航空高温高压环境下列管式热交换器的应用

航空高温高压环境下列管式热交换器的应用

2015年，新航集团70%的新研热交换器在振动试验中出现故障。其中，新开发的列管式热交换器在振动试验中出现故障。主要失败模式是由于发热管和焊接槽之间的焊接和断裂造成的泄漏。故障原因包括发热管本身材料的缺陷、腐蚀和焊接强度。1结构如图1所示，列管式热交换器主要包括端板、散热管、隔板以及壳体（可无）等。芯体通常采用整体钎焊而成，部分产品也通过胀接方式形成芯体2不同有效管对散湿热管的影响为了保证散热管能顺利穿过多个隔板，一般芯体隔板的孔径会比较大，造成钎焊时散热管不能全部与隔板钎焊，容易产生应力集中和钎剂残留。应力集中容易造成散热管在振动时局部应力过大，从而引发疲劳失效。完全不钎焊时，散热管在单位长度内约束点较少，容易增加散热管的摆幅，造成其与隔板摩擦。摩擦会造成散热管材料局部变薄，强度降低，同时生成的热量会使材料局部强度下降，造成散热管损坏。当散热管内部充入一定压力的介质后，液体不可压缩，会增加散热管的刚度，降低散热管振动引起的变形，增加散热管的抗疲劳能力。当散热管外部充入一定压力的介质后，液体的阻尼系数要高于空气的阻尼系数，因此会降低散热管的摆幅，减小散热管与隔板的摩擦。同时，液体会始终充斥在散热管与隔板之间，起到润滑和散热的作用，从而降低摩擦和热对材料强度的影响。3模拟分析3.1不同充液状态下振动仿真模拟一套XX-80散热器产品在振动试验后出现散热管泄漏故障，现对该产品进行充液与不充液两种状态下的振动仿真模拟，完成两种状态下的振动仿真对比分析。3.2模态分析的不足XX-80为列管式散热器，含散热管28根。充液下模态分析（简称湿模态）对计算机硬件要求较高，现有硬件配置不能满足计算要求。为此，在保证两种状态对比可行性的基础上，去除掉24根散热管，以减小计算量3.3坐标系的建立仿真环境中的坐标系建立见图3，后续的随机振动方向将以该坐标系轴向进行设定。3.4网络划分简要说明为了保证两种状况仿真结果对比的可靠性，使这两种模型设定的网格尺寸大小、网格单元类型均保持一致，网格划分见图4。3.5网格划分的确性网格质量好坏直接影响仿真计算结果的精确性，现依据Skewness质量评估准则对该仿真的网格划分进行质量评估。评估值越小，意味着网格质量越好，见图5。3.6模型分析3.6.1边境条件在模态分析中，对于不充液模型只需要施加约束条件即可，见图6。而充液模型在施加约束条件的基础上，还需要对液体模型进行参数设置，见图7。3.6.2不充液模型和充液模型的模态振型不充液模型和充液模型前10阶固有频率分别如图8和图9所示。不充液模型和充液模型前3阶模态振型分别如图10和图11所示。通过以上模态分析结果可以看出，充液下产品的固有频率要小于未充液下产品固有频率，且前几阶模态主要集中在散热管零件。3.7随机振动分析3.7.1边境条件3.7.2液体注入比的确定不充液状态和充液状态下的散热管等效应力结果，分别如图13和图14所示。将两种状态下的等效应力结果列表对比，结果见表1。表1的等效应力结果是在阻尼比设定均为0.02前提下得到的。研究发现，液体的注入会加大散热管结构模态的阻尼值。从模态结果可以看出，前几阶模态主要集中在散热管零件，充液模型的等效应力结果随着阻尼值的加大必定会降低，因此实际充液下产品的阻尼值要大于未充液产品，充液下产品的应力值则小于未充液产品。4改变芯体边界，增加内腔管理燃滑油散热器为铝制列管式散热器，在进行耐久性振动试验时，每轴向完成2h试验后，产品即发生散热管断裂引起的串腔故障。经分解检查，散热管与隔板接触处发生断裂，断裂处有明显摩擦痕迹，断口检查为疲劳断裂。起初分析认为芯体隔板数较少，对散热管约束较少，造成散热管摆幅较大引起疲劳失效。因此，对芯体进行改进，增加了隔板数量。改进后，经试验验证没有明显效果。后经详细分析认为，产品内腔充入一定压力的工作介质会降低振动对产品内腔散热管的破坏作用。随后抽取了一套产品将两腔均充入工作介质进行振动试验，产品完成了每轴向20h的耐久振动，大幅度提高了产品耐振动试验的能力，更符合产品的实际使用情况。5内腔充入液体介质的作用机理通过以上理论分析和试验对比可以得出以下结论。①充液后产品的固有频率要小于未充液产品，且振动主要集中在散热管零件。②在阻尼比设定均为0.02的前提下，两种状态的等效应力结果基本一致，但实际充液后产品散热管模态的阻尼值会提高，随着阻尼值的增大，产品的振动必定会降低。③在动力学中，液体压力变化影响着液体密度，而密度的改变会影响产品结构的动态特性，由于液体可压缩性较小，密度随压力变化较小，因此压力的影响作用较小。④通过试验对比，列管式产品内腔充入一定压力的液体工作介质能有效减少振动对散热管的破坏。振动破坏对热交换器以及其他产品的影响已经严重影响了单位产品的研制进度。产品自身设计的不足，工艺方法的不完善，原材料和工装设计的缺陷等显性因素，可以通过学习和改进逐步完善；而对于振动引起破坏的隐形因素，需要更深入地了解其作用机理。经理论分析、仿真分析及部分试验验证，内腔充入一定压力的液