航空用風冷活塞式發動機熱狀態研究

楊九強+劉興龍+賀男

摘 要：本文通過建立計算模式的方式對航空用風冷活塞式發動機熱狀態進行研究，這是航空飛機維護的重要內容之一，也是促進我國發動機研究及生產技術水平提升的重要動力，同時對我國航天事業的發展也具有十分重要的意義。通過模型計算以及模型分析我們可以發現，在以最大功率為前提時，當螺旋槳轉速保持不變時，飛行高度越大其發動機熱狀態越高；在飛行高度保持不變時，螺旋槳的轉動速度與發動機的熱狀態情況成反比；而氣缸溫度需要通過對螺旋槳轉動速度的控制來進行調節才能使其保持在一定的區間條件下。

關鍵詞：航空；風冷活塞式發動機；傳熱模型；熱狀態

發動機的種類有很多，風冷活塞式發動機屬于發動機的具體種類，是我國發展建設過程中使用量較大的一種發動機組，其因具有性能高、成本低、使用條件豐富等優勢特點而被廣泛應用于一些重要的工程領域及行業當中，在我國的國家發展中起到非常重要的作用，普遍應用于我國的航海、通訊、航空等重要領域。所以，為了確保我國航空事業穩定發展，做好發動機的維護工作，確保航空技術的安全性，對風冷活塞式發動機熱狀態進行研究是非常必要的。

1 風冷活塞式發動機冷卻系統傳熱模型

風冷活塞式發動機在航空領域的應用由多個機械構件組成，所有發動機組件在運行過程中會產生極大的熱量，若想保證運行效率不受影響，在運行過程中需要冷卻系統的輔助配合才能正常運行。在對航空用風冷活塞式發動機進行維護時，往往會面臨很多種類的故障，要想盡快排出故障，就要找到故障原因。而這就需要我們掌握其基本的傳熱原理。

發動機氣缸、螺旋槳和散熱片等組件是冷卻系統的重要構成部分，至其冷卻的主要介質是空氣，具有非常好的冷卻效果。發動機的熱源是由氣缸內的燃燒原料在燃燒條件下所散發出來的，通常在建立計算模型時，相關工作人員會將熱源所傳送到氣缸蓋以及氣缸體的熱量設置為Q，而這些熱端構件在經過冷卻后消散的熱量一般會被設置為y，而在發動機運行時需要耗費的螺旋槳帶動功率設定為P。

1.1 風冷活塞式發動機缸內傳熱模型

燃料在氣缸中燃燒產生的熱量，約30%左右由工質傳遞給熱端部件困。工質向氣缸壁而的傳熱方式主要是對流和輻射，工程上常將兩者統一在傳熱系數中進行考慮。借用一維準定常受迫紊流傳熱公式，缸內傳熱模型為

Q=αgAg（Tg-Tw）

式中，Q為工質向熱端部件傳熱量，W；αg為瞬時傳熱系數，W/（m2·K）；Ag為熱端部件與燃氣接觸而積，m2；Tg為燃氣溫度，K；Tw為與燃氣接觸的壁而溫度，K。熱端部件包括氣缸蓋和氣缸體，氣缸體傳熱量約占熱端部件傳熱量的55%。

1.2 熱端部件傳熱模型

對于風冷活塞式發動機，為了使熱端部件在合適的溫度范圍工作，通常在其外表而設置不同尺寸的散熱片以增加散熱而積。散熱片的總而積主要由發動機功重比決定。冷卻空氣通過散熱片進行傳熱時，傳熱量v的計算模型為

q=CA（Tw-Tf）

式中，q為熱端部件向冷卻空氣的傳熱量，J；C為總傳熱系數，A為垂直于熱流方向的平均傳熱而積，m2；Tw.和Tt分別為熱端部件溫度和冷卻空氣溫度，K；δi，為第i個散熱片厚度，m；λi為第：個散熱片的導熱系數，W/（m·K）；αi為熱端部件與冷卻空氣的傳熱系數，W/（m2·K）。

1.3 冷卻系統傳熱模型

建立冷卻系統傳熱模型，即系統的熱平衡方程為

Q=cm△t+q

式中，c為熱端部件比熱容，J/（kg·℃）；。為熱端部件質量，kg；△t為熱端部件溫升，℃。

2 風冷活塞式發動機傳熱邊界條件

為更好的掌握發動機狀態，及時做好維護工作，還需要掌握氣缸體熱狀態，首先要確定燃氣側和空氣側的傳熱邊界條件。發動機工作時，氣缸體內側溫度高達2500℃，而外側為冷卻空氣，冷卻空氣溫度與航空設備飛行高度有關，通常在零下幾十度到幾十度范圍內變化。燃氣側和冷卻空氣側均以對流為主要傳熱方式，故采用第三類邊界條件。因此，應首先確定燃氣溫度、燃氣與缸壁的傳熱系數、散熱片與冷卻空氣的傳熱系數和冷卻空氣溫度等。

對氣缸內燃氣側傳熱邊界條件進行判斷和計算，燃氣與氣缸內壁的傳熱系數經驗公式有很多，本文選用航空活塞發動機瞬時傳熱系數隨曲軸轉角變化的經驗公式：

αg=0.2133■（7.0+0.815Cm）

式中，Pg為燃氣壓力，MPa；Tg為燃氣溫度，K；Gm為活塞平均速度，m/s。

由公式可知，瞬時傳熱系數與燃氣壓力和溫度密切相關。為精確計算邊界條件，試驗測量了燃氣壓力和溫度隨曲軸轉角的變化，并由此計算燃氣瞬時傳熱系數隨曲軸轉角的變化。

3 發動機熱狀態仿真計算與試驗驗證

3.1 飛行高度對發動機熱狀態的影響

為掌握航空設備飛行高度對發動機熱狀態的影響，以加強發動機維護工作。需要以氣缸體為研究對象，建立幾何模型并進行網格劃分，采用流固藕合技術計算氣缸體溫度場?？紤]到進排氣口部分的流線形幾何形狀和散熱片端部小圓角形狀，主要采用四而體和六而體混合網格，少部分五而體網格銜接和過渡，最終生成20651個網格，30719個節點。氣缸體有限元網格模型依據前文建立的傳熱邊界條件，利用Abaqus軟件對氣缸體進行有限元計算和分析。

3.2 螺旋槳轉速對發動機熱狀態的影響

通過對相關計算模型的整理和建立，我們可以發現螺旋槳的轉動速度越大，航空器的飛行速度越快，而飛行速度的快慢又對冷卻空氣的流通速度有關鍵性影響，這是在維護工作中需要我們注意的一點。

3.3 氣缸體熱狀態對螺旋槳轉速的影響

在發動機運行的過程當中，氣缸的溫度會受到螺旋槳轉動速度、飛行高度等要素的影響，飛行高度提升，氣缸的溫度也會隨之上升，螺旋槳轉速過大也會造成氣缸溫度上升的問題；而氣缸的熱狀態又會反作用于螺旋槳的轉速，如果氣缸的溫度過高，螺旋槳的轉動速度也會相應降低。所以，在發動機中一定要重視其冷卻系統的維護，通過冷卻的方法來對整個發動機的溫度進行調整和控制。只有將發動機的溫度控制在適當的范圍內才能保證航空器材使用的安全性，并確保其功能得到正常展現。因此，通過發動機冷卻系統的應用能夠使用氣缸的溫度得到控制，從而實現對螺旋槳轉動速度進行控制和調整。

3.4 試驗驗證

維護技術的應用中，對發動機的傳熱邊界條件進行計算是決定發動機仿真結果準確程度的重要因素，而發動機傳熱邊界條件的計算結果又受到很多系數影響，這些因素都與發動機的結構相關。另外，氣缸溫度是影響模型計算結構精確度的需要因素之一，所以相關工作人員如果想對制定出的傳熱模型進行計算情況及其精確性和有效性進行驗證時，需要對氣缸中的各特征部位的溫度進行測試和調整。此外，還要盡量確保將計算誤差控制在合理范圍之內，這樣才能保證模型計算結果符合航空工程計算的相關標準。

4 結論

為了進一步提高發動機維護工作水平，掌握風冷活塞式發動機的熱狀態，本文通過建立傳熱模型和計算模型的方式，相關工作者可以對航空用活塞式發動機在不同飛行高度條件下的螺旋槳的轉速情況及其對氣缸溫度所造成的影響程度進行預先測定及評估。通過評估測定和實驗，相關工作人員能夠盡量減少發動機的誤差，提高航空設備的維護效果。

參考文獻

[1]趙立峰，李云清，王海鷹，成傳松，何鵬.風冷航空發動機的活塞形狀恢復研究[J].航空動力學報，2009，24（10）.

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