某型直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

何 杰，劉道錦

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

某型直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

何 杰，劉道錦

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

為改善嚴(yán)寒地區(qū)飛行時(shí)的艙內(nèi)舒適性，某型直升機(jī)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)了通風(fēng)加溫系統(tǒng)吸氣風(fēng)扇、引射噴嘴及溫度控制裝置，以實(shí)現(xiàn)改善加溫效果的目的。為驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的有效性，進(jìn)行了地面、機(jī)上試驗(yàn)，結(jié)果表明，改進(jìn)后的溫度控制系統(tǒng)與通風(fēng)加溫系統(tǒng)各部件間具有良好的匹配性，且經(jīng)機(jī)上驗(yàn)證，加溫效果明顯改善。

通風(fēng)加溫；溫度控制；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

由于某型直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)沿用原直-8型機(jī)，其系統(tǒng)加溫性能未經(jīng)受高寒的檢驗(yàn)。而該型直升機(jī)布置在我國北方高寒地區(qū)，在高寒條件下通風(fēng)加溫系統(tǒng)加溫效果不理想，尤其是駕駛艙，據(jù)機(jī)組人員反映，在高寒飛行時(shí)出現(xiàn)凍腳情況，嚴(yán)重影響直升機(jī)在北方冬天的出勤。

為改善該型直升機(jī)機(jī)組人員在高寒區(qū)飛行時(shí)駕駛艙內(nèi)的環(huán)境舒適性，實(shí)現(xiàn)飛行中正常操縱駕駛，對直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)的加溫能力提出了更高的要求。本文著重介紹對某型直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且針對改進(jìn)后的通風(fēng)加溫系統(tǒng)進(jìn)行了地面、機(jī)上試驗(yàn)，以驗(yàn)證通風(fēng)加溫系統(tǒng)改進(jìn)的有效性。

1 通風(fēng)加溫系統(tǒng)的工作原理

通風(fēng)加溫系統(tǒng)的工作原理：將風(fēng)扇抽吸的外界環(huán)境大氣(文中稱為“冷氣”)與從發(fā)動(dòng)機(jī)引來的高溫引氣在通風(fēng)加溫子系統(tǒng)混合室中充分混合，將混合后的溫度適宜的氣體送入各艙室，以改善機(jī)組人員的工作環(huán)境。

溫度控制系統(tǒng)主要由環(huán)境溫度探測器、管路溫度傳感器和控制盒組成，通過感受環(huán)境溫度和管路溫度來控制電動(dòng)活門的開啟度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)艙室溫度控制。圖1為通風(fēng)加溫系統(tǒng)原理圖。

2 通風(fēng)加溫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)實(shí)際使用情況分析，導(dǎo)致該型直升機(jī)通風(fēng)加溫效果不佳的主要原因是金屬機(jī)體結(jié)構(gòu)保溫性、密封性差及原型機(jī)在高寒地區(qū)加溫能力較低。考慮通風(fēng)加溫系統(tǒng)改裝工作的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性問題，改善機(jī)體結(jié)構(gòu)難度大，針對該直升機(jī)的改進(jìn)需在現(xiàn)有狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行盡可能小的改動(dòng)，故設(shè)計(jì)人員著重對該型機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)中影響加溫效果的部件進(jìn)行了改進(jìn)[1]，以提高通風(fēng)加溫系統(tǒng)的加溫能力，改善艙室加溫效果。

由于氣候環(huán)境的惡劣及該機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)特性、自身加溫能力的限制，單純降低冷氣流量或提高引氣流量對加溫效果的改善不明顯(這已在機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證)，故該機(jī)的改裝主要從降低冷氣流量、提高引氣流量和改善溫度控制系統(tǒng)三方面進(jìn)行。

1) 降低冷氣流量：改進(jìn)風(fēng)扇，將定轉(zhuǎn)速風(fēng)扇改進(jìn)為變轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇在加溫狀態(tài)下轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)而降低抽吸的冷氣流量；

2) 提高引氣流量：增大引射噴嘴的引射面積，因?yàn)橐涿娣e的大小直接影響引氣量的大?。?/p>

3) 改善溫度控制系統(tǒng)：改進(jìn)溫度控制裝置，當(dāng)冷氣流量降低，引氣流量提高時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將混合后氣體的溫度迅速調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，確保安全使用。

通風(fēng)加溫系統(tǒng)優(yōu)化方案見圖2。

2.2風(fēng)扇的變速設(shè)計(jì)

考慮風(fēng)機(jī)額定性能指標(biāo)要求不變，所以風(fēng)扇葉輪、導(dǎo)流罩保持現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)不變。吸氣風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)激磁采用永磁體硬磁材料，無法像勵(lì)磁電機(jī)通過改變激磁繞組達(dá)到調(diào)速目的，且風(fēng)扇額定指標(biāo)未發(fā)生變化，故驅(qū)動(dòng)電機(jī)不作變化[2]。

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為：

式中，Ua—電樞供電電壓(V)；Ia—電樞電流(A)；Ф—?jiǎng)?lì)磁磁通(Wb)；Ra—電樞回路總電阻(Ω)；CE—電勢系數(shù)，P為電磁對數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。

由公式可以看出，式中Ua、Ra、Ф三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；(2)改變電樞供電電壓Ua；(3)改變勵(lì)磁磁通Ф。

但是改變電樞回路總電阻Ra的缺點(diǎn)是調(diào)速電阻上耗能較多，效率低；機(jī)械特性軟，若負(fù)載有變化，轉(zhuǎn)速變化較大，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該方法只適用于一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場合，本風(fēng)扇電機(jī)材料為永磁體硬磁材料，磁通Ф為定值，故采取改變電樞供電電壓Ua的方案。連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。該方式機(jī)械特性硬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，通過采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2.3引射噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮通風(fēng)加溫系統(tǒng)的熱源來自發(fā)動(dòng)機(jī)，該直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)沿用原直-8型機(jī)，且原直-8型機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)加溫效果良好，故設(shè)計(jì)時(shí)參考原直-8型機(jī)的總引氣量為(460±30)kg/h，通過設(shè)計(jì)引射噴嘴滿足對引氣量的需求。

為改善加溫效果，首先需提高通風(fēng)加溫系統(tǒng)所需引氣流量，經(jīng)過與發(fā)動(dòng)機(jī)方進(jìn)行技術(shù)協(xié)調(diào)，兩臺發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)下可提供引氣量約800kg/h；并考慮通風(fēng)加溫系統(tǒng)混合室的長度限制，設(shè)計(jì)時(shí)按兩臺發(fā)動(dòng)機(jī)可提供總引氣量(700±30)kg/h進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。

根據(jù)小孔平行射流特性及可壓縮流體伯努利方程，并考慮引射噴嘴的局部損失[3]，可得：

其中，C為損失系數(shù)，一般取0.98；P1、P2為噴嘴兩端壓力；qm為質(zhì)量流量，kg/h；A為引射面積，m2；m為截面收縮比，m=A2/A1；ρ為密度，kg/m3。

經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算得到引氣量與引射面積的關(guān)系，如表1。

根據(jù)引射面積大小，并考慮小孔射流后紊流區(qū)域影響，主要設(shè)計(jì)了4種引射噴嘴，外形如圖3。其中1號引射噴嘴與目前機(jī)上安裝的引射噴嘴狀態(tài)相同，其余3種為新設(shè)計(jì)噴嘴外形。

表1 引氣量與引射面積的關(guān)系

2.4溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于優(yōu)化后的通風(fēng)加溫系統(tǒng)引氣量提高，冷氣量降低，混合室混合后氣體溫度超出設(shè)計(jì)范圍(70±3℃)的可能性增大。為保障系統(tǒng)及其設(shè)備的安全使用，溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增設(shè)溫度繼電器，起到超溫保護(hù)功能；控制盒限位計(jì)旋鈕原狀態(tài)只標(biāo)識冷熱方向，為使用方便，設(shè)計(jì)要求給出控制盒限位計(jì)旋鈕位置與艙內(nèi)環(huán)境溫度的匹配關(guān)系。

某型直升機(jī)優(yōu)化后的通風(fēng)加溫系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)包括環(huán)境溫度探測器、管路溫度傳感器、溫度繼電器、控制盒。

當(dāng)控制盒限位計(jì)旋鈕置于某一位置，管路溫度傳感器感受溫度超過(70±5)℃時(shí)，將反饋信號給控制盒，控制電動(dòng)活門的開啟度，直到環(huán)境溫度探測器感受溫度達(dá)到限位計(jì)旋鈕位置處設(shè)定的溫度后，繼續(xù)反饋信號給控制盒，控制電動(dòng)活門的開啟度。當(dāng)管路溫度傳感器感受混合后氣體溫度達(dá)到(80±3)℃時(shí)，溫度繼電器迅速控制關(guān)斷閥關(guān)閉，切斷引氣，以確保人員及系統(tǒng)部件安全。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1總體試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證該型直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)上述方案的合理性和可行性，對該方案進(jìn)行了地面試驗(yàn)研究。試驗(yàn)安裝簡圖如圖4。為模擬該型直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)的機(jī)上工作環(huán)境，通風(fēng)加溫系統(tǒng)試驗(yàn)在真空艙內(nèi)進(jìn)行，為便于調(diào)節(jié)，將控制系統(tǒng)設(shè)置在艙外。地面試驗(yàn)安裝如圖5。

3.2風(fēng)扇流量試驗(yàn)

風(fēng)扇電源為27V穩(wěn)壓直流電源，在帶負(fù)載下額定轉(zhuǎn)速≥7400 r/min。由于低溫環(huán)境下機(jī)上需求風(fēng)扇的風(fēng)量風(fēng)壓指標(biāo)未能量化，故驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速未確定。進(jìn)行了風(fēng)動(dòng)特性摸底試驗(yàn)，選取以下轉(zhuǎn)速點(diǎn)7700 r/min(額定)、6000 r/min、5000 r/min、4000r/min、3000 r/min下的風(fēng)動(dòng)特性指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6。

根據(jù)圖表結(jié)果，風(fēng)機(jī)在6000 r/min、5000 r/min、4000 r/min、3000 r/min四種轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓指標(biāo)均有大幅下降。如8000 r/min時(shí)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓70mm水柱，對應(yīng)風(fēng)量為20.4 m3/min；6000 r/min時(shí)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓70mm水柱，對應(yīng)風(fēng)量為14 m3/min。

優(yōu)化后的風(fēng)扇為變轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，當(dāng)通風(fēng)加溫系統(tǒng)溫度控制裝置于“通風(fēng)”狀態(tài)時(shí)，風(fēng)扇為高轉(zhuǎn)速，而當(dāng)通風(fēng)加溫系統(tǒng)溫度控制裝置于“加溫”狀態(tài)時(shí)，風(fēng)扇為低轉(zhuǎn)速，得到優(yōu)化后風(fēng)扇性能參數(shù)如表2。

表2 變轉(zhuǎn)速風(fēng)扇性能

3.3引射噴嘴流量特性試驗(yàn)

為選取合適的引射噴嘴，試驗(yàn)時(shí)首先進(jìn)行了預(yù)選噴嘴試驗(yàn)，比較分析了面積相近的1號、2號、4號三個(gè)噴嘴的流量特性。由于4號噴嘴小孔射流后紊流區(qū)域過大，2號噴嘴流量特性與1號噴嘴相近，引射流量較1號噴嘴無明顯增加，因此，試驗(yàn)過程中主要將1號、3號、4號引射噴嘴分別在不同引氣溫度條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，并計(jì)算各狀態(tài)引射比，結(jié)果見表3。

表3 引射噴嘴引射比試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表3數(shù)據(jù)可以得出：引射比大小與引射面積成反比；在相同條件狀態(tài)下，選取3號噴嘴引氣流量更大；根據(jù)各個(gè)供氣管路出口測得的最高溫度值，3號噴嘴的溫度值在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，并且以上選型試驗(yàn)中冷氣溫度在0℃以上，而該型直升機(jī)實(shí)際應(yīng)用在我國北方最寒冷地區(qū)，冷氣溫度低于試驗(yàn)中的冷氣溫度，故選擇3號改進(jìn)噴嘴。

3.4溫度控制試驗(yàn)及結(jié)果分析

為確保該系統(tǒng)優(yōu)化后的安全使用，需要進(jìn)行溫控試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)在外界環(huán)境溫度分別為0℃、-10℃、-30℃～-40℃時(shí)，飛行高度分別為0m、2000m、6000m，以及模擬發(fā)動(dòng)機(jī)引氣溫度230～250℃條件下，進(jìn)行各狀態(tài)下溫度控制試驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)室條件所限，通過模擬電阻箱模擬環(huán)境溫度探測器探測艙內(nèi)溫度，艙內(nèi)溫度與模擬電阻值的對應(yīng)關(guān)系見表4。按圖5進(jìn)行試驗(yàn)。

由于系統(tǒng)在引氣溫度230～250℃、環(huán)境溫度0℃、地面0m條件下為極限工作狀態(tài)，該狀態(tài)下可能出現(xiàn)超溫情況，對限位計(jì)位置調(diào)整提出更改的要求，試驗(yàn)前對于控制盒限位計(jì)旋鈕的位置進(jìn)行了預(yù)標(biāo)識，如圖7。然后進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖8、圖9。其中T1為駕駛員頂部供氣溫度，T2為艙右側(cè)供氣管溫度，T3艙左后側(cè)供氣管溫度，T4駕駛艙供氣管溫度。

表4 溫度傳感器不同溫度下輸出電阻值

圖8是環(huán)境溫度探測器感受溫度為10℃，限位計(jì)旋鈕于“2”位置，并在70±5℃的安全設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，在47min處，將環(huán)境溫度探測器感受溫度調(diào)整為0℃時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。圖9是在環(huán)境溫度探測器感受溫度調(diào)整為0℃時(shí)，將限位計(jì)位置由“2”位調(diào)整到“3”位的試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)圖8試驗(yàn)結(jié)果分析，限位計(jì)旋鈕位于“2”位時(shí)，環(huán)境溫度探測器感受溫度由“10℃”調(diào)整到“0℃”，環(huán)境溫度探測器將溫度降低信號反饋至控制盒，控制盒電控活門增大開啟度，增大引氣量，進(jìn)而各個(gè)供氣管溫度升高，可能出現(xiàn)短時(shí)超溫情況，此時(shí)溫度繼電器檢測到超溫信號，將切斷高溫引氣。

根據(jù)圖9試驗(yàn)結(jié)果分析，在環(huán)境溫度探測器感受溫度為0℃時(shí)，限位計(jì)旋鈕由“2”位調(diào)整至“3”位置，可實(shí)現(xiàn)各管路供氣溫度不超過(70±3)℃的安全使用值，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖7限位計(jì)置于“3”位置相符，若此時(shí)將限位計(jì)由“3”位向冷極限方向調(diào)整，則電動(dòng)活門減小活門開啟度，減少引氣量，各個(gè)供氣管溫度繼續(xù)降低。

圖10是環(huán)境溫度探測器感受溫度為0℃、限位計(jì)旋鈕置于3位置，于60min處，將艙內(nèi)傳感器感受溫度調(diào)整為25℃、限位計(jì)旋鈕置于熱極限位置時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。圖11是在圖10試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，調(diào)整限位計(jì)旋鈕至“1”位置的試驗(yàn)結(jié)果。

由于篇幅所限，以上僅列出了4個(gè)狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果。

通過試驗(yàn)得出，控制盒限位計(jì)旋鈕位置與環(huán)境溫度探測溫度的匹配關(guān)系見圖12，越靠近熱極限位置，活門開啟度越大。

4 機(jī)上驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后通風(fēng)加溫系統(tǒng)的加溫效果，針對某型直升機(jī)加溫效果較差的01架機(jī)首先進(jìn)行了優(yōu)化工作，并于駕駛艙和客貨艙安裝溫度傳感器，用來測量兩艙溫度，具體驗(yàn)證狀態(tài)見表5。

狀態(tài)1為2011年1月的測試結(jié)果，在當(dāng)?shù)赝饨绛h(huán)境溫度-18℃條件下，地面開車試驗(yàn)，獲得該型直升機(jī)為優(yōu)化前通風(fēng)加溫系統(tǒng)加溫能力的測試結(jié)果，各供氣管路溫度均未到達(dá)30℃。

狀態(tài)2為2013年1月的測試結(jié)果，在當(dāng)?shù)赝饨绛h(huán)境溫度-18℃條件下，地面開車試驗(yàn)，獲得該型直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)優(yōu)化后的測試結(jié)果。經(jīng)過機(jī)上驗(yàn)證可知，加溫效果明顯改善，各供氣管路溫度均達(dá)到45℃以上，并且機(jī)組人員反映艙內(nèi)暖和，加溫效果良好。

表5 優(yōu)化前后機(jī)上加溫能力對比

5 結(jié)論

通過對某型直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出：通過改進(jìn)引射噴嘴，采用變轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，改進(jìn)溫度控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部件之間的匹配，提高直升機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)的加溫能力，改善機(jī)組人員艙內(nèi)環(huán)境的舒適性。

[1] 直-XX型機(jī)通風(fēng)加溫系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)方案[Z].

[2] XXX風(fēng)扇多轉(zhuǎn)速方案可行性報(bào)告[Z].

[3] 壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

OptimizationDesignofVetilationandHeatingSystemofaCertainTypeofHelicopter

HE Jie,LIU Daojin

(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001,China)

In order to improve the comfortableness of pilot’s compartment when flying in a cold region,a design improvement on the suction fan,ejector component and temperature control device of a certain type of helicopter was carried out,which enhanced ventilating and heating effect.Experiments were carried out to verify the effectiveness of the improvement work.The test results showed that the improved temperature control system works well with the ventilating and heating system components,and the improvement work is effective.

ventilating and heating；temperature control；experiment

2016-10-31

何 杰(1986-)，女，黑龍江省慶安縣人，碩士，工程師，主要研究方向：直升機(jī)環(huán)境控制、防雨、防冰。

1673-1220(2017)03-039-07

V245.3+4

：A