航空高溫高壓環(huán)境下列管式熱交換器的應(yīng)用

航空高溫高壓環(huán)境下列管式熱交換器的應(yīng)用

2015年，新航集團(tuán)70%的新研熱交換器在振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)故障。其中，新開發(fā)的列管式熱交換器在振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)故障。主要失敗模式是由于發(fā)熱管和焊接槽之間的焊接和斷裂造成的泄漏。故障原因包括發(fā)熱管本身材料的缺陷、腐蝕和焊接強(qiáng)度。1結(jié)構(gòu)如圖1所示，列管式熱交換器主要包括端板、散熱管、隔板以及殼體（可無）等。芯體通常采用整體釬焊而成，部分產(chǎn)品也通過脹接方式形成芯體2不同有效管對(duì)散濕熱管的影響為了保證散熱管能順利穿過多個(gè)隔板，一般芯體隔板的孔徑會(huì)比較大，造成釬焊時(shí)散熱管不能全部與隔板釬焊，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和釬劑殘留。應(yīng)力集中容易造成散熱管在振動(dòng)時(shí)局部應(yīng)力過大，從而引發(fā)疲勞失效。完全不釬焊時(shí)，散熱管在單位長度內(nèi)約束點(diǎn)較少，容易增加散熱管的擺幅，造成其與隔板摩擦。摩擦?xí)斐缮峁懿牧暇植孔儽?，?qiáng)度降低，同時(shí)生成的熱量會(huì)使材料局部強(qiáng)度下降，造成散熱管損壞。當(dāng)散熱管內(nèi)部充入一定壓力的介質(zhì)后，液體不可壓縮，會(huì)增加散熱管的剛度，降低散熱管振動(dòng)引起的變形，增加散熱管的抗疲勞能力。當(dāng)散熱管外部充入一定壓力的介質(zhì)后，液體的阻尼系數(shù)要高于空氣的阻尼系數(shù)，因此會(huì)降低散熱管的擺幅，減小散熱管與隔板的摩擦。同時(shí)，液體會(huì)始終充斥在散熱管與隔板之間，起到潤滑和散熱的作用，從而降低摩擦和熱對(duì)材料強(qiáng)度的影響。3模擬分析3.1不同充液狀態(tài)下振動(dòng)仿真模擬一套XX-80散熱器產(chǎn)品在振動(dòng)試驗(yàn)后出現(xiàn)散熱管泄漏故障，現(xiàn)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行充液與不充液兩種狀態(tài)下的振動(dòng)仿真模擬，完成兩種狀態(tài)下的振動(dòng)仿真對(duì)比分析。3.2模態(tài)分析的不足XX-80為列管式散熱器，含散熱管28根。充液下模態(tài)分析（簡稱濕模態(tài)）對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高，現(xiàn)有硬件配置不能滿足計(jì)算要求。為此，在保證兩種狀態(tài)對(duì)比可行性的基礎(chǔ)上，去除掉24根散熱管，以減小計(jì)算量3.3坐標(biāo)系的建立仿真環(huán)境中的坐標(biāo)系建立見圖3，后續(xù)的隨機(jī)振動(dòng)方向?qū)⒁栽撟鴺?biāo)系軸向進(jìn)行設(shè)定。3.4網(wǎng)絡(luò)劃分簡要說明為了保證兩種狀況仿真結(jié)果對(duì)比的可靠性，使這兩種模型設(shè)定的網(wǎng)格尺寸大小、網(wǎng)格單元類型均保持一致，網(wǎng)格劃分見圖4。3.5網(wǎng)格劃分的確性網(wǎng)格質(zhì)量好壞直接影響仿真計(jì)算結(jié)果的精確性，現(xiàn)依據(jù)Skewness質(zhì)量評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)該仿真的網(wǎng)格劃分進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。評(píng)估值越小，意味著網(wǎng)格質(zhì)量越好，見圖5。3.6模型分析3.6.1邊境條件在模態(tài)分析中，對(duì)于不充液模型只需要施加約束條件即可，見圖6。而充液模型在施加約束條件的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)液體模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，見圖7。3.6.2不充液模型和充液模型的模態(tài)振型不充液模型和充液模型前10階固有頻率分別如圖8和圖9所示。不充液模型和充液模型前3階模態(tài)振型分別如圖10和圖11所示。通過以上模態(tài)分析結(jié)果可以看出，充液下產(chǎn)品的固有頻率要小于未充液下產(chǎn)品固有頻率，且前幾階模態(tài)主要集中在散熱管零件。3.7隨機(jī)振動(dòng)分析3.7.1邊境條件3.7.2液體注入比的確定不充液狀態(tài)和充液狀態(tài)下的散熱管等效應(yīng)力結(jié)果，分別如圖13和圖14所示。將兩種狀態(tài)下的等效應(yīng)力結(jié)果列表對(duì)比，結(jié)果見表1。表1的等效應(yīng)力結(jié)果是在阻尼比設(shè)定均為0.02前提下得到的。研究發(fā)現(xiàn)，液體的注入會(huì)加大散熱管結(jié)構(gòu)模態(tài)的阻尼值。從模態(tài)結(jié)果可以看出，前幾階模態(tài)主要集中在散熱管零件，充液模型的等效應(yīng)力結(jié)果隨著阻尼值的加大必定會(huì)降低，因此實(shí)際充液下產(chǎn)品的阻尼值要大于未充液產(chǎn)品，充液下產(chǎn)品的應(yīng)力值則小于未充液產(chǎn)品。4改變芯體邊界，增加內(nèi)腔管理燃滑油散熱器為鋁制列管式散熱器，在進(jìn)行耐久性振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，每軸向完成2h試驗(yàn)后，產(chǎn)品即發(fā)生散熱管斷裂引起的串腔故障。經(jīng)分解檢查，散熱管與隔板接觸處發(fā)生斷裂，斷裂處有明顯摩擦痕跡，斷口檢查為疲勞斷裂。起初分析認(rèn)為芯體隔板數(shù)較少，對(duì)散熱管約束較少，造成散熱管擺幅較大引起疲勞失效。因此，對(duì)芯體進(jìn)行改進(jìn)，增加了隔板數(shù)量。改進(jìn)后，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證沒有明顯效果。后經(jīng)詳細(xì)分析認(rèn)為，產(chǎn)品內(nèi)腔充入一定壓力的工作介質(zhì)會(huì)降低振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品內(nèi)腔散熱管的破壞作用。隨后抽取了一套產(chǎn)品將兩腔均充入工作介質(zhì)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，產(chǎn)品完成了每軸向20h的耐久振動(dòng)，大幅度提高了產(chǎn)品耐振動(dòng)試驗(yàn)的能力，更符合產(chǎn)品的實(shí)際使用情況。5內(nèi)腔充入液體介質(zhì)的作用機(jī)理通過以上理論分析和試驗(yàn)對(duì)比可以得出以下結(jié)論。①充液后產(chǎn)品的固有頻率要小于未充液產(chǎn)品，且振動(dòng)主要集中在散熱管零件。②在阻尼比設(shè)定均為0.02的前提下，兩種狀態(tài)的等效應(yīng)力結(jié)果基本一致，但實(shí)際充液后產(chǎn)品散熱管模態(tài)的阻尼值會(huì)提高，隨著阻尼值的增大，產(chǎn)品的振動(dòng)必定會(huì)降低。③在動(dòng)力學(xué)中，液體壓力變化影響著液體密度，而密度的改變會(huì)影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，由于液體可壓縮性較小，密度隨壓力變化較小，因此壓力的影響作用較小。④通過試驗(yàn)對(duì)比，列管式產(chǎn)品內(nèi)腔充入一定壓力的液體工作介質(zhì)能有效減少振動(dòng)對(duì)散熱管的破壞。振動(dòng)破壞對(duì)熱交換器以及其他產(chǎn)品的影響已經(jīng)嚴(yán)重影響了單位產(chǎn)品的研制進(jìn)度。產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)的不足，工藝方法的不完善，原材料和工裝設(shè)計(jì)的缺陷等顯性因素，可以通過學(xué)習(xí)和改進(jìn)逐步完善；而對(duì)于振動(dòng)引起破壞的隱形因素，需要更深入地了解其作用機(jī)理。經(jīng)理論分析、仿真分析及部分試驗(yàn)驗(yàn)證，內(nèi)腔充入一定壓力的液