趙 亮，周 堯，吳 波，張豐華

(西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著飛機(jī)任務(wù)要求增多，航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，可調(diào)節(jié)的部位越來(lái)越多，發(fā)動(dòng)機(jī)輸入和輸出參數(shù)的數(shù)量不斷增加，控制變量從10～12個(gè)增至20多個(gè)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器具有更強(qiáng)的計(jì)算能力、邏輯功能和更高的控制精度。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，其性能優(yōu)劣直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)的性能，為了不斷滿足發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需求，未來(lái)電子控制器的發(fā)展目標(biāo)是提高性能、減輕質(zhì)量，耐惡劣環(huán)境、提高可靠性和維護(hù)性[1]。筆者針對(duì)電子控制器設(shè)計(jì)了一種3D打印燃油液冷板，對(duì)燃油冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、3D打印制造、實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了介紹，結(jié)果表明3D打印燃油冷板換熱性能更高、減重效果更加明顯、可靠性更高，為今后發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器燃油液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 電子控制器燃油冷板結(jié)構(gòu)需求

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)從20世紀(jì)40年代簡(jiǎn)單的機(jī)械液壓燃油控制系統(tǒng)發(fā)展到全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)(FADEC)，其主要是利用計(jì)算機(jī)數(shù)字運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)剖面更多，結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，電子控制器控制信號(hào)增加，性能提升，功耗不斷增加。同時(shí)在繁多與復(fù)雜飛行任務(wù)要求下，電子控制器的工作環(huán)境日漸惡化，特別是在持續(xù)、高超聲速飛行條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度可能達(dá)到650 ℃[2]。電子控制功耗增加、外部環(huán)境條件更加惡劣，其散熱面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，使用液冷散熱成了更加有效的方式。

飛機(jī)燃油熱管理系統(tǒng)[3]如圖1所示，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的FADEC采用飛機(jī)燃油進(jìn)行冷卻，燃油將電子控制器中的熱量帶出，達(dá)到控制電子控制器溫度的目的。

圖1 燃油熱管理系統(tǒng)流程圖

發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器的質(zhì)量大約占發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的15%～20%左右，因此，要減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器的重量是重要的途徑之一。

燃油冷卻相比傳統(tǒng)液冷對(duì)液冷冷板的可靠性和安全性要求更高，如果冷板發(fā)生開裂，燃油泄漏將造成災(zāi)難性的后果。

綜上所述，需要研制一種散熱性能更高、重量更輕、可靠性更高的電子控制器燃油冷板，提高電子控制器耐惡劣環(huán)境能力。

2 電子控制器燃油冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子控制器燃油液冷結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用側(cè)壁燃油液冷的結(jié)構(gòu)，上下兩個(gè)側(cè)板為燃油冷板，燃油從液冷接頭流入，分別進(jìn)入上下兩個(gè)燃油冷板，從液冷接頭流出。

圖2 電子控制器燃油液冷結(jié)構(gòu)

其換熱原理如圖3所示，芯片將熱量通過(guò)導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)到模塊殼體上，再由模塊殼體將芯片熱量傳導(dǎo)到燃油冷板上。燃油冷板內(nèi)有液冷通道，燃油在燃油冷板內(nèi)循環(huán)將芯片產(chǎn)生的熱量及外部輻射進(jìn)入的熱量帶出電子控制器，達(dá)到高效散熱的目的。

圖3 電子控制器燃油液冷換熱原理

傳統(tǒng)采用埋管、銑削通道等方式形成冷板流道，受制于傳統(tǒng)加工方式的限制，無(wú)法設(shè)計(jì)更加復(fù)雜或者異型結(jié)構(gòu)的流道，冷板的換熱性能已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)極限。同時(shí)，由于有焊縫存在，需要保證強(qiáng)度要求，冷板壁厚較厚，冷板的質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)極限。

電子控制器燃油冷板需滿足高換熱性能、重量更輕、高可靠的需求。電子控制器燃油冷板采用3D打印方案，針對(duì)高換熱性能的需求，冷板內(nèi)流道可設(shè)計(jì)為異型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)換熱性能，降低流阻；針對(duì)質(zhì)量更輕的需求，流道可以進(jìn)行異型設(shè)計(jì)，不需要焊接后，在保證強(qiáng)度的前提下結(jié)構(gòu)可以更加輕便，減輕整體重量。

電子控制器燃油冷板的具體結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，(圖中所示為去除上表面1 mm結(jié)構(gòu)后的剖視圖)，燃油從入口進(jìn)入冷板，從出口流出，燃油與冷板進(jìn)行熱量交換將熱量帶出電子控制器。

圖4 電子控制器燃油液冷板結(jié)構(gòu)

3 電子控制器燃油冷板仿真優(yōu)化

流道的結(jié)構(gòu)直接影響燃油液冷板的換熱，流阻，重量等性能，為了增加換熱性能，降低系統(tǒng)流阻，降低冷板質(zhì)量，流道內(nèi)設(shè)計(jì)有梯度桁架結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)擾流換熱能力，流道內(nèi)的梯度桁架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 梯度桁架結(jié)構(gòu)

通過(guò)仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高換熱性能的同時(shí)，降低流道壓力損失，降低質(zhì)量成為優(yōu)化的目標(biāo)。仿真分析不同流道結(jié)構(gòu)對(duì)燃油冷板散熱性能以及流道壓力損失的影響，對(duì)液冷板進(jìn)行性能優(yōu)化。針對(duì)梯度桁架結(jié)構(gòu)中寬度方向間距m，長(zhǎng)度方向間距n，梯柱底圓直徑a，梯度頂圓直徑b進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終得到寬度方向間距m=10，長(zhǎng)度方向間距n=8，梯柱成4-3陣列結(jié)構(gòu)，梯柱底圓直徑a=7，梯度頂圓直徑b=3時(shí)，換熱效果、流阻、質(zhì)量指標(biāo)最優(yōu)。

圖6 梯度桁架結(jié)構(gòu)燃油冷板

從優(yōu)化后的梯度桁架結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果中可以看出，電子控制器內(nèi)部6處導(dǎo)軌各60 W，外表面輻射熱量360 W，總功耗720 W時(shí)，冷板導(dǎo)軌表面的溫度最高56 ℃，冷板的熱阻僅為0.019 ℃/W，換熱性能非常好，流阻僅為1 537.3 Pa，質(zhì)量?jī)H為1.234 kg，相比傳統(tǒng)銑削焊接液冷板，質(zhì)量降低17.5%、壁面溫度降低3.3%，壓差降低14.1%，達(dá)到了高換熱性能、低流阻、低重量的目標(biāo)。

4 電子控制器燃油液冷板3D打印

冷板的加工工藝比較多，目前傳統(tǒng)采用埋管、焊接等方式形成冷板的液冷腔體。傳統(tǒng)方式都存在焊縫或者焊接面，焊縫或者焊接面間釬料的強(qiáng)度一般低于母材，隨著工藝的成熟各種焊接冷板層出不窮，能夠適應(yīng)不同環(huán)境下的使用要求及可靠性要求。

針對(duì)燃油不能泄漏的更高可靠性需求，以及優(yōu)化后的燃油冷板內(nèi)部桁架擾流減重結(jié)構(gòu)為梯柱結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)機(jī)械加工難以成行的問(wèn)題。電子控制器燃油冷板采用3D打印加工方式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一體成型，桁架梯柱結(jié)構(gòu)完整打印，通道內(nèi)無(wú)釬料焊縫及焊接面，不存在燃油泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

由于3D打印一體成型，燃油冷板腔體內(nèi)桁架梯度結(jié)構(gòu)是否完整，是否有堵塞必須通過(guò)X射線進(jìn)行透視檢測(cè)，采用X射線檢測(cè)其內(nèi)部腔體，從圖7可以看出桁架梯度結(jié)構(gòu)完整，通道光滑，沒(méi)有出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 3D打印燃油冷板內(nèi)部桁架梯度結(jié)構(gòu)

5 電子控制器燃油冷板實(shí)驗(yàn)測(cè)試

電子控制器樣機(jī)進(jìn)行高溫試驗(yàn)原理如圖8所示。將電子控制器樣機(jī)放置于高溫箱中，分別將線纜1、線纜2和線纜3插入至樣機(jī)上的X1、X2和X3連接器上，分別將管路1和管路2插入至樣機(jī)上的液冷接頭插座1和插座2上。將線纜1和線纜3連接到測(cè)溫儀上，將線纜2連接到直流電源正負(fù)極。將管路1和管路2分別連接到冷水機(jī)出水口和回水口。

圖8 高溫試驗(yàn)原理

由測(cè)試結(jié)果可知，在環(huán)境空氣溫度350 ℃，冷卻液供液溫度61 ℃，樣機(jī)熱功耗351 W時(shí)，樣機(jī)內(nèi)加熱片(芯片)溫度為80.7 ℃、81.9 ℃、82.4 ℃、81.4 ℃，3D打印燃油冷板可保證加熱片(芯片)表面溫度低于125 ℃。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)電子控制器3D打印燃油冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、3D打印制造、實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以看出3D打印燃油冷板相比傳統(tǒng)銑削焊接液冷板，質(zhì)量降低17.5%、壁面溫度降低3.3%，壓差降低14.1%，具備高換熱、低流阻、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。3D打印燃油冷板一體成型燒結(jié)而成，沒(méi)有焊縫，相比傳統(tǒng)焊接冷板可靠性更高，通過(guò)了350℃高溫試驗(yàn)測(cè)試。3D打印工藝可以滿足冷板通道內(nèi)異型結(jié)構(gòu)的加工成型，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)優(yōu)化通道內(nèi)特征結(jié)構(gòu)，提高燃油冷板的綜合性能。