直升機滑油系統過渡風道導流片設計與優化

潘 霖,劉 然

(1．中國直升機設計研究所,江西 景德鎮 333001;2. 航空工業新航集團,河南 新鄉 453000)

0 引言

滑油系統用于潤滑和冷卻發動機和減速器的內部齒輪和軸承等部件,是直升機中不可或缺的關鍵系統。滑油系統中實現冷卻功能的核心部件是冷卻風扇和滑油散熱器,兩者之間利用過渡風道連接以輸送空氣。受直升機主減艙或動力艙空間的限制,冷卻風扇和滑油散熱器通常無法以理想的方式進行布置,兩者往往有相對角度,因此過渡風道的形狀相對復雜,其內部流場一般也較為復雜。為優化內部流場,可在過渡風道內部設置導流片進行整流,使冷卻風扇產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,進而提高滑油系統的冷卻能力。因此,對導流片設計與優化開展研究具有重要的意義。

1 滑油系統組成

以直升機主減滑油系統為例,滑油系統主要包括:滑油散熱器、冷卻風扇、滑油泵、滑油濾、滑油管路、風道組件等,原理圖見圖1。直升機工作時,主減速器齒輪傳動機構帶動滑油泵旋轉,主減速器油池內的熱滑油被吸入,增壓后經過導管和粗油濾,送往滑油散熱器;冷卻風扇工作產生強制冷空氣與滑油散熱器內部的熱滑油進行熱交換;冷卻后的滑油經管路回到主減速器,通過主減機匣內部通道,分配到各個潤滑點;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。

圖1 主減滑油系統原理圖

2 過渡風道

2.1 過渡風道介紹

滑油系統的風道組件通常包括進風道、排風道和過渡風道。其中,過渡風道用于連接冷卻風扇和滑油散熱器,將冷卻風扇產生的空氣輸送到滑油散熱器內部與滑油進行熱交換,以實現對滑油的冷卻。

一般,冷卻風扇輪廓為圓形,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軟件的創成式外形設計模塊對過渡風道進行建模,設計出常規過渡風道外形如圖2(a)所示。受機上空間限制,冷卻風扇與滑油散熱器布置時往往呈一定角度,以典型90°為例,對過渡風道進行建模,設計出90°彎頭的復雜過渡風道外形如圖2(b)所示。

圖2 過渡風道外形

2.2 內部流場分析

使用ANSYS FLUENT仿真軟件進行過渡風道內部流場情況的分析。假設圓形入口側通入均勻的空氣,流速為40 m/s,以模擬冷卻風扇的工作狀態。通過仿真軟件求解風道內部流場情況,并著重觀察方形出口側流體的線速度,見圖3。由仿真結果可知:①常規過渡風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,且影響區域較小;②90°彎頭過渡風道方形出口處流體速度差異性較大,靠近風道內側的流體線速度較小,局部區域甚至出現回流現象,靠近風道外側的流體線速度較大。

圖3 過渡風道內部流場分析

90°彎頭過渡風道這類形狀較復雜的風道,其內部流場也較復雜,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域缺少足夠風量參與換熱,因此其換熱能力未充分發揮。為充分利用冷卻風扇產生的空氣,提高滑油散熱器的換熱能力,可在過渡風道內部增加導流片,對空氣進行整流以改善流場分布[1];復雜風道中,導流片需要進行合理設計,若設計不合理,導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];導流片的分布、數量和間距等因素對整流效果均有影響[3],另外,在過渡風道內部增加導流片,必定將增加風道的重量,同時也給風道加工增加一定難度[4]。針對典型的90°彎頭過渡風道,對分布形式、數量和間距等因素進行了仿真分析,以尋求較優的方案。

3 導流片設計及仿真分析

使用ANSYS FLUENT仿真軟件進行計算,導流片厚度按照2 mm進行設計,入口空氣溫度取70 ℃,流速取40 m/s。導流片設計因素包括分布形式、數量和間距,分析的對象為出口流速和風道流阻。

3.1 分布形式

選取橫向分布和縱向分布兩種典型情況進行仿真分析,結果如表1所示。

表1 不同分布形式導流片分析

由仿真結果可知:①導流片橫向分布時,每個小區域內依然呈現靠近風道內側流速小,靠近風道外側流速大的狀態,且內側有不小的回流區;②導流片縱向分布時,中間兩個區域流速較大,兩側兩個區域流速較小,總體流速分布較均勻,內側的回流區較小;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 數量

過渡風道內的導流片數量太少,則整流效果有限;數量太多,則導致風道流阻偏大,進而導致風量減少且增加風道重量。為分析不同數量導流片的整流效果,在縱向分布方式下分別以0片、1片、2片、3片和4片導流片為研究對象進行仿真分析,結果見表2、圖4。

表2 不同數量導流片分析

圖4 導流片數量—流速標準差/風道流阻關系折線圖

由仿真結果可知:增加導流片后,出口流速均勻性和風道流阻均得到大幅度改善,但隨著導流片數量增加,風道流阻逐漸增大,出口流速標準差先降后增,但總體均勻性變化不大。

3.3 間距

考慮導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“外寬內窄”和“外窄內寬”兩種形式,對比不同形式下流場的特點,結果見表3。

表3 不同間距導流片分析

由仿真結果可知:等距分布與“外寬內窄”不等距分布的出口流速均勻性和風道流阻基本相當,優于“外窄內寬”不等距分布的指標。

4 結論及后續研究方向

本文通過研究復雜過渡風道在不同導流片狀態下的流場情況,得出以下結論:

1)復雜風道內部流場混亂,出口處回流區域較大,有必要增加導流片進行整流;

2)針對90°彎頭過渡風道,建議導流片按照縱向分布形式進行設計;

3)考慮到過渡風道流阻和重量的影響,導流片數量建議取2片左右,導流片間距按照“外寬內窄”或等距方式進行設計。

由于時間和精力限制,本文所述內容仍不夠完備和詳細,后續可按以下方向繼續進行探索和優化:

1)實際情況下,冷卻風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,后續將冷卻風扇或其產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)結合型號研制工作,開展滑油散熱器和冷卻風扇的性能試驗,將試驗數據與仿真分析結果進行對比,進一步探索過渡風道導流片的設計和優化。