2022年毕业论文-某型无人机散热系统设计 .pdf

某型无人机散热系统设计目录第 1 章 绪 论 . 51.1 引言 . 5无人机简介 . 51.1.2 本文所述无人机的特点. 6散热系统概述 . 7基本概念 . 71.2.2 水冷散热器概述. 7本文研究的意义和主要内容. 9本文研究的意义 . 9本文主要研究的内容. 9第 2 章 总体设计方案的比照选择. 11 冷却方式的选择 . 11 冷却方式简介 . 11 两种冷却方式的优缺点比照. 12 冷却系统的的布局 . 12 风扇驱动方式的选择与设计. 13 概述 . 13 三种驱动方案的优缺点比照. 13 具体传动方式的设计. 14 第 3 章 基本参数的设定及推导. 17 设计任务给定的参数 . 17 参数推导 . 17 散热量 Q . 17 水循环流量qv,w . 18 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 44 页某型无人机散热系统设计冷却空气的体积流量qv，a . 19 参数总结 . 19 第 4 章 主要零部件的设计 . 20 散热器的设计 . 20 概述 . 20 散热器发展趋势 . 21 散热器的结构形式、参数与材料设计 . 21 冷却水泵的设计 . 26 冷却水泵概述 . 26 离心式水泵的结构特点. 27 水泵的性能参数 . 28 冷却风扇的设计 . 30 概述 . 30 冷却风扇的结构形式及特点. 30 风扇材料 . 32 风扇的外形结构设计. 33 风扇的风量、静压、转速及其匹配 . 34 冷却风扇的校核 . 36 风扇的安装条件 . 39 风扇传动部分的简要设计及说明. 40 带的选择 . 40 带轮的设计 . 41 风扇轴的最小轴径计算. 42 传动圆锥销的校核. 42 第 5 章总结与展望 . 43 5.1 本文工作总结 . 43 5.2 研究展望 . 44 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 44 页某型无人机散热系统设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 44 页某型无人机散热系统设计摘要无人机技术是反应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，给无人机在安全性、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部分，散热系统也应该朝着这几个方面的高要求来发展。于是本课题就致力于为某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基础上进行重新布局，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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 44 页某型无人机散热系统设计第 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、战场生存能力比较强等各种优点，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内都在加紧进行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发展，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行概述。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，与载人机相比其有结构简单、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，对其进行定位、跟踪、遥控、测量和信息传输。其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行研究。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：1）长航时无人机，例如中国的翔龙无人机如图1-12）中程无人机，例如英国的不死鸟无人机如图1-23）短程无人机，例如以色列的先锋无人机如图1-34）近程无人机，例如中国的天翼1 无人机如图 1-4图 1-1 翔龙无人机中国图 1-2 不死鸟无人机英国精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 44 页某型无人机散热系统设计图 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：1）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。2）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范围内，利用自身携带的各种侦察设备， 完成侦察和监视任务。3）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。4）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。5）对地攻击，无人机去携带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行打击。6）校核作用，主要用于火力引导和对射击效果进行评估。7）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。8）其他新型功能，包括运输能力、监察安全状况、救灾应用、测绘等。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行操控，机身内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，下面就散热系统进行概述。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 44 页某型无人机散热系统设计散热系统概述基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部分热量及时散发出去，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。水冷散热器概述冷却系具有热源和冷源。对于大多车辆发动机，气缸内的高温燃气是主要热源，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 水冷冷却系的组成部分冷却系统由发动机内部块通道和前端、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，下面以某一型号的发动机散热系精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 44 页某型无人机散热系统设计统为例来进行说明，如图1-6。3 缸头图 1-6 某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 1-7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止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某些工精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 44 页某型无人机散热系统设计作条件，也采用传统的机械驱动方式，由发动机通过某种传动方式传动。 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， 它将打开让其流到散热器，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。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：1）要能保证发动机在任何工况条件下都能工作在正常温度范围。2）保证发动机在启动后能在短时间内到达正常工作范围。3）保证散热器的散热效率高，消耗材料少。4）水泵和散热风扇消耗功率小，噪声小。5）冷却系中零部件拆装方便。本文研究的意义和主要内容本文研究的意义无人机技术是我国近年来重点发展的高新技术，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。随着无人机技术的发展，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，对其进行研究设计有着重要的意义和应用价值。本文主要研究的内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某型无人直升机设计一套性能良好的散热系统，具体内容如下：1）对散热系统做总体规划2）选择合适的散热风扇，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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 44 页某型无人机散热系统设计入空气来将热量带走。3）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某些任务的劣势，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。本文所论述的某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，具体内容安排如下：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较、布局方案的论证比较及冷却风扇传动方案的设计选择。第三章基础参数的设定及推导，主要阐述设计计算的基础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行结构设计和参数计算，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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 44 页某型无人机散热系统设计第 2 章 总体设计方案的比照选择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，通过精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 44 页某型无人机散热系统设计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冷却系统的成本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。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某些任务的劣势，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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 44 页某型无人机散热系统设计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，侦察范围也更加宽广，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。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优点： 1布局位置自由度大 2转速设计可变范围大 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成本相对较高精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 44 页某型无人机散热系统设计优点： 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成本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某型无人机并没有合适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，设计成本较高，所以排除这种驱动方式。同时，比照剩下两种方案的优缺点，从设计成本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：无人机的布局空间1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 44 页某型无人机散热系统设计图 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 2-4：异形锥齿轮传动方案示意图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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 44 页某型无人机散热系统设计图 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，但异形锥齿轮制造成本较高工艺复杂，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，成本低，同时可靠性能得到保证，所以在此选择方案二。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 44 页某型无人机散热系统设计第 3 章 基本参数的设定及推导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 rotax582航空发动机2：发动机功率 Pe=75马力,排量33：主轴转速 n=6000r/min,驱动尾翼的长轴转速n1=2500r/min 4：发动机调定温度为80参数推导散热量 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有两部分组成，一是发动机内部燃料燃烧时所释放的部分热量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 Q2 Q1 ，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，想要精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验公式进行估算，发动机 Q1的估算式为3-1式中，0a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0a。 本文取0a柴油机取0a。ge为发动机的燃料消耗率， kg/ kWh。P为发动机标定的功率， kW 。01.3600ueH PQga精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 44 页某型无人机散热系统设计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。根据已知条件 Pe 汽油消耗为 17L/h ，使用的是 93 号汽油，其密度93 170.725=0.222kg /55.16ekw hg93号汽油的低热值 Hu =4.6104kJ/kg ，将以上参数带入式 3-1得410.230.22255.164.6 1035.99/3600QkJs则1211.2545/QQQQkJ s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 ，由热平衡方程进行计算，即3,1060v wwp wwQqctL/min 3-2式中，tw为冷却液在冷却系内循环式的温降。 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 ) 。现根据经验设计选定 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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 44 页某型无人机散热系统设计 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3,45 1060111.2(/ min)853.083.5598v wqL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.v aap aaQqCtm3/s 3-3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验取ta =20，由于本文涉及的某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a3。 Cp，a为空气的定压比热容，这里可近似去Cp，a=1.0047kJ/(kg ) 。则有3.452.217/1.0120 1.0047v aqms（）参数总结至此设计及推导的基本参数如下：总散热量： Q=45kJ/s 调定水温： t=80冷却液体积流量： qv，w冷却空气体积流量 qv，a3/s 3精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 44 页某型无人机散热系统设计第 4 章 主要零部件的设计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内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结构的差异。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。 散热片的厚度为 0.06-0.12mm 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行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 年代开始大量发展，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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 44 页某型无人机散热系统设计散热器发展趋势散热器是无人机零部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内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、成本低。其发展趋势如下：1）薄壁、高效2）结构合理3）采用低锡焊料和有机焊料来制造铜散热器4）装配式铝散热器5）硬钎焊的铝散热器6）采用较高的系统压力散热器的结构形式、参数与材料设计1. 散热器的结构形式现在广泛使用的散热器的结构形式有前述两种：管片式结构和管带式结构。现在市面上轿车、及部分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，所以采用管带式结构。2. 散热器芯子正面积 Sf散热器的结构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。据经验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：1）跟排量有关的经验公式0.10.032fSV4-1 3。则有20.10.032 0.58070.12fSm2）与标定功率有关的经验公式精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 44 页某型无人机散热系统设计(0.00270.0034)fSP4-2式中 P为发动机的标定功率， kw，前述 P=75马力=55.16kw。则有2(0.00270.0034) 55.16(0.1490.187)fSm3）与散热量有关的经验公式max/fnnSSQQ4-3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 国产散热器的结构参数，联系无人机的布局结构，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：国产散热器的结构参数20.485 0.3680.1785fScm由于发动机的传热过程的传热量可由传热方程式确定，即：mQK At4-4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为计算基准，则传热系数为Kw。则传热量可分别表示为：aamQKAt4-5wwmQKAt4-6以空气侧的传热面积Aa为计算基础时，关于Ka有如下表达式：a01K =1hwah4-7精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 44 页某型无人机散热系统设计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，又由于经验可知，水侧外表的传热系数hw本来就比较大，而ha要比 hw小得多，故增大ha可使ka的值显著增加。当前的发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 C mm 窗孔缝长 mm 20-50 28-32 6-7 50-90 24-28 6-7 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。tan/(0.30.4)Ct4-8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 t mm 在此按经验选择 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：tan/1.5tan30 /30.3Ct满足匹配条件。另外散热带的波高 b 按经验取 b=10mm 现在散热器的散热水管多采用扁管，扁管可以在相同流通截面时获取与空气最大的接触面积。近年来发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 b1l1mm 13 14 14 16 19 外周长 Lcmm 14mm 的散热水管。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 44 页某型无人机散热系统设计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=34mm 6. 根据以上确定参数，匹配散热水管布置并求出散热面积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：114851039102.5wbnbb4-9式中 b1为散热扁管的宽度。散热水管数 n2为：21(1) 2(391) 276nn4-10又由于散热面积 S为：12SAA4-11式中 A1为水管散热面积其方程式为：12cALH n4-12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：210.031850.368760.891Am式 4-11 中 A2为散热带散热面积其方程式为：212Al T n4-13式中 l 为散热带展开长度其方程式为：2232( )2tlbn4-14式中 n3为散热带波峰数其方程式为：3/1nHt4-15带入数值可得：3368/ 3 1124n22210(3 /2)12425082.508lmmm精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 44 页某型无人机散热系统设计222 2.508 0.034 396.651Am20.891 6.6517.542Sm7. 校核由式 4 可知散热面积也可由下式求得：max/SQKt4-16式中 Qmax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：max(1.1 1.25)QQ4-17式 16 中 K 为散热系数， kJ/(m2h) 。其值由试验确定，经验可知同类散热器 k 值为 k=290-310 范围内。式 16 中t 为换热面两侧换热介质的平均温差，其值为：()wcpacpttt4-18式中 twcpwcp90-95，当系统压力为 49kPa时 twcp100-105wcp105-110。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：=t1/ 2()acpaitta 4-19式中 tai为进风温度，标准冷却系为40， ta前述为 20，则有：=40+20 1/2=50acptt10550552S=1.1453600 / 55/ 30010.8m则已选散热器不满足。比照2，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：2(391) 3114n精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 44 页某型无人机散热系统设计散热水管散热面积 A1为：32131.853681141336171.21.336Ammm散热带散热面积 A2为：2222.508 0.052 3910.172Am散热面积 s 为：210.1721.33611.508Sm大于理论计算值，则满足要求。至此散热器结构已设计完成，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、结构简单、制造方便以及由其特点所带来的低成本等优点，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，要求其结构紧凑，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可 靠 性分类技术要求耐 振 性能散热器安装振动台上， 以25m s2或30 m s2的加速度，频率20Hz或23Hz连续进行 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，不允许脱焊和渗漏精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 44 页某型无人机散热系统设计配，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发展的趋势。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，为适应冷却水泵的大批量生产，要求水泵结构、工艺简化。于是在冷却水泵上采取了系列化的陶瓷石墨系列水封、冲压叶轮、轴连轴承、旋压皮带等新结构、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。本文涉及的某型无人机的冷却水泵与汽车类似，同样采取了上述新结构、新材料、新工艺。离心式水泵的结构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。水封多为陶瓷石墨系列水封， 叶轮有闭式、半开式、开式三种，由统计经验和实际试验得知，当水泵扬程到达 25m-30m 以上时， 应采用闭式叶轮。离心式水泵由以下结构组成：1. 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。其作用是使叶轮泵出的液体以最小的损失集中至出口，并使液体的部分动能转变成压能。通常情况下，为了减少撞击、流动损失、涡流损失，一般将泵壳流道由内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。2. 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