王建峰

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

大型地面固定式相控陣?yán)走_(dá)液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

王建峰

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中對某大型地面固定式有源相控陣?yán)走_(dá)液體冷卻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了闡述，通過對雷達(dá)液體冷卻系統(tǒng)中重點(diǎn)關(guān)注的管網(wǎng)阻力特性、水泵冗余并聯(lián)特性、用水單元流量分配均勻性等問題進(jìn)行了研究，為大型地面固定式相控陣?yán)走_(dá)的液體冷卻系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。

地面固定式相控陣?yán)走_(dá)；液體冷卻系統(tǒng)；管網(wǎng)

引 言

相控陣系統(tǒng)在雷達(dá)電訊性能上的眾多優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的，其有源陣面內(nèi)安裝有數(shù)量龐大的T/R組件、電源等功率設(shè)備[1]，并且這些設(shè)備呈分布式分布，有源陣面內(nèi)的組裝密度和功率密度都很高，這給雷達(dá)冷卻系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。高效、可靠的陣面熱控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)一直是相控陣?yán)走_(dá)研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

對于有源相控陣?yán)走_(dá)，尤其高頻段雷達(dá)，冷卻系統(tǒng)一方面要解決陣面上所有高功率設(shè)備的散熱問題，滿足雷達(dá)可靠工作，另一方面還要能夠確保各T/R組件溫度的一致性(均勻性)要求。

液體冷卻形式是目前解決總熱量和熱流密度都較高的陣面散熱問題的有效熱控制方式之一[3]。相控陣?yán)走_(dá)中需要冷卻的對象數(shù)量眾多，規(guī)模龐大，因此，實(shí)現(xiàn)冷卻流量在數(shù)量眾多的冷板之間的均勻分配就成為了相控陣?yán)走_(dá)液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)[4]。

1 設(shè)備介紹

某雷達(dá)是一部固定在地面建筑上的大型固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)，雷達(dá)結(jié)構(gòu)龐大，組裝密度、發(fā)熱量高，其外形示意見圖1。雷達(dá)中上萬只T/R組件、上千只各種規(guī)格的電源等均需要冷卻。雷達(dá)總發(fā)熱量和單個(gè)T/R組件熱耗高，組件內(nèi)單個(gè)晶體管的發(fā)熱密度達(dá)到了幾十W/cm2。結(jié)合雷達(dá)總熱耗和熱流密度等技術(shù)參數(shù)，確定了液冷的冷卻形式。

圖1 某雷達(dá)外形示意圖

由于雷達(dá)的樓層高，組件分布區(qū)域廣，如果管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，冷卻系統(tǒng)的垂直和水平水力失調(diào)帶來的水錘問題和流量分配不均不但會(huì)影響冷卻系統(tǒng)自身長期的工作可靠性，而且會(huì)直接對組件和電源的冷卻效果產(chǎn)生影響。

同時(shí)，冷卻系統(tǒng)作為雷達(dá)的保障系統(tǒng)[5]，其任務(wù)可靠性直接制約雷達(dá)的可靠性。因此，需要對冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件(尤其水泵)進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì)。如何解決并聯(lián)冷卻水泵的合流也成為了雷達(dá)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2 冷卻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

從功能上劃分，雷達(dá)液體冷卻系統(tǒng)主要包括3部分：擔(dān)負(fù)與環(huán)境最終換熱的末端冷卻機(jī)組系統(tǒng)、與各功率設(shè)備換熱的冷板系統(tǒng)以及承擔(dān)冷卻流量輸送和分配的管網(wǎng)系統(tǒng)。

在開展冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首要的工作是根據(jù)雷達(dá)T/R組件的最高工作溫度、最大允許差異指標(biāo)，通過仿真分析或試驗(yàn)測試，建立冷卻系統(tǒng)流量及其各用水單元允許的流量差異和組件溫度及其允許的差異指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，作為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入。該項(xiàng)目中，通過設(shè)計(jì)冷板樣件，結(jié)合組件工作測試，構(gòu)建了冷卻流量指標(biāo)和組件溫度參數(shù)的關(guān)系。

2.1 關(guān)鍵問題及解決途徑

對于該大型地面固定式相控陣?yán)走_(dá)，在冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方式上，借鑒樓宇供暖系統(tǒng)的形式，采用了機(jī)械式閉式液體循環(huán)、分區(qū)域冷卻、冷卻機(jī)組模塊化并聯(lián)運(yùn)行作為雷達(dá)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路。通過開展主要關(guān)鍵問題專題技術(shù)攻關(guān)和軟件仿真研究，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要關(guān)鍵問題解決思路如下：

(1)換熱功率冬夏換匹配

與環(huán)境熱交換的末端冷卻機(jī)組的換熱能力是按照夏季最嚴(yán)酷的環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，春秋季和冬季時(shí)，冷卻系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)較大的冷卻能力盈余。為了解決這個(gè)問題，將冷卻單元按換熱功率模塊化設(shè)計(jì)，傳感器檢測外部環(huán)境溫度和冷卻系統(tǒng)供液溫度，根據(jù)控制策略，決定換熱單元投入運(yùn)行的時(shí)機(jī)和數(shù)量，有效地降低了冷卻系統(tǒng)的能耗。

(2)機(jī)組(水泵)冗余并聯(lián)

機(jī)組(水泵)并聯(lián)可以有效提高可靠性，但隨之會(huì)帶來流量匹配問題和倒灌問題。當(dāng)首臺(tái)機(jī)組(水泵)啟動(dòng)時(shí)，由于外部管網(wǎng)阻力偏小，水泵工作點(diǎn)就會(huì)沿曲線移動(dòng)，流量變大，易導(dǎo)致工作水泵過載。所以在每臺(tái)水泵的出口要設(shè)置限流裝置(動(dòng)態(tài)流量平衡閥)。同樣，當(dāng)某臺(tái)水泵不工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)工作水泵流量直接從未工作的水泵管路中旁通，也會(huì)導(dǎo)致工作水泵過流和外循環(huán)流量下降。所以，也要在各水泵出口設(shè)置單向截止閥。

同時(shí)，在設(shè)計(jì)中，為了減少對管網(wǎng)系統(tǒng)的水力沖擊，對水泵的啟停設(shè)置合理的延時(shí)控制。

(3)復(fù)雜管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)流量在數(shù)量眾多的冷板之間的分配

對于液體冷卻系統(tǒng)，管網(wǎng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，會(huì)直接影響各用水單元(冷板)的流量一致性，流量的差異將會(huì)對各冷板工作時(shí)的溫度一致性產(chǎn)生直接影響。在進(jìn)行管路設(shè)計(jì)時(shí)，將陣面內(nèi)T/R組件分區(qū)域設(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的T/R組合供回液管網(wǎng)，每一個(gè)電源機(jī)柜內(nèi)也設(shè)計(jì)成獨(dú)立的供回液管，其結(jié)構(gòu)形式示意圖見圖2。

圖2 T/R組合、電源機(jī)柜等供回液管網(wǎng)示意圖

借鑒建筑行業(yè)供暖系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)方法[6]，機(jī)組(水泵)并聯(lián)管路、模塊化換熱單元并聯(lián)管路、T/R組合供回液管網(wǎng)以及電源機(jī)柜供回液管網(wǎng)均設(shè)計(jì)成同程式管路形式。陣面內(nèi)各個(gè)供回液管網(wǎng)模塊由于數(shù)量多，分布距離廣，所以采用異程式管網(wǎng)供液，以減少管路總長，通過設(shè)計(jì)合理的管徑降低流速來滿足均勻分配的要求。

(4)系統(tǒng)自動(dòng)排氣和補(bǔ)液

由于管路系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)中可能混入空氣，過量的氣體易導(dǎo)致水泵發(fā)生汽蝕和喘振，直接影響水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性，也會(huì)影響換熱單元和冷板的換熱能力。因此，在合適的位置要設(shè)置自動(dòng)排氣裝置，設(shè)置點(diǎn)一般安排在流速方向發(fā)生突變的地方，并且合理設(shè)計(jì)管路口徑以降低流速，以便系統(tǒng)加液、放液和運(yùn)行中及時(shí)排出空氣。另外，冷卻系統(tǒng)中的冷卻液在工作前后以及冬夏氣溫變化的情況下都會(huì)出現(xiàn)液體的膨脹和收縮，在系統(tǒng)的頂部設(shè)置膨脹箱，一方面可以對系統(tǒng)的熱脹冷縮起到調(diào)節(jié)作用，另一方面可以穩(wěn)定各機(jī)組(水泵)口的壓力，此外還可以釋放水泵啟停機(jī)帶來的壓力沖擊。

2.2 冷卻系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)以上冷卻系統(tǒng)解決方案，完成液冷系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)流程圖見圖3。冷卻系統(tǒng)由水泵組、換熱機(jī)柜組、儲(chǔ)水柜、膨脹水箱、需要冷卻的用水單元(T/R組合、電源機(jī)柜)、管路系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)的參數(shù)檢測和控制系統(tǒng)組成。在機(jī)組的設(shè)計(jì)中，水泵組采用三備一的冗余形式運(yùn)行，換熱機(jī)柜采用四備二冗余形式，以提高冷卻系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

圖3 液冷系統(tǒng)流程圖

2.3 冷卻系統(tǒng)的仿真優(yōu)化

系統(tǒng)流程確定后，就需要對管網(wǎng)進(jìn)行水力設(shè)計(jì)和復(fù)核計(jì)算，確定流量分配和整個(gè)冷卻系統(tǒng)的管徑等參數(shù)以及水泵等的選型，以往這些計(jì)算都是采用手工計(jì)算，工作量大，計(jì)算結(jié)果精度較低。在進(jìn)行該雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的水力計(jì)算時(shí)，根據(jù)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖和雷達(dá)內(nèi)部的實(shí)際布局，采用流體軟件Flowmaster進(jìn)行了計(jì)算分析。采用Flowmaster軟件很容易預(yù)估掌握系統(tǒng)運(yùn)行的總體情況，包括管網(wǎng)水力是否失調(diào)、水泵開關(guān)機(jī)對系統(tǒng)的沖擊情況等，為后續(xù)雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

在進(jìn)行Flowmaster仿真分析前，需要結(jié)合冷卻介質(zhì)的物理特性，通過試驗(yàn)或仿真獲得水泵的實(shí)際工作曲線、重要部件(動(dòng)態(tài)平衡閥、T/R組合、電源冷板、過濾器、空冷式換熱器等)的阻力特性等，作為計(jì)算仿真分析的輸入。

分析中，對整個(gè)冷卻系統(tǒng)研制過程中關(guān)心的3個(gè)問題(啟動(dòng)和關(guān)機(jī)的瞬態(tài)過程、平穩(wěn)運(yùn)行的流量阻力特性和流量分配特性)進(jìn)行仿真分析，并對整個(gè)管網(wǎng)的管徑進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在滿足流量分配均勻性的前提下，主要對水泵并聯(lián)的合流管、分流管以及進(jìn)入陣面的主供回管管徑進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，合理降低管徑，減少冷卻液總量和降低水泵功率。結(jié)合Flowmaster分析結(jié)果就可以直觀地看出不同管徑等參數(shù)的冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部壓力和流量分配與原先方案設(shè)計(jì)相符。該雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的水泵組合流管出口壓力及流量瞬態(tài)分析結(jié)果見圖4。

圖4 水泵組合流管出口壓力及流量瞬態(tài)分析結(jié)果

2.4 冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效果

在該雷達(dá)聯(lián)試時(shí)，對冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行情況和雷達(dá)的散熱性能進(jìn)行了測試評(píng)估，冷卻系統(tǒng)的換熱能力和流量分配均達(dá)到了原先設(shè)計(jì)要求，雷達(dá)陣面內(nèi)組件間的溫度差異控制在了10 ℃以內(nèi)。雷達(dá)至今已交付多年，冷卻系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，陣面內(nèi)未出現(xiàn)因散熱導(dǎo)致的組件、電源損壞現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

該冷卻系統(tǒng)通過借鑒建筑行業(yè)供熱系統(tǒng)相關(guān)工程技術(shù)，成功地解決了大型雷達(dá)有源陣面的熱控制問題，保障了雷達(dá)的可靠工作。該液冷系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)思路已在多個(gè)大型雷達(dá)產(chǎn)品中推廣應(yīng)用，為大型相控陣?yán)走_(dá)陣面熱控制提供了一個(gè)可以借鑒的整套解決方案。

[1] 張光義. 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1994.

[2] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(上)[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[3] PRICE D C. A review of selected thermal management solutions for military electronic system[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2003, 26(1): 26-39.

[4] 王建峰. 固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)熱控制技術(shù)[J]. 電子機(jī)械工程, 2007, 23(6): 27-32.

[5] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(下)[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(2): 1-9.

[6] 賀平, 孫剛. 供熱工程[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009.

王建峰(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)熱設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)的研制與開發(fā)工作。

Design of Liquid Cooling System of Large Ground-fixed Phased Array Radar

WANG Jian-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In this paper, the realization of the liquid cooling system of a large ground-fixed active phased array radar is discussed. Some main technical difficulties in this cooling system, such as the property of pipe network resistance, the property of pump redundancy parallel and the uniformity of flow distribution for water-consumption components are studied, providing reference for the liquid cooling system design of large ground-fixed phased array radar.

ground-fixed phased array radar; liquid cooling system; pipe network

2016-03-01

TN958.92

A

1008-5300(2016)02-0017-03