李鵬偉,王文山,付艷麗

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710077)

0 引 言

矢量噴管技術(shù)的出現(xiàn)不但提升了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)性,還提高了飛機(jī)的生存和戰(zhàn)斗能力。矢量噴管作動(dòng)器是矢量噴管的驅(qū)動(dòng)裝置,其性能的穩(wěn)定性直接影響著飛機(jī)的性能。矢量噴管作動(dòng)器是推力矢量技術(shù)的核心部件,安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)加力筒體處,包括電磁閥、伺服閥、傳感器等核心電氣元件,元件正常工作的溫度范圍一般為-50～130℃左右[1]。然而,由于加力筒體外壁溫度及作動(dòng)器周?chē)h(huán)境溫度一般為250℃左右,且航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高馬赫數(shù)飛行條件下的入口空氣溫度很高,因此,其沒(méi)有直接冷卻元?dú)饧哪芰2]。作動(dòng)器受到矢量噴管夾層高溫?zé)岘h(huán)境的影響,極易導(dǎo)致核心元器件(電磁閥、伺服閥、傳感器)等超過(guò)其耐受的最高溫度而失效。

劉友宏等[3]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管作動(dòng)器電磁閥通油不冷卻工況進(jìn)行了熱分析,研究了電磁閥在通油不冷卻時(shí)各因素(環(huán)境溫度、入口油溫、作動(dòng)器總體油路流量及焦耳熱等)對(duì)電磁閥的耐溫性能的影響規(guī)律,得到對(duì)電磁閥溫度影響最大的因素是環(huán)境溫度。倪萌等[4]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管作動(dòng)器電磁閥進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)熱分析,研究了矢量噴管作動(dòng)器在非穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁閥的超溫時(shí)間。丁偉等[5]對(duì)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究。劉鐵鋼[6]運(yùn)用CFD模擬分析軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。范濤峰等[7]對(duì)機(jī)載電子散熱設(shè)備氣流分布均勻性進(jìn)行了研究,分析了不同孔徑、開(kāi)孔數(shù)量及流量對(duì)出口均勻度的影響。喻成璋等[8]對(duì)高超聲速飛行器氣動(dòng)熱預(yù)測(cè)技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行了闡述,從試驗(yàn)、工程計(jì)算與數(shù)值仿真三個(gè)方面系統(tǒng)地總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在氣動(dòng)預(yù)測(cè)方面的研究成果,并展望了未來(lái)的發(fā)展。

矢量噴管作動(dòng)器的工作環(huán)境嚴(yán)酷,因此,保證其在高溫環(huán)境下工作的可靠性是提升產(chǎn)品性能的核心。為了使矢量噴管作動(dòng)器能夠在高溫環(huán)境下正常工作,且考慮到經(jīng)濟(jì)性效益,設(shè)計(jì)目標(biāo)需以最小的入口流量達(dá)到最大的冷卻效果。

筆者對(duì)帶有主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)[9-11]的矢量噴管作動(dòng)器進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)研究,研究了冷卻結(jié)構(gòu)的散熱效果及冷卻流量的大小對(duì)作動(dòng)器溫度分布的影響規(guī)律。對(duì)采取主動(dòng)冷卻設(shè)計(jì)的矢量噴管作動(dòng)器進(jìn)行熱場(chǎng)仿真分析,并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。由仿真和試驗(yàn)研究結(jié)果可知,產(chǎn)品溫度隨著入口介質(zhì)流量的增加而降低,當(dāng)入口流量增加到某一流量值后,再增加入口流量所得到的冷卻效果不明顯,由此可知,在入口流量達(dá)到臨界流量之后,流量大小對(duì)產(chǎn)品耐溫的提升作用不大,所研究結(jié)果為類(lèi)似作動(dòng)器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 研究?jī)?nèi)容及方法

文章通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的冷卻形式對(duì)矢量噴管作動(dòng)器進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以發(fā)動(dòng)機(jī)燃油作為冷源,通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的冷卻小孔和冷卻油路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量噴管作動(dòng)器的主動(dòng)熱防護(hù)。由于矢量噴管作動(dòng)器的三個(gè)核心元件(電磁閥、伺服閥和傳感器)是矢量噴管作動(dòng)器的耐溫薄弱點(diǎn),因此重點(diǎn)對(duì)核心元件設(shè)計(jì)了相應(yīng)的冷卻結(jié)構(gòu)。

電磁閥冷卻結(jié)構(gòu)由電磁閥外側(cè)殼體上的冷卻油路、冷卻隔套等組成,如圖1所示。作動(dòng)器正常工作時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)燃油在冷卻油路中循環(huán)流動(dòng),以對(duì)流換熱的方式帶走電磁閥熱防護(hù)結(jié)構(gòu)附近的絕大部分熱量,并利用電磁閥螺套中的燃油在電磁閥側(cè)面形成一層冷卻膜,阻止熱量向電磁閥內(nèi)部傳遞。

圖1 電磁閥冷卻結(jié)構(gòu)

伺服閥冷卻結(jié)構(gòu)是在安裝伺服閥的底座上設(shè)置冷卻通道,如圖2所示。使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油從一側(cè)的進(jìn)油口流入伺服閥馬達(dá)內(nèi)外閥蓋之間的流道中,然后從另一側(cè)的回油口流出,帶走伺服閥冷卻通道附近的熱量,并在內(nèi)外閥蓋之間的流道中形成冷卻膜,阻止熱量向伺服閥內(nèi)部傳遞。

傳感器的冷卻結(jié)構(gòu)是通過(guò)活塞頭上預(yù)留的冷卻小孔和冷卻襯套實(shí)現(xiàn)的,如圖3所示。當(dāng)活塞桿伸出時(shí),低溫高壓油從作動(dòng)筒無(wú)桿腔流入,高壓油流進(jìn)傳感器和冷卻襯套間隙對(duì)傳感器進(jìn)行冷卻,然后進(jìn)入冷卻襯套和活塞桿間隙,最后經(jīng)由冷卻小孔流出到作動(dòng)筒有桿腔;當(dāng)活塞桿縮進(jìn)時(shí),低溫高壓油從作動(dòng)筒有桿腔流出并經(jīng)由冷卻小孔流入冷卻襯套和活塞桿間隙,然后進(jìn)入傳感器和冷卻襯套間隙對(duì)傳感器進(jìn)行冷卻,最后流出到作動(dòng)筒無(wú)桿腔。并在傳感器和活塞桿之間的流道中形成冷卻膜,阻止熱量向傳感器內(nèi)部傳遞。

圖3 傳感器冷卻結(jié)構(gòu)

文章設(shè)計(jì)的冷卻結(jié)構(gòu)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油作為冷源的。在燃油進(jìn)入燃燒室燃燒之前,其可作為冷卻介質(zhì)對(duì)矢量噴管作動(dòng)器各核心元件進(jìn)行冷卻。這種設(shè)計(jì)方法不僅可以利用燃油為受熱元件進(jìn)行熱防護(hù),還能提高燃油進(jìn)入燃燒室前的溫度,為燃燒室內(nèi)的著火燃燒提供了保障。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

采用某典型矢量噴管作動(dòng)器作為仿真模型進(jìn)行分析,該結(jié)構(gòu)主要包括筒體、活塞、傳感器、伺服閥、電磁閥、接頭、管嘴等。矢量噴管作動(dòng)器如圖4所示。

圖4 矢量噴管作動(dòng)器

2.2 網(wǎng)格劃分

采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)矢量噴管作動(dòng)器計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)壁面處邊界層進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。為了提高仿真分析的精度和可靠性,進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究,最終確定網(wǎng)格數(shù)量約500萬(wàn)。電磁閥、伺服閥及傳感器具體的網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

2.3 仿真分析

仿真分析時(shí)給定入口的體積流量,出口為壓力出口,出口壓力為0.6 MPa。采用SIMPLE(壓力耦合方程組的半隱式方法)算法,對(duì)動(dòng)量采用二階差分格式,收斂精度10-5,外界環(huán)境溫度為250 ℃。通過(guò)對(duì)矢量噴管作動(dòng)器進(jìn)行不同入口體積流量的熱仿真分析,得到矢量噴管作動(dòng)器三個(gè)核心元器件的溫度分布隨入口體積流量的變化規(guī)律。

2.3.1 電磁閥仿真結(jié)果分析

電磁閥閥芯溫度隨入口體積流量的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知,隨著冷卻燃油進(jìn)口流量的增加,電磁閥閥芯溫度逐漸降低。當(dāng)燃油入口體積流量為0.333 L/min時(shí),電磁閥閥芯溫度為130.05 ℃,該值稍高于電磁閥的最大工作溫度(130 ℃);當(dāng)燃油入口體積流量大于等于0.345 L/min時(shí),電磁閥閥芯溫度滿足技術(shù)指標(biāo)要求,電磁閥可以正常工作。燃油入口體積流量為1.667 L/min時(shí),電磁閥閥芯溫度為127.30 ℃,該值低于電磁閥的最大工作溫度,滿足電磁閥正常工作要求。

圖6 電磁閥閥芯溫度隨燃油入口體積流量的變化規(guī)律

2.3.2 伺服閥仿真結(jié)果分析

伺服閥閥芯溫度隨入口體積流量的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 伺服閥閥芯溫度隨燃油入口體積流量的變化規(guī)律

由圖7可知,隨著燃油入口體積流量的增加,伺服閥閥芯溫度逐漸降低。在燃油入口體積流量為0.333 L/min時(shí),伺服閥閥芯溫度為75.40 ℃;燃油入口體積流量為1.667 L/min時(shí),伺服閥閥芯溫度為74.22 ℃。由此可知,在研究參數(shù)范圍內(nèi),伺服閥閥芯溫度滿足技術(shù)指標(biāo)要求,伺服閥可正常工作。

2.3.3 傳感器仿真結(jié)果分析

傳感器溫度隨入口體積流量的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知,隨著燃油入口體積流量的增加,傳感器溫度逐漸降低,且降低速度逐漸減緩,最終趨于穩(wěn)定。在燃油入口體積流量為1.667 L/min時(shí),傳感器溫度為145.40 ℃,在此工況參數(shù)下,傳感器能夠正常工作。

圖8 傳感器溫度隨燃油入口體積流量的變化規(guī)律

3 試驗(yàn)測(cè)試及方法

3.1 試驗(yàn)臺(tái)

熱試驗(yàn)在部件級(jí)高溫?zé)岘h(huán)境綜合試驗(yàn)臺(tái)上完成,試驗(yàn)臺(tái)主要由供油系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。

3.2 試驗(yàn)方法

外界環(huán)境溫度為常溫25 ℃,將作動(dòng)器固定于試驗(yàn)臺(tái)上,根據(jù)試驗(yàn)條件,通過(guò)電控恒溫箱為試驗(yàn)提供高溫?zé)岘h(huán)境,通過(guò)供油系統(tǒng)提供入口燃油流量,通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)電磁閥、伺服閥和傳感器各元器件的溫度數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

電磁閥試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。試驗(yàn)中,燃油入口油溫為70 ℃、環(huán)境溫度為250 ℃。

圖9 電磁閥熱試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知,隨燃油入口體積流量的增加,電磁閥試驗(yàn)件各測(cè)點(diǎn)溫度隨著燃油入口體積流量的增加而減小,且小流量階段變化幅度較大,在燃油入口體積流量大于0.667 L/min后溫度趨于平緩。

伺服閥試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。試驗(yàn)中,燃油入口油溫為71 ℃、環(huán)境溫度為250 ℃,由圖10可知,隨燃油入口體積流量的增加,伺服閥各測(cè)點(diǎn)溫度呈緩慢下降趨勢(shì)。在最小的燃油入口體積流量下(0.667 L/min),伺服閥能夠滿足250 ℃環(huán)境溫度下的熱防護(hù)需要。

圖10 伺服閥熱試驗(yàn)結(jié)果

傳感器試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,燃油入口油溫70 ℃、環(huán)境溫度250 ℃。由圖可知,在0.2～0.23 L/min范圍內(nèi),傳感器試驗(yàn)件各測(cè)點(diǎn)溫度隨燃油入口體積流量的增大而下降,超出0.2～0.23 L/min范圍的各測(cè)點(diǎn)溫度趨于平緩。說(shuō)明試驗(yàn)達(dá)到了傳感器燃油入口體積流量的最小邊界。傳感器各測(cè)點(diǎn)溫度在0.2～0.23 L/min范圍內(nèi)變化不超過(guò)15 ℃,燃油入口體積流量的變化對(duì)傳感器溫度影響較小。

圖11 傳感器熱試驗(yàn)結(jié)果

4 仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在變?nèi)加腿肟隗w積流量的情況下對(duì)仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究,圖12給出了環(huán)境溫度為250 ℃、入口油溫為70 ℃、入口體積流量在0.33～1.66 L/min的范圍內(nèi)變化時(shí),電磁閥閥芯溫度的仿真值與試驗(yàn)件溫度測(cè)量值的對(duì)比情況。由圖12可見(jiàn),電磁閥閥芯溫度的仿真值和測(cè)量值均隨燃油入口體積流量升高而緩慢降低。

圖12 電磁閥閥芯溫度仿真值與測(cè)量值的對(duì)比

圖13給出了環(huán)境溫度為250℃、燃油入口油溫為71℃、燃油入口體積流量在0.667～1.33 L/min范圍內(nèi)變化時(shí),伺服閥閥芯溫度的仿真值與試驗(yàn)件溫度的測(cè)量值的對(duì)比情況。由圖13可見(jiàn),伺服閥閥芯溫度的仿真值和測(cè)量值隨燃油入口體積流量升高而緩慢降低,仿真值與測(cè)量值吻合良好。

圖14給出了環(huán)境溫度為250 ℃、燃油入口油溫為70 ℃、燃油入口體積流量在0.22～0.78 L/min范圍內(nèi)變化時(shí),傳感器溫度的仿真值與試驗(yàn)件溫度的測(cè)量值的對(duì)比情況。由圖14可見(jiàn),傳感器溫度的仿真值和測(cè)量值隨燃油入口體積流量升高而緩慢降低,仿真值與測(cè)量值吻合良好。

圖14 傳感器溫度仿真值與測(cè)量值的對(duì)比

5 結(jié) 論

文章對(duì)某型矢量噴管作動(dòng)器增加冷卻油路時(shí)進(jìn)行熱仿真分析,并進(jìn)行試驗(yàn)研究。主要得到的結(jié)論如下。

(1) 矢量噴管作動(dòng)器核心元件溫度隨著燃油入口體積流量的增加而降低,當(dāng)燃油入口流量達(dá)到臨界值后,核心元件的溫度變化趨于平緩。

(2) 矢量噴管作動(dòng)器核心元件的仿真值和測(cè)量值吻合良好,各測(cè)點(diǎn)溫度滿足技術(shù)指標(biāo)要求,說(shuō)明該矢量噴管作動(dòng)器的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,為研究類(lèi)似作動(dòng)器熱設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。