楊永剛，馮華仲，張 良

(1.貴州黎陽天翔科技有限公司，貴州貴陽550081；2.防化研究院第五研究所，北京102205)

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冰雪消除車燃?xì)馍淞鞒b置的設(shè)計(jì)*

楊永剛1，馮華仲1，張 良2

(1.貴州黎陽天翔科技有限公司，貴州貴陽550081；2.防化研究院第五研究所，北京102205)

通過對(duì)燃?xì)馍淞髑宄┘夹g(shù)的理論與試驗(yàn)研究，提出利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馍淞鞒姆椒?對(duì)除冰裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過高速公路除冰試驗(yàn)，取得了較好的除冰效果,滿足研制任務(wù)要求，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行。

航空發(fā)動(dòng)機(jī) 射流除冰 除冰裝置 除冰試驗(yàn)

0 引言

近年來，我國(guó)南方地區(qū)冬季冰雪災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸和居民生活[1]。南方地區(qū)因凍雨形成的道路積雪和薄冰，采用傳統(tǒng)的除冰機(jī)械根本無法清除[2]。

經(jīng)調(diào)研, 熱力除冰法是清除薄冰的有效辦法，燃?xì)馍淞鞒鶎贌崃Τ?除薄冰效果好、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)更為明顯,得到人們的重視，相關(guān)技術(shù)得到深入研究[3-6]。另外，燃?xì)馍淞鞒绞揭缘统杀镜耐艘酆娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)為產(chǎn)生燃?xì)馍淞鞯膭?dòng)力源，盤活了國(guó)有閑置資產(chǎn)，促進(jìn)了軍民技術(shù)的融合，適應(yīng)國(guó)家政策及行業(yè)發(fā)展方向，相關(guān)研究得到國(guó)家支持。在除冰吹雪應(yīng)用領(lǐng)域，目前應(yīng)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馍淞鞔笛┘夹g(shù)基本成熟，除冰技術(shù)也有探索。國(guó)內(nèi)不少機(jī)場(chǎng)已經(jīng)配置了少量的燃?xì)馍淞鞔笛┸囉糜跈C(jī)場(chǎng)跑道吹雪，2008年南京軍區(qū)某防化團(tuán)利用燃?xì)馍淞鬈噷?duì)長(zhǎng)江二橋進(jìn)行了除冰雪作業(yè)，社會(huì)效果很好。但現(xiàn)在的燃?xì)馍淞鞒男什桓?，?yīng)用WP5航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦噴除冰車，清除5 mm以下厚度冰層，作業(yè)速度只達(dá)到2.83 km/h[7]。為達(dá)到清除10 mm以下厚度冰層的作業(yè)速度大于5 km/h的除冰車國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[8]，在國(guó)家科技支撐計(jì)劃的支持下，提出深化燃?xì)馍淞鞒鶛C(jī)理研究，通過除冰裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，引導(dǎo)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馍淞鳑_擊路面冰層，產(chǎn)生融冰、破冰、吹冰效果，以熱力和氣動(dòng)力的復(fù)合作用實(shí)現(xiàn)高效快速地除冰吹雪，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用燃?xì)馍淞骺焖偾宄⊙┖捅”某b置，為應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害提供了新的技術(shù)手段。

1 燃?xì)馍淞鞒b置的設(shè)計(jì)

燃?xì)馍淞鞒b置的設(shè)計(jì)思路是將航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的強(qiáng)大高溫高速燃?xì)馍淞?12.5 MW)分成兩股，一股引向車輛中部垂直向下，形成氣錘效應(yīng)，沖擊振動(dòng)冰層，在氣動(dòng)力、熱應(yīng)力的共同作用下，使冰層與路面的結(jié)合力下降，并使冰層產(chǎn)生破損缺口；另一股引向車輛尾部，以一定角度和形狀吹向冰面，形成強(qiáng)力氣鏟效應(yīng)，使冰層被剝離路面，吹向兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)較理想的除冰效果。

氣鏟除冰的限制條件是：①氣流速度要高，氣動(dòng)沖擊力要大；②要利用冰層與路面不同的吸熱率，使冰層與路面的結(jié)合力降低，或冰層與路面已有局部微觀松動(dòng)；③冰層已有破損缺口，使氣鏟有著力點(diǎn)[9-10]。

1.1 燃?xì)馍淞鞒b置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，冰雪消除車燃?xì)馍淞鞒b置，主要由載車、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、射流變向段、射流配氣段、氣錘噴頭、氣鏟噴頭組成。通過安裝架將航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在載車上，按航空發(fā)動(dòng)機(jī)的配置要求，結(jié)構(gòu)上配置進(jìn)氣道、尾噴管、燃油輸送系統(tǒng)、點(diǎn)火汽油輸送系統(tǒng)，控制上配置操控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電氣控制系統(tǒng)，確保作為燃?xì)馍淞鲃?dòng)力源的航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的工作。

1-載車；2-進(jìn)氣道；3-航空發(fā)動(dòng)機(jī)；4-尾噴管；5-射流變向段；6-射流配氣段；7-氣鏟噴頭；8-氣錘噴頭圖1 冰雪消除車燃?xì)馍淞鞒b置組成

1.2 燃?xì)馍淞鞒b置的計(jì)算

1.2.1 計(jì)算參數(shù)的選取

冰雪消除車的燃?xì)馍淞髟礊閲?guó)產(chǎn)退役WP6航空發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用狀態(tài)為取消加力燃燒室，除冰狀態(tài)為發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)，主要參數(shù)為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速10 400 rpm，空氣流量36.7 kg/s ，排氣溫度390℃～450℃，排氣速度500 m/s～544 m/s。

冰雪消除車要滿足實(shí)際道路除冰雪推廣使用，一般要求除冰速度不低于5 km/h，除冰厚度約5 mm～10 mm，除冰寬度不小于4 m，除冰效率不低于90%。

1.2.2 除冰裝置射流傳熱計(jì)算

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)馍淞饔蓢姽車姵?，形成的高速氣流流?chǎng)為劇烈的紊流流動(dòng)，對(duì)除冰效率影響較大的因素有溫度、湍流動(dòng)能、射流板面積等。通過高溫高速?zèng)_擊射流除冰仿真計(jì)算，得到射流溫度與融冰效率關(guān)系圖(圖2)，融冰效率與射流板面積及射流速度關(guān)系圖(圖3)。

圖3 融冰效率與射流板面積及射流速度關(guān)系圖

從圖中可知，提高射流溫度、射流速度，可提高融冰效率。

針對(duì)除冰噴頭的形狀，通過多排狹縫沖擊射流除冰效率的實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)果：提高射流速度，增加多排狹縫間隔，并設(shè)置導(dǎo)流板，可最大限度的發(fā)揮氣流動(dòng)量的強(qiáng)化傳熱作用。圖4為多排狹縫除冰過程示意圖。

圖4 多排狹縫除冰過程示意圖

經(jīng)仿真模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究，按上述工作狀態(tài)參數(shù)計(jì)算，利用熱力融冰，僅可熔解厚度為3 mm的冰層。

為能清除達(dá)到10 mm以上的冰層，提高冰雪消除車的除冰效率，在結(jié)構(gòu)上考慮盡量使燃?xì)馍淞鳑_擊冰層與路面的結(jié)合處，通過熱力及氣動(dòng)沖擊力使結(jié)合處的冰層熔解、破碎、剝離，達(dá)到大塊冰層能脫落路面被吹走的目的。按此思路，將除冰車的噴頭結(jié)構(gòu)分成氣錘噴頭和氣鏟噴頭兩部分，氣錘噴頭布置在車身中部，氣鏟噴頭布置在車尾。通過氣錘噴頭，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)的400℃燃?xì)馍淞鞔怪眹娚涞铰访姹鶎?，通過熱力作用及氣動(dòng)沖擊力，在冰層上形成較多的破損缺口，同時(shí)降低冰層與路面的結(jié)合力；然后通過氣鏟噴頭，使射流接近地面以一定角度向側(cè)面噴射，利用氣動(dòng)力使冰層與路面分離、破碎并吹除。

1.3 氣錘噴頭的設(shè)計(jì)

1-液壓缸；2-液壓桿；3-氣錘噴頭主體；4-氣流角度調(diào)節(jié)板圖5 氣錘噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

氣錘噴頭的作用對(duì)冰面實(shí)施預(yù)處理，盡可能形成較多的破損缺口，同時(shí)降低冰層與路面的結(jié)合力。圖5為冰雪消除車氣錘噴頭結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)馍淞魍ㄟ^射流配氣段，導(dǎo)流到氣錘噴頭進(jìn)口，噴頭內(nèi)設(shè)計(jì)氣流角度調(diào)節(jié)板，改變調(diào)節(jié)板的角度可以控制氣流吹冰雪的方向，控制射流配氣板可調(diào)節(jié)氣流對(duì)路面冰層的沖擊強(qiáng)度。氣錘噴頭結(jié)構(gòu)上還可參照文獻(xiàn)[9、10]介紹的破冰方法，設(shè)計(jì)高效的射流破冰結(jié)構(gòu)，以提高破冰效率。氣錘噴頭設(shè)計(jì)成收放式結(jié)構(gòu)，不作業(yè)時(shí)可以收起，滿足行車要求。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，除冰車自重有25 t，作業(yè)時(shí)自身車輪將碾壓冰雪并壓實(shí)，與路面結(jié)合力大，不易全部清除。在結(jié)構(gòu)上增加導(dǎo)流板，增強(qiáng)車輪處的燃?xì)饬鳑_擊強(qiáng)度，降低壓實(shí)冰雪與路面結(jié)合力，然后通過自身碾壓及車尾的氣鏟噴頭的作用，能更好地提高路面冰雪的清除率。

1.4 氣鏟噴頭的設(shè)計(jì)

1-液壓缸；2-液壓桿；3-氣鏟噴頭主體；4-導(dǎo)流板圖6 氣鏟噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為氣鏟噴頭結(jié)構(gòu)示意圖，噴頭內(nèi)部安裝柵格式導(dǎo)流板，柵格式導(dǎo)流板設(shè)計(jì)成特定的形狀和角度，可將氣流分成多股小氣流，形成強(qiáng)力氣鏟效應(yīng)，剝離吹除冰層或路面殘雪。氣鏟噴頭設(shè)計(jì)成收放式結(jié)構(gòu)，不作業(yè)時(shí)可以收起，滿足行車要求。

2 燃?xì)馍淞鞒b置的實(shí)地試驗(yàn)

2015年3月及2016年1月分別在遼寧彰武和貴陽百宜開展了野外冰雪路面除冰試驗(yàn)，圖7為在遼寧彰武的除冰試驗(yàn)效果圖，除冰后的路段表面結(jié)冰基本被清除，冰面厚度最大12 mm，除冰寬度為4 m，除冰速度為6 km/h,除冰率達(dá)到93%，對(duì)路面無損傷。圖8為貴陽百宜高速公路出口路段除冰雪混合物效果圖，除冰雪作業(yè)后的路段表面冰雪基本被清除，冰雪混合物厚度最大25 mm，作業(yè)寬度大于6 m，除冰速度不小于7 km/h，除冰率不小于90%。

3 結(jié)論

本文通過燃?xì)馍淞鞒笛C(jī)理研究，確定了燃?xì)馍淞鞒募夹g(shù)關(guān)鍵是利用高溫高速燃?xì)庀葘?duì)路面冰層實(shí)施融冰、破冰、碎冰，降低冰層與路面結(jié)合力，然后通過氣鏟作用實(shí)施吹冰的技術(shù)路線。完成了燃?xì)馍淞鞒b置結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進(jìn)行了野外除冰試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)提高射流溫度、射流速度，可提高融冰效率；

2)在噴頭增加多排狹縫間隔，設(shè)置導(dǎo)流板，可提高氣流動(dòng)量的強(qiáng)化傳熱作用；

3)通過氣錘噴頭和氣鏟噴頭的作用，射流除冰裝置可實(shí)現(xiàn)路面大塊冰層的剝離及吹除，除冰速度達(dá)到5 km/h以上，除冰率不小于90%，對(duì)作業(yè)路面無損傷。

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Design of a jet deicing device for the winter service vehicle

YANG Yonggang，F(xiàn)ENG Huazhong，ZHANG Liang

Through theoretical and experimental study of jet deicing technology, we proposed a deicing method with the utilization of an aircraft engine. We optimized the structure design of the deicing device, and carried out highway deicing tests. The results showed that the deicing device could meet the task requirements, and the structure design was feasible.

aircraft engine, jet deicing, deicing device, deicing test

V239；U418.326

A

1002-6886(2016)05-0028-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAK03B08)。

楊永剛(1971-)，男，貴州貴陽人，工程師，從事應(yīng)急救災(zāi)裝備研究。

2016-03-09