高效冷喷流吹扫车研制

幸晓龙，向宏辉，黄磊，钟绍辉，赵汝彬，修英利

（1.航空发动机高空模拟技术重点实验室，四川江油621703；2.中国燃气涡轮研究院，四川江油621703）

高效冷喷流吹扫车研制

幸晓龙1，2，向宏辉1，2，黄磊2，钟绍辉2，赵汝彬2，修英利2

（1.航空发动机高空模拟技术重点实验室，四川江油621703；2.中国燃气涡轮研究院，四川江油621703）

根据我国冰雪灾害性天气多及目前国内市场需求，自主研制了一款机场、公路清扫用的吹扫车。采用先进的航空发动机气动设计、叶片造型和结构设计技术，进行吹扫车高效冷喷流轴流风机设计，并为其选择了配套的动力装置、齿轮增速器、联轴器等车载设备，集成于承载卡车上。性能测试、100 h寿命考核及现场试用表明，吹扫车性能高效，经济性强，安全性高。现已成功申请国家专利，其技术水平国内领先，满足用户需求并实现销售。

吹扫车；轴流风机；冷喷流；动力装置；齿轮箱；联轴器

1　引言

我国北方大部分地区冬天常普降大雪，造成公路交通中断、航班延误或取消，对国家经济和民生带来极大影响。对于军用机场来说，机场积雪将严重影响作战飞机的起降安全，极大地制约我国空军的飞行训练、战备值班作战能力。目前，我国北方部分军用机场使用的利用退役涡喷-5发动机研制的吹扫车存在以下缺陷：故障率高，维修、维护成本高；耗油率高，经济性差；排出的高温燃气对环境污染严重，且很容易烧蚀路面，并对使用环境要求较高；工作时道路积雪容易融化，吹扫后若融雪没及时蒸发就会结冰；噪声污染严重等，已无法满足机场保障使用要求［1］。瑞典、日本和加拿大等国作为道路除雪设备研究和生产的主流国家，其除雪设备的研制与生产具有较高的水平与规模，但其设备昂贵且维护成本高。因此，自主研制高效、环保、能降低路面损伤的除雪设备，已成为我国国民经济迅速发展和国防现代化建设的迫切需要。

基于上述考虑，中国燃气涡轮研究院利用先进航空发动机设计方法，将常用的热风吹扫改为冷喷流吹扫，自主研制了一款新型、高效的吹扫车车载核心设备——冷喷流轴流风机。通过对冷喷流轴流风机进行优化设计，并配以成熟可靠的动力系统及合理的排气喷射管路，提高了车载系统的可靠性、稳定性和经济性，满足了用户需求，填补了我国冷喷流扫雪技术的空白。

2　吹扫车工作原理、结构及性能指标

此款高效冷喷流吹扫车，是将冷喷流轴流风机集成于专用承载卡车上，利用车载柴油机作动力，从大气中直接吸入空气，经轴流风机对其做功、增压后从专用喷口导流喷出，以高速低温喷流对路面或机场跑道的积雪、灰尘进行吹扫。

该产品主要由冷喷流轴流风机、加长载重卡车、柴油机、高弹联轴器、带离合器齿轮箱、双膜片梅花联轴器、排气管路、控制及监视系统组成。为满足柴油机长时间运行，在车厢旁加挂4个150 L的串联油箱。同时，为降低排气管路流阻，冷喷流轴流风机等车载系统各部件与车体中轴线成8°夹角。去除带百叶窗、蜂窝状的车厢后，吹扫车外观如图1所示。

图1　吹扫车外观图Fig.1 The appearance of sweeping vehicle

该车的使用环境温度为-40～40℃，使用海拔高度≯4 000 m，最大吹扫面积≮150 000 m2/h，油耗≯100 L/h；风机大修期限为800～1 000 h，喷流速度≮145 m/s；驾驶室内噪声≯86 dB，车外≯110 dB。

3　主要部件设计

3.1冷吹轴流风机设计

冷吹轴流风机设计压比1.13～1.16，效率≮0.85，体积流量23 m3/s，物理转速3 500 r/min，功率＜450 kW。风机采用轴流单级增压结构［2］，由进气段、转子组件、静子组件、轴承、排气段组成（图2）。其气动设计采用目前先进的航空发动机压气机气动设计体系，按照准三维设计方法，经多次迭代计算完成。S2流面设计时，假设气流为无粘、绝热、定常流，并考虑叶片厚度和环壁附面层堵塞的影响。流道及叶片子午投影见图3。叶片造型采用定制叶型设计技术，能有效控制叶型表面附面层发展，避免或推迟附面层分离，提高风机效率和稳定裕度。

图2　冷吹轴流风机示意图Fig.2 Axial flow fan

图3　流道及叶片子午投影Fig.3 Flow path and the meridian of blade

图4　冷喷流轴流风机一维、二维计算特性图Fig.4 The 1D and 2D computation results of axial flow fan

采用一维、二维特性计算程序进行风机性能计算。在转速3 500 r/min和进口总压101 325 Pa的条件下，进口总温分别设定为253 K、263 K和273 K进行验算，结果见图4。可见，风机流量范围宽，效率满足设计要求。同时，采用DENTON软件对风机进行全三维粘性流场计算分析。图5为进口温度263K时的出口速度分布，可见其出口速度满足设计要求。图6为叶中截面S1流面马赫数等值线图，可见气流流场控制得很好，几乎不存在分离现象。

图5　冷喷流轴流风机出口速度分布Fig.5 The Outlet velocity distribution of axial flow fan

图6　冷喷流轴流风机S1流面马赫数等值线图Fig.6 S1 stream surface Mach number distribution

3.2动力系统设计

选用成型柴油机——重康柴油机带动齿轮箱增速，使输出转速符合吹雪风机转速要求。该型柴油机性能稳定，可有效降低动力故障率，节约维护成本；其燃油消耗率为90 L/h，大大降低了耗油量，减少了吹扫车的运行成本；同时，减少了燃气排放量，降低了对环境的污染；动力运行所产生的噪声也明显低于涡喷-5发动机，降低了操作人员的健康风险。

3.3排气管路设计

排气喷管布局如图7所示。设计时，考虑到卡车前桥（离地约300 mm）、车体前两侧弹簧钢板、转向横拉杆、转向直拉杆的位置和高度，排气管路不能防碍车轮转弯，行驶在颠簸路面上发生振动时需要整个管路与车载主体保持协调一致以免刚性连接管路折断等问题，管路必须固定在吹扫车两侧的变截面大梁上，且最好是穿越前桥下端。喷口设计时，圆转方段的主喷口喷气方向相对车体中轴线有一个前倾80°、对地15°的夹角，底部离地不低于240 mm，以保证主喷口吹扫距离［3］。另外，将喷口设计为长方形出口，能很好地保证吹扫面积和管路系统的风压平衡［4］。再则，为保证左右吹扫管路气流的合理分流，设计时收敛喷口相对车体中轴线有一个前倾110°、对地20°的夹角，底部离地不低于150 mm；同时，为保证两股气流互不干涉、不存在吹扫盲区，两个收敛喷口纵向和横向设计有一定间距，两路次吹扫管路设计成可调节收敛喷口且对地角度可调的卡环式结构。为减少局部阻力，分流支管位于收敛管段上［5］。

利用NUMECA软件对吹扫管路进行三维流场验算，结果见图8和图9。可见，流场品质较为理想，完全满足吹扫车工作时对风压、流速的要求。

图7　排气喷管布局Fig.7 Exhaust nozzle of sweeping vehicle

图8　冷喷流轴流风机排气管路压力分布Fig.8 Pressure distribution of exhaust pipe

4　冷喷流轴流风机强度设计与校核

冷吹轴流风机作为吹扫车的核心部件，其性能直接关系到吹扫车研制的成败。为此，重点针对风机转子叶片材料选择、加工工艺及叶片固有频率调频开展设计工作。

图9　冷喷流轴流风机排气管路流场校核结果Fig.9 Flow field calibration results of exhaust pipe

4.1叶片材料及加工工艺确定

借鉴以往设计经验，并查阅《中国航空材料手册》相关材料性能，风机叶片材料选用ZL114A［6］。加工工艺确定时，考虑到铸造对材料性能的影响，压铸加工可能造成拉伸强度下降25%、屈服强度下降40%，叶片采用重力金属型浇铸和机加成形工艺。该加工工艺能让叶片具有较好的机械性能、尺寸精度和表面光洁度等优点，并能降低加工成本。叶片完成加工并经检验合格后，表面再增加涂漆工艺，降低其因表面点蚀导致的应力集中，避免振动应力下的疲劳失效，提高使用寿命。

4.2调频设计

借鉴以往设计经验，重点针对风机叶片前后缘和榫头连接处进行优化设计，并利用ANSYS进行多轮有限元校核。叶片调频设计最后动频振型见图10，坎贝尔图见图11，设计转速下频率裕度满足要求。

4.3强度校核

利用ANSYS对叶片强度进行分析，考虑几何非线性、温度、气动力和离心力的综合影响。转子叶片等效应力见图12，应力值见表1。可见，叶片的拉伸强度储备系数和屈服强度储备系数满足设计要求。

图10　转子叶片振型Fig.10 The vibration mode of rotor blade

5　试验结果及实际使用验证

5.1试验结果

完成设计加工并车载集成后（图13），进行了性能试验和100 h寿命考核试验。结果表明，所有性能指标达到设计要求，整车能耗低（柴油油耗≯95 L/h），效率高（吹扫面积≮150 000 m2/h），风力大（流量23 m3/s），适应范围广，可全天候作业，排放、噪声等指标符合国家相关标准。

完成性能考核设计定型后，改型吹扫车通过省级新产品新技术鉴定。鉴定结论为：该产品具有自主知识产权，是航空发动机设计与集成的军民两用新技术，产品开发填补国内空白，处于国内先进水平。

图11　坎贝尔图Fig.11 Campbell diagram

图12　转子叶片等效应力Fig.12 Equivalent stress of rotor blade

表1　转子叶片静强度计算结果Table 1 The calculating results of rotor blade static strength

图13　吹扫车产品Fig.13 Sweeping vehicle

5.2实际使用验证

设计定型后，吹扫车交付给吉林航空维修有限责任公司及沈阳飞机工业集团进行实际使用验证。经过用户的多年使用，吹扫车未发生由于设计和加工质量导致的故障，并于2014年实现吹扫车首台成套产品的销售。根据用户评价，该产品能耗低、效率高、风力大、故障率低、适应性范围广、可全天候作业、维护保养费用低、对机场跑道及吹扫作业现场地面无损伤、可有效防止路面重复结冰等优点，具有良好的经济和社会效益。

6　结论

（1）采用航空叶轮机三维设计技术进行冷喷流轴流风机设计，具有效率高、风力大和能耗低等特点。集成定型后的吹扫车经省级新产品新技术鉴定，具有自主知识产权，是航空发动机设计与集成的军民两用新技术，该产品的开发填补了国内空白，处于国内先进水平。

（2）结合风机叶片优化造型和排气喷管流场优化设计进行噪声综合控制，使吹扫车排放、噪声等指标符合国家相关标准。

（3）车载系统各部件均采用技术成熟的成套产品，有效降低了产品成本、故障率，以及使用、运行和维修维护成本，客户满意度高。

（4）产品采用航空叶轮机技术，选用自主开发的轴流风机，将常用的热风吹扫改为冷喷流吹扫，避免了对机场、路面的损伤。

［1］马同力.我国首辆冷风道面吹雪车在北京三兴汽车厂下线［J］.商用汽车杂志，2005，3：68—69.

［2］《航空发动机设计手册》总编委会.航空发动机设计手册：第8册——压气机［K］.北京：航空工业出版社，2000：141—164.

［3］罗华云.某型吹扫风机车载系统设计及试验研究［D］.成都：成都电子科技大学，2009.

［4］孙熙.袋式除尘技术与应用［M］.北京：机械工业出版社，2004：271—303.

［5］O'Sullivan M N，Waitz I A，Greitzer E M，et al.A computational study of viscous effects on lobed mixer flow features and performance［R］.AIAA 94-3085，1994.

［6］《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册：第3卷——铝合金镁合金［K］.2版.北京：中国标准出版社，2002.

Development of a highly efficient axial flow fan sweeping vehicle

XING Xiao-long1，2，XIANG Hong-hui1，2，HUANG Lei2，ZHONG Shao-hui2，ZHAO Ru-bin2，XIU Ying-li2
（1.Key Laboratory on Aero-Engine Altitude Simulation Technology，Jiangyou 621703，China；2.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

With the increasing of the severe weather and the current domestic market demand in our country，independent design and development of a blowing snow machine is very necessary for airport and road. Advanced aircraft engine aerodynamic design，blade shape and structure design technique were applied to design the sweeping vehicle with axial flow fan of highly efficient cold flow.And the corresponding power plant，gear speeder，coupling and other on-board equipment were selected.The performance test，100-hour life assessment and field trial show that the sweeping vehicle is efficient，economic and safe，that can satisfy the needs of customers and make profit.With its leading technology in domestic arena，it has now applied for national patent.

sweeping vehicle；axial flow fan；cold flow；power plant；gear speeder；couplings

V351.392

A

1672-2620（2015）05-0044-05

2015-04-28；

2015-07-15

幸晓龙（1976-），男，重庆江津人，高级工程师，主要从事压气机试验研究工作。