冰雪消除车燃气射流除冰装置的设计*

杨永刚，冯华仲，张 良

(1.贵州黎阳天翔科技有限公司，贵州贵阳550081；2.防化研究院第五研究所，北京102205)



冰雪消除车燃气射流除冰装置的设计*

杨永刚1，冯华仲1，张 良2

(1.贵州黎阳天翔科技有限公司，贵州贵阳550081；2.防化研究院第五研究所，北京102205)

通过对燃气射流清除冰雪技术的理论与试验研究，提出利用航空发动机燃气射流除冰的方法,对除冰装置结构进行了优化设计，并通过高速公路除冰试验，取得了较好的除冰效果,满足研制任务要求，证明结构设计方案可行。

航空发动机 射流除冰 除冰装置 除冰试验

0 引言

近年来，我国南方地区冬季冰雪灾害频发，严重影响交通运输和居民生活[1]。南方地区因冻雨形成的道路积雪和薄冰，采用传统的除冰机械根本无法清除[2]。

经调研, 热力除冰法是清除薄冰的有效办法，燃气射流除冰属热力除冰法,除薄冰效果好、环保的优势更为明显,得到人们的重视，相关技术得到深入研究[3-6]。另外，燃气射流除冰方式以低成本的退役航空发动机为产生燃气射流的动力源，盘活了国有闲置资产，促进了军民技术的融合，适应国家政策及行业发展方向，相关研究得到国家支持。在除冰吹雪应用领域，目前应用航空发动机燃气射流吹雪技术基本成熟，除冰技术也有探索。国内不少机场已经配置了少量的燃气射流吹雪车用于机场跑道吹雪，2008年南京军区某防化团利用燃气射流车对长江二桥进行了除冰雪作业，社会效果很好。但现在的燃气射流除冰的效率不高，应用WP5航空发动机的涡喷除冰车，清除5 mm以下厚度冰层，作业速度只达到2.83 km/h[7]。为达到清除10 mm以下厚度冰层的作业速度大于5 km/h的除冰车国家标准要求[8]，在国家科技支撑计划的支持下，提出深化燃气射流除冰机理研究，通过除冰装置的优化设计，引导航空发动机燃气射流冲击路面冰层，产生融冰、破冰、吹冰效果，以热力和气动力的复合作用实现高效快速地除冰吹雪，设计了一种应用燃气射流快速清除浮雪和薄冰的除冰装置，为应对冰雪灾害提供了新的技术手段。

1 燃气射流除冰装置的设计

燃气射流除冰装置的设计思路是将航空发动机发出的强大高温高速燃气射流(12.5 MW)分成两股，一股引向车辆中部垂直向下，形成气锤效应，冲击振动冰层，在气动力、热应力的共同作用下，使冰层与路面的结合力下降，并使冰层产生破损缺口；另一股引向车辆尾部，以一定角度和形状吹向冰面，形成强力气铲效应，使冰层被剥离路面，吹向两侧，实现较理想的除冰效果。

气铲除冰的限制条件是：①气流速度要高，气动冲击力要大；②要利用冰层与路面不同的吸热率，使冰层与路面的结合力降低，或冰层与路面已有局部微观松动；③冰层已有破损缺口，使气铲有着力点[9-10]。

1.1 燃气射流除冰装置的总体结构设计

如图1所示，冰雪消除车燃气射流除冰装置，主要由载车、航空发动机、射流变向段、射流配气段、气锤喷头、气铲喷头组成。通过安装架将航空发动机安装在载车上，按航空发动机的配置要求，结构上配置进气道、尾喷管、燃油输送系统、点火汽油输送系统，控制上配置操控发动机运行的电气控制系统，确保作为燃气射流动力源的航空发动机系统能稳定可靠的工作。

1-载车；2-进气道；3-航空发动机；4-尾喷管；5-射流变向段；6-射流配气段；7-气铲喷头；8-气锤喷头图1 冰雪消除车燃气射流除冰装置组成

1.2 燃气射流除冰装置的计算

1.2.1 计算参数的选取

冰雪消除车的燃气射流源为国产退役WP6航空发动机，应用状态为取消加力燃烧室，除冰状态为发动机巡航状态，主要参数为：发动机转速10 400 rpm，空气流量36.7 kg/s ，排气温度390℃～450℃，排气速度500 m/s～544 m/s。

冰雪消除车要满足实际道路除冰雪推广使用，一般要求除冰速度不低于5 km/h，除冰厚度约5 mm～10 mm，除冰宽度不小于4 m，除冰效率不低于90%。

1.2.2 除冰装置射流传热计算

航空发动机的燃气射流由喷管喷出，形成的高速气流流场为剧烈的紊流流动，对除冰效率影响较大的因素有温度、湍流动能、射流板面积等。通过高温高速冲击射流除冰仿真计算，得到射流温度与融冰效率关系图(图2)，融冰效率与射流板面积及射流速度关系图(图3)。

图3 融冰效率与射流板面积及射流速度关系图

从图中可知，提高射流温度、射流速度，可提高融冰效率。

针对除冰喷头的形状，通过多排狭缝冲击射流除冰效率的实验研究，得出以下结果：提高射流速度，增加多排狭缝间隔，并设置导流板，可最大限度的发挥气流动量的强化传热作用。图4为多排狭缝除冰过程示意图。

图4 多排狭缝除冰过程示意图

经仿真模拟计算及实验研究，按上述工作状态参数计算，利用热力融冰，仅可熔解厚度为3 mm的冰层。

为能清除达到10 mm以上的冰层，提高冰雪消除车的除冰效率，在结构上考虑尽量使燃气射流冲击冰层与路面的结合处，通过热力及气动冲击力使结合处的冰层熔解、破碎、剥离，达到大块冰层能脱落路面被吹走的目的。按此思路，将除冰车的喷头结构分成气锤喷头和气铲喷头两部分，气锤喷头布置在车身中部，气铲喷头布置在车尾。通过气锤喷头，将航空发动机的400℃燃气射流垂直喷射到路面冰层，通过热力作用及气动冲击力，在冰层上形成较多的破损缺口，同时降低冰层与路面的结合力；然后通过气铲喷头，使射流接近地面以一定角度向侧面喷射，利用气动力使冰层与路面分离、破碎并吹除。

1.3 气锤喷头的设计

1-液压缸；2-液压杆；3-气锤喷头主体；4-气流角度调节板图5 气锤喷头结构示意图

气锤喷头的作用对冰面实施预处理，尽可能形成较多的破损缺口，同时降低冰层与路面的结合力。图5为冰雪消除车气锤喷头结构示意图，发动机的燃气射流通过射流配气段，导流到气锤喷头进口，喷头内设计气流角度调节板，改变调节板的角度可以控制气流吹冰雪的方向，控制射流配气板可调节气流对路面冰层的冲击强度。气锤喷头结构上还可参照文献[9、10]介绍的破冰方法，设计高效的射流破冰结构，以提高破冰效率。气锤喷头设计成收放式结构，不作业时可以收起，满足行车要求。

在试验中发现，除冰车自重有25 t，作业时自身车轮将碾压冰雪并压实，与路面结合力大，不易全部清除。在结构上增加导流板，增强车轮处的燃气流冲击强度，降低压实冰雪与路面结合力，然后通过自身碾压及车尾的气铲喷头的作用，能更好地提高路面冰雪的清除率。

1.4 气铲喷头的设计

1-液压缸；2-液压杆；3-气铲喷头主体；4-导流板图6 气铲喷头结构示意图

图6为气铲喷头结构示意图，喷头内部安装栅格式导流板，栅格式导流板设计成特定的形状和角度，可将气流分成多股小气流，形成强力气铲效应，剥离吹除冰层或路面残雪。气铲喷头设计成收放式结构，不作业时可以收起，满足行车要求。

2 燃气射流除冰装置的实地试验

2015年3月及2016年1月分别在辽宁彰武和贵阳百宜开展了野外冰雪路面除冰试验，图7为在辽宁彰武的除冰试验效果图，除冰后的路段表面结冰基本被清除，冰面厚度最大12 mm，除冰宽度为4 m，除冰速度为6 km/h,除冰率达到93%，对路面无损伤。图8为贵阳百宜高速公路出口路段除冰雪混合物效果图，除冰雪作业后的路段表面冰雪基本被清除，冰雪混合物厚度最大25 mm，作业宽度大于6 m，除冰速度不小于7 km/h，除冰率不小于90%。

3 结论

本文通过燃气射流除冰吹雪机理研究，确定了燃气射流除冰的技术关键是利用高温高速燃气先对路面冰层实施融冰、破冰、碎冰，降低冰层与路面结合力，然后通过气铲作用实施吹冰的技术路线。完成了燃气射流除冰装置结构优化，并进行了野外除冰试验。试验结果表明：

1)提高射流温度、射流速度，可提高融冰效率；

2)在喷头增加多排狭缝间隔，设置导流板，可提高气流动量的强化传热作用；

3)通过气锤喷头和气铲喷头的作用，射流除冰装置可实现路面大块冰层的剥离及吹除，除冰速度达到5 km/h以上，除冰率不小于90%，对作业路面无损伤。

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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

国家科技支撑计划项目(2013BAK03B08)。

杨永刚(1971-)，男，贵州贵阳人，工程师，从事应急救灾装备研究。

2016-03-09