田佳浩,雷乾乾,孫鵬遠(yuǎn),趙韋東,袁泉泉,張 明

(彩虹無人機(jī)科技有限公司，北京 100074)

1 引言

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具有價(jià)格低廉、耗油較省、易于維護(hù)以及操縱便捷等優(yōu)勢(shì)，因此中低速無人機(jī)普遍以航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)匹配螺旋槳作為推進(jìn)系統(tǒng)[1-3]。伴隨著無人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景的愈發(fā)廣泛以及生存環(huán)境的逐漸嚴(yán)苛，無人機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高實(shí)用升限的要求十分緊迫。對(duì)于航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)而言，除去對(duì)航電、燃油等系統(tǒng)的能力提升外，實(shí)用升限的提高很大程度上依賴于增壓系統(tǒng)能力的提高，即增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高壓比以應(yīng)對(duì)高海拔空氣稀薄的環(huán)境。根據(jù)熱力學(xué)原理，經(jīng)增壓系統(tǒng)增壓后的空氣溫度顯著提高，為提高進(jìn)氣密度以及避免發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度過高影響動(dòng)力輸出及穩(wěn)定性，需要在增壓器后引入中間冷卻系統(tǒng)[4-6]。針對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱器及熱管理技術(shù)的研究較多，為設(shè)計(jì)工作者在進(jìn)行短艙換熱設(shè)計(jì)時(shí)提供了參考[7-12]。本文對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法展開論述，對(duì)提高無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)整體性能和規(guī)范設(shè)計(jì)流程具有指導(dǎo)意義。

2 中冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及意義

2.1 中冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

對(duì)于飛行器而言，中冷系統(tǒng)通常采用風(fēng)冷式，其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

如圖1所示，中冷系統(tǒng)位于增壓系統(tǒng)末端，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，新鮮空氣依次經(jīng)過空氣濾清器、渦輪增壓器壓氣機(jī)、中冷器而后通過進(jìn)氣歧管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。

2.2 中冷系統(tǒng)對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由于增壓后空氣溫度在中冷系統(tǒng)內(nèi)得到顯著降級(jí)，進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量增加，這對(duì)增壓系統(tǒng)性能及航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生一系列影響。

1)可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)有更多的燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)而增加了動(dòng)力性。增壓中冷技術(shù)使得航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在臨界增壓高度以下最大輸出功率一直恒定不衰減，在臨界增壓高度以上功率衰減速率下降；

2)增加了空氣質(zhì)量，使得燃油噴霧與空氣更好得摻混，從而使之燃燒更加充分，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性；

3)降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度及排溫均明顯降低，即中冷系統(tǒng)降低了增壓系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷，提升了整機(jī)的可靠性。

3 中冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)圍繞中冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)、中冷器選型、中冷布置方式、中冷安裝及管路設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面對(duì)中冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法展開論述。

3.1 中冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

1)進(jìn)氣歧管溫度必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用限制，尤其在起飛及爬升功率段；

2)中冷系統(tǒng)前后壓降必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求，并盡可能小，因內(nèi)阻過大會(huì)導(dǎo)致增壓系統(tǒng)效率損失以及排溫過高等問題，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的功率下降；

3)中冷系統(tǒng)應(yīng)滿足不同海拔、溫度、工況下的中冷需求，使中冷后溫度始終處于合理范圍區(qū)間；

4)中冷器應(yīng)盡可能尺寸小，重量輕，且滿足飛行器空間要求，結(jié)構(gòu)安裝牢固可靠。

3.2 中冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

3.2.1 中冷器性能參數(shù)確定

通過計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)中冷散熱功率要求、壓損要求、增壓器進(jìn)氣流量、中冷進(jìn)氣道估值風(fēng)速以及安裝空間等因素確定中冷器基本性能參數(shù)。

1)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的選擇

針對(duì)于航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，增壓比隨著海拔的增加而逐漸增加，因此在進(jìn)氣量保證不變的前提下，海拔愈高則增壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量越多。此外在發(fā)動(dòng)機(jī)臨界增壓高度以上，進(jìn)氣流量雖然衰減，但是高海拔下冷側(cè)來流密度下降，中冷換熱效率下降。因此基本上以臨界增壓高度和升限兩個(gè)工況作為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。通?？墒紫纫耘R界增壓高度-最大起飛功率作為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，而后復(fù)驗(yàn)臨界增壓高度以上海拔中冷器的適用性。

2)中冷散熱需求的計(jì)算

中冷器的換熱量可以由以下公式計(jì)算得到：

Q=qmbcpb(Tb-Ts)

式中：Q為中冷器換熱量，qmb為增壓空氣流量(kg/s)，cpb為增壓空氣比定壓熱容(J/kg/K)，Tb為中冷器前空氣溫度，Ts為中冷后空氣溫度。

3)冷側(cè)來流的平均風(fēng)速計(jì)算

在已知中冷散熱功率需求，以及發(fā)動(dòng)機(jī)空間布置限制時(shí)，需對(duì)中冷前后風(fēng)速進(jìn)行預(yù)先估算，通常可采用CFD計(jì)算的手段獲得中冷前后風(fēng)速如圖2所示。或者根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在配裝航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的固定翼飛機(jī)起飛模態(tài)下，中冷風(fēng)道的風(fēng)速一般在10m/s大小。上述理論計(jì)算值或工程經(jīng)驗(yàn)值，有助于在中冷器選型后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)摸底。

3.2.2 中冷器芯體結(jié)構(gòu)形式選擇

風(fēng)冷中冷器是利用環(huán)境空氣來冷卻增壓之后的高溫高壓氣體，由于冷側(cè)及熱側(cè)介質(zhì)均為空氣，因此熱側(cè)及冷側(cè)的傳熱系數(shù)在同一量級(jí)，兩側(cè)的換熱面積應(yīng)大致相當(dāng)。其芯體結(jié)構(gòu)形式分為扁管式、板翅式和管翅式[6]。其中扁管式散熱效率最低，應(yīng)用較少；板翅式材質(zhì)大多為銅和鋁合金，其結(jié)構(gòu)緊湊，換熱面積大，傳熱效率高；管翅式由板翅式發(fā)展而來，其熱氣側(cè)是多孔的成型管材，簡(jiǎn)化了工藝，提高了焊接的可靠性，其缺點(diǎn)是熱側(cè)只能是平直通道，不能采取擾流措施。一般芯體結(jié)構(gòu)形式多選取為板翅式或管翅式。

3.2.3 中冷器布置方式選擇

中冷器的布置形式如圖3～5所示，一般有以下三種形式：?jiǎn)蝹€(gè)中冷器串聯(lián)、多個(gè)中冷器串聯(lián)、多個(gè)中冷器并聯(lián)。

在設(shè)計(jì)過程中，上述三種布置方式均可選擇，但是要滿足中冷系統(tǒng)性能要求及尺寸重量最小選擇。

面對(duì)增壓比適中，進(jìn)氣量較低的小功率發(fā)動(dòng)機(jī)來說，通常選用圖3單個(gè)中冷器串聯(lián)形式與圖4多個(gè)中冷器串聯(lián)形式。對(duì)于上述兩種形式，針對(duì)同一款中冷散熱器芯體，在總散熱面積、風(fēng)速等條件一致的前提下，原則上中冷散熱性能基本一致，主要根據(jù)無人機(jī)布置空間來決定選取哪種形式。

面對(duì)高壓比，高進(jìn)氣量的發(fā)動(dòng)機(jī)，原則上推薦選用如圖5所示的多個(gè)中冷器并聯(lián)形式。一方面，并聯(lián)的形式可以將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量分成多個(gè)部分流過中冷器，相較于串聯(lián)方式大幅減小中冷系統(tǒng)內(nèi)阻；另一方面當(dāng)單路中冷出現(xiàn)故障，尚有一路甚至多路中冷正常工作，可以使無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)維持小功率狀態(tài)安全返航，增加了冗余性，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。

3.2.4 中冷器方案的CFD計(jì)算

針對(duì)于不同的布置方案，運(yùn)用CFD工程計(jì)算軟件，對(duì)流阻進(jìn)行計(jì)算，最終確立最優(yōu)方案。

如以下算例，針對(duì)同一款航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)如圖3、圖5所示的兩種中冷器布置方案，結(jié)合設(shè)計(jì)工況，對(duì)短艙內(nèi)部流速進(jìn)行CFD仿真計(jì)算。

在上述兩個(gè)方案的中冷效果均能滿足散熱需求的前提下，進(jìn)行短艙內(nèi)流仿真。由計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7可知，針對(duì)于該款動(dòng)力短艙，上述中冷并聯(lián)的形式除卻具有減小中冷內(nèi)部流道內(nèi)阻的優(yōu)勢(shì)外，還可以一定程度上減小短艙整體內(nèi)阻，提高飛行器的總體性能。因此針對(duì)于該型發(fā)動(dòng)機(jī)及平臺(tái)，選用中冷并聯(lián)布置方式。

3.2.5 中冷器安裝及管路設(shè)計(jì)

在中冷器的安裝設(shè)計(jì)中需充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)環(huán)境以及中冷器的受熱膨脹變形，因此在中冷安裝點(diǎn)處應(yīng)考慮減震設(shè)計(jì)，在中冷器與進(jìn)氣道之間也要考慮減震及密封設(shè)計(jì)。

在中冷系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)中，需在管路內(nèi)阻、以及耐溫耐壓和接頭安裝牢靠等多個(gè)方面進(jìn)行考慮。即所選橡膠管、金屬管、卡箍材質(zhì)需耐受300℃以上高溫以及最大增壓壓力；管路內(nèi)壁光滑并且減少轉(zhuǎn)彎，在必須轉(zhuǎn)彎的部位應(yīng)依據(jù)管路尺寸選取合適轉(zhuǎn)彎半徑；在管路及接頭連接處，應(yīng)選取防松卡箍，并在金屬接頭處設(shè)置寶塔形貼合面，以防止管路脫落。

4 中冷系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)計(jì)好的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中冷系統(tǒng)必須經(jīng)過功能測(cè)試以及耐久可靠性測(cè)試，方可裝機(jī)使用。

4.1 測(cè)試臺(tái)架條件要求

對(duì)設(shè)計(jì)的中冷系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試及耐久測(cè)試，臺(tái)架應(yīng)滿足以下要求：

1)地面臺(tái)架環(huán)境溫度應(yīng)為無人機(jī)平臺(tái)規(guī)定的所耐受最高環(huán)境溫度。一方面環(huán)境溫度高意味著著中冷前熱側(cè)進(jìn)氣溫度高，另一方面意味著冷側(cè)進(jìn)氣溫度高，即應(yīng)在嚴(yán)苛條件下考核中冷系統(tǒng)；

2)中冷系統(tǒng)安裝形式、管路走向等應(yīng)與裝機(jī)狀態(tài)基本一致，以保證裝機(jī)方案得到充分驗(yàn)證，對(duì)后續(xù)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義；

3)中冷器冷側(cè)來流通常采用風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇來模擬無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)氣道來流環(huán)境，需提前運(yùn)用CFD仿真計(jì)算獲得中冷器冷側(cè)來流風(fēng)速，在試驗(yàn)臺(tái)架中通過變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，以保證中冷器冷側(cè)來流平均風(fēng)速與CFD仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。

4.2 中冷系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

合格的中冷系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

1)中冷后溫度<發(fā)動(dòng)機(jī)最高進(jìn)氣溫度限制；

2)中冷前后壓差<發(fā)動(dòng)機(jī)中冷系統(tǒng)最大壓損限制；

3)中冷器系統(tǒng)安裝緊固件在耐久測(cè)試結(jié)束后無松動(dòng)；

4)中冷器本體、管路等耐受振動(dòng)、高溫、高壓環(huán)境無損壞。

4.3 中冷系統(tǒng)測(cè)試注意事項(xiàng)

在對(duì)中冷系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試及耐久測(cè)試的過程中，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1)在發(fā)動(dòng)機(jī)多工況狀態(tài)下進(jìn)行中冷系統(tǒng)測(cè)試，即應(yīng)充分測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行器起飛、爬升、巡航、下滑等多個(gè)模態(tài)下的工況點(diǎn)；

2)在臺(tái)架測(cè)試中對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行充分測(cè)量評(píng)估，避免發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射等外界因素導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空濾前溫度和中冷器冷側(cè)進(jìn)氣溫度偏離實(shí)際使用工況；

3)在每一次試驗(yàn)開始前和結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架及試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行點(diǎn)檢，以確認(rèn)狀態(tài)。

5 結(jié)論

通過上述分析與比較，可以得出以下結(jié)論：

1)中冷系統(tǒng)對(duì)帶增壓的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)意義重大，可提升其動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)可靠性；

2)中冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程應(yīng)遵循滿足散熱功率需求、尺寸輕巧、自身內(nèi)阻小、短艙流道阻力小、結(jié)構(gòu)牢固可靠、具備安全冗余設(shè)計(jì)等原則；

3)中冷系統(tǒng)在裝機(jī)前需進(jìn)行功能測(cè)試及耐久測(cè)試，盡量模擬真實(shí)裝機(jī)環(huán)境以及使用工況對(duì)中冷系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)測(cè)。