高效冷噴流吹掃車研制

幸曉龍，向宏輝，黃磊，鐘紹輝，趙汝彬，修英利

（1.航空發(fā)動機高空模擬技術(shù)重點實驗室，四川江油621703；2.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

高效冷噴流吹掃車研制

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)動機高空模擬技術(shù)重點實驗室，四川江油621703；2.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

根據(jù)我國冰雪災(zāi)害性天氣多及目前國內(nèi)市場需求，自主研制了一款機場、公路清掃用的吹掃車。采用先進的航空發(fā)動機氣動設(shè)計、葉片造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，進行吹掃車高效冷噴流軸流風(fēng)機設(shè)計，并為其選擇了配套的動力裝置、齒輪增速器、聯(lián)軸器等車載設(shè)備，集成于承載卡車上。性能測試、100 h壽命考核及現(xiàn)場試用表明，吹掃車性能高效，經(jīng)濟性強，安全性高?，F(xiàn)已成功申請國家專利，其技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先，滿足用戶需求并實現(xiàn)銷售。

吹掃車；軸流風(fēng)機；冷噴流；動力裝置；齒輪箱；聯(lián)軸器

1　引言

我國北方大部分地區(qū)冬天常普降大雪，造成公路交通中斷、航班延誤或取消，對國家經(jīng)濟和民生帶來極大影響。對于軍用機場來說，機場積雪將嚴(yán)重影響作戰(zhàn)飛機的起降安全，極大地制約我國空軍的飛行訓(xùn)練、戰(zhàn)備值班作戰(zhàn)能力。目前，我國北方部分軍用機場使用的利用退役渦噴-5發(fā)動機研制的吹掃車存在以下缺陷：故障率高，維修、維護成本高；耗油率高，經(jīng)濟性差；排出的高溫燃氣對環(huán)境污染嚴(yán)重，且很容易燒蝕路面，并對使用環(huán)境要求較高；工作時道路積雪容易融化，吹掃后若融雪沒及時蒸發(fā)就會結(jié)冰；噪聲污染嚴(yán)重等，已無法滿足機場保障使用要求［1］。瑞典、日本和加拿大等國作為道路除雪設(shè)備研究和生產(chǎn)的主流國家，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，已成為我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展和國防現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需要。

基于上述考慮，中國燃氣渦輪研究院利用先進航空發(fā)動機設(shè)計方法，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、高效的吹掃車車載核心設(shè)備——冷噴流軸流風(fēng)機。通過對冷噴流軸流風(fēng)機進行優(yōu)化設(shè)計，并配以成熟可靠的動力系統(tǒng)及合理的排氣噴射管路，提高了車載系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，滿足了用戶需求，填補了我國冷噴流掃雪技術(shù)的空白。

2　吹掃車工作原理、結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

此款高效冷噴流吹掃車，是將冷噴流軸流風(fēng)機集成于專用承載卡車上，利用車載柴油機作動力，從大氣中直接吸入空氣，經(jīng)軸流風(fēng)機對其做功、增壓后從專用噴口導(dǎo)流噴出，以高速低溫噴流對路面或機場跑道的積雪、灰塵進行吹掃。

該產(chǎn)品主要由冷噴流軸流風(fēng)機、加長載重卡車、柴油機、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。為滿足柴油機長時間運行，在車廂旁加掛4個150 L的串聯(lián)油箱。同時，為降低排氣管路流阻，冷噴流軸流風(fēng)機等車載系統(tǒng)各部件與車體中軸線成8°夾角。去除帶百葉窗、蜂窩狀的車廂后，吹掃車外觀如圖1所示。

圖1　吹掃車外觀圖Fig.1 The appearance of sweeping vehicle

該車的使用環(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，車外≯110 dB。

3　主要部件設(shè)計

3.1冷吹軸流風(fēng)機設(shè)計

冷吹軸流風(fēng)機設(shè)計壓比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)機采用軸流單級增壓結(jié)構(gòu)［2］，由進氣段、轉(zhuǎn)子組件、靜子組件、軸承、排氣段組成（圖2）。其氣動設(shè)計采用目前先進的航空發(fā)動機壓氣機氣動設(shè)計體系，按照準(zhǔn)三維設(shè)計方法，經(jīng)多次迭代計算完成。S2流面設(shè)計時，假設(shè)氣流為無粘、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圖3。葉片造型采用定制葉型設(shè)計技術(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)機效率和穩(wěn)定裕度。

圖2　冷吹軸流風(fēng)機示意圖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)機一維、二維計算特性圖Fig.4 The 1D and 2D computation results of axial flow fan

采用一維、二維特性計算程序進行風(fēng)機性能計算。在轉(zhuǎn)速3 500 r/min和進口總壓101 325 Pa的條件下，進口總溫分別設(shè)定為253 K、263 K和273 K進行驗算，結(jié)果見圖4。可見，風(fēng)機流量范圍寬，效率滿足設(shè)計要求。同時，采用DENTON軟件對風(fēng)機進行全三維粘性流場計算分析。圖5為進口溫度263K時的出口速度分布，可見其出口速度滿足設(shè)計要求。圖6為葉中截面S1流面馬赫數(shù)等值線圖，可見氣流流場控制得很好，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S1流面馬赫數(shù)等值線圖Fig.6 S1 stream surface Mach number distribution

3.2動力系統(tǒng)設(shè)計

選用成型柴油機——重康柴油機帶動齒輪箱增速，使輸出轉(zhuǎn)速符合吹雪風(fēng)機轉(zhuǎn)速要求。該型柴油機性能穩(wěn)定，可有效降低動力故障率，節(jié)約維護成本；其燃油消耗率為90 L/h，大大降低了耗油量，減少了吹掃車的運行成本；同時，減少了燃氣排放量，降低了對環(huán)境的污染；動力運行所產(chǎn)生的噪聲也明顯低于渦噴-5發(fā)動機，降低了操作人員的健康風(fēng)險。

3.3排氣管路設(shè)計

排氣噴管布局如圖7所示。設(shè)計時，考慮到卡車前橋（離地約300 mm）、車體前兩側(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輪轉(zhuǎn)彎，行駛在顛簸路面上發(fā)生振動時需要整個管路與車載主體保持協(xié)調(diào)一致以免剛性連接管路折斷等問題，管路必須固定在吹掃車兩側(cè)的變截面大梁上，且最好是穿越前橋下端。噴口設(shè)計時，圓轉(zhuǎn)方段的主噴口噴氣方向相對車體中軸線有一個前傾80°、對地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)計為長方形出口，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)計時收斂噴口相對車體中軸線有一個前傾110°、對地20°的夾角，底部離地不低于150 mm；同時，為保證兩股氣流互不干涉、不存在吹掃盲區(qū)，兩個收斂噴口縱向和橫向設(shè)計有一定間距，兩路次吹掃管路設(shè)計成可調(diào)節(jié)收斂噴口且對地角度可調(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軟件對吹掃管路進行三維流場驗算，結(jié)果見圖8和圖9?？梢?，流場品質(zhì)較為理想，完全滿足吹掃車工作時對風(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)機排氣管路壓力分布Fig.8 Pressure distribution of exhaust pipe

4　冷噴流軸流風(fēng)機強度設(shè)計與校核

冷吹軸流風(fēng)機作為吹掃車的核心部件，其性能直接關(guān)系到吹掃車研制的成敗。為此，重點針對風(fēng)機轉(zhuǎn)子葉片材料選擇、加工工藝及葉片固有頻率調(diào)頻開展設(shè)計工作。

圖9　冷噴流軸流風(fēng)機排氣管路流場校核結(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)計經(jīng)驗，并查閱《中國航空材料手冊》相關(guān)材料性能，風(fēng)機葉片材料選用ZL114A［6］。加工工藝確定時，考慮到鑄造對材料性能的影響，壓鑄加工可能造成拉伸強度下降25%、屈服強度下降40%，葉片采用重力金屬型澆鑄和機加成形工藝。該加工工藝能讓葉片具有較好的機械性能、尺寸精度和表面光潔度等優(yōu)點，并能降低加工成本。葉片完成加工并經(jīng)檢驗合格后，表面再增加涂漆工藝，降低其因表面點蝕導(dǎo)致的應(yīng)力集中，避免振動應(yīng)力下的疲勞失效，提高使用壽命。

4.2調(diào)頻設(shè)計

借鑒以往設(shè)計經(jīng)驗，重點針對風(fēng)機葉片前后緣和榫頭連接處進行優(yōu)化設(shè)計，并利用ANSYS進行多輪有限元校核。葉片調(diào)頻設(shè)計最后動頻振型見圖10，坎貝爾圖見圖11，設(shè)計轉(zhuǎn)速下頻率裕度滿足要求。

4.3強度校核

利用ANSYS對葉片強度進行分析，考慮幾何非線性、溫度、氣動力和離心力的綜合影響。轉(zhuǎn)子葉片等效應(yīng)力見圖12，應(yīng)力值見表1?？梢姡~片的拉伸強度儲備系數(shù)和屈服強度儲備系數(shù)滿足設(shè)計要求。

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

5　試驗結(jié)果及實際使用驗證

5.1試驗結(jié)果

完成設(shè)計加工并車載集成后（圖13），進行了性能試驗和100 h壽命考核試驗。結(jié)果表明，所有性能指標(biāo)達到設(shè)計要求，整車能耗低（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)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

完成性能考核設(shè)計定型后，改型吹掃車通過省級新產(chǎn)品新技術(shù)鑒定。鑒定結(jié)論為：該產(chǎn)品具有自主知識產(chǎn)權(quán)，是航空發(fā)動機設(shè)計與集成的軍民兩用新技術(shù)，產(chǎn)品開發(fā)填補國內(nèi)空白，處于國內(nèi)先進水平。

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)子葉片靜強度計算結(jié)果Table 1 The calculating results of rotor blade static strength

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

5.2實際使用驗證

設(shè)計定型后，吹掃車交付給吉林航空維修有限責(zé)任公司及沈陽飛機工業(yè)集團進行實際使用驗證。經(jīng)過用戶的多年使用，吹掃車未發(fā)生由于設(shè)計和加工質(zhì)量導(dǎo)致的故障，并于2014年實現(xiàn)吹掃車首臺成套產(chǎn)品的銷售。根據(jù)用戶評價，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)、維護保養(yǎng)費用低、對機場跑道及吹掃作業(yè)現(xiàn)場地面無損傷、可有效防止路面重復(fù)結(jié)冰等優(yōu)點，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

6　結(jié)論

（1）采用航空葉輪機三維設(shè)計技術(shù)進行冷噴流軸流風(fēng)機設(shè)計，具有效率高、風(fēng)力大和能耗低等特點。集成定型后的吹掃車經(jīng)省級新產(chǎn)品新技術(shù)鑒定，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，是航空發(fā)動機設(shè)計與集成的軍民兩用新技術(shù)，該產(chǎn)品的開發(fā)填補了國內(nèi)空白，處于國內(nèi)先進水平。

（2）結(jié)合風(fēng)機葉片優(yōu)化造型和排氣噴管流場優(yōu)化設(shè)計進行噪聲綜合控制，使吹掃車排放、噪聲等指標(biāo)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）車載系統(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、運行和維修維護成本，客戶滿意度高。

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

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

［2］《航空發(fā)動機設(shè)計手冊》總編委會.航空發(fā)動機設(shè)計手冊：第8冊——壓氣機［K］.北京：航空工業(yè)出版社，2000：141—164.

［3］羅華云.某型吹掃風(fēng)機車載系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究［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］《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊：第3卷——鋁合金鎂合金［K］.2版.北京：中國標(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，高級工程師，主要從事壓氣機試驗研究工作。