温控阀对直升机主减速器散热系统性能的影响

徐折贵，艾 欣

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

直升机主减速器是将发动机的高转速降低到直升机旋翼所必须的转速，同时传递发动机功率给直升机旋翼,对于保证直升机的安全和性能具有重要作用。直升机主减速器散热系统的主要功能是有效排散主减速器内部产生的热量，保持主减速器的温度在允许的范围内。温控阀作为主减速器散热系统温度调节的关键部件，根据介质温度的变化自动调节通过散热器的流量，控制介质温度，保证主减速器工作在合适的温度，包括快速暖机，控制高温环境下最高介质温度，控制低温环境下最低介质温度等。

目前国内外对直升机减速器散热系统的研究还主要集中在散热器的校核型计算、通风系统及供回油等部件的设计计算以及散热系统的设计。针对温控阀对直升机主减速器温度调节的相关研究较少。

1 物理模型

主减速器散热系统由温控阀、散热器、齿轮泵、管路等组成，与主减速器相连，对主减速器进行温度控制。图1所示主减速器散热系统物理模型。主减速器为唯一热源，所有热量通过散热器散发，热量通过滑油介质在主减速器与散热器之间传递。

图1 直升机主减速器散热系统物理模型

滑油油路被温控阀分支为通向散热器和旁通两条油路。当滑油温度低于设定值时，温控阀关闭通向散热器的油路，滑油从旁通油路返回主减速器。当滑油温度高于设定值，温控阀感温元件动作，逐渐打开通向散热器的油路，同时关闭旁通油路，滑油经过散热器冷却后，返回主减速器。

2 计算模型

如图2所示，依据主减速器散热系统物理模型建立仿真计算模型，模型由油箱、滑油泵、温控阀、散热器模块、热源等组成。其中热源模拟直升机主减速器内部齿轮的摩擦生热，油箱模拟主减速器内部油池。

图2 直升机主减速器散热系统计算模型

2.1 温控阀

机械式温控阀通过感温介质被流体加热/冷却而产生的膨胀/压缩来控制阀门的开启或关闭。温控阀感温介质存在响应延迟以及迟滞效应。温控阀动作时，感温介质内部温度的变化慢于流体介质，感温介质的迟滞特性也带来升温过程及降温过程阀门动作规律的不相同。

温控阀感温介质温度计算式如下：

(1)

温控阀在散热器端的阀门开度为感温介质的函数，如图3所示。升温过程及降温过程分别为图中的实线及虚线。

图3 温控阀温度反应特性

本文假设升温及降温过程的阀门开度-温度曲线相同，仅存在温度偏移量Δ。

2.2 散热器

直升机主减速器滑油系统一般采用高换热系数的叉流流动板翅式空气-滑油散热器。散热器换热热阻计算式：

(2)

式中：1—散热器总热阻；1—冷侧流体换热热阻；1—热侧流体换热热阻；1—壁面换热热阻。

(3)

式中：—冷侧流体介质换热系数；—热侧流体介质换热系数；—冷侧流体努赛尔数；—热侧流体努赛尔数；—冷侧换热面积；—热侧换热面积。

(4)

式中：—冷侧翅片当量直径，—热侧翅片当量直径。—总换热面积。

散热器传热单元数计算公式：

(5)

式中：—取热流体热容量速率与冷流体热容量速率的较小者。

由式(2)-式(5)得出散热器传热单元数计算公式：

(6)

本文所涉及的散热器为叉流式空气-滑油散热器，其换热效率计算公式：

(7)

式中：—冷热流体的热容比值；—自然对数。

散热器换热量计算公式：

=·|-|·

(8)

式中、分别为冷、热侧流体入口温度。

由计算式(6)可知，只需求解努赛尔数参数公式即能求解散热器传热单元数，从而求解散热器换热量方程(8)。

努赛尔数为雷诺数与普朗特数的关系式，即：

=··

(9)

通过散热器的试验数据对努赛尔数进行多项式拟合，以求解、及，最终得出散热器换热参数方程(8)。

2.3 主减速器

直升机主减速器内部为齿轮传动结构，其产生的热量均来源于摩擦生热，即机械效率损失值。即主减速器传热方程：

=(1-)·

(10)

式中：Ф—主减速器产生的热量；—主减速器机械效率；Ф—主减速器输入机械功率。

2.4 滑油泵

直升机主减速器用滑油泵为定流量齿轮泵，流量公式：

=

(11)

式中，为滑油泵流量，为常数。

3 结果分析

室温环境下，无温控阀及安装温控阀时，主减速器油箱的滑油温度随直升机起动过程变化如图4所示。图4表明，温控阀能够大幅缩短温升时间，使主减速器滑油箱滑油快速上升到适宜工作温度。

图5显示，低温环境下，安装有温控阀的主减速器滑油箱滑油温度高于无温控阀条件下的滑油箱滑油温度，表明低温环境下温控阀能够提升主减速器滑油箱滑油温度。

温控阀特性相同时，在不同的外界环境温度条件下，温控阀开度变化及滑油箱滑油温度变化分别如图6、图7所示。图6、图7表明，环境温度越低，温控阀开度越小，调节流经散热器的滑油流量越小，以调节主减速器滑油箱滑油温度。当环境温度大于20 ℃时，温控阀全开，稳定后的主减速器滑油箱滑油温度不再受温控阀调节。

温控阀反应特性曲线如图3所示，升温过程的开启温度为。在低温环境温度下，主减速器油箱的滑油温度随直升机主减速器冷起动过程的变化如图8所示。图8表明，稳定后的主减速器滑油箱滑油温度随时间变化逐渐趋于稳定。温控阀开启温度越高，油箱滑油温度越高，且最终趋近于与相等。

如图3所示的温控阀特性曲线，设定不同的升温降温温度偏移量Δ，主减速器滑油箱滑油温度变化如图9。图9表明，温度偏移Δ越小，则主减速器滑油箱滑油温度波动越小，温度稳定时间越短，且稳定的滑油温度值越接近目标值。

4 结论

本文通过散热器、温控阀等的参数化模型建立了主减速器散热系统计算模型，研究温控阀对主减速器在冷起动过程中主减速器滑油箱滑油温度随时间变化的影响。结果表明：

1)温控阀能够大幅缩短主减速器冷起动过程的温升时间，提高低温环境下的主减速器滑油箱滑油温度。

2)环境温度低，温控阀开度小，调节流经散热器的滑油流量小，但低温下的环境温度对主减速器滑油箱滑油温度的影响较小。

3)低温环境下，温控阀开启温度越高，主减速器滑油箱滑油温度越高。

4)减小温控阀的温度偏移量，能够缩短主减速器滑油箱滑油温度稳定时间，减小稳定后的滑油温度偏差。