小型風(fēng)冷無人航模發(fā)動機(jī)散熱研究

陳銀龍 李 紅

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽110159）

0 引言

隨著國家的低空領(lǐng)域的開放， 無人機(jī)在許多領(lǐng)域得到了擴(kuò)展，而航模發(fā)動機(jī)作為無人直升機(jī)的核心部件，其冷卻性能好壞將直接影響無人直升機(jī)的性能，發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)得不好，散熱量不夠，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)充量系數(shù)下降，燃燒不正常，機(jī)油變質(zhì)和油膜損壞，零件的摩擦和磨損加劇，引起發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性全面變壞，甚至造成拉缸和活塞燒頂，因此就需要對無人機(jī)的發(fā)動機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3W 發(fā)動機(jī)用于固定翼無人直升機(jī)，為了進(jìn)一步研究發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)， 做了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)標(biāo)定的試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)在4500r/min時突然產(chǎn)生高溫報(bào)警，在火花塞墊片處的最大溫度300°，發(fā)動機(jī)的功率曲線和扭矩曲線急劇下降，然后發(fā)動機(jī)熄滅。

1 3W 航模發(fā)動機(jī)散熱研究

研究發(fā)動機(jī)散熱的主要任務(wù)是保證發(fā)動機(jī)在合適的溫度狀態(tài)下工作,但是發(fā)動機(jī)的散熱狀況又是很復(fù)雜的，要對其做出精確計(jì)算是相當(dāng)困難的，甚至也可以說是不可能的，只能通過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的原則，再參考一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

針對3W 航模發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的高溫報(bào)警和熄火的現(xiàn)象，展開了對其冷卻系統(tǒng)散熱的計(jì)算。因?yàn)楦左w散熱的影響因素很多，為了便于計(jì)算，我們通過一些假定，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，而后通過試驗(yàn)驗(yàn)證。 假定：①氣缸與空氣間的傳熱狀態(tài)是穩(wěn)定的，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)表明其正常工作時溫度場趨于穩(wěn)定；②冷空氣流的速度均勻；③放熱率與溫度差成正比；④氣缸壁散熱且散熱面積是均勻的；⑤平均傳熱系數(shù)不變。

發(fā)動機(jī)氣缸周壁由氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套的濕周表面所組成。 氣缸內(nèi)的熾熱氣體通過氣缸周壁進(jìn)行熱量傳遞[3-4]，經(jīng)分析外部空氣與氣缸壁的傳熱方式為對流換熱，氣缸壁與氣缸內(nèi)部高溫氣體傳熱方式為輻射換熱和對流換熱。

高溫氣體通過氣缸壁與大氣換熱量為：

發(fā)動機(jī)散熱所需冷空氣流量為:

其中：Cp——空氣定壓比熱，300K 時， 空氣的定壓比熱容Cp=1.005kJ/(kg·℃)；ta1——流向氣缸體的冷空氣溫度，實(shí)驗(yàn)中大氣溫度為30°；ta2——離開氣缸體的冷空氣溫度，實(shí)驗(yàn)中氣缸體周圍溫度為60°；γa——冷空氣密度； 我們一般采用的空氣密度是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，密度為1.29 千克每立方米。

計(jì)算出發(fā)動機(jī)散熱所需冷空氣流量

通過計(jì)算知道渦輪風(fēng)機(jī)帶走的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)動機(jī)所散發(fā)的熱量，發(fā)動機(jī)散出的熱量不能得到及時的冷卻，導(dǎo)致積累的熱量越來越多，當(dāng)熱量到達(dá)數(shù)控臺所允許的極限值時，數(shù)控臺產(chǎn)生高溫報(bào)警，并對測功機(jī)發(fā)出指令迫使發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 為了解決在試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，提出增加輔助冷卻，即在發(fā)動機(jī)的后側(cè)曲軸輸出端各加了一個北京樽祥科技型號為KA238 的軸流式冷卻風(fēng)扇。 風(fēng)扇通過齒輪與曲軸輸出端嚙合連接。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果對比

增加了冷卻風(fēng)扇后用QTS 品牌MFS-002 型溫度傳感器對火花塞墊片處的溫度重新進(jìn)行測量，并與未增加冷卻風(fēng)扇時發(fā)動機(jī)火花塞墊片處的溫度進(jìn)行了對比，如圖1 所示。

圖1 增加冷卻風(fēng)扇前后火花塞墊片處溫度對比

圖2 所示為油針高位5/4，低位11/8，混合比為1:35 的功率轉(zhuǎn)速對比圖，左圖為添加輔助冷卻前測得結(jié)果，右圖為增加輔助冷卻設(shè)備之后所測結(jié)果。

圖2 油針：高位5/4，低位11/8；機(jī)油燃油混合比：1：35 功率轉(zhuǎn)速對比圖

增加輔助冷卻后發(fā)現(xiàn)有如下特點(diǎn)：①如溫度對比圖所示增加冷卻風(fēng)扇后發(fā)動機(jī)火花塞墊片處的溫度降低了83°，火花塞墊片處的最高溫度在210°左右，溫度下降了28%；②如功率轉(zhuǎn)速對比圖可知， 增加輔助風(fēng)扇后發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到7200rpm 時，發(fā)動機(jī)功率也不再下降；③未增加輔助風(fēng)扇時發(fā)動機(jī)最大功率為14.2kW，增加輔助風(fēng)扇發(fā)動機(jī)最大功率為16kW，功率上升了6.3%；④發(fā)動機(jī)即使在最高轉(zhuǎn)速下也不再產(chǎn)生高溫報(bào)警，在實(shí)驗(yàn)過程中也沒有產(chǎn)生停機(jī)熄火現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文針對某小型航模發(fā)動機(jī)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做性能測試實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的高溫現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過建立數(shù)學(xué)模型，確定發(fā)動機(jī)的散熱量以及保證發(fā)動機(jī)正常工作所需的冷卻風(fēng)量， 對實(shí)驗(yàn)設(shè)備做出改進(jìn)之后，通過實(shí)驗(yàn)所測的結(jié)果改進(jìn)前的結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了建立數(shù)學(xué)模型的合理性。重新進(jìn)行試驗(yàn)得到未加冷卻風(fēng)扇前造成發(fā)動機(jī)高溫現(xiàn)象的原因是因?yàn)闇u輪風(fēng)機(jī)不能及時有效的將熱量散去，使得缸體過熱，可燃?xì)怏w在氣缸內(nèi)燃燒不正常，從而消耗了發(fā)動機(jī)大量的功率，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到4000r/min 后急劇下降。 增加了機(jī)械冷卻風(fēng)扇后發(fā)動機(jī)功率升高且高溫現(xiàn)象消失。

［1］吳兆漢.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京理工大學(xué)出版社，1989.

［2］A.Caldeira -Pires，M.V.Heitor.Characteris -tics of TurbulentHeat Transport inNonpre-mixed Jet Flames[J].Combustion and Flame，2001.

［3］楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].2 版.西安交通大學(xué)，1980.

［4］江玥欣，王顯會.基于CFD 風(fēng)冷摩托車發(fā)動機(jī)汽缸體的傳熱仿真研究[J].2012.