溫控閥對(duì)直升機(jī)主減速器散熱系統(tǒng)性能的影響

徐折貴，艾 欣

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

0 引言

直升機(jī)主減速器是將發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速降低到直升機(jī)旋翼所必須的轉(zhuǎn)速，同時(shí)傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)功率給直升機(jī)旋翼,對(duì)于保證直升機(jī)的安全和性能具有重要作用。直升機(jī)主減速器散熱系統(tǒng)的主要功能是有效排散主減速器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，保持主減速器的溫度在允許的范圍內(nèi)。溫控閥作為主減速器散熱系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部件，根據(jù)介質(zhì)溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)通過散熱器的流量，控制介質(zhì)溫度，保證主減速器工作在合適的溫度，包括快速暖機(jī)，控制高溫環(huán)境下最高介質(zhì)溫度，控制低溫環(huán)境下最低介質(zhì)溫度等。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)直升機(jī)減速器散熱系統(tǒng)的研究還主要集中在散熱器的校核型計(jì)算、通風(fēng)系統(tǒng)及供回油等部件的設(shè)計(jì)計(jì)算以及散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)溫控閥對(duì)直升機(jī)主減速器溫度調(diào)節(jié)的相關(guān)研究較少。

1 物理模型

主減速器散熱系統(tǒng)由溫控閥、散熱器、齒輪泵、管路等組成，與主減速器相連，對(duì)主減速器進(jìn)行溫度控制。圖1所示主減速器散熱系統(tǒng)物理模型。主減速器為唯一熱源，所有熱量通過散熱器散發(fā)，熱量通過滑油介質(zhì)在主減速器與散熱器之間傳遞。

圖1 直升機(jī)主減速器散熱系統(tǒng)物理模型

滑油油路被溫控閥分支為通向散熱器和旁通兩條油路。當(dāng)滑油溫度低于設(shè)定值時(shí)，溫控閥關(guān)閉通向散熱器的油路，滑油從旁通油路返回主減速器。當(dāng)滑油溫度高于設(shè)定值，溫控閥感溫元件動(dòng)作，逐漸打開通向散熱器的油路，同時(shí)關(guān)閉旁通油路，滑油經(jīng)過散熱器冷卻后，返回主減速器。

2 計(jì)算模型

如圖2所示，依據(jù)主減速器散熱系統(tǒng)物理模型建立仿真計(jì)算模型，模型由油箱、滑油泵、溫控閥、散熱器模塊、熱源等組成。其中熱源模擬直升機(jī)主減速器內(nèi)部齒輪的摩擦生熱，油箱模擬主減速器內(nèi)部油池。

圖2 直升機(jī)主減速器散熱系統(tǒng)計(jì)算模型

2.1 溫控閥

機(jī)械式溫控閥通過感溫介質(zhì)被流體加熱/冷卻而產(chǎn)生的膨脹/壓縮來控制閥門的開啟或關(guān)閉。溫控閥感溫介質(zhì)存在響應(yīng)延遲以及遲滯效應(yīng)。溫控閥動(dòng)作時(shí)，感溫介質(zhì)內(nèi)部溫度的變化慢于流體介質(zhì)，感溫介質(zhì)的遲滯特性也帶來升溫過程及降溫過程閥門動(dòng)作規(guī)律的不相同。

溫控閥感溫介質(zhì)溫度計(jì)算式如下：

(1)

溫控閥在散熱器端的閥門開度為感溫介質(zhì)的函數(shù)，如圖3所示。升溫過程及降溫過程分別為圖中的實(shí)線及虛線。

圖3 溫控閥溫度反應(yīng)特性

本文假設(shè)升溫及降溫過程的閥門開度-溫度曲線相同，僅存在溫度偏移量Δ。

2.2 散熱器

直升機(jī)主減速器滑油系統(tǒng)一般采用高換熱系數(shù)的叉流流動(dòng)板翅式空氣-滑油散熱器。散熱器換熱熱阻計(jì)算式：

(2)

式中：1—散熱器總熱阻；1—冷側(cè)流體換熱熱阻；1—熱側(cè)流體換熱熱阻；1—壁面換熱熱阻。

(3)

式中：—冷側(cè)流體介質(zhì)換熱系數(shù)；—熱側(cè)流體介質(zhì)換熱系數(shù)；—冷側(cè)流體努賽爾數(shù)；—熱側(cè)流體努賽爾數(shù)；—冷側(cè)換熱面積；—熱側(cè)換熱面積。

(4)

式中：—冷側(cè)翅片當(dāng)量直徑，—熱側(cè)翅片當(dāng)量直徑?！倱Q熱面積。

散熱器傳熱單元數(shù)計(jì)算公式：

(5)

式中：—取熱流體熱容量速率與冷流體熱容量速率的較小者。

由式(2)-式(5)得出散熱器傳熱單元數(shù)計(jì)算公式：

(6)

本文所涉及的散熱器為叉流式空氣-滑油散熱器，其換熱效率計(jì)算公式：

(7)

式中：—冷熱流體的熱容比值；—自然對(duì)數(shù)。

散熱器換熱量計(jì)算公式：

=·|-|·

(8)

式中、分別為冷、熱側(cè)流體入口溫度。

由計(jì)算式(6)可知，只需求解努賽爾數(shù)參數(shù)公式即能求解散熱器傳熱單元數(shù)，從而求解散熱器換熱量方程(8)。

努賽爾數(shù)為雷諾數(shù)與普朗特?cái)?shù)的關(guān)系式，即：

=··

(9)

通過散熱器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)努賽爾數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，以求解、及，最終得出散熱器換熱參數(shù)方程(8)。

2.3 主減速器

直升機(jī)主減速器內(nèi)部為齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的熱量均來源于摩擦生熱，即機(jī)械效率損失值。即主減速器傳熱方程：

=(1-)·

(10)

式中：Ф—主減速器產(chǎn)生的熱量；—主減速器機(jī)械效率；Ф—主減速器輸入機(jī)械功率。

2.4 滑油泵

直升機(jī)主減速器用滑油泵為定流量齒輪泵，流量公式：

=

(11)

式中，為滑油泵流量，為常數(shù)。

3 結(jié)果分析

室溫環(huán)境下，無溫控閥及安裝溫控閥時(shí)，主減速器油箱的滑油溫度隨直升機(jī)起動(dòng)過程變化如圖4所示。圖4表明，溫控閥能夠大幅縮短溫升時(shí)間，使主減速器滑油箱滑油快速上升到適宜工作溫度。

圖5顯示，低溫環(huán)境下，安裝有溫控閥的主減速器滑油箱滑油溫度高于無溫控閥條件下的滑油箱滑油溫度，表明低溫環(huán)境下溫控閥能夠提升主減速器滑油箱滑油溫度。

溫控閥特性相同時(shí)，在不同的外界環(huán)境溫度條件下，溫控閥開度變化及滑油箱滑油溫度變化分別如圖6、圖7所示。圖6、圖7表明，環(huán)境溫度越低，溫控閥開度越小，調(diào)節(jié)流經(jīng)散熱器的滑油流量越小，以調(diào)節(jié)主減速器滑油箱滑油溫度。當(dāng)環(huán)境溫度大于20 ℃時(shí)，溫控閥全開，穩(wěn)定后的主減速器滑油箱滑油溫度不再受溫控閥調(diào)節(jié)。

溫控閥反應(yīng)特性曲線如圖3所示，升溫過程的開啟溫度為。在低溫環(huán)境溫度下，主減速器油箱的滑油溫度隨直升機(jī)主減速器冷起動(dòng)過程的變化如圖8所示。圖8表明，穩(wěn)定后的主減速器滑油箱滑油溫度隨時(shí)間變化逐漸趨于穩(wěn)定。溫控閥開啟溫度越高，油箱滑油溫度越高，且最終趨近于與相等。

如圖3所示的溫控閥特性曲線，設(shè)定不同的升溫降溫溫度偏移量Δ，主減速器滑油箱滑油溫度變化如圖9。圖9表明，溫度偏移Δ越小，則主減速器滑油箱滑油溫度波動(dòng)越小，溫度穩(wěn)定時(shí)間越短，且穩(wěn)定的滑油溫度值越接近目標(biāo)值。

4 結(jié)論

本文通過散熱器、溫控閥等的參數(shù)化模型建立了主減速器散熱系統(tǒng)計(jì)算模型，研究溫控閥對(duì)主減速器在冷起動(dòng)過程中主減速器滑油箱滑油溫度隨時(shí)間變化的影響。結(jié)果表明：

1)溫控閥能夠大幅縮短主減速器冷起動(dòng)過程的溫升時(shí)間，提高低溫環(huán)境下的主減速器滑油箱滑油溫度。

2)環(huán)境溫度低，溫控閥開度小，調(diào)節(jié)流經(jīng)散熱器的滑油流量小，但低溫下的環(huán)境溫度對(duì)主減速器滑油箱滑油溫度的影響較小。

3)低溫環(huán)境下，溫控閥開啟溫度越高，主減速器滑油箱滑油溫度越高。

4)減小溫控閥的溫度偏移量，能夠縮短主減速器滑油箱滑油溫度穩(wěn)定時(shí)間，減小穩(wěn)定后的滑油溫度偏差。