內(nèi)腔充液體介質(zhì)對列管式熱交換器振動的影響

劉劍飛　王曉宇　秦海洋　袁超峰

摘 要：列管式熱交換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、操作彈性大、可靠程度高、能承受高壓高溫以及便于管理等，迄今仍是用于航空高溫高壓環(huán)境下的主要熱交換器。隨著飛機(jī)和發(fā)動機(jī)高馬赫數(shù)和高推重比的發(fā)展，它對附件的耐振動需求越來越高，而對產(chǎn)品的質(zhì)量需求則越來越低，這就對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和振動試驗(yàn)方法提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：列管式換熱器;振動;充介質(zhì)

中圖分類號：TQ051.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0050-04

Inner Cavity Filled with Liquid Medium Tube-and-Tube Heat

Exchanger the Effect of Vibration

LIU Jianfei Wang Xiaoyu QIN Haiyang YUAN Chaofeng

（1.Military Representative Office of the Force Equipment in Xinxiang，Xinxiang Henan 453000;2.AVIC Xinhang Aviation Industry（Group） Co.， Ltd.，? Xinxiang Henan 453000）

Abstract： The advantages of the tubular heat exchanger are simple structure， sturdiness and durability， large operating flexibility， high reliability， high pressure and high temperature， easy management， etc. It is still the main heat exchanger used in aviation high temperature and high pressure environment. With the development of aircraft and engines with high Mach numbers and high thrust-to-weight ratios， the requirements for vibration resistance of accessories are becoming higher and higher， and the weight of products is required to be smaller and smaller， which puts forward higher product design and vibration test methods. Requirements.Through theoretical analysis， based on the Workbench structure and strength simulation module， vibration simulation.

Keywords： tube-and-tube heat exchanger;vibration;filling medium

2015年，新航集團(tuán)70%的新研熱交換器在振動試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)故障，其中新研制的鋁制列管式熱交換器在振動試驗(yàn)時(shí)100%出現(xiàn)故障，主要失效模式為散熱管與隔板釬焊處斷裂和開裂導(dǎo)致的泄漏，故障原因包括散熱管自身材料缺陷、腐蝕以及焊接應(yīng)力等[1]。但是，排查分析認(rèn)為，內(nèi)部充滿一定壓力的工作介質(zhì)對列管式熱交換器振動結(jié)果的影響不容忽視。本文分析內(nèi)部充介質(zhì)對列管式熱交換器的影響，以期對后續(xù)類似產(chǎn)品的振動試驗(yàn)提供一定的參考價(jià)值[2]。

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[3-4]。

2 理論分析

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。瑥?qiáng)度降低，同時(shí)生成的熱量會使材料局部強(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，會增加散熱管的剛度，降低散熱管振動引起的變形，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材料強(qiáng)度的影響。

3 仿真分析

3.1 案例

一套XX-80散熱器產(chǎn)品在振動試驗(yàn)后出現(xiàn)散熱管泄漏故障，現(xiàn)對該產(chǎn)品進(jìn)行充液與不充液兩種狀態(tài)下的振動仿真模擬，完成兩種狀態(tài)下的振動仿真對比分析。

3.2 幾何模型

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)對比可行性的基礎(chǔ)上，去除掉24根散熱管，以減小計(jì)算量[5]。仿真幾何模型見圖2。

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)振動方向?qū)⒁栽撟鴺?biāo)系軸向進(jìn)行設(shè)定。

3.4 網(wǎng)格劃分簡述

為了保證兩種狀況仿真結(jié)果對比的可靠性，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)格質(zhì)量評估

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)量評估準(zhǔn)則對該仿真的網(wǎng)格劃分進(jìn)行質(zhì)量評估。評估值越小，意味著網(wǎng)格質(zhì)量越好，見圖5。

3.6 模態(tài)分析

3.6.1 邊界條件。在模態(tài)分析中，對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，還需要對液體模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，見圖7。

3.6.2 結(jié)果分析。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)振動分析

3.7.1 邊界條件。在隨機(jī)振動中，輸入的激勵(lì)為功率譜密度（Power Spectral Density，OSD）譜值，見圖12。

3.7.2 結(jié)果分析。隨機(jī)振動中，主要查看結(jié)果為等效應(yīng)力結(jié)果，現(xiàn)將兩種狀態(tài)的等效應(yīng)力結(jié)果列出，以作對比。

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 試驗(yàn)對比

燃滑油散熱器為鋁制列管式散熱器，在進(jìn)行耐久性振動試驗(yàn)時(shí)，每軸向完成2 h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)會降低振動對產(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)行振動試驗(yàn)，產(chǎn)品完成了每軸向20 h的耐久振動，大幅度提高了產(chǎn)品耐振動試驗(yàn)的能力，更符合產(chǎn)品的實(shí)際使用情況。

5 結(jié)論

通過以上理論分析和試驗(yàn)對比可以得出以下結(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)的阻尼值會提高，隨著阻尼值的增大，產(chǎn)品的振動必定會降低。

③在動力學(xué)中，液體壓力變化影響著液體密度，而密度的改變會影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(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)能有效減少振動對散熱管的破壞。

振動破壞對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;而對于振動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體介質(zhì)對列管式散熱器振動較為有利。

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