ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ВЕРТОЛЕТА

Аннотация. Основным достоинством двигателя CRDID является высокий КПД (52%). Кроме того, дизельное топливо безопаснее авиакеросина и повсеместно доступно. Однако дизельные двигатели обычно тяжелее турбовальных и требуют дополнительной системы охлаждения. Это требование особенно строго при ближних стационарных операциях вертолета. Фактически, если для системы охлаждения используются вентиляторы, доступная мощность снижено с увеличением штрафного веса за установку. В связи с этим эжекторная выхлопная система советуется использовать в вертолетах с двигателем CRDID. Проведена оптимизация этой системы. В результате выхлоп эжектора чрезвычайно эффективен. Solid Works Flow Simulation подтверждает выбор эжектора и критерии проектирования.

Ключевые слова: эжектор, выхлоп, турбокомпрессор,  

Введение

Исходя из данных, турбовальный двигатель имеет лучшее отношение мощности к весу, чем CRDID (дизельный двигатель Common Rail). Огромные инвестиции в конце 20-го века привели к усовершенствованию турбовальногo двигателя, который были необходимы для развития вертолетов. Однако относительно низкий расход топлива экономичность в нерасчетных режимах этих двигателей уменьшает преимущество турбовального двигателя.

Эти двигатели могут в конверсия вертолета, достичь эффективности 52% без вторичных циклов для рекуперации энергии выхлопных газов. Следовательно, CRDID вновь представилась возможность выйти на рынок с усовершенствованными поршневыми двигателями вместо традиционных турбовальных. Этот решение содержит затраты, снижает выбросы загрязняющих веществ и расход топлива [1].

Процесс оптимизации начинается с ожидаемых характеристик вертолета. Основное преимущество CRDID - это возможность использовать невзрывоопасные автомобильные

дизельное топливо. На самом деле дизель не только уменьшает опасность воспламенения, но и упрощает цепочку поставок и хранения как для гражданских, так и для военных вертолетов. По факту, автомобильный дизель – самое распространенное топливо в мире. Этот факт является важным ограничение в распространении частных вертолетов, особенно для легких вертолетов авиации общего назначения. Тем не менее, использование CRDID с FADEC (полное электронное управление) представляет собой серьезную проблему для дизайнера, который должен снизить расход топлива, уровень шума, выбросы, затраты на приобретение, установку и обслуживание. Дизель и керосин может использоваться в CRDID. Это дает огромные преимущества как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения удобства использования вертолета [2], [3].

Однако основная проблема заключается в том, чтобы охладить CRDID при взлете, когда выходная мощность максимальна, а воздушная скорость может быть нулевой. В данной работе эта проблема полностью исследована и оптимизировано оптимальное решение эжекторно-вытяжного охлаждения.

Основным для системы охлаждения CRDID является поддерживать температуру охлаждающей жидкости и масла на каждом этапе полета. Еще один важный требованием состоит в том, чтобы избегать вентиляторов и других устройств, которые уменьшают выходную мощность. В качестве модели было использовано модель вертолета EC 120, с мощностью 450 л.с. — это полезная мощность ротора. Сопротивление охлаждению также вызывает беспокойство. Для охлаждения CRDID проблемы начинаются при наземных операциях с двигателем на холостом ходу. В этой фазе CRDID склонны к переохлаждению. Фактически, на холостом ходу CRDID настолько эффективен, что затрачиваемой энергии недостаточно, чтобы поддерживать двигатель в тепле. Термостатический клапан в системе охлаждения установлен для поддержания относительно высоких температур, необходимых для правильного сгорания. Поэтому вентилятор не нужен, даже когда температура наружного воздуха достигает 45°С [4], [5], [6].

Лучший способ оптимизировать надежность — упростить систему охлаждения. В случае системы с электрическим питанием двойное резервирование строго необходимо. Решение с эжекторным выхлопом снижает как требования к мощности, так и размер впускных и выпускных отверстий. Эта система работает только при относительно высоких настройках мощности. Мощность охлаждения зависит от мощности двигателя и эффективности. Высокая мощность и низкий КПД увеличивают количество тепла, отводимого от двигателя. Идеальная система охлаждения регулирует поток охлаждающего воздуха в зависимости от мощности двигателя и температуры. Система охлаждения на основе усилителей выхлопа не зависит от скорости полета и зависит от настройки мощности. Термостатический клапан может регулировать температуру или электрический насос, управляемый FADEC (полный цифровой электронное управление). Эжекторный выхлоп позволяет уменьшить сопротивление при охлаждении без ущерба для охлаждения двигателя и не требует дополнительной нагрузки от пилота. Отсутствие вентиляторов позволяет избежать вычитания полезной мощности двигателя. Наиболее эффективная форма эжекторного усилителя – круглая. Следовательно, диаметр радиатора будет 0,4 м. Дополнительный компрессор представляет собой струйный компрессор, который использует небольшую высокоскоростную струю выхлопных газов для перемещения большего объема охлаждающего воздуха. В этом случае цель состоит в том, чтобы получить разрежение, которое всасывает охлаждающий воздух через пакет радиатора. Поэтому используемый радиатор имеет круглую форму. Выхлоп двигателя вводится внутрь воздуховода через отверстие в центре радиатора (рис.1). На рис. 1 показана 3D-модель блока радиаторов. В моделировании CFD (Computational Fluid Dynamics) радиатор моделируется с эквивалентной пористой средой. Эта область показана светло-серым цветом на рис. 1. Аугментатор имеет входную, постоянную и диффузорную секции (рис. 2). Входное отверстие имеет форму, обеспечивающую плавный вход охлаждающего воздуха и позиционирование выхлопной струи. В вертолетах оптимальная площадь воздухозаборника на 15 % больше площади лобовой части радиатора. Это оптимальное сужающееся впускное отверстие имеет отношение диаметра к длине, равное 5. Однако сужение не является критическим. Наоборот, диффузор крайне критичен. Наиболее строгим требованием к конструкции диффузора является минимизация внутренних потерь. Фактически, внутренние потери уменьшают величину восстановленного давления и повышают температуру охлаждения [7], [8].

Рисунок 1. 3D CAD модель радиатора, плавник секция показана светло-серым цветом

Рисунок 2. Геометрия эжектора (схема)

Перепады давления в диффузоре представляют собой распределенные потери, вызванные трением о стенки воздуховода, и сосредоточенные потери, вызванные изменением сечения внутри воздуховода. Если диффузор слишком длинный, распределенные потери превышают сосредоточенные потери. Если диффузор слишком короткий, преобладают противоположные сосредоточенные потери. Поэтому значение полуугла раскрытия воздуховода около 7° является обычным. Это значение чаще всего используется в аэродинамических диффузорах. Однако с современной конструкцией из полированного RP (Reinforced Plastic) можно уменьшить этот угол уменьшился примерно до 2°. В этом критическом приложении геометрия диффузора вызывает увеличение сопротивления радиатора и уменьшение отвода тепла из-за отклонения воздушного потока. Этот отклоняющийся поток соответствует параллельным каналам оребренного радиатора разницам перепада давления на поверхности радиатора. Обтекаемый диффузор - лучший дизайн. В самом деле, в обтекаемом диффузоре стенки следуют за воздушным потоком, направляя его с максимальной эффективностью. Однако в этом случае производственные затраты не оправдывают улучшения характеристик. Поэтому в этой статье используется прямой полуугловой диффузор 6°C.

Результаты

AUDI V6 в вертолетной версии имеет один большой турбокомпрессор вместо нескольких агрегатов в автомобильной версии. Это связано с отсутствием у вертолета проблемы турбоям и другие диапазоны оборотов. В случае с автомобилем, даже спортивным автомобилем, диапазон мощности расположен в первой половине доступного диапазона с несколькими моментами, когда полная мощность или полный крутящий момент задается  водителю. Наоборот, пилот вертолета будет просить полную мощность при каждом взлете. Это требование, наряду с межремонтным ресурсом 3000 часов, выполняется за счет обработки поверхности и замены наиболее ответственных деталей в двигателе вертолета. Поэтому турбокомпрессор вертолетной версии больше и расположен в хвостовой части двигателя. Выхлоп турбонагнетателя направлен в хвост, проходит через перегородку и воздушную камеру для вставки в радиатор. для сброса горячих газов в аугментер. Воздушная камера имеет несколько решеток для забора свежего охлаждающего воздуха из самой верхней части фюзеляжа.

Моделирование CFD было выполнено с помощью Solid Works Flow Simulation [1-3]. Относительное положение излучателя, длина смесительного канала и диффузора варьировались для проверки работы усилителя. Температура и скорость выхлопных газов варьировались для имитации работы от 30% до полной нагрузки. Худшее состояние — полная загрузка. Кроме того, менялось взаимное расположение выхлопной трубы и аугментатора. Результаты показали, что труба, расположенная в начале смесительного (прямого) участка, является наилучшей позицией.

Моделирование на рисунках 3 показывает, что длина смесительного канала имеет решающее значение для расширения потока, и даже если последнее моделирование показывает наибольшую скорость потока, оно не является оптимальным, поскольку поток газа расширяется не полностью. Таким образом, решение со смесительным каналом длиной 446 мм является лучшим решением, даже если оптимальная длина установленного канала осложняется взаимодействием с полем воздушного потока несущего винта вертолета.

Рисунок 3. Моделирование CFD со смесительным каналом 0,446 м (оптимально)

Выводы

Основным преимуществом CRDID (Common Rail Diesel Engine) является чрезвычайно высокий КПД (до 52%), огромное количество часов работы и готовность к полетам. Кроме того, дизельное топливо более безопасно, доступны везде.. Однако дизельные двигатели обычно тяжелее турбовальных двигателей и требуют дополнительной системы охлаждения. Это требование является особенно строгим в стационарных полетах вертолетов. Если вентиляторы используются для системы охлаждения доступная мощность уменьшается по мере увеличения штрафного веса агрегата. По этой причине эжекторную выхлопную систему можно с успехом использовать на вертолетах с двигателями CRDID. Проведена оптимизация этой системы. На замену турбовального двигателя предлагается производная от автомобильного двигателя. В результате эжекторный выхлоп (аугментер) чрезвычайно эффективен. Из первоначального проекта удобно уменьшить длину смесительного канала. Диффузор строго необходим для сохранения эффективности.