冰雪消除車燃氣射流除冰裝置的設計*

楊永剛，馮華仲，張 良

(1.貴州黎陽天翔科技有限公司，貴州貴陽550081；2.防化研究院第五研究所，北京102205)

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冰雪消除車燃氣射流除冰裝置的設計*

楊永剛1，馮華仲1，張 良2

(1.貴州黎陽天翔科技有限公司，貴州貴陽550081；2.防化研究院第五研究所，北京102205)

通過對燃氣射流清除冰雪技術的理論與試驗研究，提出利用航空發動機燃氣射流除冰的方法,對除冰裝置結構進行了優化設計，并通過高速公路除冰試驗，取得了較好的除冰效果,滿足研制任務要求，證明結構設計方案可行。

航空發動機 射流除冰 除冰裝置 除冰試驗

0 引言

近年來，我國南方地區冬季冰雪災害頻發，嚴重影響交通運輸和居民生活[1]。南方地區因凍雨形成的道路積雪和薄冰，采用傳統的除冰機械根本無法清除[2]。

經調研, 熱力除冰法是清除薄冰的有效辦法，燃氣射流除冰屬熱力除冰法,除薄冰效果好、環保的優勢更為明顯,得到人們的重視，相關技術得到深入研究[3-6]。另外，燃氣射流除冰方式以低成本的退役航空發動機為產生燃氣射流的動力源，盤活了國有閑置資產，促進了軍民技術的融合，適應國家政策及行業發展方向，相關研究得到國家支持。在除冰吹雪應用領域，目前應用航空發動機燃氣射流吹雪技術基本成熟，除冰技術也有探索。國內不少機場已經配置了少量的燃氣射流吹雪車用于機場跑道吹雪，2008年南京軍區某防化團利用燃氣射流車對長江二橋進行了除冰雪作業，社會效果很好。但現在的燃氣射流除冰的效率不高，應用WP5航空發動機的渦噴除冰車，清除5 mm以下厚度冰層，作業速度只達到2.83 km/h[7]。為達到清除10 mm以下厚度冰層的作業速度大于5 km/h的除冰車國家標準要求[8]，在國家科技支撐計劃的支持下，提出深化燃氣射流除冰機理研究，通過除冰裝置的優化設計，引導航空發動機燃氣射流沖擊路面冰層，產生融冰、破冰、吹冰效果，以熱力和氣動力的復合作用實現高效快速地除冰吹雪，設計了一種應用燃氣射流快速清除浮雪和薄冰的除冰裝置，為應對冰雪災害提供了新的技術手段。

1 燃氣射流除冰裝置的設計

燃氣射流除冰裝置的設計思路是將航空發動機發出的強大高溫高速燃氣射流(12.5 MW)分成兩股，一股引向車輛中部垂直向下，形成氣錘效應，沖擊振動冰層，在氣動力、熱應力的共同作用下，使冰層與路面的結合力下降，并使冰層產生破損缺口；另一股引向車輛尾部，以一定角度和形狀吹向冰面，形成強力氣鏟效應，使冰層被剝離路面，吹向兩側，實現較理想的除冰效果。

氣鏟除冰的限制條件是：①氣流速度要高，氣動沖擊力要大；②要利用冰層與路面不同的吸熱率，使冰層與路面的結合力降低，或冰層與路面已有局部微觀松動；③冰層已有破損缺口，使氣鏟有著力點[9-10]。

1.1 燃氣射流除冰裝置的總體結構設計

如圖1所示，冰雪消除車燃氣射流除冰裝置，主要由載車、航空發動機、射流變向段、射流配氣段、氣錘噴頭、氣鏟噴頭組成。通過安裝架將航空發動機安裝在載車上，按航空發動機的配置要求，結構上配置進氣道、尾噴管、燃油輸送系統、點火汽油輸送系統，控制上配置操控發動機運行的電氣控制系統，確保作為燃氣射流動力源的航空發動機系統能穩定可靠的工作。

1-載車；2-進氣道；3-航空發動機；4-尾噴管；5-射流變向段；6-射流配氣段；7-氣鏟噴頭；8-氣錘噴頭圖1 冰雪消除車燃氣射流除冰裝置組成

1.2 燃氣射流除冰裝置的計算

1.2.1 計算參數的選取

冰雪消除車的燃氣射流源為國產退役WP6航空發動機，應用狀態為取消加力燃燒室，除冰狀態為發動機巡航狀態，主要參數為：發動機轉速10 400 rpm，空氣流量36.7 kg/s ，排氣溫度390℃～450℃，排氣速度500 m/s～544 m/s。

冰雪消除車要滿足實際道路除冰雪推廣使用，一般要求除冰速度不低于5 km/h，除冰厚度約5 mm～10 mm，除冰寬度不小于4 m，除冰效率不低于90%。

1.2.2 除冰裝置射流傳熱計算

航空發動機的燃氣射流由噴管噴出，形成的高速氣流流場為劇烈的紊流流動，對除冰效率影響較大的因素有溫度、湍流動能、射流板面積等。通過高溫高速沖擊射流除冰仿真計算，得到射流溫度與融冰效率關系圖(圖2)，融冰效率與射流板面積及射流速度關系圖(圖3)。

圖3 融冰效率與射流板面積及射流速度關系圖

從圖中可知，提高射流溫度、射流速度，可提高融冰效率。

針對除冰噴頭的形狀，通過多排狹縫沖擊射流除冰效率的實驗研究，得出以下結果：提高射流速度，增加多排狹縫間隔，并設置導流板，可最大限度的發揮氣流動量的強化傳熱作用。圖4為多排狹縫除冰過程示意圖。

圖4 多排狹縫除冰過程示意圖

經仿真模擬計算及實驗研究，按上述工作狀態參數計算，利用熱力融冰，僅可熔解厚度為3 mm的冰層。

為能清除達到10 mm以上的冰層，提高冰雪消除車的除冰效率，在結構上考慮盡量使燃氣射流沖擊冰層與路面的結合處，通過熱力及氣動沖擊力使結合處的冰層熔解、破碎、剝離，達到大塊冰層能脫落路面被吹走的目的。按此思路，將除冰車的噴頭結構分成氣錘噴頭和氣鏟噴頭兩部分，氣錘噴頭布置在車身中部，氣鏟噴頭布置在車尾。通過氣錘噴頭，將航空發動機的400℃燃氣射流垂直噴射到路面冰層，通過熱力作用及氣動沖擊力，在冰層上形成較多的破損缺口，同時降低冰層與路面的結合力；然后通過氣鏟噴頭，使射流接近地面以一定角度向側面噴射，利用氣動力使冰層與路面分離、破碎并吹除。

1.3 氣錘噴頭的設計

1-液壓缸；2-液壓桿；3-氣錘噴頭主體；4-氣流角度調節板圖5 氣錘噴頭結構示意圖

氣錘噴頭的作用對冰面實施預處理，盡可能形成較多的破損缺口，同時降低冰層與路面的結合力。圖5為冰雪消除車氣錘噴頭結構示意圖，發動機的燃氣射流通過射流配氣段，導流到氣錘噴頭進口，噴頭內設計氣流角度調節板，改變調節板的角度可以控制氣流吹冰雪的方向，控制射流配氣板可調節氣流對路面冰層的沖擊強度。氣錘噴頭結構上還可參照文獻[9、10]介紹的破冰方法，設計高效的射流破冰結構，以提高破冰效率。氣錘噴頭設計成收放式結構，不作業時可以收起，滿足行車要求。

在試驗中發現，除冰車自重有25 t，作業時自身車輪將碾壓冰雪并壓實，與路面結合力大，不易全部清除。在結構上增加導流板，增強車輪處的燃氣流沖擊強度，降低壓實冰雪與路面結合力，然后通過自身碾壓及車尾的氣鏟噴頭的作用，能更好地提高路面冰雪的清除率。

1.4 氣鏟噴頭的設計

1-液壓缸；2-液壓桿；3-氣鏟噴頭主體；4-導流板圖6 氣鏟噴頭結構示意圖

圖6為氣鏟噴頭結構示意圖，噴頭內部安裝柵格式導流板，柵格式導流板設計成特定的形狀和角度，可將氣流分成多股小氣流，形成強力氣鏟效應，剝離吹除冰層或路面殘雪。氣鏟噴頭設計成收放式結構，不作業時可以收起，滿足行車要求。

2 燃氣射流除冰裝置的實地試驗

2015年3月及2016年1月分別在遼寧彰武和貴陽百宜開展了野外冰雪路面除冰試驗，圖7為在遼寧彰武的除冰試驗效果圖，除冰后的路段表面結冰基本被清除，冰面厚度最大12 mm，除冰寬度為4 m，除冰速度為6 km/h,除冰率達到93%，對路面無損傷。圖8為貴陽百宜高速公路出口路段除冰雪混合物效果圖，除冰雪作業后的路段表面冰雪基本被清除，冰雪混合物厚度最大25 mm，作業寬度大于6 m，除冰速度不小于7 km/h，除冰率不小于90%。

3 結論

本文通過燃氣射流除冰吹雪機理研究，確定了燃氣射流除冰的技術關鍵是利用高溫高速燃氣先對路面冰層實施融冰、破冰、碎冰，降低冰層與路面結合力，然后通過氣鏟作用實施吹冰的技術路線。完成了燃氣射流除冰裝置結構優化，并進行了野外除冰試驗。試驗結果表明：

1)提高射流溫度、射流速度，可提高融冰效率；

2)在噴頭增加多排狹縫間隔，設置導流板，可提高氣流動量的強化傳熱作用；

3)通過氣錘噴頭和氣鏟噴頭的作用，射流除冰裝置可實現路面大塊冰層的剝離及吹除，除冰速度達到5 km/h以上，除冰率不小于90%，對作業路面無損傷。

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Design of a jet deicing device for the winter service vehicle

YANG Yonggang，FENG Huazhong，ZHANG Liang

Through theoretical and experimental study of jet deicing technology, we proposed a deicing method with the utilization of an aircraft engine. We optimized the structure design of the deicing device, and carried out highway deicing tests. The results showed that the deicing device could meet the task requirements, and the structure design was feasible.

aircraft engine, jet deicing, deicing device, deicing test

V239；U418.326

A

1002-6886(2016)05-0028-04

國家科技支撐計劃項目(2013BAK03B08)。

楊永剛(1971-)，男，貴州貴陽人，工程師，從事應急救災裝備研究。

2016-03-09