【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2） 與標(biāo)定功率有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式 （42）式中P為發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率，kw，前述P=75馬力=。則有 3） 與散熱量有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式 （43）式中Qn由風(fēng)洞試驗(yàn)所得單位面積的散熱量 Sn為實(shí)驗(yàn)室的單位面積由于受研究條件限制這一方法于本文并不適用。參考表41國(guó)產(chǎn)散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，聯(lián)系無人機(jī)的布局結(jié)構(gòu)，根據(jù)方法一和二的計(jì)算，初定芯寬W=485mm，芯高H=368mm。則有表41：國(guó)產(chǎn)散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱過程的傳熱量可由傳熱方程式確定，即： （44）式中，K為傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)。 A為傳熱面積（傳熱介質(zhì)與壁面的接觸面積），m2。 Δtm為傳熱壁兩側(cè)流體的平均溫差，℃。如果以空氣一側(cè)的傳熱面積Aa為計(jì)算基準(zhǔn)，則傳熱系數(shù)為Ka，如果以水側(cè)的傳熱面積Aw為計(jì)算基準(zhǔn)，則傳熱系數(shù)為Kw。則傳熱量可分別表示為： （45） （46）以空氣側(cè)的傳熱面積Aa為計(jì)算基礎(chǔ)時(shí)，關(guān)于Ka有如下表達(dá)式： （47）式中β是空氣側(cè)換熱面積Aa與水側(cè)換熱面積Aw之比，稱為肋化系數(shù)。 η0為空氣側(cè)傳熱表面的總效率。由上式求得的傳熱系數(shù)Ka，可以看出傳熱系數(shù)Ka越大，傳熱量Q也就越大。要想提高冷卻系的有效性和熱交換能力，增大傳熱系數(shù)Ka是最有效的。而如式47可知，增大傳熱壁兩側(cè)的傳熱系數(shù)ha與hw可以提高Ka的值，又由于經(jīng)驗(yàn)可知，水側(cè)表面的傳熱系數(shù)hw本來就比較大，而ha要比hw小得多，故增大ha可使ka的值顯著增加。當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)之一就是改善二次換熱面（散熱帶或散熱片）的換熱條件，具體做法是在散熱帶上沖壓一些有一定角度的百葉窗孔。百葉窗孔的參數(shù)如表42：表41：百葉窗孔參數(shù)散熱器芯厚T（mm）窗孔角度θ（176。）窗孔寬度C（mm）窗孔縫長(zhǎng)（mm）20502832675090242867實(shí)踐表明百葉窗孔的參數(shù)與散熱帶節(jié)距合理匹配才能收到最佳效果，其參數(shù)之間滿足式48，才能顯著提高散熱系數(shù)K，從而大幅提高散熱能力。 （48） 式中t為散熱帶節(jié)距。節(jié)距是指相鄰兩散熱帶波峰間的距離，通常采用的t值如下： 節(jié)距t（mm）：、 在此按經(jīng)驗(yàn)選擇t=3mm其他參數(shù)按表41和式（48）匹配為θ=30176。，C=，帶入則有：滿足匹配條件。另外散熱帶的波高b按經(jīng)驗(yàn)取b=10mm現(xiàn)在散熱器的散熱水管多采用扁管，扁管可以在相同流通截面時(shí)獲取與空氣最大的接觸面積。近年來發(fā)展趨勢(shì)是減小冷卻水管的尺寸，現(xiàn)在水管的尺寸規(guī)格如表3。表43：散熱水管尺寸水管尺寸b1l1（mm）1314141619外周長(zhǎng)Lc（mm）14（mm）的散熱水管。據(jù)統(tǒng)計(jì)車用管帶式散熱器的芯厚主要有：3570四檔。具體應(yīng)用為：轎車散熱器芯厚：34輕型車散熱器芯厚：352中型車散熱器芯厚：570據(jù)此，本文選擇T=34mm，匹配散熱水管布置并求出散熱面積S由于T=34mm，14（mm），選取水管呈兩排水管布置。則有散熱帶條數(shù)n1為： （49） 式中b1為散熱扁管的寬度。 散熱水管數(shù)n2為： （410）又由于散熱面積S為： （411） 式中A1為水管散熱面積其方程式為： （412）式中Lc為散熱水管圓周長(zhǎng)其備選值參看表3。帶入數(shù)字計(jì)算則有：式411中A2為散熱帶散熱面積其方程式為： （413）式中l(wèi)為散熱帶展開長(zhǎng)度其方程式為： （414） 式中n3為散熱帶波峰數(shù)其方程式為： （415） 帶入數(shù)值可得： 由式4可知散熱面積也可由下式求得： （416）式中Qmax是指散熱器的最大散熱量實(shí)踐表明，散熱器在使用一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)局部微小脫焊和沉積水垢等現(xiàn)象，雖然此時(shí)散熱器仍然可以正常使用，但散熱器會(huì)有7%10%左右的降低，散熱氣流也會(huì)因此受到影響，導(dǎo)致散熱能力下降考慮到上述原因，?。? （417）式16中K為散熱系數(shù)，kJ/(m2h℃)。其值由試驗(yàn)確定，經(jīng)驗(yàn)可知同類散熱器k值為k=290310范圍內(nèi)。式16中△t為換熱面兩側(cè)換熱介質(zhì)的平均溫差，其值為： （418）式中twcp為水側(cè)平均溫度，其值與系統(tǒng)調(diào)定壓力有關(guān)，≈90℃95℃，當(dāng)系統(tǒng)壓力為49kPa時(shí)twcp≈100℃105℃，≈105℃110℃。而系統(tǒng)的調(diào)定壓力與散熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性有關(guān)，推薦值如下：轎車、輕型車的調(diào)定壓力為70kPa110kPa 中型車系統(tǒng)調(diào)定壓力為50kPa70kPa 重型車系統(tǒng)調(diào)定壓力為30kPa50kPa，則twcp=105℃。式中tacp為空氣側(cè)平均溫度，其表達(dá)式為： （419）式中tai為進(jìn)風(fēng)溫度，標(biāo)準(zhǔn)冷卻系為40℃，△ta前述為20℃，則有：則已選散熱器不滿足。對(duì)比選擇的散熱器的散熱面積和理論需要的散熱面積，發(fā)現(xiàn)存在的差距還有點(diǎn)大，要想顯著提高散熱面積，前述參數(shù)中，增大散熱器芯體厚度T效果最為明顯，現(xiàn)參考表1中NJ131E散熱器，選擇T=52mm。散熱水管的排布改為3排水管布置，則有散熱水管數(shù)： 散熱水管散熱面積A1為： 散熱帶散熱面積A2為： 散熱面積s為：大于理論計(jì)算值，則滿足要求。至此散熱器結(jié)構(gòu)已設(shè)計(jì)完成，焊接時(shí)其需要滿足的可靠性技術(shù)要求如表44： 表44：散熱器可靠性技術(shù)要求可靠性分類技術(shù)要求耐振性能散熱器安裝振動(dòng)臺(tái)上，以25m／s2 或30 m／s2 的加速度，頻率20Hz或23Hz連續(xù)進(jìn)行106次垂直振動(dòng)，不允許脫焊和滲漏扭振性能散熱器承受規(guī)定的壓力，保持1min后不允許滲漏壓力循環(huán)性能散熱器經(jīng)過104 次高溫脈沖后，散熱器不允許脫焊和滲漏高溫壓力脈沖104 次壓力循環(huán)后，散熱器不允許脫焊和滲漏密封性能散熱器經(jīng)過104次扭振后，不允許脫焊和滲漏水泵如圖1是保證冷卻液隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)而循環(huán)流動(dòng)的裝置，通常安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的前部。當(dāng)前，由于離心式水泵與同尺寸的其他類型的水泵相比，具有流量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便以及由其特點(diǎn)所帶來的低成本等優(yōu)點(diǎn)， 所以冷卻水泵多采 圖42：汽車?yán)鋮s水泵用離心式水泵。 無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵由于受總體布局的限制，要求其結(jié)構(gòu)緊湊，通常情況下難以做到冷卻水泵各個(gè)參數(shù)和性能指標(biāo)都盡善盡美，只能盡量做到各參數(shù)很好的匹配，以達(dá)到散熱要求。近年來發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度提高，一定程度上提高了水泵的運(yùn)行參數(shù)，使得冷卻水泵有向高速發(fā)展的趨勢(shì)。為減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱量損失，要求盡量提高工作水溫。這樣一來，使得冷卻水泵入口性能惡化，容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，這一點(diǎn)，在本文后續(xù)論述中會(huì)予以考慮。在車輛工業(yè)中，為適應(yīng)冷卻水泵的大批量生產(chǎn)，要求水泵結(jié)構(gòu)、工藝簡(jiǎn)化。于是在冷卻水泵上采取了系列化的陶瓷石墨系列水封、沖壓葉輪、軸連軸承、旋壓皮帶等新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料，從而提高冷卻水泵的使用壽命，做到與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配同步。本文涉及的某型無人機(jī)的冷卻水泵與汽車類似，同樣采取了上述新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝。發(fā)動(dòng)機(jī)離心式冷卻水泵的種類較多，大多采用單級(jí)式皮帶傳動(dòng)。水封多為陶瓷石墨系列水封，葉輪有閉式、半開式、開式三種，由統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際試驗(yàn)得知，當(dāng)水泵揚(yáng)程達(dá)到25m30m以上時(shí)，應(yīng)采用閉式葉輪。離心式水泵由以下結(jié)構(gòu)組成：1. 水泵殼體水泵的殼體通常由鑄鐵或鑄鋁做成，其中輕型機(jī)械打采用鑄鋁，中重型機(jī)械多采用鑄鐵。其作用是使葉輪泵出的液體以最小的損失集中至出口，并使液體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓能。通常情況下，為了減少撞擊、流動(dòng)損失、渦流損失，一般將泵殼流道由內(nèi)向外做成呈均勻漸擴(kuò)的螺旋線，稱為蝸殼。其截面有圓形、矩形、半螺旋形等。2. 水封水封是泵軸與殼體之間的密封裝置，用來防止水泵軸測(cè)漏水或從間隙處吸入空氣。其對(duì)水泵的可靠性影響很大，很大程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行。無人機(jī)冷卻水泵的水封屬于機(jī)械密封。由于其使用條件苛刻，需要克服高溫、適應(yīng)高速，目前多采用Ⅱ型陶瓷石墨水封和整體式陶瓷石墨水封。其中整體式水封可簡(jiǎn)化葉輪加工，方便裝配。3. 軸承汽車工業(yè)中，水泵軸承大多采用雙面密封門軸連軸承，如圖2。本文涉及某型無人直升機(jī)與之類似，也是采用這種結(jié)構(gòu)，其形式有雙列球軸連軸承和一列球一列滾子軸連軸承兩種，根據(jù)水泵前端負(fù)載來選用。 圖43：軸連軸承 值得注意的是，由于水泵軸連軸承工作在高速、高溫的條件下，潤(rùn)滑條件直接影響到軸連軸的使作壽命，通常采用滴點(diǎn)較高，稠性較好的進(jìn)口高級(jí)潤(rùn)滑脂，密封圈通常也采用過盈較大的徑向接觸式密封，以保證軸承長(zhǎng)年不失油。4. 葉輪葉輪是冷卻水泵的重要組成部分，常用材料有鑄鐵、青銅、不銹鋼、錳青銅、蒙乃爾合金、INCONE及非金屬材料。對(duì)其要求有以下幾個(gè)：1）能給出較大的能量頭。2）氣體流過葉輪的損失要小，即氣體流經(jīng)葉輪的效率要高。3）氣體流出葉輪時(shí)各參數(shù)合宜，使氣體流過后面固定元件時(shí)的流動(dòng)損失較小。4）葉輪型式能使級(jí)或整機(jī)性能曲線的穩(wěn)定工況區(qū)及高效區(qū)范圍較寬。由于本文所涉及的某型無人直升機(jī)使用的rotax582航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)集成了冷卻水泵，所以水泵的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)并不是本文論述的重點(diǎn)。下文就所給條件算出幾個(gè)主要參數(shù)，以此為根據(jù)來與發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件匹配。1. 水泵流量水泵流量是指單位時(shí)間內(nèi)，水泵所輸出的液體體積。在前述《基本參數(shù)設(shè)定及推導(dǎo)中》，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)散