幸曉龍，向宏輝，黃磊，鐘紹輝，趙汝彬，修英利

（1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川江油621703；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

高效冷噴流吹掃車(chē)研制

幸曉龍1，2，向宏輝1，2，黃磊2，鐘紹輝2，趙汝彬2，修英利2

（1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川江油621703；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

根據(jù)我國(guó)冰雪災(zāi)害性天氣多及目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，自主研制了一款機(jī)場(chǎng)、公路清掃用的吹掃車(chē)。采用先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)、葉片造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行吹掃車(chē)高效冷噴流軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，并為其選擇了配套的動(dòng)力裝置、齒輪增速器、聯(lián)軸器等車(chē)載設(shè)備，集成于承載卡車(chē)上。性能測(cè)試、100 h壽命考核及現(xiàn)場(chǎng)試用表明，吹掃車(chē)性能高效，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，安全性高?，F(xiàn)已成功申請(qǐng)國(guó)家專利，其技術(shù)水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，滿足用戶需求并實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售。

吹掃車(chē)；軸流風(fēng)機(jī)；冷噴流；動(dòng)力裝置；齒輪箱；聯(lián)軸器

1　引言

我國(guó)北方大部分地區(qū)冬天常普降大雪，造成公路交通中斷、航班延誤或取消，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和民生帶來(lái)極大影響。對(duì)于軍用機(jī)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，機(jī)場(chǎng)積雪將嚴(yán)重影響作戰(zhàn)飛機(jī)的起降安全，極大地制約我國(guó)空軍的飛行訓(xùn)練、戰(zhàn)備值班作戰(zhàn)能力。目前，我國(guó)北方部分軍用機(jī)場(chǎng)使用的利用退役渦噴-5發(fā)動(dòng)機(jī)研制的吹掃車(chē)存在以下缺陷：故障率高，維修、維護(hù)成本高；耗油率高，經(jīng)濟(jì)性差；排出的高溫燃?xì)鈱?duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，且很容易燒蝕路面，并對(duì)使用環(huán)境要求較高；工作時(shí)道路積雪容易融化，吹掃后若融雪沒(méi)及時(shí)蒸發(fā)就會(huì)結(jié)冰；噪聲污染嚴(yán)重等，已無(wú)法滿足機(jī)場(chǎng)保障使用要求［1］。瑞典、日本和加拿大等國(guó)作為道路除雪設(shè)備研究和生產(chǎn)的主流國(guó)家，其除雪設(shè)備的研制與生產(chǎn)具有較高的水平與規(guī)模，但其設(shè)備昂貴且維護(hù)成本高。因此，自主研制高效、環(huán)保、能降低路面損傷的除雪設(shè)備，已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需要。

基于上述考慮，中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院利用先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法，將常用的熱風(fēng)吹掃改為冷噴流吹掃，自主研制了一款新型、高效的吹掃車(chē)車(chē)載核心設(shè)備——冷噴流軸流風(fēng)機(jī)。通過(guò)對(duì)冷噴流軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并配以成熟可靠的動(dòng)力系統(tǒng)及合理的排氣噴射管路，提高了車(chē)載系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，滿足了用戶需求，填補(bǔ)了我國(guó)冷噴流掃雪技術(shù)的空白。

2　吹掃車(chē)工作原理、結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

此款高效冷噴流吹掃車(chē)，是將冷噴流軸流風(fēng)機(jī)集成于專用承載卡車(chē)上，利用車(chē)載柴油機(jī)作動(dòng)力，從大氣中直接吸入空氣，經(jīng)軸流風(fēng)機(jī)對(duì)其做功、增壓后從專用噴口導(dǎo)流噴出，以高速低溫噴流對(duì)路面或機(jī)場(chǎng)跑道的積雪、灰塵進(jìn)行吹掃。

該產(chǎn)品主要由冷噴流軸流風(fēng)機(jī)、加長(zhǎng)載重卡車(chē)、柴油機(jī)、高彈聯(lián)軸器、帶離合器齒輪箱、雙膜片梅花聯(lián)軸器、排氣管路、控制及監(jiān)視系統(tǒng)組成。為滿足柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在車(chē)廂旁加掛4個(gè)150 L的串聯(lián)油箱。同時(shí)，為降低排氣管路流阻，冷噴流軸流風(fēng)機(jī)等車(chē)載系統(tǒng)各部件與車(chē)體中軸線成8°夾角。去除帶百葉窗、蜂窩狀的車(chē)廂后，吹掃車(chē)外觀如圖1所示。

圖1　吹掃車(chē)外觀圖Fig.1 The appearance of sweeping vehicle

該車(chē)的使用環(huán)境溫度為-40～40℃，使用海拔高度≯4 000 m，最大吹掃面積≮150 000 m2/h，油耗≯100 L/h；風(fēng)機(jī)大修期限為800～1 000 h，噴流速度≮145 m/s；駕駛室內(nèi)噪聲≯86 dB，車(chē)外≯110 dB。

3　主要部件設(shè)計(jì)

3.1冷吹軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

冷吹軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壓比1.13～1.16，效率≮0.85，體積流量23 m3/s，物理轉(zhuǎn)速3 500 r/min，功率＜450 kW。風(fēng)機(jī)采用軸流單級(jí)增壓結(jié)構(gòu)［2］，由進(jìn)氣段、轉(zhuǎn)子組件、靜子組件、軸承、排氣段組成（圖2）。其氣動(dòng)設(shè)計(jì)采用目前先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系，按照準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法，經(jīng)多次迭代計(jì)算完成。S2流面設(shè)計(jì)時(shí)，假設(shè)氣流為無(wú)粘、絕熱、定常流，并考慮葉片厚度和環(huán)壁附面層堵塞的影響。流道及葉片子午投影見(jiàn)圖3。葉片造型采用定制葉型設(shè)計(jì)技術(shù)，能有效控制葉型表面附面層發(fā)展，避免或推遲附面層分離，提高風(fēng)機(jī)效率和穩(wěn)定裕度。

圖2　冷吹軸流風(fēng)機(jī)示意圖Fig.2 Axial flow fan

圖3　流道及葉片子午投影Fig.3 Flow path and the meridian of blade

圖4　冷噴流軸流風(fēng)機(jī)一維、二維計(jì)算特性圖Fig.4 The 1D and 2D computation results of axial flow fan

采用一維、二維特性計(jì)算程序進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能計(jì)算。在轉(zhuǎn)速3 500 r/min和進(jìn)口總壓101 325 Pa的條件下，進(jìn)口總溫分別設(shè)定為253 K、263 K和273 K進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)圖4。可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)流量范圍寬，效率滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，采用DENTON軟件對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行全三維粘性流場(chǎng)計(jì)算分析。圖5為進(jìn)口溫度263K時(shí)的出口速度分布，可見(jiàn)其出口速度滿足設(shè)計(jì)要求。圖6為葉中截面S1流面馬赫數(shù)等值線圖，可見(jiàn)氣流流場(chǎng)控制得很好，幾乎不存在分離現(xiàn)象。

圖5　冷噴流軸流風(fēng)機(jī)出口速度分布Fig.5 The Outlet velocity distribution of axial flow fan

圖6　冷噴流軸流風(fēng)機(jī)S1流面馬赫數(shù)等值線圖Fig.6 S1 stream surface Mach number distribution

3.2動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用成型柴油機(jī)——重康柴油機(jī)帶動(dòng)齒輪箱增速，使輸出轉(zhuǎn)速符合吹雪風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速要求。該型柴油機(jī)性能穩(wěn)定，可有效降低動(dòng)力故障率，節(jié)約維護(hù)成本；其燃油消耗率為90 L/h，大大降低了耗油量，減少了吹掃車(chē)的運(yùn)行成本；同時(shí)，減少了燃?xì)馀欧帕?，降低了?duì)環(huán)境的污染；動(dòng)力運(yùn)行所產(chǎn)生的噪聲也明顯低于渦噴-5發(fā)動(dòng)機(jī)，降低了操作人員的健康風(fēng)險(xiǎn)。

3.3排氣管路設(shè)計(jì)

排氣噴管布局如圖7所示。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到卡車(chē)前橋（離地約300 mm）、車(chē)體前兩側(cè)彈簧鋼板、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向直拉桿的位置和高度，排氣管路不能防礙車(chē)輪轉(zhuǎn)彎，行駛在顛簸路面上發(fā)生振動(dòng)時(shí)需要整個(gè)管路與車(chē)載主體保持協(xié)調(diào)一致以免剛性連接管路折斷等問(wèn)題，管路必須固定在吹掃車(chē)兩側(cè)的變截面大梁上，且最好是穿越前橋下端。噴口設(shè)計(jì)時(shí)，圓轉(zhuǎn)方段的主噴口噴氣方向相對(duì)車(chē)體中軸線有一個(gè)前傾80°、對(duì)地15°的夾角，底部離地不低于240 mm，以保證主噴口吹掃距離［3］。另外，將噴口設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形出口，能很好地保證吹掃面積和管路系統(tǒng)的風(fēng)壓平衡［4］。再則，為保證左右吹掃管路氣流的合理分流，設(shè)計(jì)時(shí)收斂噴口相對(duì)車(chē)體中軸線有一個(gè)前傾110°、對(duì)地20°的夾角，底部離地不低于150 mm；同時(shí)，為保證兩股氣流互不干涉、不存在吹掃盲區(qū)，兩個(gè)收斂噴口縱向和橫向設(shè)計(jì)有一定間距，兩路次吹掃管路設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)收斂噴口且對(duì)地角度可調(diào)的卡環(huán)式結(jié)構(gòu)。為減少局部阻力，分流支管位于收斂管段上［5］。

利用NUMECA軟件對(duì)吹掃管路進(jìn)行三維流場(chǎng)驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9?？梢?jiàn)，流場(chǎng)品質(zhì)較為理想，完全滿足吹掃車(chē)工作時(shí)對(duì)風(fēng)壓、流速的要求。

圖7　排氣噴管布局Fig.7 Exhaust nozzle of sweeping vehicle

圖8　冷噴流軸流風(fēng)機(jī)排氣管路壓力分布Fig.8 Pressure distribution of exhaust pipe

4　冷噴流軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核

冷吹軸流風(fēng)機(jī)作為吹掃車(chē)的核心部件，其性能直接關(guān)系到吹掃車(chē)研制的成敗。為此，重點(diǎn)針對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片材料選擇、加工工藝及葉片固有頻率調(diào)頻開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。

圖9　冷噴流軸流風(fēng)機(jī)排氣管路流場(chǎng)校核結(jié)果Fig.9 Flow field calibration results of exhaust pipe

4.1葉片材料及加工工藝確定

借鑒以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并查閱《中國(guó)航空材料手冊(cè)》相關(guān)材料性能，風(fēng)機(jī)葉片材料選用ZL114A［6］。加工工藝確定時(shí)，考慮到鑄造對(duì)材料性能的影響，壓鑄加工可能造成拉伸強(qiáng)度下降25%、屈服強(qiáng)度下降40%，葉片采用重力金屬型澆鑄和機(jī)加成形工藝。該加工工藝能讓葉片具有較好的機(jī)械性能、尺寸精度和表面光潔度等優(yōu)點(diǎn)，并能降低加工成本。葉片完成加工并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，表面再增加涂漆工藝，降低其因表面點(diǎn)蝕導(dǎo)致的應(yīng)力集中，避免振動(dòng)應(yīng)力下的疲勞失效，提高使用壽命。

4.2調(diào)頻設(shè)計(jì)

借鑒以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片前后緣和榫頭連接處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用ANSYS進(jìn)行多輪有限元校核。葉片調(diào)頻設(shè)計(jì)最后動(dòng)頻振型見(jiàn)圖10，坎貝爾圖見(jiàn)圖11，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下頻率裕度滿足要求。

4.3強(qiáng)度校核

利用ANSYS對(duì)葉片強(qiáng)度進(jìn)行分析，考慮幾何非線性、溫度、氣動(dòng)力和離心力的綜合影響。轉(zhuǎn)子葉片等效應(yīng)力見(jiàn)圖12，應(yīng)力值見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，葉片的拉伸強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)和屈服強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10　轉(zhuǎn)子葉片振型Fig.10 The vibration mode of rotor blade

5　試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際使用驗(yàn)證

5.1試驗(yàn)結(jié)果

完成設(shè)計(jì)加工并車(chē)載集成后（圖13），進(jìn)行了性能試驗(yàn)和100 h壽命考核試驗(yàn)。結(jié)果表明，所有性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整車(chē)能耗低（柴油油耗≯95 L/h），效率高（吹掃面積≮150 000 m2/h），風(fēng)力大（流量23 m3/s），適應(yīng)范圍廣，可全天候作業(yè)，排放、噪聲等指標(biāo)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

完成性能考核設(shè)計(jì)定型后，改型吹掃車(chē)通過(guò)省級(jí)新產(chǎn)品新技術(shù)鑒定。鑒定結(jié)論為：該產(chǎn)品具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與集成的軍民兩用新技術(shù)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

圖11　坎貝爾圖Fig.11 Campbell diagram

圖12　轉(zhuǎn)子葉片等效應(yīng)力Fig.12 Equivalent stress of rotor blade

表1　轉(zhuǎn)子葉片靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculating results of rotor blade static strength

圖13　吹掃車(chē)產(chǎn)品Fig.13 Sweeping vehicle

5.2實(shí)際使用驗(yàn)證

設(shè)計(jì)定型后，吹掃車(chē)交付給吉林航空維修有限責(zé)任公司及沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)進(jìn)行實(shí)際使用驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)用戶的多年使用，吹掃車(chē)未發(fā)生由于設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量導(dǎo)致的故障，并于2014年實(shí)現(xiàn)吹掃車(chē)首臺(tái)成套產(chǎn)品的銷(xiāo)售。根據(jù)用戶評(píng)價(jià)，該產(chǎn)品能耗低、效率高、風(fēng)力大、故障率低、適應(yīng)性范圍廣、可全天候作業(yè)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低、對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道及吹掃作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)地面無(wú)損傷、可有效防止路面重復(fù)結(jié)冰等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

6　結(jié)論

（1）采用航空葉輪機(jī)三維設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行冷噴流軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，具有效率高、風(fēng)力大和能耗低等特點(diǎn)。集成定型后的吹掃車(chē)經(jīng)省級(jí)新產(chǎn)品新技術(shù)鑒定，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與集成的軍民兩用新技術(shù)，該產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

（2）結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化造型和排氣噴管流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行噪聲綜合控制，使吹掃車(chē)排放、噪聲等指標(biāo)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）車(chē)載系統(tǒng)各部件均采用技術(shù)成熟的成套產(chǎn)品，有效降低了產(chǎn)品成本、故障率，以及使用、運(yùn)行和維修維護(hù)成本，客戶滿意度高。

（4）產(chǎn)品采用航空葉輪機(jī)技術(shù)，選用自主開(kāi)發(fā)的軸流風(fēng)機(jī)，將常用的熱風(fēng)吹掃改為冷噴流吹掃，避免了對(duì)機(jī)場(chǎng)、路面的損傷。

［1］馬同力.我國(guó)首輛冷風(fēng)道面吹雪車(chē)在北京三興汽車(chē)廠下線［J］.商用汽車(chē)雜志，2005，3：68—69.

［2］《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第8冊(cè)——壓氣機(jī)［K］.北京：航空工業(yè)出版社，2000：141—164.

［3］羅華云.某型吹掃風(fēng)機(jī)車(chē)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［D］.成都：成都電子科技大學(xué)，2009.

［4］孫熙.袋式除塵技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：271—303.

［5］O'Sullivan M N，Waitz I A，Greitzer E M，et al.A computational study of viscous effects on lobed mixer flow features and performance［R］.AIAA 94-3085，1994.

［6］《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)：第3卷——鋁合金鎂合金［K］.2版.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

Development of a highly efficient axial flow fan sweeping vehicle

XING Xiao-long1，2，XIANG Hong-hui1，2，HUANG Lei2，ZHONG Shao-hui2，ZHAO Ru-bin2，XIU Ying-li2
（1.Key Laboratory on Aero-Engine Altitude Simulation Technology，Jiangyou 621703，China；2.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

With the increasing of the severe weather and the current domestic market demand in our country，independent design and development of a blowing snow machine is very necessary for airport and road. Advanced aircraft engine aerodynamic design，blade shape and structure design technique were applied to design the sweeping vehicle with axial flow fan of highly efficient cold flow.And the corresponding power plant，gear speeder，coupling and other on-board equipment were selected.The performance test，100-hour life assessment and field trial show that the sweeping vehicle is efficient，economic and safe，that can satisfy the needs of customers and make profit.With its leading technology in domestic arena，it has now applied for national patent.

sweeping vehicle；axial flow fan；cold flow；power plant；gear speeder；couplings

V351.392

A

1672-2620（2015）05-0044-05

2015-04-28；

2015-07-15

幸曉龍（1976-），男，重慶江津人，高級(jí)工程師，主要從事壓氣機(jī)試驗(yàn)研究工作。