng)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)和主減外滑油系統(tǒng)在原直11型機(jī)的滑油系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，以最終滿足換發(fā)要求。

AC311直升機(jī)換裝 LTS101-700D-2發(fā)動(dòng)機(jī)后在進(jìn)行地面長(zhǎng)試過程中，出現(xiàn)主減滑油溫度偏高現(xiàn)象；在進(jìn)行大功率懸停時(shí)出現(xiàn)主減滑油高溫報(bào)警(報(bào)警溫度為115℃)、滑油風(fēng)扇頻繁起動(dòng)的現(xiàn)象。本文將針對(duì)這一主減滑油溫度偏高故障展開原因分析和相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，并對(duì)更改后的滑油系統(tǒng)進(jìn)行熱動(dòng)力性能分析和進(jìn)氣流場(chǎng)仿真分析，最后通過大功率懸停驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性。

1 原因分析

1.1 系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)介

電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，通過主減和發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器的沖壓空氣產(chǎn)生冷卻效果。在懸停狀態(tài)，無沖壓空氣，冷卻空氣由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇提供。當(dāng)滑油箱中的油溫達(dá)到86℃時(shí)，風(fēng)扇自動(dòng)接通工作；油溫一達(dá)到86℃，風(fēng)扇控制開關(guān)中的雙金屬片膨脹接觸，通過放大器給電源中的繼電器R通電，接觸器閉合，風(fēng)扇電機(jī)通電?；蜏囟冉抵?8℃時(shí)，風(fēng)扇控制開關(guān)斷開，風(fēng)扇電機(jī)停止工作。工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 AC311直升機(jī)滑油系統(tǒng)原理示意

1.2 換發(fā)引起的系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)

1.2.1 滑油散熱器更改

AC311直升機(jī)換裝 LTS101-700D-2發(fā)動(dòng)機(jī)后，因發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求增加，最大發(fā)熱量由15kW增加到20.22kW，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案采用兩臺(tái)滑油散熱器，即原直11型機(jī)的主減滑油散熱器(型號(hào)：HSR-7)和發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器(型號(hào)：HSR-4)同時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供散熱；同時(shí)，將增加一臺(tái)主減滑油散熱器(型號(hào)：704A33-220-032)為主減提供散熱[1]。所采用的散熱器均為板翅式結(jié)構(gòu)[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)和主減滑油系統(tǒng)由共用的滑油冷卻風(fēng)扇提供強(qiáng)制冷空氣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和主減滑油散熱器進(jìn)行滑油冷卻。具體安裝形式如圖2所示。

1.2.2 進(jìn)氣道構(gòu)型更改

AC311直升機(jī)與直11民機(jī)的安裝散熱器的前部整流罩結(jié)構(gòu)形式存在差異，AC311直升機(jī)的進(jìn)風(fēng)道較原型機(jī)構(gòu)型加高26mm，加長(zhǎng)100mm(詳見圖3和圖4)。

圖2 AC311直升機(jī)滑油散熱器安裝

圖3 直11民機(jī)提供的前部整流罩外型

圖4 AC311直升機(jī)的前部整流罩外型

1.3 滑油系統(tǒng)熱動(dòng)力分析

1.3.1 理論評(píng)估

滑油系統(tǒng)的熱力計(jì)算通常要解決兩方面的問題：按給定的流量、溫度和壓力等參數(shù)確定一定結(jié)構(gòu)下所需的傳熱面積和已知傳熱面積計(jì)算散熱器的散熱性能，

可分為設(shè)計(jì)性計(jì)算和校核性計(jì)算。本文需對(duì)已定型的滑油散熱器結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行換熱性能計(jì)算，因此采用校核性計(jì)算方法。

1)設(shè)計(jì)性計(jì)算

設(shè)計(jì)性計(jì)算是已知滑油進(jìn)口溫度、流量、壓力，要求達(dá)到的出口溫度與允許的壓降，空氣進(jìn)口溫度、流量、壓力與允許的壓降設(shè)定值，求解散熱器的傳熱面積與芯體尺寸。設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖

滑油系統(tǒng)的熱力計(jì)算中多用數(shù)值法。采用數(shù)值法在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，建立芯體質(zhì)量流速方程[3]：

式中，gm為質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；η0為翅片表面效率，ΔP為壓降設(shè)定值，小于或等于允許值；Pr為流體普朗特?cái)?shù)；vm為流體出口平均比容；j為柯爾朋傳熱因子；f為摩擦因子；Ntu為傳熱單元數(shù)；下標(biāo)1、2表示熱、冷流體。

選定傳熱表面的初始j/f平均值：對(duì)于鋸齒型翅片j/f=0.18。

選定初始翅片表面效率η0：設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)選擇η0在70%～90%范圍內(nèi)，第一近似取η0=0.8。

傳熱單元數(shù)：

式中，F(xiàn)為傳熱表面積，a為對(duì)流換熱系數(shù)，G為質(zhì)量流量，cp為定壓比熱，W=Gcp為流體的熱容量，K為滑油散熱器的總傳熱系數(shù)。

芯體效率：

式中，t為流體溫度，下標(biāo)1、2表示熱、冷流體，上標(biāo)‘′’與‘″’表示散熱器的進(jìn)出口狀態(tài)。

檢驗(yàn)壓降計(jì)算結(jié)果，若任一側(cè)的ΔP計(jì)算值大于設(shè)定值，則應(yīng)用以下公式：

2) 計(jì)算分析

通過軟件設(shè)計(jì)程序，分別對(duì)主減和發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)進(jìn)行散熱性能的校核性計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)散熱校核性計(jì)算，詳見表3輸入條件和表4輸出結(jié)果。

表1 輸入條件

表2 輸出結(jié)果

表3 輸入條件

表4 輸出結(jié)果

1.3.2 分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，在原滑油電風(fēng)扇不變的條件下，當(dāng)空氣溫度為50℃時(shí)，主減滑油系統(tǒng)最高滑油出口溫度為116.2℃，略高于系統(tǒng)規(guī)定值115℃，實(shí)際的散熱量達(dá)到5kW散熱能力；發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)最高滑油出口溫度為97.3℃，低于系統(tǒng)規(guī)定值110℃，實(shí)際的散熱量達(dá)到19.2kW散熱能力。綜上可見，目前的發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)有充分的散熱能力，而主減滑油系統(tǒng)的散熱能力不足。

此外，還可預(yù)見的是實(shí)際工作中主減滑油散熱器的滑油出口溫度肯定會(huì)高于116.2℃。這是因?yàn)锳C311直升機(jī)與Soloy公司提供的安裝散熱器的前部整流罩結(jié)構(gòu)形式存在差異，這就造成進(jìn)氣流場(chǎng)的變化，即在主減滑油散熱器前部形成了渦流，空氣會(huì)從阻力比較小的主減滑油散熱器上方流走，則大部分空氣未通過主減滑油散熱器，而是直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器，由此導(dǎo)致主減滑油散熱器沒有足夠的進(jìn)風(fēng)量，即實(shí)際的進(jìn)風(fēng)量是小于風(fēng)扇流量的四分之一的，因此導(dǎo)致主減滑油散熱能力降低，主減滑油溫度偏高；同時(shí)，由于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的氣流大多沒有經(jīng)過主減滑油散熱器，進(jìn)口溫度大多為環(huán)境溫度50℃，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器的散熱能力會(huì)過強(qiáng),導(dǎo)致滑油風(fēng)扇頻繁啟動(dòng)。

2 改進(jìn)措施

針對(duì)以上主減滑油溫度偏高以及滑油風(fēng)扇工作頻繁現(xiàn)象原因的分析可知，主減滑油散熱器進(jìn)風(fēng)量過少是問題的關(guān)鍵。因此，我們進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)改進(jìn)，即在前部整流罩組件內(nèi)加裝主減滑油散熱器進(jìn)氣整流板，如圖6所示。增加主減滑油散熱器進(jìn)氣整流板的目的是使前飛空氣先全部流經(jīng)主減滑油散熱器，然后主減滑油散熱器散出的熱風(fēng)再流過發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器。由此增加主減滑油散熱器的進(jìn)風(fēng)量，緩解主減的散熱不足；同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)散熱余度，緩解風(fēng)扇頻繁啟動(dòng)的現(xiàn)象。

圖6 僅示主減滑油散熱器與結(jié)構(gòu)連接部分

2.1 散熱效率評(píng)估

針對(duì)上述改進(jìn)設(shè)計(jì)，同樣分別對(duì)主減和發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)進(jìn)行散熱性能的校核性計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：

主減滑油系統(tǒng)散熱校核性計(jì)算，詳見表5輸入條件和表6輸出結(jié)果。

表5 輸入條件

表6 輸出結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)散熱校核性計(jì)算，詳見表7輸入條件和表8輸出結(jié)果。

表7 輸入條件

表8 輸出結(jié)果

理論計(jì)算結(jié)果表明，加裝整流板后的主減滑油系統(tǒng)最高滑油出口溫度為97.928℃，滿足主減速器滑油溫度115℃的要求；加裝整流板后的發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)最高滑油出口溫度為108.90℃，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)滑油溫度110℃的要求。

2.2 進(jìn)氣流場(chǎng)計(jì)算與分析

針對(duì)上述改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)氣道更改前后的流場(chǎng)開展進(jìn)氣流場(chǎng)的計(jì)算與分析，詳見圖7和圖8。

圖7 空氣溫度及速度分布圖(不加整流板)

圖8 空氣溫度及速度分布圖(增加整流板)

從改進(jìn)前后狀態(tài)的溫度分布圖來看，在增加整流板后，主減滑油散熱器的降溫效果明顯提高，且發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器的下部溫度得到了很好的降低作用，但上部降溫效果稍差些。

3 驗(yàn)證情況及效果

針對(duì)主減滑油溫度偏高的故障，我們進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，在前部整流罩組件內(nèi)加裝主減滑油散熱器進(jìn)氣整流板，使外界空氣先流經(jīng)主減滑油散熱器，再流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器。這樣，加熱后的空氣為發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器進(jìn)行冷卻，從而達(dá)到主減滑油散熱器有足夠的散熱能力、避免風(fēng)扇頻繁啟動(dòng)工作的目的。

2011年9月7日，AC311型01架機(jī)進(jìn)行了加裝散熱器進(jìn)氣整流板前后的大功率懸停驗(yàn)證試驗(yàn)，詳見表9。

從表9可看出，在未加裝整流板的情況下，主減滑油溫度從70℃上升至103℃，還沒有達(dá)到溫度穩(wěn)定；發(fā)動(dòng)機(jī)滑油溫度穩(wěn)定在79℃左右；滑油冷卻風(fēng)扇一直未工作；在加裝整流板的情況下，主減滑油溫度穩(wěn)定在88℃；發(fā)動(dòng)機(jī)滑油溫度穩(wěn)定在95℃；滑油冷卻風(fēng)扇正常工作。說明本文提出的散熱器進(jìn)氣道改進(jìn)措施有效解決了主減滑油溫度偏高和滑油風(fēng)扇頻繁起動(dòng)的問題。

表9 加裝整流板前后大功率懸停對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1)經(jīng)主減滑油散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器的性能校核計(jì)算和結(jié)果分析，以及進(jìn)氣道氣流流動(dòng)性能分析可知，AC311型機(jī)滑油系統(tǒng)出現(xiàn)主減滑油溫度偏高和滑油風(fēng)扇頻繁起動(dòng)現(xiàn)象的原因主要是主減滑油散熱器進(jìn)風(fēng)量過少，前部整流罩結(jié)構(gòu)形式造成進(jìn)氣流場(chǎng)在主減滑油散熱器前部形成了渦流，空氣大多從阻力比較小的主減滑油散熱器上方流走，因此導(dǎo)致主減滑油散熱能力降低，主減滑油溫度偏高；同時(shí)，由于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的氣流大多沒有經(jīng)過主減滑油散熱器，進(jìn)口溫度大多為環(huán)境溫度，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器的散熱能力會(huì)過強(qiáng)，從而導(dǎo)致滑油風(fēng)扇頻繁啟動(dòng)。

2)采用在前部整流罩組件內(nèi)加裝主減滑油散熱器進(jìn)氣整流板的改進(jìn)性設(shè)計(jì)，目的是使前飛空氣先全部流經(jīng)主減滑油散熱器，然后主減滑油散熱器散出的熱風(fēng)再流過發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱器。由此可有效增加主減滑油散熱器的進(jìn)風(fēng)量，增強(qiáng)主減的散熱能力；同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)散熱余度，緩解風(fēng)機(jī)頻繁啟動(dòng)的現(xiàn)象。

3)理論散熱性能校核計(jì)算分析和樣機(jī)加裝散熱器進(jìn)氣整流板前后的大功率懸停驗(yàn)證試驗(yàn)均表明該進(jìn)氣道改進(jìn)措施有效解決了主減滑油溫度偏高和滑油風(fēng)扇頻繁起動(dòng)的問題。

[1] 李 琳，余組建. 直升機(jī)滑油散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2002，28(3)：366-369.

[2] 凱斯 WM，倫敦AL，著；宜益民，張后累，譯. 緊湊式熱交換器[M]. 北京：北京科學(xué)出版社，1997.

[3] 齊 銘. 制冷附件[M]. 北京：北京航空工業(yè)出版社，1992.

Failure Analysis and Improvement of AC311 Helicopter Main Gear Box Oil Temperature on the High Side

ZHU Hong，CHANG Li，WANG Hui

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen333001, China)

AC311 helicopter LTS101-700D-2 engine installation, in the ground test and high power long hovering showed a mail gear box oil temperature on the high side, and oil fan work frequently phenomenon. In this paper, from the cooling efficiency and inlet configuration, the fault phenomenon were analyzed, and the reasons for this phenomenon were clarified, the corresponding improvement was measured and verification results were illustrated.

AC311 Helicopter; LTS101-700D-2 engine; mail gear box oil temperature on the high side

2014-08-13

朱 虹(1984-)，女，江西都昌人，本科，工程師，主要研究方向：直升機(jī)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究。

1673-1220(2015)03-039-06

V228.3

A