AC311直升机主减滑油温度偏高故障分析与改进

AC311直升机主减滑油温度偏高故障分析与改进
朱虹;常莉;王辉
【摘要】AC311直升机安装LTS101-700D-2发动机,在进行地面长试及大功率悬停时,出现主减滑油温度偏高以及滑油风扇工作频繁的现象.从散热效率、进气构型等方面对该故障现象进行了分析,理清出现此现象的原因,并对相应的改进措施以及验证结果进行了说明.
【期刊名称】《直升机技术》
【年(卷),期】2015(000)003
【总页数】6页(P39-44)
【关键词】AC311直升机;LTS101-700D-2发动机;主减滑油温度偏高
【作者】朱虹;常莉;王辉
【作者单位】中国直升机设计研究所,江西景德镇333001;中国直升机设计研究所,江西景德镇333001;中国直升机设计研究所,江西景德镇333001
【正文语种】中文
【中图分类】V228.3
AC311直升机滑油系统是在直11型民机适航取证的基础上，换装Honeywell公司LTS101-700D-2发动机后的配套滑油系统，要求发动机和主减外滑油系统在原直11型机的滑油系统基础上进行设计更改，以最终满足换发要求。

AC311直升机换装 LTS101-700D-2发动机后在进行地面长试过程中，出现主减滑油温度偏高现象；在进行大功率悬停时出现主减滑油高温报警(报警温度为
115℃)、滑油风扇频繁起动的现象。

本文将针对这一主减滑油温度偏高故障展开
原因分析和相应的系统设计改进，并对更改后的滑油系统进行热动力性能分析和进气流场仿真分析，最后通过大功率悬停验证试验验证改进方案的可行性。

1.1 系统的原理简介
电机驱动风扇，通过主减和发动机滑油散热器的冲压空气产生冷却效果。

在悬停状态，无冲压空气，冷却空气由电机驱动的风扇提供。

当滑油箱中的油温达到86℃时，风扇自动接通工作；油温一达到86℃，风扇控制开关中的双金属片膨胀接触，通过放大器给电源中的继电器R通电，接触器闭合，风扇电机通电。

滑油温度降
至68℃时，风扇控制开关断开，风扇电机停止工作。

工作原理示意图如图1所示。

1.2 换发引起的系统设计改进
1.2.1 滑油散热器更改
AC311直升机换装 LTS101-700D-2发动机后，因发动机散热需求增加，最大发
热量由15kW增加到20.22kW，发动机滑油系统改进设计方案采用两台滑油散热器，即原直11型机的主减滑油散热器(型号：HSR-7)和发动机滑油散热器(型号：HSR-4)同时为发动机提供散热；同时，将增加一台主减滑油散热器(型号：
704A33-220-032)为主减提供散热[1]。

所采用的散热器均为板翅式结构[2]。

发动机和主减滑油系统由共用的滑油冷却风扇提供强制冷空气，对发动机和主减滑油散热器进行滑油冷却。

具体安装形式如图2所示。

1.2.2 进气道构型更改
AC311直升机与直11民机的安装散热器的前部整流罩结构形式存在差异，
AC311直升机的进风道较原型机构型加高26mm，加长100mm(详见图3和图4)。

1.3 滑油系统热动力分析
1.3.1 理论评估
滑油系统的热力计算通常要解决两方面的问题：按给定的流量、温度和压力等参数确定一定结构下所需的传热面积和已知传热面积计算散热器的散热性能，
可分为设计性计算和校核性计算。

本文需对已定型的滑油散热器结构型式进行换热性能计算，因此采用校核性计算方法。

1)设计性计算
设计性计算是已知滑油进口温度、流量、压力，要求达到的出口温度与允许的压降，空气进口温度、流量、压力与允许的压降设定值，求解散热器的传热面积与芯体尺寸。

设计计算流程图如图5所示。

滑油系统的热力计算中多用数值法。

采用数值法在进行设计计算时，建立芯体质量流速方程[3]：
式中，gm为质量流速，kg/(m2·s)；η0为翅片表面效率，ΔP为压降设定值，小
于或等于允许值；Pr为流体普朗特数；vm为流体出口平均比容；j为柯尔朋传热
因子；f为摩擦因子；Ntu为传热单元数；下标1、2表示热、冷流体。

选定传热表面的初始j/f平均值：对于锯齿型翅片j/f=0.18。

选定初始翅片表面效率η0：设计计算应选择η0在70%～90%范围内，第一近似取η0=0.8。

传热单元数：
式中，F为传热表面积，a为对流换热系数，G为质量流量，cp为定压比热，
W=Gcp为流体的热容量，K为滑油散热器的总传热系数。

芯体效率：
式中，t为流体温度，下标1、2表示热、冷流体，上标‘′’与‘″’表示散热器的进出口状态。

芯体尺寸是利用芯体机和特性与传热特性的关系计算得到的。

例如，在求得空气侧传热系数K2后，即可求得空气侧总传热面积，同时可求得空气侧最小自由流通面
积，由此可得空气流动长度。

式中，v′、v″表示进、出口流体比容，为孔度。

检验压降计算结果，若任一侧的ΔP计算值大于设定值，则应用以下公式：
2) 计算分析
通过软件设计程序，分别对主减和发动机滑油系统进行散热性能的校核性计算。

计算结果如下：
主减滑油系统散热校核性计算，详见表1输入条件和表2输出结果。

当环境温度
为50℃时，电风扇质量流量Q=0.46(kg/s)，主减滑油散热器提供的风量按。

发动机滑油系统散热校核性计算，详见表3输入条件和表4输出结果。

需要说明的是：①由发动机发热量20.22kW推导出发动机最高出口滑油温度
T=142.3℃；②当环境温度为50℃时，电风扇质量流量Q=0.46(kg/s)，发动机滑油散热器提供的风量按。

1.3.2 分析结果
计算结果表明，在原滑油电风扇不变的条件下，当空气温度为50℃时，主减滑油
系统最高滑油出口温度为116.2℃，略高于系统规定值115℃，实际的散热量达到5kW散热能力；发动机系统最高滑油出口温度为97.3℃，低于系统规定值110℃，实际的散热量达到19.2kW散热能力。

综上可见，目前的发动机滑油系统有充分
的散热能力，而主减滑油系统的散热能力不足。

此外，还可预见的是实际工作中主减滑油散热器的滑油出口温度肯定会高于
116.2℃。

这是因为AC311直升机与Soloy公司提供的安装散热器的前部整流罩
结构形式存在差异，这就造成进气流场的变化，即在主减滑油散热器前部形成了涡流，空气会从阻力比较小的主减滑油散热器上方流走，则大部分空气未通过主减滑油散热器，而是直接流向发动机滑油散热器，由此导致主减滑油散热器没有足够的进风量，即实际的进风量是小于风扇流量的四分之一的，因此导致主减滑油散热能
力降低，主减滑油温度偏高；同时，由于进入发动机散热器的气流大多没有经过主减滑油散热器，进口温度大多为环境温度50℃，所以，发动机滑油散热器的散热
能力会过强,导致滑油风扇频繁启动。

针对以上主减滑油温度偏高以及滑油风扇工作频繁现象原因的分析可知，主减滑油散热器进风量过少是问题的关键。

因此，我们进行针对性设计改进，即在前部整流罩组件内加装主减滑油散热器进气整流板，如图6所示。

增加主减滑油散热器进
气整流板的目的是使前飞空气先全部流经主减滑油散热器，然后主减滑油散热器散出的热风再流过发动机滑油散热器。

由此增加主减滑油散热器的进风量，缓解主减的散热不足；同时降低发动机散热余度，缓解风扇频繁启动的现象。

2.1 散热效率评估
针对上述改进设计，同样分别对主减和发动机滑油系统进行散热性能的校核性计算。

计算结果如下：
主减滑油系统散热校核性计算，详见表5输入条件和表6输出结果。

发动机滑油系统散热校核性计算，详见表7输入条件和表8输出结果。

理论计算结果表明，加装整流板后的主减滑油系统最高滑油出口温度为97.928℃，满足主减速器滑油温度115℃的要求；加装整流板后的发动机滑油系统最高滑油
出口温度为108.90℃，能够满足发动机滑油温度110℃的要求。

2.2 进气流场计算与分析
针对上述改进设计，对进气道更改前后的流场开展进气流场的计算与分析，详见图7和图8。

从改进前后状态的温度分布图来看，在增加整流板后，主减滑油散热器的降温效果明显提高，且发动机滑油散热器的下部温度得到了很好的降低作用，但上部降温效果稍差些。

针对主减滑油温度偏高的故障，我们进行了设计改进，在前部整流罩组件内加装主
减滑油散热器进气整流板，使外界空气先流经主减滑油散热器，再流经发动机滑油散热器。

这样，加热后的空气为发动机滑油散热器进行冷却，从而达到主减滑油散热器有足够的散热能力、避免风扇频繁启动工作的目的。

2011年9月7日，AC311型01架机进行了加装散热器进气整流板前后的大功率悬停验证试验，详见表9。

从表9可看出，在未加装整流板的情况下，主减滑油温度从70℃上升至103℃，还没有达到温度稳定；发动机滑油温度稳定在79℃左右；滑油冷却风扇一直未工作；在加装整流板的情况下，主减滑油温度稳定在88℃；发动机滑油温度稳定在95℃；滑油冷却风扇正常工作。

说明本文提出的散热器进气道改进措施有效解决
了主减滑油温度偏高和滑油风扇频繁起动的问题。

1)经主减滑油散热器和发动机滑油散热器的性能校核计算和结果分析，以及进气道气流流动性能分析可知，AC311型机滑油系统出现主减滑油温度偏高和滑油风扇
频繁起动现象的原因主要是主减滑油散热器进风量过少，前部整流罩结构形式造成进气流场在主减滑油散热器前部形成了涡流，空气大多从阻力比较小的主减滑油散热器上方流走，因此导致主减滑油散热能力降低，主减滑油温度偏高；同时，由于进入发动机散热器的气流大多没有经过主减滑油散热器，进口温度大多为环境温度，所以，发动机滑油散热器的散热能力会过强，从而导致滑油风扇频繁启动。

2)采用在前部整流罩组件内加装主减滑油散热器进气整流板的改进性设计，目的是使前飞空气先全部流经主减滑油散热器，然后主减滑油散热器散出的热风再流过发动机滑油散热器。

由此可有效增加主减滑油散热器的进风量，增强主减的散热能力；同时降低发动机散热余度，缓解风机频繁启动的现象。

3)理论散热性能校核计算分析和样机加装散热器进气整流板前后的大功率悬停验证试验均表明该进气道改进措施有效解决了主减滑油温度偏高和滑油风扇频繁起动的
问题。

【相关文献】
[1] 李琳，余组建. 直升机滑油散热器的结构优化设计[J]. 北京航空航天大学学报,2002，28(3)：366-369.
[2] 凯斯 WM，伦敦AL，著；宜益民，张后累，译. 紧凑式热交换器[M]. 北京：北京科学出版社，1997.
[3] 齐铭. 制冷附件[M]. 北京：北京航空工业出版社，1992.。