某型二冲程航空活塞发动机缸头热负荷研究

陈丙伟，陈 伟，张 晨

(南京航空航天大学 能源与动力学院 航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室， 南京 210016)

二冲程航空活塞发动机因具有结构简单、升功率高及维修方便等优点而广泛应用在无人机上[1]。二冲程航空活塞发动机工作环境复杂，工作时各个零件受力复杂，而缸头与活塞是受力最复杂的零部件。缸头内壁与活塞组成燃烧室，缸头内壁直接与高温高压燃气接触，承受着热负荷和机械负荷。另外航空用风冷活塞发动机存在着散热条件差的缺点，缸头迎风面与背风面温度相差较大导致缸头受到的热应力很大，影响发动机的寿命[2]。二冲程航空活塞发动机主要零部件多采用铝合金材料，温度对铝合金材料的性能影响很大，当温度较高时，铝合金材料的热强度很快下降，导致铝合金部件的损坏。所以，研究二冲程航空活塞发动机主要零部件的热负荷对发动机结构优化设计以及延长发动机寿命是很有意义的[3]。

对于发动机主要受热部件热负荷的研究，主要集中在热边界条件的确定以及温度场测量方面。热边界条件的确定主要有2种方式：

一种是通过实测缸内燃气瞬时温度、缸内燃气瞬时压力，利用经验公式计算得到热边界条件。如丁晓亮[4]利用热电偶测温装置对风冷柴油机气缸套的温度场进行了实测，通过经验公式计算得到热边界条件。Hedhli T等[5]分析了活塞在热机械耦合应力作用下的温度场、应力场，在确定换热边界条件时，燃烧室内瞬时换热系数采用Woscni经验公式，活塞轴线方向与气缸间的换热采用Wang提出的等效换热模型，其中沿活塞轴线方向传热系数根据轴向位置估算，气缸壁温度通过实验测量。Hamzehei M等[6]通过试验测量活塞与缸头的部分测点的瞬态温度，然后与仿真结果对比分析，验证计算模型的准确性。姬芬竹[7]建立了冷却系统传热模型和边界条件计算模型，以缸内燃气压力和温度试验数据为基础，利用经验公式计算气缸体内壁与燃气、外部与冷却空气间的换热边界条件，仿真结果与试验误差小于5%，满足工程需要。唐梓杰等[8]以某小型航空二冲程风冷发动机缸体为研究对象，实测缸内燃气压力，利用经验公式计算燃气侧和冷却空气侧换热边界条件，对缸体进行有限元仿真分析并将仿真结果与试验结果对比，证明结果可靠。

另一种是通过软件对发动机性能进行仿真，获得缸内燃气的瞬时温度、缸内燃气的瞬时换热系数，然后通过经验公式计算热边界条件。如于春雷[9]对某型航空活塞发动机活塞的强度进行了有限元分析，首先利用GT-Power软件对发动机缸内燃烧特性进行仿真分析，得到缸内瞬时燃气压力、瞬时燃气温度以及燃气瞬时传热系数随曲轴转角的变化曲线。利用经验公式计算确定活塞顶部燃气平均传热系数及平均温度，为活塞的强度分析提供边界条件。王飞[2]对航空活塞发动机缸盖和活塞进行了热固耦合分析，利用GT-Power获得缸内燃气瞬时温度、缸内燃气瞬时换热系数，利用经验形式获得计算边界条件，分析了缸盖以及活塞的温度场和应力场。俞小莉等[10]详细分析气缸体内表面受燃气放热、活塞传热及摩擦热的周期性作用过程，给出了高速风冷柴油机气缸体内表面稳态传热边界条件沿气缸高度的分布规律。Kowalski J等[11]介绍了二冲程活塞发动机温度场的二维计算模型，利用Fourier边界条件确定局部传热系数，计算了缸套的温度场。Krishnaveni J等[12]主要分析了不同翅片形式对缸头温度场分布的影响，用有限元方法计算缸头不同翅片形式下温度场分布。

本文通过GT-Power软件对发动机在极限工况下的性能进行仿真，获得缸内燃气瞬时温度、缸内燃气瞬时换热系数，然后利用经验公式计算热边界条件并利用有限元数值仿真分析软件对缸头进行热分析，最后对发动机进行地面台架试验测量缸头特征测点位置处的温度值，验证数值仿真分析结果的准确性。

1 模型的建立

1.1 几何模型

建立的缸头三维几何模型以及缸头各部分翅片编号如图1所示。

图1 缸头的三维几何模型与翅片编号

缸头顶翅分为迎风面顶翅和背风面顶翅，2个顶翅之间的流道称为槽，顶翅空气流道的截面积称为通道截面积。缸头环翅分为迎风面环翅和背风面环翅，2个环翅之间的流道称为环槽。

1.2 有限元模型

对缸头整体的三维几何模型进行简化并进行有限元网格划分，单元类型选用solid70单元，共划分单元270 406个、节点148 315个。缸头的整体结构为轴对称结构。为了表达缸头内壁各划分区域及上下止点位置，图2给出了缸头1/2有限元网格模型及各划分区域名称。缸头材料为ZL107，材料特性参数如表1所示。

图2 缸头的有限元模型

导热系数/(W·(m2·K)-1)密度/(kg·m-3)比热容/(J·(kg·K)-1)1092796963

2 换热边界条件

2.1 缸内燃气特性分析

二冲程航空活塞发动机在工作过程中，与缸头内壁侧接触的高温高压燃气的温度和瞬时传热系数随着曲轴转角不断变化。为了获得缸头内壁燃气的温度和传热系数随曲轴转角变化的规律，需要对缸内燃气的特性进行分析。文献[13]给出了本文所研究的二冲程航空活塞发动机GT-Power一维仿真模型，利用GT-Power一维仿真模型计算发动机在给定工况下的缸内燃气特性，GT-Power仿真模型如图3所示，设置计算工况转速为7 000 r/min，计算得到缸内燃气瞬时温度、缸内燃气瞬时换热系数随曲轴转角的变化曲线，如图4所示[13]。

图3 GT-Power仿真模型

图4 缸内燃气瞬时温度、传热系数变化曲线

2.2 燃气侧热边界条件

高温燃气与缸头内壁的换热主要考虑对流换热，忽略辐射换热的影响[8]。在发动机工作过程中，活塞的往复运动使燃气与气缸壁面的接触时间不同，因此沿气缸中心线方向燃气瞬时换热系数以及燃气瞬时温度不是常数。由于数值仿真中需要的是燃气平均温度和燃气平均换热系数，所以选择经验公式计算缸内燃气1个循环内的平均温度Tres(0)和燃气的平均换热系数αm(0)，计算公式为[10，14]：

(1)

(2)

式中:αg表示图4中燃气的瞬时换热系数；Tg表示图4中燃气的瞬时温度。

将燃气瞬时温度随曲轴转角变化曲线、燃气瞬时换热系数随曲轴转角变化曲线进行积分后计算得到Tres(0)=1 579 K，αm(0)=453 W/(m2·K)。

对于活塞往复行程区域，根据文献[14]中提出的经验公式计算距离活塞行程上止点位置h处的燃气平均温度Tres(h)和αm(h)燃气平均换热系数：

(3)

(4)

将缸头内壁活塞往复行程区域沿活塞轴线方向从上止点至下止点依次划分成6个区域，如图2所示。由式(1)～(4)，计算得到的不同区域的缸内燃气平均换热系数和燃气平均温度以及每个区域的底边距离上止点的距离h，列于表2中。

表2 缸内燃气平均传热系数和燃气平均温度

2.3 缸头外部换热边界条件

二冲程航空活塞发动机工作环境复杂，高空中飞行时，缸头的散热受到冷却空气的流速以及冷却空气温度的影响。飞行高度越高，大气压越低，温度越低。转速越高，飞行速度越快，冷却空气流速越快，有利于缸体散热，但是转速升高，缸体的热负荷也会增加。为简化分析过程，在地面台架上对发动机进行试验，并对缸头的温度场进行仿真分析与试验验证。缸头外部冷却空气温度为环境温度298 K。缸头外部冷却空气流速与发动机转速相关，本文研究二冲程航空活塞发动机7 000 r/min工况下缸头的热负荷，经过实测发动机在7 000 r/min工况下，冷却空气流速最大为40 m/s。发动机在工作过程中，冷却空气流速在缸头外部的迎风面和背风面明显不同，迎风面冷却空气流速较高，散热较快，导致缸头迎风面温度较低。背风面冷却空气流速较低，散热效果差，导致缸头背风面温度较高。冷却空气流速不同，表征流动特性的雷诺数也就不同。依据雷诺数的不同将缸头外部各部分冷却空气流动状态分为湍流、过渡流以及层流。针对流动状态选择经验公式计算散热片换热系数αf[15]。

层流状态(Re<2 200)：

(5)

过渡流动状态(2 200

(6)

湍流状态(Re>10 000)：

(7)

经计算得到：空气运动黏度为1.4×10-5m2/s，环翅部分弯管修正系数为1.6，流道曲率半径 23 mm，顶翅部分弯管修正系数取为1，流道曲率半径无穷大。实测获得缸头外壁各环翅位置处壁面温度。散热片间的空气流速利用Fluent对冷却来流流场进行模拟。流场边界条件设定为：入口给定空气流速40 m/s，出口边界压强设定为静压。计算得到各散热片间平均空气流速，将空气流速以及发动机结构参数代入式(5)～(7)计算得到换热系数，列于表3。

表3 缸头外部区域换热系数

因缸头结构复杂，根据文献得到缸头部分区域边界条件如表2、表3所示，仍有一些特殊区域的边界需要计算。如缸头内壁区域6以下部分、燃烧室内燃气、扫气道内可燃混合气、排气道内废气的平均温度以及平均换热系数可根据缸内燃气特性曲线通过数值积分计算得到。外部环翅5以下部分平均换热系数根据此区域内的平均空气流速，然后根据经验公式计算得到。计算结果列于表4。

3 数值仿真分析与试验验证

根据缸头燃气侧换热边界条件以及冷却空气侧换热边界条件，利用有限元仿真分析软件ANSYS对缸头进行稳态热分析，得到缸头温度场分布云图，如图5所示。

表4 缸头部分区域平均温度、平均换热系数

图5 缸头稳态温度场分布云图

从图5可以看出，缸头整体温度分布趋势为背风面温度比迎风面温度高，最高温度出现在背风面靠近火花塞安装孔位置附近，最高温度为474 K。在缸头轴线方向上，缸头温度分布趋势为从上向下逐渐降低，最低温度为313 K。

为验证缸头温度场仿真结果的正确性，在地面台架测试台上对发动机进行试车。发动机台架如图5所示。在发动机缸头的背风面靠近火花塞安装孔位置附近以及缸体四周各布置一个K型热电偶，缸体四周热电偶位于缸体的中间位置，并且相邻热电偶之间相隔90°，利用热电偶测量发动机7 000 r/min工况下各测点处的温度，热电偶布置位置如图5所示，图中A、B、C、D为热电偶在缸体四周的位置。经过试车，得到发动机7 000 r/min工况运行时测点位置处温度，将测点位置处测量温度值与相同位置处有限元仿真值列于表5中，同时计算仿真值与试验值的误差范围，发现仿真结果值与试验测量值相差最大为4.3%，根据一般工程要求，当误差小于5%时认为结果满足工程需要。

图5 发动机地面台架

测点位置试验值/K仿真值/K差值/K误差/%火花塞附近460474143.0A413395-184.3B422416-61.5C400385-153.7D435425-102.3

4 结论

通过计算缸头给定工况下的热边界条件，利用有限元软件分析缸头的温度场，通过发动机台架试验验证了仿真结果的准确性。利用仿真与试验相结合的方法研究缸头的温度场得到以下几点结论：

1) 给定工况下相同位置处，仿真值与发动机地面台架试车测量温度值最大误差值为4.3%，误差小于5%，满足工程需要。

2) 通过缸头温度场的分析，发现在背风面靠近火花塞安装孔位置附近，缸头温度最高，接近474 K。究其原因主要有2个方面：① 火花塞附近燃气温度较高。② 背风面冷却空气流速较低，散热片散热条件差。考虑通过优化散热片结构，设计导流罩等形式来改善背风面冷却条件，为以后缸头散热结构的优化设计提供参考依据。