航空用風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)研究

楊九強(qiáng)+劉興龍+賀男

摘 要：本文通過(guò)建立計(jì)算模式的方式對(duì)航空用風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)進(jìn)行研究，這是航空飛機(jī)維護(hù)的重要內(nèi)容之一，也是促進(jìn)我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研究及生產(chǎn)技術(shù)水平提升的重要?jiǎng)恿Γ瑫r(shí)對(duì)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展也具有十分重要的意義。通過(guò)模型計(jì)算以及模型分析我們可以發(fā)現(xiàn)，在以最大功率為前提時(shí)，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，飛行高度越大其發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)越高；在飛行高度保持不變時(shí)，螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)情況成反比；而氣缸溫度需要通過(guò)對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)才能使其保持在一定的區(qū)間條件下。

關(guān)鍵詞：航空；風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)；傳熱模型；熱狀態(tài)

發(fā)動(dòng)機(jī)的種類有很多，風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的具體種類，是我國(guó)發(fā)展建設(shè)過(guò)程中使用量較大的一種發(fā)動(dòng)機(jī)組，其因具有性能高、成本低、使用條件豐富等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于一些重要的工程領(lǐng)域及行業(yè)當(dāng)中，在我國(guó)的國(guó)家發(fā)展中起到非常重要的作用，普遍應(yīng)用于我國(guó)的航海、通訊、航空等重要領(lǐng)域。所以，為了確保我國(guó)航空事業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，做好發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作，確保航空技術(shù)的安全性，對(duì)風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)進(jìn)行研究是非常必要的。

1 風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)傳熱模型

風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用由多個(gè)機(jī)械構(gòu)件組成，所有發(fā)動(dòng)機(jī)組件在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極大的熱量，若想保證運(yùn)行效率不受影響，在運(yùn)行過(guò)程中需要冷卻系統(tǒng)的輔助配合才能正常運(yùn)行。在對(duì)航空用風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，往往會(huì)面臨很多種類的故障，要想盡快排出故障，就要找到故障原因。而這就需要我們掌握其基本的傳熱原理。

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、螺旋槳和散熱片等組件是冷卻系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，至其冷卻的主要介質(zhì)是空氣，具有非常好的冷卻效果。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱源是由氣缸內(nèi)的燃燒原料在燃燒條件下所散發(fā)出來(lái)的，通常在建立計(jì)算模型時(shí)，相關(guān)工作人員會(huì)將熱源所傳送到氣缸蓋以及氣缸體的熱量設(shè)置為Q，而這些熱端構(gòu)件在經(jīng)過(guò)冷卻后消散的熱量一般會(huì)被設(shè)置為y，而在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需要耗費(fèi)的螺旋槳帶動(dòng)功率設(shè)定為P。

1.1 風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)傳熱模型

燃料在氣缸中燃燒產(chǎn)生的熱量，約30%左右由工質(zhì)傳遞給熱端部件困。工質(zhì)向氣缸壁而的傳熱方式主要是對(duì)流和輻射，工程上常將兩者統(tǒng)一在傳熱系數(shù)中進(jìn)行考慮。借用一維準(zhǔn)定常受迫紊流傳熱公式，缸內(nèi)傳熱模型為

Q=αgAg（Tg-Tw）

式中，Q為工質(zhì)向熱端部件傳熱量，W；αg為瞬時(shí)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；Ag為熱端部件與燃?xì)饨佑|而積，m2；Tg為燃?xì)鉁囟?，K；Tw為與燃?xì)饨佑|的壁而溫度，K。熱端部件包括氣缸蓋和氣缸體，氣缸體傳熱量約占熱端部件傳熱量的55%。

1.2 熱端部件傳熱模型

對(duì)于風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，為了使熱端部件在合適的溫度范圍工作，通常在其外表而設(shè)置不同尺寸的散熱片以增加散熱而積。散熱片的總而積主要由發(fā)動(dòng)機(jī)功重比決定。冷卻空氣通過(guò)散熱片進(jìn)行傳熱時(shí)，傳熱量v的計(jì)算模型為

q=CA（Tw-Tf）

式中，q為熱端部件向冷卻空氣的傳熱量，J；C為總傳熱系數(shù)，A為垂直于熱流方向的平均傳熱而積，m2；Tw.和Tt分別為熱端部件溫度和冷卻空氣溫度，K；δi，為第i個(gè)散熱片厚度，m；λi為第：個(gè)散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；αi為熱端部件與冷卻空氣的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

1.3 冷卻系統(tǒng)傳熱模型

建立冷卻系統(tǒng)傳熱模型，即系統(tǒng)的熱平衡方程為

Q=cm△t+q

式中，c為熱端部件比熱容，J/（kg·℃）；。為熱端部件質(zhì)量，kg；△t為熱端部件溫升，℃。

2 風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱邊界條件

為更好的掌握發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，及時(shí)做好維護(hù)工作，還需要掌握氣缸體熱狀態(tài)，首先要確定燃?xì)鈧?cè)和空氣側(cè)的傳熱邊界條件。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣缸體內(nèi)側(cè)溫度高達(dá)2500℃，而外側(cè)為冷卻空氣，冷卻空氣溫度與航空設(shè)備飛行高度有關(guān)，通常在零下幾十度到幾十度范圍內(nèi)變化。燃?xì)鈧?cè)和冷卻空氣側(cè)均以對(duì)流為主要傳熱方式，故采用第三類邊界條件。因此，應(yīng)首先確定燃?xì)鉁囟?、燃?xì)馀c缸壁的傳熱系數(shù)、散熱片與冷卻空氣的傳熱系數(shù)和冷卻空氣溫度等。

對(duì)氣缸內(nèi)燃?xì)鈧?cè)傳熱邊界條件進(jìn)行判斷和計(jì)算，燃?xì)馀c氣缸內(nèi)壁的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式有很多，本文選用航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)傳熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的經(jīng)驗(yàn)公式：

αg=0.2133■（7.0+0.815Cm）

式中，Pg為燃?xì)鈮毫?，MPa；Tg為燃?xì)鉁囟?，K；Gm為活塞平均速度，m/s。

由公式可知，瞬時(shí)傳熱系數(shù)與燃?xì)鈮毫蜏囟让芮邢嚓P(guān)。為精確計(jì)算邊界條件，試驗(yàn)測(cè)量了燃?xì)鈮毫蜏囟入S曲軸轉(zhuǎn)角的變化，并由此計(jì)算燃?xì)馑矔r(shí)傳熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 飛行高度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)的影響

為掌握航空設(shè)備飛行高度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)的影響，以加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)工作。需要以氣缸體為研究對(duì)象，建立幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用流固藕合技術(shù)計(jì)算氣缸體溫度場(chǎng)?？紤]到進(jìn)排氣口部分的流線形幾何形狀和散熱片端部小圓角形狀，主要采用四而體和六而體混合網(wǎng)格，少部分五而體網(wǎng)格銜接和過(guò)渡，最終生成20651個(gè)網(wǎng)格，30719個(gè)節(jié)點(diǎn)。氣缸體有限元網(wǎng)格模型依據(jù)前文建立的傳熱邊界條件，利用Abaqus軟件對(duì)氣缸體進(jìn)行有限元計(jì)算和分析。

3.2 螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)的影響

通過(guò)對(duì)相關(guān)計(jì)算模型的整理和建立，我們可以發(fā)現(xiàn)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越大，航空器的飛行速度越快，而飛行速度的快慢又對(duì)冷卻空氣的流通速度有關(guān)鍵性影響，這是在維護(hù)工作中需要我們注意的一點(diǎn)。

3.3 氣缸體熱狀態(tài)對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)速的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，氣缸的溫度會(huì)受到螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)速度、飛行高度等要素的影響，飛行高度提升，氣缸的溫度也會(huì)隨之上升，螺旋槳轉(zhuǎn)速過(guò)大也會(huì)造成氣缸溫度上升的問(wèn)題；而氣缸的熱狀態(tài)又會(huì)反作用于螺旋槳的轉(zhuǎn)速，如果氣缸的溫度過(guò)高，螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也會(huì)相應(yīng)降低。所以，在發(fā)動(dòng)機(jī)中一定要重視其冷卻系統(tǒng)的維護(hù)，通過(guò)冷卻的方法來(lái)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度進(jìn)行調(diào)整和控制。只有將發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)才能保證航空器材使用的安全性，并確保其功能得到正常展現(xiàn)。因此，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用能夠使用氣缸的溫度得到控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行控制和調(diào)整。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

維護(hù)技術(shù)的應(yīng)用中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱邊界條件進(jìn)行計(jì)算是決定發(fā)動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果準(zhǔn)確程度的重要因素，而發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱邊界條件的計(jì)算結(jié)果又受到很多系數(shù)影響，這些因素都與發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相關(guān)。另外，氣缸溫度是影響模型計(jì)算結(jié)構(gòu)精確度的需要因素之一，所以相關(guān)工作人員如果想對(duì)制定出的傳熱模型進(jìn)行計(jì)算情況及其精確性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，需要對(duì)氣缸中的各特征部位的溫度進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整。此外，還要盡量確保將計(jì)算誤差控制在合理范圍之內(nèi)，這樣才能保證模型計(jì)算結(jié)果符合航空工程計(jì)算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)工作水平，掌握風(fēng)冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)，本文通過(guò)建立傳熱模型和計(jì)算模型的方式，相關(guān)工作者可以對(duì)航空用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在不同飛行高度條件下的螺旋槳的轉(zhuǎn)速情況及其對(duì)氣缸溫度所造成的影響程度進(jìn)行預(yù)先測(cè)定及評(píng)估。通過(guò)評(píng)估測(cè)定和實(shí)驗(yàn)，相關(guān)工作人員能夠盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)的誤差，提高航空設(shè)備的維護(hù)效果。

參考文獻(xiàn)

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