直升機(jī)滑油系統(tǒng)過渡風(fēng)道導(dǎo)流片設(shè)計與優(yōu)化

潘 霖,劉 然

(1．中國直升機(jī)設(shè)計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001;2. 航空工業(yè)新航集團(tuán),河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

滑油系統(tǒng)用于潤滑和冷卻發(fā)動機(jī)和減速器的內(nèi)部齒輪和軸承等部件,是直升機(jī)中不可或缺的關(guān)鍵系統(tǒng)。滑油系統(tǒng)中實現(xiàn)冷卻功能的核心部件是冷卻風(fēng)扇和滑油散熱器,兩者之間利用過渡風(fēng)道連接以輸送空氣。受直升機(jī)主減艙或動力艙空間的限制,冷卻風(fēng)扇和滑油散熱器通常無法以理想的方式進(jìn)行布置,兩者往往有相對角度,因此過渡風(fēng)道的形狀相對復(fù)雜,其內(nèi)部流場一般也較為復(fù)雜。為優(yōu)化內(nèi)部流場,可在過渡風(fēng)道內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)流片進(jìn)行整流,使冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的冷卻空氣能更均勻有效地吹向滑油散熱器,提升滑油散熱器的換熱效果,進(jìn)而提高滑油系統(tǒng)的冷卻能力。因此,對導(dǎo)流片設(shè)計與優(yōu)化開展研究具有重要的意義。

1 滑油系統(tǒng)組成

以直升機(jī)主減滑油系統(tǒng)為例,滑油系統(tǒng)主要包括:滑油散熱器、冷卻風(fēng)扇、滑油泵、滑油濾、滑油管路、風(fēng)道組件等,原理圖見圖1。直升機(jī)工作時,主減速器齒輪傳動機(jī)構(gòu)帶動滑油泵旋轉(zhuǎn),主減速器油池內(nèi)的熱滑油被吸入,增壓后經(jīng)過導(dǎo)管和粗油濾,送往滑油散熱器;冷卻風(fēng)扇工作產(chǎn)生強(qiáng)制冷空氣與滑油散熱器內(nèi)部的熱滑油進(jìn)行熱交換;冷卻后的滑油經(jīng)管路回到主減速器,通過主減機(jī)匣內(nèi)部通道,分配到各個潤滑點(diǎn);潤滑后的熱滑油靠自重流入各腔,最終回到主減油池,重新開始新的循環(huán)。

圖1 主減滑油系統(tǒng)原理圖

2 過渡風(fēng)道

2.1 過渡風(fēng)道介紹

滑油系統(tǒng)的風(fēng)道組件通常包括進(jìn)風(fēng)道、排風(fēng)道和過渡風(fēng)道。其中,過渡風(fēng)道用于連接冷卻風(fēng)扇和滑油散熱器,將冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣輸送到滑油散熱器內(nèi)部與滑油進(jìn)行熱交換,以實現(xiàn)對滑油的冷卻。

一般,冷卻風(fēng)扇輪廓為圓形,滑油散熱器輪廓為方形。取圓形直徑為φ200 mm,方形邊長為200 mm,使用CATIA軟件的創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊對過渡風(fēng)道進(jìn)行建模,設(shè)計出常規(guī)過渡風(fēng)道外形如圖2(a)所示。受機(jī)上空間限制,冷卻風(fēng)扇與滑油散熱器布置時往往呈一定角度,以典型90°為例,對過渡風(fēng)道進(jìn)行建模,設(shè)計出90°彎頭的復(fù)雜過渡風(fēng)道外形如圖2(b)所示。

圖2 過渡風(fēng)道外形

2.2 內(nèi)部流場分析

使用ANSYS FLUENT仿真軟件進(jìn)行過渡風(fēng)道內(nèi)部流場情況的分析。假設(shè)圓形入口側(cè)通入均勻的空氣,流速為40 m/s,以模擬冷卻風(fēng)扇的工作狀態(tài)。通過仿真軟件求解風(fēng)道內(nèi)部流場情況,并著重觀察方形出口側(cè)流體的線速度,見圖3。由仿真結(jié)果可知:①常規(guī)過渡風(fēng)道方形出口處流體線速度較均勻,只在四邊圓角處線速度略微偏大,且影響區(qū)域較小;②90°彎頭過渡風(fēng)道方形出口處流體速度差異性較大,靠近風(fēng)道內(nèi)側(cè)的流體線速度較小,局部區(qū)域甚至出現(xiàn)回流現(xiàn)象,靠近風(fēng)道外側(cè)的流體線速度較大。

圖3 過渡風(fēng)道內(nèi)部流場分析

90°彎頭過渡風(fēng)道這類形狀較復(fù)雜的風(fēng)道,其內(nèi)部流場也較復(fù)雜,出口處流體速度分布不均勻。在這種條件下,滑油散熱器芯體的局部區(qū)域缺少足夠風(fēng)量參與換熱,因此其換熱能力未充分發(fā)揮。為充分利用冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣,提高滑油散熱器的換熱能力,可在過渡風(fēng)道內(nèi)部增加導(dǎo)流片,對空氣進(jìn)行整流以改善流場分布[1];復(fù)雜風(fēng)道中,導(dǎo)流片需要進(jìn)行合理設(shè)計,若設(shè)計不合理,導(dǎo)流片不一定能起到改善流場分布的作用,反而會加劇速度場的不均勻程度[2];導(dǎo)流片的分布、數(shù)量和間距等因素對整流效果均有影響[3],另外,在過渡風(fēng)道內(nèi)部增加導(dǎo)流片,必定將增加風(fēng)道的重量,同時也給風(fēng)道加工增加一定難度[4]。針對典型的90°彎頭過渡風(fēng)道,對分布形式、數(shù)量和間距等因素進(jìn)行了仿真分析,以尋求較優(yōu)的方案。

3 導(dǎo)流片設(shè)計及仿真分析

使用ANSYS FLUENT仿真軟件進(jìn)行計算,導(dǎo)流片厚度按照2 mm進(jìn)行設(shè)計,入口空氣溫度取70 ℃,流速取40 m/s。導(dǎo)流片設(shè)計因素包括分布形式、數(shù)量和間距,分析的對象為出口流速和風(fēng)道流阻。

3.1 分布形式

選取橫向分布和縱向分布兩種典型情況進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如表1所示。

表1 不同分布形式導(dǎo)流片分析

由仿真結(jié)果可知:①導(dǎo)流片橫向分布時,每個小區(qū)域內(nèi)依然呈現(xiàn)靠近風(fēng)道內(nèi)側(cè)流速小,靠近風(fēng)道外側(cè)流速大的狀態(tài),且內(nèi)側(cè)有不小的回流區(qū);②導(dǎo)流片縱向分布時,中間兩個區(qū)域流速較大,兩側(cè)兩個區(qū)域流速較小,總體流速分布較均勻,內(nèi)側(cè)的回流區(qū)較小;③縱向分布方式下的出口最大流速為43.80 m/s,小于橫向分布方式下的出口最大流速62.32 m/s,縱向分布方式的出口流速均勻性更好。

3.2 數(shù)量

過渡風(fēng)道內(nèi)的導(dǎo)流片數(shù)量太少,則整流效果有限;數(shù)量太多,則導(dǎo)致風(fēng)道流阻偏大,進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)量減少且增加風(fēng)道重量。為分析不同數(shù)量導(dǎo)流片的整流效果,在縱向分布方式下分別以0片、1片、2片、3片和4片導(dǎo)流片為研究對象進(jìn)行仿真分析,結(jié)果見表2、圖4。

表2 不同數(shù)量導(dǎo)流片分析

圖4 導(dǎo)流片數(shù)量—流速標(biāo)準(zhǔn)差/風(fēng)道流阻關(guān)系折線圖

由仿真結(jié)果可知:增加導(dǎo)流片后,出口流速均勻性和風(fēng)道流阻均得到大幅度改善,但隨著導(dǎo)流片數(shù)量增加,風(fēng)道流阻逐漸增大,出口流速標(biāo)準(zhǔn)差先降后增,但總體均勻性變化不大。

3.3 間距

考慮導(dǎo)流片等距分布和不等距分布兩個情況,在縱向分布方式下比較不同情況下的整流效果。另外,針對不等距分布,考慮“外寬內(nèi)窄”和“外窄內(nèi)寬”兩種形式,對比不同形式下流場的特點(diǎn),結(jié)果見表3。

表3 不同間距導(dǎo)流片分析

由仿真結(jié)果可知:等距分布與“外寬內(nèi)窄”不等距分布的出口流速均勻性和風(fēng)道流阻基本相當(dāng),優(yōu)于“外窄內(nèi)寬”不等距分布的指標(biāo)。

4 結(jié)論及后續(xù)研究方向

本文通過研究復(fù)雜過渡風(fēng)道在不同導(dǎo)流片狀態(tài)下的流場情況,得出以下結(jié)論:

1)復(fù)雜風(fēng)道內(nèi)部流場混亂,出口處回流區(qū)域較大,有必要增加導(dǎo)流片進(jìn)行整流;

2)針對90°彎頭過渡風(fēng)道,建議導(dǎo)流片按照縱向分布形式進(jìn)行設(shè)計;

3)考慮到過渡風(fēng)道流阻和重量的影響,導(dǎo)流片數(shù)量建議取2片左右,導(dǎo)流片間距按照“外寬內(nèi)窄”或等距方式進(jìn)行設(shè)計。

由于時間和精力限制,本文所述內(nèi)容仍不夠完備和詳細(xì),后續(xù)可按以下方向繼續(xù)進(jìn)行探索和優(yōu)化:

1)實際情況下,冷卻風(fēng)扇處輸入處的空氣并非均勻流速的流體,且未考慮出口處滑油散熱器的影響,后續(xù)將冷卻風(fēng)扇或其產(chǎn)生的氣流以及滑油散熱器作為仿真中的一部分,完善仿真模型和邊界條件;

2)結(jié)合型號研制工作,開展滑油散熱器和冷卻風(fēng)扇的性能試驗,將試驗數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比,進(jìn)一步探索過渡風(fēng)道導(dǎo)流片的設(shè)計和優(yōu)化。