朱 虹，常 莉，王 輝

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

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AC311直升機主減滑油溫度偏高故障分析與改進

朱 虹，常 莉，王 輝

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

AC311直升機安裝LTS101-700D-2發(fā)動機，在進行地面長試及大功率懸停時，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、進氣構(gòu)型等方面對該故障現(xiàn)象進行了分析，理清出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，并對相應(yīng)的改進措施以及驗證結(jié)果進行了說明。

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

0 引言

AC311直升機滑油系統(tǒng)是在直11型民機適航取證的基礎(chǔ)上，換裝Honeywell公司LTS101-700D-2發(fā)動機后的配套滑油系統(tǒng)，要求發(fā)動機和主減外滑油系統(tǒng)在原直11型機的滑油系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行設(shè)計更改，以最終滿足換發(fā)要求。

AC311直升機換裝 LTS101-700D-2發(fā)動機后在進行地面長試過程中，出現(xiàn)主減滑油溫度偏高現(xiàn)象；在進行大功率懸停時出現(xiàn)主減滑油高溫報警(報警溫度為115℃)、滑油風(fēng)扇頻繁起動的現(xiàn)象。本文將針對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)計改進，并對更改后的滑油系統(tǒng)進行熱動力性能分析和進氣流場仿真分析，最后通過大功率懸停驗證試驗驗證改進方案的可行性。

1 原因分析

1.1 系統(tǒng)的原理簡介

電機驅(qū)動風(fēng)扇，通過主減和發(fā)動機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，冷卻空氣由電機驅(qū)動的風(fēng)扇提供。當(dāng)滑油箱中的油溫達到86℃時，風(fēng)扇自動接通工作；油溫一達到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)扇電機通電?；蜏囟冉抵?8℃時，風(fēng)扇控制開關(guān)斷開，風(fēng)扇電機停止工作。工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 AC311直升機滑油系統(tǒng)原理示意

1.2 換發(fā)引起的系統(tǒng)設(shè)計改進

1.2.1 滑油散熱器更改

AC311直升機換裝 LTS101-700D-2發(fā)動機后，因發(fā)動機散熱需求增加，最大發(fā)熱量由15kW增加到20.22kW，發(fā)動機滑油系統(tǒng)改進設(shè)計方案采用兩臺滑油散熱器，即原直11型機的主減滑油散熱器(型號：HSR-7)和發(fā)動機滑油散熱器(型號：HSR-4)同時為發(fā)動機提供散熱；同時，將增加一臺主減滑油散熱器(型號：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)動機和主減滑油系統(tǒng)由共用的滑油冷卻風(fēng)扇提供強制冷空氣，對發(fā)動機和主減滑油散熱器進行滑油冷卻。具體安裝形式如圖2所示。

1.2.2 進氣道構(gòu)型更改

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

圖2 AC311直升機滑油散熱器安裝

圖3 直11民機提供的前部整流罩外型

圖4 AC311直升機的前部整流罩外型

1.3 滑油系統(tǒng)熱動力分析

1.3.1 理論評估

滑油系統(tǒng)的熱力計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算散熱器的散熱性能，

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

1)設(shè)計性計算

設(shè)計性計算是已知滑油進口溫度、流量、壓力，要求達到的出口溫度與允許的壓降，空氣進口溫度、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)計計算流程圖如圖5所示。

圖5 設(shè)計計算流程圖

滑油系統(tǒng)的熱力計算中多用數(shù)值法。采用數(shù)值法在進行設(shè)計計算時，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為流體普朗特數(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：對于鋸齒型翅片j/f=0.18。

選定初始翅片表面效率η0：設(shè)計計算應(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‘″’表示散熱器的進出口狀態(tài)。

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

2) 計算分析

通過軟件設(shè)計程序，分別對主減和發(fā)動機滑油系統(tǒng)進行散熱性能的校核性計算。計算結(jié)果如下：

發(fā)動機滑油系統(tǒng)散熱校核性計算，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，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℃，實際的散熱量達到5kW散熱能力；發(fā)動機系統(tǒng)最高滑油出口溫度為97.3℃，低于系統(tǒng)規(guī)定值110℃，實際的散熱量達到19.2kW散熱能力。綜上可見，目前的發(fā)動機滑油系統(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)見的是實際工作中主減滑油散熱器的滑油出口溫度肯定會高于116.2℃。這是因為AC311直升機與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，這就造成進氣流場的變化，即在主減滑油散熱器前部形成了渦流，空氣會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)動機滑油散熱器，由此導(dǎo)致主減滑油散熱器沒有足夠的進風(fēng)量，即實際的進風(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，由于進入發(fā)動機散熱器的氣流大多沒有經(jīng)過主減滑油散熱器，進口溫度大多為環(huán)境溫度50℃，所以，發(fā)動機滑油散熱器的散熱能力會過強,導(dǎo)致滑油風(fēng)扇頻繁啟動。

2 改進措施

針對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，主減滑油散熱器進風(fēng)量過少是問題的關(guān)鍵。因此，我們進行針對性設(shè)計改進，即在前部整流罩組件內(nèi)加裝主減滑油散熱器進氣整流板，如圖6所示。增加主減滑油散熱器進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)動機滑油散熱器。由此增加主減滑油散熱器的進風(fēng)量，緩解主減的散熱不足；同時降低發(fā)動機散熱余度，緩解風(fēng)扇頻繁啟動的現(xiàn)象。

圖6 僅示主減滑油散熱器與結(jié)構(gòu)連接部分

2.1 散熱效率評估

針對上述改進設(shè)計，同樣分別對主減和發(fā)動機滑油系統(tǒng)進行散熱性能的校核性計算。計算結(jié)果如下：

主減滑油系統(tǒng)散熱校核性計算，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)動機滑油系統(tǒng)散熱校核性計算，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)動機滑油系統(tǒng)最高滑油出口溫度為108.90℃，能夠滿足發(fā)動機滑油溫度110℃的要求。

2.2 進氣流場計算與分析

針對上述改進設(shè)計，對進氣道更改前后的流場開展進氣流場的計算與分析，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)動機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 驗證情況及效果

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

2011年9月7日，AC311型01架機進行了加裝散熱器進氣整流板前后的大功率懸停驗證試驗，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℃，還沒有達到溫度穩(wěn)定；發(fā)動機滑油溫度穩(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)動機滑油溫度穩(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氣道改進措施有效解決了主減滑油溫度偏高和滑油風(fēng)扇頻繁起動的問題。

表9 加裝整流板前后大功率懸停對比試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1)經(jīng)主減滑油散熱器和發(fā)動機滑油散熱器的性能校核計算和結(jié)果分析，以及進氣道氣流流動性能分析可知，AC311型機滑油系統(tǒng)出現(xiàn)主減滑油溫度偏高和滑油風(fēng)扇頻繁起動現(xiàn)象的原因主要是主減滑油散熱器進風(fēng)量過少，前部整流罩結(jié)構(gòu)形式造成進氣流場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，由于進入發(fā)動機散熱器的氣流大多沒有經(jīng)過主減滑油散熱器，進口溫度大多為環(huán)境溫度，所以，發(fā)動機滑油散熱器的散熱能力會過強，從而導(dǎo)致滑油風(fēng)扇頻繁啟動。

2)采用在前部整流罩組件內(nèi)加裝主減滑油散熱器進氣整流板的改進性設(shè)計，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)動機滑油散熱器。由此可有效增加主減滑油散熱器的進風(fēng)量，增強主減的散熱能力；同時降低發(fā)動機散熱余度，緩解風(fēng)機頻繁啟動的現(xiàn)象。

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

[1] 李 琳，余組建. 直升機滑油散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報,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：直升機滑油系統(tǒng)設(shè)計和研究。

1673-1220(2015)03-039-06

V228.3

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