電子控制器3D打印燃油冷板的設計與優(yōu)化*

趙 亮，周 堯，吳 波，張豐華

(西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著飛機任務要求增多，航空發(fā)動機設計更加復雜，可調(diào)節(jié)的部位越來越多，發(fā)動機輸入和輸出參數(shù)的數(shù)量不斷增加，控制變量從10～12個增至20多個，要求發(fā)動機電子控制器具有更強的計算能力、邏輯功能和更高的控制精度。發(fā)動機電子控制器在航空發(fā)動機系統(tǒng)中占有非常重要的地位，其性能優(yōu)劣直接影響到發(fā)動機及飛機的性能，為了不斷滿足發(fā)動機發(fā)展的需求，未來電子控制器的發(fā)展目標是提高性能、減輕質(zhì)量，耐惡劣環(huán)境、提高可靠性和維護性[1]。筆者針對電子控制器設計了一種3D打印燃油液冷板，對燃油冷板結(jié)構(gòu)設計、仿真優(yōu)化、3D打印制造、實驗測試進行了介紹，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)動機電子控制器燃油液冷結(jié)構(gòu)設計提供技術指導。

1 電子控制器燃油冷板結(jié)構(gòu)需求

發(fā)動機控制系統(tǒng)從20世紀40年代簡單的機械液壓燃油控制系統(tǒng)發(fā)展到全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)(FADEC)，其主要是利用計算機數(shù)字運算能力實現(xiàn)對發(fā)動機的控制。

隨著發(fā)動機任務剖面更多，結(jié)構(gòu)愈發(fā)復雜，電子控制器控制信號增加，性能提升，功耗不斷增加。同時在繁多與復雜飛行任務要求下，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)動機工作溫度可能達到650 ℃[2]。電子控制功耗增加、外部環(huán)境條件更加惡劣，其散熱面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)，使用液冷散熱成了更加有效的方式。

飛機燃油熱管理系統(tǒng)[3]如圖1所示，飛機發(fā)動機的FADEC采用飛機燃油進行冷卻，燃油將電子控制器中的熱量帶出，達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)動機電子控制器的質(zhì)量大約占發(fā)動機質(zhì)量的15%～20%左右，因此，要減輕發(fā)動機的質(zhì)量，提高發(fā)動機推重比，減輕發(fā)動機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)設計

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)，上下兩個側(cè)板為燃油冷板，燃油從液冷接頭流入，分別進入上下兩個燃油冷板，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，芯片將熱量通過導熱墊傳導到模塊殼體上，再由模塊殼體將芯片熱量傳導到燃油冷板上。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入的熱量帶出電子控制器，達到高效散熱的目的。

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，無法設計更加復雜或者異型結(jié)構(gòu)的流道，冷板的換熱性能已經(jīng)達到設計極限。同時，由于有焊縫存在，需要保證強度要求，冷板壁厚較厚，冷板的質(zhì)量已經(jīng)達到設計極限。

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，針對高換熱性能的需求，冷板內(nèi)流道可設計為異型結(jié)構(gòu)，增強換熱性能，降低流阻；針對質(zhì)量更輕的需求，流道可以進行異型設計，不需要焊接后，在保證強度的前提下結(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)，燃油從入口進入冷板，從出口流出，燃油與冷板進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)設計有梯度桁架結(jié)構(gòu)以增強擾流換熱能力，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)

通過仿真進行優(yōu)化設計，提高換熱性能的同時，降低流道壓力損失，降低質(zhì)量成為優(yōu)化的目標。仿真分析不同流道結(jié)構(gòu)對燃油冷板散熱性能以及流道壓力損失的影響，對液冷板進行性能優(yōu)化。針對梯度桁架結(jié)構(gòu)中寬度方向間距m，長度方向間距n，梯柱底圓直徑a，梯度頂圓直徑b進行參數(shù)優(yōu)化設計。最終得到寬度方向間距m=10，長度方向間距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，換熱效果、流阻、質(zhì)量指標最優(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處導軌各60 W，外表面輻射熱量360 W，總功耗720 W時，冷板導軌表面的溫度最高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)量僅為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%，達到了高換熱性能、低流阻、低重量的目標。

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，能夠適應不同環(huán)境下的使用要求及可靠性要求。

針對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)機械加工難以成行的問題。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)無釬料焊縫及焊接面，不存在燃油泄漏的風險。

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X射線進行透視檢測，采用X射線檢測其內(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，沒有出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，滿足設計要求。

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驗測試

電子控制器樣機進行高溫試驗原理如圖8所示。將電子控制器樣機放置于高溫箱中，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連接到測溫儀上，將線纜2連接到直流電源正負極。將管路1和管路2分別連接到冷水機出水口和回水口。

圖8 高溫試驗原理

由測試結(jié)果可知，在環(huán)境空氣溫度350 ℃，冷卻液供液溫度61 ℃，樣機熱功耗351 W時，樣機內(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

通過電子控制器3D打印燃油冷板結(jié)構(gòu)設計、仿真優(yōu)化、3D打印制造、實驗測試可以看出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。3D打印燃油冷板一體成型燒結(jié)而成，沒有焊縫，相比傳統(tǒng)焊接冷板可靠性更高，通過了350℃高溫試驗測試。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)需求設計優(yōu)化通道內(nèi)特征結(jié)構(gòu)，提高燃油冷板的綜合性能。