毕业论文-某型无人机散热系统设计

1、. 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc356426298第1章绪论 PAGEREF _Toc356426298 h 3HYPERLINK l _Toc3564262991.1 引言 PAGEREF _Toc356426299 h 3HYPERLINK l _Toc356426300无人机简介 PAGEREF _Toc356426300 h 3HYPERLINK l _Toc3564263011.1.2 本文所述无人机的特点 PAGEREF _Toc356426301 h 3HYPERLINK l _Toc3564263021.2散热系统概述 PAGEREF

2、_Toc356426302 h 3HYPERLINK l _Toc356426303根本概念 PAGEREF _Toc356426303 h 3HYPERLINK l _Toc3564263041.2.2 水冷散热器概述 PAGEREF _Toc356426304 h 3HYPERLINK l _Toc3564263051.3本文研究的意义和主要容 PAGEREF _Toc356426305 h 3HYPERLINK l _Toc356426306本文研究的意义 PAGEREF _Toc356426306 h 3HYPERLINK l _Toc356426307本文主要研究的容 PAGEREF

3、 _Toc356426307 h 3HYPERLINK l _Toc356426308第2章总体设计方案的比照选择 PAGEREF _Toc356426308 h 3HYPERLINK l _Toc3564263092.1冷却方式的选择 PAGEREF _Toc356426309 h 3HYPERLINK l _Toc356426310冷却方式简介 PAGEREF _Toc356426310 h 3HYPERLINK l _Toc356426311两种冷却方式的优缺点比照 PAGEREF _Toc356426311 h 3HYPERLINK l _Toc3564263122.2冷却系统的的布局

4、 PAGEREF _Toc356426312 h 3HYPERLINK l _Toc3564263132.3风扇驱动方式的选择与设计 PAGEREF _Toc356426313 h 3HYPERLINK l _Toc356426314概述 PAGEREF _Toc356426314 h 3HYPERLINK l _Toc356426315三种驱动方案的优缺点比照 PAGEREF _Toc356426315 h 3HYPERLINK l _Toc356426316具体传动方式的设计 PAGEREF _Toc356426316 h 3HYPERLINK l _Toc356426317第3章根本参数

5、的设定及推导 PAGEREF _Toc356426317 h 3HYPERLINK l _Toc3564263183.1设计任务给定的参数 PAGEREF _Toc356426318 h 3HYPERLINK l _Toc3564263193.2参数推导 PAGEREF _Toc356426319 h 3HYPERLINK l _Toc356426320散热量Q PAGEREF _Toc356426320 h 3HYPERLINK l _Toc356426321水循环流量qv,w PAGEREF _Toc356426321 h 3HYPERLINK l _Toc356426322冷却空气的体积

6、流量qv，a PAGEREF _Toc356426322 h 3HYPERLINK l _Toc3564263233.3参数总结 PAGEREF _Toc356426323 h 3HYPERLINK l _Toc356426324第4章主要零部件的设计 PAGEREF _Toc356426324 h 3HYPERLINK l _Toc3564263254.1散热器的设计 PAGEREF _Toc356426325 h 3HYPERLINK l _Toc356426326概述 PAGEREF _Toc356426326 h 3HYPERLINK l _Toc356426327散热器开展趋势 PA

7、GEREF _Toc356426327 h 3HYPERLINK l _Toc356426328散热器的构造形式、参数与材料设计 PAGEREF _Toc356426328 h 3HYPERLINK l _Toc3564263294.2冷却水泵的设计 PAGEREF _Toc356426329 h 3HYPERLINK l _Toc356426330冷却水泵概述 PAGEREF _Toc356426330 h 3HYPERLINK l _Toc356426331离心式水泵的构造特点 PAGEREF _Toc356426331 h 3HYPERLINK l _Toc356426332水泵的性能参

8、数 PAGEREF _Toc356426332 h 3HYPERLINK l _Toc3564263334.3冷却风扇的设计 PAGEREF _Toc356426333 h 3HYPERLINK l _Toc356426334概述 PAGEREF _Toc356426334 h 3HYPERLINK l _Toc356426335冷却风扇的构造形式及特点 PAGEREF _Toc356426335 h 3HYPERLINK l _Toc356426336风扇材料 PAGEREF _Toc356426336 h 3HYPERLINK l _Toc356426337风扇的外形构造设计 PAGERE

9、F _Toc356426337 h 3HYPERLINK l _Toc356426338风扇的风量、静压、转速及其匹配 PAGEREF _Toc356426338 h 3HYPERLINK l _Toc356426339冷却风扇的校核 PAGEREF _Toc356426339 h 3HYPERLINK l _Toc356426340风扇的安装条件 PAGEREF _Toc356426340 h 3HYPERLINK l _Toc3564263414.4风扇传动局部的简要设计及说明 PAGEREF _Toc356426341 h 3HYPERLINK l _Toc356426342带的选择 P

10、AGEREF _Toc356426342 h 3HYPERLINK l _Toc356426343带轮的设计 PAGEREF _Toc356426343 h 3HYPERLINK l _Toc356426344风扇轴的最小轴径计算 PAGEREF _Toc356426344 h 3HYPERLINK l _Toc356426345传动圆锥销的校核 PAGEREF _Toc356426345 h 3HYPERLINK l _Toc356426346第5章总结与展望 PAGEREF _Toc356426346 h 3HYPERLINK l _Toc3564263475.1本文工作总结 PAGERE

11、F _Toc356426347 h 3HYPERLINK l _Toc3564263485.2 研究展望 PAGEREF _Toc356426348 h 3摘要无人机技术是反响国家科学技术实力的高新技术，其整机系统复杂、涉及的学科专业极广、技术含量很高。无人机所搭载的发航空发动机，可以说是整个系统的心脏，而优良的散热系统是保证发动机的正常工作的先决条件。当前无人机的使用环境和用途，给无人机在平安性、可靠性和使用效率等方面提出了更高的要求。当然，作为无人机的主要组成局部，散热系统也应该朝着这几个方面的高要求来开展。于是本课题就致力于为*型无人直升机设计一套性能优良的散热系统。本文主要完成了以下几

12、个方面的工作：1.把散热系统中的散热风扇和散热水箱在前人已经设计出的散热系统的根底上进展重新布局，把它们从次载荷舱换到主载荷舱，让无人机有效的空间得到最大程度的利用。2.通过设计计算，设计出了满足散热要求的散热水箱、散热水泵和散热风扇等散热系统中的重要的零部件。3.给散热系统中的散热风扇设计了一套机械驱动的传动系统，利用带传动和十字万向节传动的原理实现了风扇传动中遇到的提速和不平行轴之间的传动问题。第1章绪论1.1 引言“无人机自上世纪三十年代问世以来，便因为在军用作战方面表现出来的优秀性能受到各方广泛关柱。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力比拟强等

13、各种优点，因此备受世界各国军队的青睐，进入21世纪以后，世界各主要军事国家包括我国在都在加紧进展无人驾驶飞机的研制工作。同时因其自身性能特点和当今各项相关技术的开展，其在农林科技和气象探测等民用领域展现出了巨大的潜力，可以说无人机技术是反映国家航空科技水平的一项重要指标。下面就无人驾驶飞机进展概述。无人机简介“无人机是无人驾驶飞机的简称，是利用无线电遥控设备和自带的程序控制装置操纵的不载人飞机，与载人机相比其有构造简单、尺寸小、重量轻、造价低等特点，机上虽然不设驾驶舱，但装备有自动驾驶仪、程序控制等设备，地面、舰艇或母机遥控站上的人员通过雷达等设备，对其进展定位、跟踪、遥控、测量和信息传输。其

14、中有些机型可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞，有些用弹射系统弹射升空，有些也可由母机带到空中投放飞行。回收时，有些机型可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，有些通过着陆平台着陆。目前从事无人机生产和研究的国家有包括美国、俄罗斯、英国、以色列和南非等30多个国家，当然我国目前也在紧锣密鼓的进展研究。现代无人机的种类繁多，广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等领域。无人机按续航时间和航程的长短可分为以下四大类型：长航时无人机，例如中国的翔龙无人机如图1-1中程无人机，例如英国的不死鸟无人机如图1-2短程无人机，例如以色列的先锋无人机如图1-3近程无人机，例如中国的天翼1无人机如图1-4

15、图1-1 翔龙无人机中国图1-2不死鸟无人机英国图1-3 先锋无人机以色列图1-4 天翼1无人机中国这些形形色色的无人机的诞生主要是为了实现以下几种功能：靶机作用，无人机最初设计研发就是为了实现这个用途，用于空中战斗武器和地面防空的试验与训练。侦察监视，这也是无人机的早期用途之一，用于深入前沿阵地和敌后一定围，利用自身携带的各种侦察设备，完成侦察和监视任务。骗敌诱饵，这是进一二十年研究人员为无人机开发的新用途，使用无人机做诱饵吸引敌方火力或防空系统，继而将其破坏或摧毁。实施干扰，利用携带的雷达和通信干扰的设备发出干扰信息，是敌方雷达系统出错，通信终断，进而使指挥系统失灵。对地攻击，无人机去携带

16、各种侦查和干扰设备外，还能携带多种对地攻击性武器，进而对地面军事目标进展打击。校核作用，主要用于火力引导和对射击效果进展评估。通信中继，通过装备抗干扰的扩频通信设备和无线电台中继设备等，实现通信中继。其他新型功能，包括运输能力、监察平安状况、救灾应用、测绘等。1.1.2 本文所述无人机的特点本文涉及的无人直升机是山河科技自主研发的一款多功能通用自主型的无人机系统，用户可通过FPV手动遥控模式和全自主飞行模式进展操控，机身拥有两个有效载荷舱，也可外挂有效载荷，具有优良的强度/重量比。可广泛应用于战术侦察、电子干扰、海洋监视、边界巡逻、灾害监测、地质勘探、地理测绘、电力拖线、空中摄影等。这些性能的

17、实现对无人机的材质、外形设计、动力系统、控制系统和散热系统等都提出了很高的要求，本文的重点是无人机散热系统的设计和优化，下面就散热系统进展概述。1.2散热系统概述根本概念散热系统是用来传导、释放热量的一系列装置的统称，发动机的散热系统一般又称为冷却系，其功用是将受热零件吸收的局部热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。发动机的冷却系有风冷和水冷之分，以空气为冷却介质的冷却系称为风冷系；以冷却液为冷却介质的称为水冷系。无人机的散热系统一般采用水冷系，所以本文的论述重点为水冷系。1.2.2 水冷散热器概述水冷散热的原理冷却系具有热源和冷源。对于大多车辆发动机，气缸的高温燃气是主要热源

18、，但那对于有些特殊发动机除了高温燃气外，还要考虑传动装置运动件和传动油因其他形式的能量转化成热能所形成的热源。冷却系的冷源是运动机械的周围环境，典型的水冷散热是把热源传到受热件上的热，通过在冷却水泵推动下的冷却液吸走并传输到冷却系的热交换器散热水箱中，再由冷却风扇从周围吸入的冷却空气散到冷源中去，以保证发动机和传动装置的正常工作热状态，如图1-5所示。图1-5 动力传动装置散热过程1.2.2.2 水冷冷却系的组成局部冷却系统由发动机部块通道和前端、保持冷却液循环的水泵、控制冷却温度的温控器、冷却液散热器、控制系统压力的散热器盖和一些由连接水管组成的用来把冷却液传到散热器和机械在寒冷的时候用来暖

19、车的加热系统的管道等部件组成，它们以一定的形式这种形式是多样的，视特定的工作环境而定连接成一个有机的整体来满足发动机的散热需求，下面以*一型号的发动机散热系统为例来进展说明，如图1-6。1.曲轴箱2.缸体3缸头4.水泵5.散热器6.水管7.水管8.水箱盖9.水温表10.溢流管11.溢流瓶12.通大气13.膨胀箱14.缸头排气15.过压阀16.回流阀图1-6 *型发动机散热系统由此可知，散热系统由各部件以一定的顺序连接起来，各部件协调分工来实现散热，下面简单介绍一下几个主要部件：1散热器，散热器芯通常情况下是由扁铝管和散热片或者散热带组成，冷却空气经过传热管和散热片或者散热带时，把热量从发图1-

20、7散热器动机中带走。在散热器的两端各有一个水箱，通常情况下是用塑料或者铸铁做的，用来盖住散热器的两端，并由铝芯和之间的垫片密封系统来保持流体不漏出来，如图1-7。2散热风扇，安装在散热器的前方或者背部，通常情况下装在一个用来保护手指和引导气流的盒子里面，是为了保证发动机在转速很慢或发动机停顿的情况下的空气在散热器里流通。它们大多有电动机带动，在现在很多发动机中都已经将电动机和散热风扇集成化了，但有些时候为了满足*些工作条件，也采用传统的机械驱动方式，由发动机通过*种传动方式传动。 3水泵，水泵是一个保证冷却液随着发动机运动而循环流动的简单装置，工作时把冷却剂推到散热器下部软管，并在压力下送到发

21、动机缸体，从而带走发动机上的热量。 4恒温器，如图1-8，恒温器是一个用来检测冷却剂温度的阀，如果冷却剂到达设定温度，它将翻开让其流到散热器，如果冷却剂达不到设定温度，将被阻止流到散热器，同时被引导到一个旁路系统，并直接返回到发动机。图1-8：恒温器当然，其他部件也很重要，这里就不一一介绍了。散热器的设计要求如前面所述发动机在工作的时候会源源不断的产生高温高压的气体，为及时的将产生的热量散到周围环境，散热器的设计需要满足一下几个要求：要能保证发动机在任何工况条件下都能工作在正常温度围。保证发动机在启动后能在短时间到达正常工作围。保证散热器的散热效率高，消耗材料少。水泵和散热风扇消耗功率小，噪声

22、小。冷却系中零部件拆装方便。1.3本文研究的意义和主要容本文研究的意义无人机技术是我国近年来重点开展的高新技术，是航空技术、电子技术、航空通信技术、新材料技术等前沿技术的综合体，是反映国家在航空领域科研实力的重要指标。随着无人机技术的开展，对无人机的各方面的性能都提出了很大的要求。发动机作为无人机的心脏，它的可靠性、低油耗和长的使用寿命是研究人员必须考虑的问题，冷却系作为保证发动机性能的重要环节，对其进展研究设计有着重要的意义和应用价值。本文主要研究的容本文课题是工程装备方向毕业设计课题，旨在通过研究计算为*型无人直升机设计一套性能良好的散热系统，具体容如下：对散热系统做总体规划选择适宜的散热

23、风扇，无人机发动机工作环境和普通车辆的工作环境有很大的区别，无人机在执行侦察等任务是通常需要悬停以完成拍摄、扫描，这时候冷却风道里不会有自然风，完全依靠散热风扇从周围冷源吸入空气来将热量带走。将散热系统在无人机上合理布局。如前面所述，体积小、重量轻是无人机的特点和优势，但从另一方面考虑也是制约无人机完成*些任务的劣势，因为它不可能携带很多设备和武器以更好的完成任务，所以说合理的布局，将空间更好的利用起来是至关重要的。本文所论述的*型无人机就遇到这方面的制约如图1-10，它将散热系统放在了外挂载荷点附近，而这一块是安装设备的黄金地段，放散热系统实在可惜，本文将重点论述如何将其优化设计，具体方案将

24、在后文中论述。图1-9：无人机布局简图由于无人机属于高新科技领域，设计参考资料很少，本文在设计计算的过程中主要参考车辆冷却系统的设计计算，具体容安排如下：第一章绪论，主要简单介绍无人机和散热系统的相关知识，同时阐述在设计计算工程中采取的方法、手段和应到达的目标。第二章总体方案的比照设计，主要阐述总体方案论证比拟、布局方案的论证比拟及冷却风扇传动方案的设计选择。第三章根底参数的设定及推导，主要阐述设计计算的根底参数的设定和推导过程。第四章主要零部件的设计计算，参考车辆冷却系统的设计计算过程，对冷却系统重要零件进展构造设计和参数计算，并就遇到的问题讨论和给出解决方案。第五章总结，总结设计的心路历程

25、。第2章总体设计方案的比照选择2.1冷却方式的选择冷却方式简介目前最常见的发动机冷却方式有两种，一是风冷，主要以空气做媒介，通过风道直接接触发动机带走热量，通常情况下采取加大待冷却物体的散热面积和加大冷却空气通过发动机外表的流速来完善冷却效果。还有一种常见的发动机冷却方式就是水冷，主要以冷却水作为发动机的传热介质将发动机需要散去的热量带走，进到散热水箱，并由冷却空气进一步散到周围环境中去。两种冷却方式的优缺点比照首先，风冷冷却方式的优点有如下几点：1冷却系统的布局更加灵活2冷却系统消耗的功率少3冷却系统的本钱较低其缺点也很明显主要为以下几点：1散热效果相对较差2冷却系统带来的噪声较大3性能容易

26、受到外部灰尘的影响而水冷冷却方式的优缺点与风冷冷却方式的相对，水冷冷却方式的优点正是风冷冷却方式的缺点。基于以上两种冷却方式的优缺点，风冷冷却方式被广泛用于摩托车和老式汽车上面。而由于水冷冷却的效果良好，现代车辆多采用水冷冷却方式。而无人机的散热系统性能的优劣与发动机工作性能的好坏有着直接关系，同时无人机在高空作业时，常需要悬停，这时候没有自然风的辅助冷却，需要冷却系统的性能相当好，所以本文选择水冷冷却方式。2.2冷却系统的的布局在绪论中我们提到过体积小、重量轻是无人机的特点和优势，但从另一方面考虑也是制约无人机完成*些任务的劣势，因为它不可能携带很多设备和武器以更好的完成任务，所以说合理的布

27、局，将空间更好的利用起来是至关重要的。本文叙及的无人直升机的荷载布局如图2-1：图2-1：无人机荷载布局简图现在冷却系统中的散热水箱和散热风扇的布局方案有两种一种是摆放在如图2-1的外挂载荷舱的位置，另外一种是摆放在主载荷舱的位置。前人已经设计的方案是放在了外挂载荷舱，但从实践看来这并不是最正确选择，因为无人机在实际工作中，把侦察设备放在外挂载荷舱能或得更好的侦察视角，侦察围也更加宽广，可以说这里是摆放侦察探头的黄金地段，用来摆放冷却系统有点可惜。所以本文创新性地尝试将散热水箱和散热风扇等摆放在主载荷舱。2.3风扇驱动方式的选择与设计概述冷却系统在设计时，根据冷却系统的工作环境和布局可选择不同

28、的风扇驱动方式。在选择时必须选择每种驱动方式的相对优点和缺点。一般风扇驱动可以分成机械的、电力的与液力的三类。三种驱动方案的优缺点比照1.机械驱动优点：1机械驱动可在任何驱动转速下工作，其可以通过齿轮机构或皮带传动机构通过一定的传动比以任意高于或低于驱动转速的工作速度工作，也就是说其转速设计相对灵活。 2发动机与冷却装置之间易于实现的一种驱动方式 3设计成熟，价格廉价，重量轻 4可靠性相对较好缺点：1布局位置受到限制 2性能与发动机的性能息息相关2.电力驱动优点：1布局位置自由度大 2转速设计可变围大 3便于风道通风 4性能独立于发动机 5新型的电动机与风扇集成后，体积小，布局更加灵活缺点：1

29、受振动及温度等外部环境问题影响较大 2效率相对较低 3由于无人机上多带有信息侦察等无线电设备，电驱动容易产生无线电干扰 4本钱相对较高 3.液力传动优点：1布局位置自由度相对较大 2性能独立于发动机 3便于风道通风缺点：1要求清洁的液压系统 2通常造成风扇噪音较大3本钱相对较高比照上述三种方案的优缺点，首先由于本文涉及的*型无人机并没有适宜的液压驱动力可供选择，假设选择液力驱动需另行设计一套液压系统，设计本钱较高，所以排除这种驱动方式。同时，比照剩下两种方案的优缺点，从设计本钱和可靠性等方面考量，选择机械传动方式。具体传动方式的设计无人机的布局空间如图2-2和图2-3：图2-2：无人机的布局空

30、间1图2-3：无人机的布局空间2利用无人机尾翼驱动长轴来驱动冷却风扇，通常情况下机械传动方案需要有一定的传动比，而且散热水箱要尽量依托机架来安装，这样冷却风扇的轴与传动轴成一定角度，这就涉及到变角度传动。为实现这两点，预设了以下两种方案：1.方案一异形锥齿轮传动如图2-4：图图2-4：异形锥齿轮传动方案示意图1.尾翼传动轴 2.异形锥齿轮 3.冷却风扇 4.散热水箱此方案利用异形锥齿轮以一定传动比传动来实现尾翼传动轴与风扇轴之间的距离和角度的问题。2.方案二带传动加万向节传动如图2-5：此方案利用皮带机构以一定传动比传动，使转速到达冷却风扇的工作转速，然后利用万向节传动实现两轴以一定角度传动。

31、图2-5：带传动加万向节传动方案示意图1.尾翼传动轴 2.带传动机构 3.万向节传动机构 4冷却风扇 5散热水箱比照以上两种方案，方案一只有一级传动，效率高，但异形锥齿轮制造本钱较高工艺复杂，同时可靠性得不到保证。而方案二虽然效率相对低一些，但是皮带机构和万向节传动机构都是常见机构，工艺相对简单，本钱低，同时可靠性能得到保证，所以在此选择方案二。第3章根本参数的设定及推导3.1设计任务给定的参数给定发动机性能参数如下：1：发动机为rota*582航空发动机2：发动机功率Pe=75马力,排量V=580.7cm33：主轴转速n=6000r/min,驱动尾翼的长轴转速n1=2500r/min4：发动

32、机调定温度为803.2参数推导散热量Q散热系统应该散发出去的热量及散热量或者散热热流量Q，其与发动机的型号、功率大小等参量有关，同时其也与传动装置的传动形式和形态设计等有关，因此散热量Q有两局部组成，一是发动机部燃料燃烧时所释放的局部热量Q1，对于活塞式发动机而言，进入冷却系的热量约为燃料燃烧的15%-20%。二是传动装置由于摩擦等产生的热量Q2 ，其约为发动机进入冷却系统热量的20%-25%，即有Q2Q1 ，由上所述可得出Q=Q1+Q2 。由于冷却系应该散发出去的热量Q受到各种因数的综合影响，想要准确计算可以说是非常困难的，因此本文在设计时采取根据统计资料得来的经历公式进展估算，发动机Q1的

33、估算式为3-1式中，为发动机传给冷却系的热量占燃料燃烧总热量的百分比系数。汽油机取。本文取=0.23柴油机取。ge为发动机的燃料消耗率，kg/kWh。P为发动机标定的功率，kW。Hu为燃料燃烧的低热值，kJ/kg。在实际的设计中对于已有的发动机和传动装置，有条件的话，应通过热平衡试验来确定冷却系的散热量。根据条件Pe =75马力=55.16kw汽油消耗为17L/h，使用的是93号汽油，其密度93 =0.725g/ml则93号汽油的低热值Hu =4.6104kJ/kg，将以上参数带入式3-1得则水循环流量qv,w水冷式发动机是通过冷却液在冷却系统中循环流动带走热量的，其中冷却液的循环体积流量简称

34、循环流量qv,w，根据冷却系应散去的热量Q，由热平衡方程进展计算，即L/min3-2式中，tw为冷却液在冷却系循环式的温降。现代闭式强制循环冷却系tw一般为6-12。w为冷却液的密度，kg/m3。 Cp，w为冷却液的定压比热容，kJ/(kg)。现根据经历设计选定tw=8。冷却液的选择冷却液一般是由水和乙二醇以一定的配比构成，其中乙二醇是用来防冻的添加剂，由于本文涉及无人机工作在高空且要求适应四季气候，类比汽车发动机冷却液选择乙二醇与水50:50配比的冷却液。其中w=853.08kJ/m3 Cp，w=3.559kJ/kg(参考“车辆冷却系统涉及手册“p162写论文在整理)将上述参数带入式3-2得

35、冷却空气的体积流量qv，a冷却空气流量，即冷却风扇提供的冷却风量qv，a，其在后续的冷却系统设计中是个重要参数，也是根据冷却系应该散掉的热量Q，又热平衡方程确定的，即m3/s3-3式中，ta为冷却空气进出散热器的温差。对于风冷发动机则是冷却空气进出发动机缸体和缸头散热翅片的温差。对于汽车冷却系而言按经历取ta =20，由于本文涉及的*型无人机冷却系与小汽车冷却系类似，所以在此取ta =20。a为冷却空气密度，kg/m3。通常情况下取a=1.01kg/m3。 Cp，a为空气的定压比热容，这里可近似去Cp，a=1.0047kJ/(kg)。则有3.3参数总结至此设计及推导的根本参数如下：总散热量：Q

36、=45kJ/s调定水温：t=80冷却液体积流量：qv，w=111.2L/min冷却空气体积流量qv，a=2.217m3/s发动机排量V=580.7cm3第4章主要零部件的设计4.1散热器的设计概述散热器是一种热-气式热交换器，是水冷式冷却系统的一个重要部件，其作用是将冷却液从发动机吸收的热量经由冷却空气带走，散到大气中去，使冷却水温降下来，以便再次循环。发动机散热器主要有管片式和管带式两种如图4-1图4-1：管片式和管带式散热器芯管片式散热器与管带式散热器的主要区别在于它们的芯体构造的差异。管片式散热器散热芯体主要由水管、主板、散热片等构成。散热水管的截面多为椭圆形，外表镀上一层薄薄的锡。散热

37、片的厚度为的铜带。在散热片上，按照水管的截面形状和尺寸，以一定的排列形式冲孔，然后套在冷却水管上，接着在一定条件下进展整体焊接便构成芯体如图1左图。管片式散热器芯体的优点是刚性好，缺点是工艺复杂，与管带式相比传热能力略低。其主要应用于使用条件恶劣，对可靠性性要求高，振动大的情况下，在军用车辆及民用越野车等产品上有着广泛应用。管带式散热器的芯体，由水管和翅片逐层叠放，然后整体焊接而成，其散热水管和管片式类似，翅片成带状如图1右图。管带式的散热器的优缺点与管片式刚好相反。管带式散热器从60年代开场大量开展，至今已得到广泛应用，如今市场上的主流小车多采用管带式散热器。散热器开展趋势散热器是无人机零部

38、件中强度较弱的环节，无人机体积小、重量轻，散热器在限定的空间应具有足够的散热力和较高的使用寿命，而整个总成必须质量轻、消耗材料少、本钱低。其开展趋势如下：薄壁、高效构造合理采用低锡焊料和有机焊料来制造铜散热器装配式铝散热器硬钎焊的铝散热器采用较高的系统压力散热器的构造形式、参数与材料设计1.散热器的构造形式现在广泛使用的散热器的构造形式有前述两种：管片式构造和管带式构造。现在市面上轿车、及局部中型货车多以管带式为主。重型车、矿山车、工程机械、越野车等仍以管片式为主，以保证在恶劣的使用环境下仍能有很好的可靠性。同时，对于使用环境多灰尘的机械发动机的散热器，不宜采用在散热片上冲百叶窗孔来提高散热能

39、力。本文涉及的无人机发动机工作环境在高空中不太颠簸，且其工作方式与小汽车发动机类似，所以采用管带式构造。2.散热器芯子正面积Sf散热器的构造参数中对散热器性能影响最大的是散热器芯体的正面积Sf。据经历统计按散热性能影响的大小排列为：散热器正面面积Sf散热带形状冷却水管尺寸散热器芯体厚度T 散热面积S可见，散热正面积是非常重要的参数。通常在安装尺寸允许的情况下，尽可能的把Sf选的大些，并接近方形，以充分利用冷却风扇的风量。散热器的设计计算有以下几种方法：跟排量有关的经历公式4-1式中V为发动机排量，L。前述V=580.7cm3。则有与标定功率有关的经历公式4-2式中P为发动机的标定功率，kw，前

40、述P=75马力=55.16kw。则有与散热量有关的经历公式4-3式中Qn由风洞试验所得单位面积的散热量 Sn为实验室的单位面积由于受研究条件限制这一方法于本文并不适用。参考表4-1国产散热器的构造参数，联系无人机的布局构造，根据方法一和二的计算，初定芯宽W=485mm，芯高H=368mm。则有表4-1：国产散热器的构造参数3.散热带的形状由于发动机的传热过程的传热量可由传热方程式确定，即：4-4式中，K为传热系数，W/(m2.)。 A为传热面积传热介质与壁面的接触面积，m2。tm为传热壁两侧流体的平均温差，。如果以空气一侧的传热面积Aa为计算基准，则传热系数为Ka，如果以水侧的传热面积Aw为计

41、算基准，则传热系数为Kw。则传热量可分别表示为：4-54-6以空气侧的传热面积Aa为计算根底时，关于Ka有如下表达式：4-7式中是空气侧换热面积Aa与水侧换热面积Aw之比，称为肋化系数。0为空气侧传热外表的总效率。由上式求得的传热系数Ka，可以看出传热系数Ka越大，传热量Q也就越大。要想提高冷却系的有效性和热交换能力，增大传热系数Ka是最有效的。而如式4-7可知，增大传热壁两侧的传热系数ha与hw可以提高Ka的值，又由于经历可知，水侧外表的传热系数hw本来就比拟大，而ha要比hw小得多，故增大ha可使ka的值显著增加。当前的开展趋势之一就是改善二次换热面散热带或散热片的换热条件，具体做法是在散

42、热带上冲压一些有一定角度的百叶窗孔。百叶窗孔的参数如表4-2：表4-1：百叶窗孔参数散热器芯厚Tmm窗孔角度窗孔宽度Cmm窗孔缝长mm20-5028-326-750-9024-286-7实践说明百叶窗孔的参数与散热带节距合理匹配才能收到最正确效果，其参数之间满足式4-8，才能显著提高散热系数K，从而大幅提高散热能力。4-8式中t为散热带节距。节距是指相邻两散热带波峰间的距离，通常采用的t值如下：节距tmm：2.5、3.0、3.5、4.0、4.5在此按经历选择t=3mm其他参数按表4-1和式4-8匹配为=30，C=1.5mm，带入则有：满足匹配条件。另外散热带的波高b按经历取b=10mm4.散热

43、水管选型现在散热器的散热水管多采用扁管，扁管可以在一样流通截面时获取与空气最大的接触面积。近年来开展趋势是减小冷却水管的尺寸，现在水管的尺寸规格如表3。表4-3：散热水管尺寸水管尺寸b1l1mm2.0132.0142.5142.0162.219外周长Lcmm28.2830.2831.8534.2840.5在此选取2.514mm的散热水管。5.散热器芯体的厚度T的选择据统计车用管带式散热器的芯厚主要有：20、34、52、70四档。具体应用为：轿车散热器芯厚：20、34轻型车散热器芯厚：34、52中型车散热器芯厚：52、70据此，本文选择T=34mm6.根据以上确定参数，匹配散热水管布置并求出散热

44、面积S由于T=34mm，水管为2.514mm，选取水管呈两排水管布置。则有散热带条数n1为：4-9式中b1为散热扁管的宽度。散热水管数n2为：4-10又由于散热面积S为：4-11式中A1为水管散热面积其方程式为：4-12式中Lc为散热水管圆周长其备选值参看表3。带入数字计算则有：式4-11中A2为散热带散热面积其方程式为：4-13式中l为散热带展开长度其方程式为：4-14式中n3为散热带波峰数其方程式为：4-15带入数值可得：7.校核由式4可知散热面积也可由下式求得：4-16式中Qma*是指散热器的最大散热量实践说明，散热器在使用一段时间后，会出现局部微小脱焊和沉积水垢等现象，虽然此时散热器仍

45、然可以正常使用，但散热器会有7%-10%左右的降低，散热气流也会因此受到影响，导致散热能力下降考虑到上述原因，取：4-17式16中K为散热系数，kJ/(m2h)。其值由试验确定，经历可知同类散热器k值为k=290-310围。式16中t为换热面两侧换热介质的平均温差，其值为：4-18式中twcp为水侧平均温度，其值与系统调定压力有关，当系统压力为29.4kPa时twcp90-95，当系统压力为49kPa时twcp100-105，当系统压力为98.7kPa时twcp105-110。而系统的调定压力与散热系统的稳定性有关，推荐值如下：轿车、轻型车的调定压力为70kPa-110kPa中型车系统调定压力

46、为50kPa-70kPa重型车系统调定压力为30kPa-50kPa在此参考492发动机调定压力选定系统压力为68.6kPa，则twcp=105。式中tacp为空气侧平均温度，其表达式为：4-19式中tai为进风温度，标准冷却系为40，ta前述为20，则有：则已选散热器不满足。比照选择的散热器的散热面积和理论需要的散热面积，发现存在的差距还有点大，差大约3.3m2，要想显著提高散热面积，前述参数中，增大散热器芯体厚度T效果最为明显，现参考表1中NJ131E散热器，选择T=52mm。散热水管的排布改为3排水管布置，则有散热水管数：散热水管散热面积A1为：散热带散热面积A2为：散热面积s为：大于理论

47、计算值，则满足要求。至此散热器构造已设计完成，焊接时其需要满足的可靠性技术要求如表4-4：表4-4：散热器可靠性技术要求可靠性分类技术要求耐振性能散热器安装振动台上，以25ms2或30 ms2的加速度，频率20Hz或23Hz连续进展106次垂直振动，不允许脱焊和渗漏扭振性能散热器承受规定的压力，保持1min后不允许渗漏压力循环性能散热器经过104次高温脉冲后，散热器不允许脱焊和渗漏高温压力脉冲散热器承受2.5104 次压力循环后，散热器不允许脱焊和渗漏密封性能散热器经过104次扭振后，不允许脱焊和渗漏4.2冷却水泵的设计冷却水泵概述水泵如图1是保证冷却液随着发动机运动而循环流动的装置，通常安装

48、在发动机的前部。当前，由于离心式水泵与同尺寸的其他类型的水泵相比，具有流量大、效率高、构造简单、制造方便以及由其特点所带来的低本钱等优点，所以冷却水泵多采图4-2：汽车冷却水泵用离心式水泵。无人机发动机水泵由于受总体布局的限制，要求其构造紧凑，通常情况下难以做到冷却水泵各个参数和性能指标都尽善尽美，只能尽量做到各参数很好的匹配，以到达散热要求。近年来发动机的强化程度提高，一定程度上提高了水泵的运行参数，使得冷却水泵有向高速开展的趋势。为减少发动机热量损失，要求尽量提高工作水温。这样一来，使得冷却水泵入口性能恶化，容易产生气蚀现象，这一点，在本文后续论述中会予以考虑。在车辆工业中，为适应冷却水泵

49、的大批量生产，要求水泵构造、工艺简化。于是在冷却水泵上采取了系列化的瓷石墨系列水封、冲压叶轮、轴连轴承、旋压皮带等新构造、新工艺、新材料，从而提高冷却水泵的使用寿命，做到与发动机匹配同步。本文涉及的*型无人机的冷却水泵与汽车类似，同样采取了上述新构造、新材料、新工艺。离心式水泵的构造特点发动机离心式冷却水泵的种类较多，大多采用单级式皮带传动。水封多为瓷石墨系列水封，叶轮有闭式、半开式、开式三种，由统计经历和实际试验得知，当水泵扬程到达25m-30m以上时，应采用闭式叶轮。离心式水泵由以下构造组成：水泵壳体水泵的壳体通常由铸铁或铸铝做成，其中轻型机械打采用铸铝，中重型机械多采用铸铁。其作用是使叶

50、轮泵出的液体以最小的损失集中至出口，并使液体的局部动能转变成压能。通常情况下，为了减少撞击、流动损失、涡流损失，一般将泵壳流道由向外做成呈均匀渐扩的螺旋线，称为蜗壳。其截面有圆形、矩形、半螺旋形等。水封水封是泵轴与壳体之间的密封装置，用来防止水泵轴测漏水或从间隙处吸入空气。其对水泵的可靠性影响很大，很大程度上影响发动机冷却系统的正常运行。无人机冷却水泵的水封属于机械密封。由于其使用条件苛刻，需要克制高温、适应高速，目前多采用型瓷石墨水封和整体式瓷石墨水封。其中整体式水封可简化叶轮加工，方便装配。轴承汽车工业中，水泵轴承大多采用双面密封门轴连轴承，如图2。本文涉及*型无人直升机与之类似，也是采用

51、这种构造，其形式有双列球轴连轴承和一列球一列滚子轴连轴承两种，根据水泵前端负载来选用。图4-3：轴连轴承值得注意的是，由于水泵轴连轴承工作在高速、高温的条件下，润滑条件直接影响到轴连轴的使作寿命，通常采用滴点较高，稠性较好的进口高级润滑脂，密封圈通常也采用过盈较大的径向接触式密封，以保证轴承常年不失油。叶轮叶轮是冷却水泵的重要组成局部，常用材料有铸铁、青铜、不锈钢、锰青铜、蒙乃尔合金、INCONE及非金属材料。对其要求有以下几个：1能给出较大的能量头。2气体流过叶轮的损失要小，即气体流经叶轮的效率要高。3气体流出叶轮时各参数合宜，使气体流过后面固定元件时的流动损失较小。4叶轮型式能使级或整机性

52、能曲线的稳定工况区及高效区围较宽。水泵的性能参数由于本文所涉及的*型无人直升机使用的rota*582航空发动机已经集成了冷却水泵，所以水泵的细节设计并不是本文论述的重点。下文就所给条件算出几个主要参数，以此为根据来与发动机工作条件匹配。水泵流量水泵流量是指单位时间，水泵所输出的液体体积。在前述“根本参数设定及推导中“，根据发动机散热量和热平衡方程式已算出qv，w=111.2L/min。同时水泵流量还可以根据比流量W，即单位有效功率所需要的水流量来推算。一般W=1.36L/minkW-2.72L/(minkW)。则有：4-20式中Pe为发动机额定功率，在此为Pe=55.16kW。带入计算可得：前

53、述计算在此围，可见计算合理。水泵扬程H扬程是指单位质量的液体经过水泵后所能得到的能量。水泵扬程主要用来克制冷却系统的流通阻力、使冷却液得到必要的循环流速，并保证流道中任意一点的压力都不低于液体的气化压力，防止因发生气蚀而造成的液流速下降和供水缺乏。其值与流道损失和冷却液流速有关，由于流道损失要通过实验测得，不太好通过计算得到，在此直接通过经历选取。根据资料统计：汽车发动机水泵扬程在4-25m水柱围。根据rota*582发动机与汽车发动机类比选取H=12m。水泵轴功率Pp水泵轴功率是指驱动水泵轴所消耗的功率。其表达式为：4-21式中w为水的重度N/m3,可表达为：4-22式2中为水泵的效率，可表

54、达为：4-23式中m为水泵的机械效率，一般取m，在此取m=0.85。V为水泵的容积效率，一般取V，在此取V=0.7。h为水泵的水力效率，一般取h，在此取h=0.7。而发动机冷却水泵由于尺寸小、构造紧凑和注重工艺性的特点，其效率会比普通水泵要低一些，大致围为之间，设计优良的水泵也可到达0.55。带入计算可得：一般冷却水泵消耗的功率占发动机有效功率的0.5%-1.5%为正常围，由于Pe=55.16kW，则冷却水泵消耗功率正常围为:在正常围。冷却水泵转速n据统计资料可知，一般汽车发动机冷却水泵轴与曲轴的转动比在的围，高速发动机取偏下限的值，低速发动机取偏上限的值。在水泵流量和扬程确定之后，转速越高，

55、叶轮直径和质量就越小，理论上转速越高越好，但是转速的提高受到水泵气蚀的限制，因此不能任意提高转速，根据不产生气蚀的条件，有一个计算临界转速nma*的方程，可表达为：4-24式中C为气蚀系数，一般由试验求得，当然也可以按气蚀性要求来预选，选择条件如下：C=800-1000，对气蚀性能要求的泵C=1200-1600，对气蚀性能要求高的泵在此选取C=1000式中hs为临界气蚀余量，表示水泵叶轮进口处的最大压降许可值，也就是气蚀性能的储藏量。对汽车冷却泵来说可选hs=1.4-4m水柱。在此选hs=2m。带入数值计算可得：一般冷却水泵转速n与临界转速nma*有以下关系式：4-25现在取n=0.9nma*

56、，则有：则冷却水泵轴与发动机曲轴传动比i为：在正常围。4.3冷却风扇的设计概述冷却风扇是发动机冷却系统的一个重要部件。冷却风扇是一个行业术语，从专业的角度上来看，它属于通风机的畴。为保证发动机的正常工作，对风扇的设计提出了以下几个要求：冷却风扇要能提供足够的冷却风量。能提供足够的风扇压头来克制系统阻力。风扇直径对散热器芯部覆盖面积要够大，使得通过散热器的风速均匀。冷却风扇消耗的功率要小、效率要高，同时消耗的材料也要尽可能少。风扇构造紧凑、质量轻、噪声，同时小本钱低。进入80年代以来，风扇在构造、工艺和驱动方式上都有很大开展，在满足上述要求方面效果明显。首先，由于复合材料的开展，许多优秀的工程塑

57、料被运用到冷却风扇中来，使得冷却风扇更加轻量化、构造更紧凑，同时噪声也就更小了，当前工业兴旺的国家多采用塑料风扇。其次，以往风扇多是以与发动机主轴一定传动比的驱动方式，随着电动机相关技术的开展，电驱动的驱动风扇形式给人们提供了多样选择，现在有的风扇已经与电动机集成在一起，使得冷却风扇及其驱动装置占用的体积更小、构造更紧凑。同时，根据发动机温度来控制风扇的转速或风量的技术在汽车工业中被广泛应用。冷却风扇的构造形式及特点1.冷却风扇的构造形式冷却风扇形式多样，种类繁多。从工作原理上可分为容积式、透平式和喷射式三种类型。车辆多采用透平式，它包括离心式、轴流式、混流式和横流式4种。它们的构造和工作原理

58、如表4-5。从布置形式上来说，冷却风扇又可分为以下两种形式：吸风式：风扇向后排风与车辆行驶方向一致，有利于迎面风的利用。吹风式：在没有气流冲击效应时，采用吹风式布置，这种方式在工程机械上用的比拟多。2.冷却风扇的制作工艺1薄板冲压：利用薄钢板直接冲压成型，构造简单、生产效率高，在上世纪60年代左右被广泛采用，现在由于其质量大、能耗高、对钢板材料要求高，已经被塑料风扇所取代。表4-5：冷却风扇的构造和工作原理说明类别构造示意图简单的工作原理离心式气体轴向进入旋转的叶片通道，在离心力的作用下，气体被压缩并抛向叶轮外援，径向排出轴流式气体轴向进入旋转叶片通道，由于叶片与气体相互作用，气体被压缩，轴向

59、排出混流式气体轴向进入，在与主轴成*一角度的旋转叶片通道获得能量后，沿该方向排出横流式气流轴向进入，横贯旋转叶片通道，受到叶片作用升高压力，径向排出2铝合金铸造：多用于风冷柴油机上。3塑料压铸：塑料冷却风扇与钢板风扇相比构造更小、质量更轻、效率高、噪声小、适合大量生产和使用寿命长等优点，因此，当前钢板风扇已经逐渐被塑料风扇所取代。3.冷却风扇的叶片形状冷却风扇如果按叶片分也可分为刚性叶片风扇和挠性叶片风扇，刚性叶片风扇是指风扇叶片在工作时，没有可见的弹性变形。根据其叶片断面形式又可分为以下三种薄板型，在车辆工业中广泛采用此种形式。机翼型，其空气动力性好、效率高、噪声低，但是制造难度大本钱高。导

60、流型，其特点是在叶片的工作面上有导流叶片。它的作用是是风扇运转时给气流导向。在一样构造尺寸条件下，导流风扇比一般风扇的风量和静压有所提高，从而使风扇性能得到改善。但是这种风扇的工艺性差，在实际运用中比拟少见。挠性风扇叶片风扇是指风扇在工作时，叶片的投影宽度随转速提高而变窄，叶片在空气中的作用面积也变小，风扇的风量也随之改变，这种风扇能充分利用迎面风效应，风扇的工作效率得到明显改善，同时降低了噪声。要说明的是，这种风扇性能虽然好，但是由于其要求比拟特殊、工艺复杂、本钱高，并没有被广泛使用。风扇材料常见的金属型风扇主要由托板、叶片、铆钉等组装而成。托板大多由冲压性能好、强度高的钢板冲压而成，其材料