某型回?zé)崞鞔﹩栴}分析及改進(jìn)

牛樹華

（海軍裝備部裝備審價中心，北京 100071）

回?zé)崞鲝V泛應(yīng)用于飛機環(huán)控系統(tǒng)的制冷組件，能夠利用雙級換熱器熱邊出口的熱空氣對經(jīng)過水分離器分區(qū)游離水的空氣進(jìn)行回溫，以提高渦輪進(jìn)口溫度。本文所述的回?zé)崞鞑捎娩X制板翅式結(jié)構(gòu)，將隔板、翅片、封條、側(cè)板層層疊置，然后整體釬焊而成。產(chǎn)品為濕熱換熱器，在其芯體內(nèi)，冷熱氣流通過翅片和隔板進(jìn)行熱量交換，冷氣流溫度升高，熱氣流溫度降低，并有游離水析出。該回?zé)崞髟谑褂眠^程中出現(xiàn)了產(chǎn)品芯體最底層熱邊加強翅片及隔板斷裂，隔板內(nèi)凹，熱邊、冷邊串漏，部分故障件可見側(cè)板出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。

1 問題原因及定位

對回?zé)崞鞴收霞M(jìn)行分解，取斷裂翅片進(jìn)行斷口分析，顯微鏡下可見斷裂處有明顯的塑性變形。底層通道加強翅片為拉伸過載斷裂，未發(fā)現(xiàn)斷口表面有腐蝕和疲勞痕跡，未發(fā)現(xiàn)脫焊等焊接缺陷。隔板向冷氣通道彎曲變形并局部開裂導(dǎo)致泄漏（熱冷邊串漏），開裂區(qū)隔板表面未見腐蝕元素，翅片及焊縫也未見腐蝕現(xiàn)象。破壞區(qū)局部壓力較高或者存在壓力異常升高現(xiàn)象是芯體失效的主要原因。

1.1 底事件排查

（1）回?zé)崞鞲舭搴穸群统崞穸染鶟M足設(shè)計要求，并通過了環(huán)境適應(yīng)性試驗、10 000次壓力循環(huán)試驗和極限壓力試驗。

（2）回?zé)崞鲾嗫诜治鑫窗l(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，芯體材料為防銹鋁3A21，產(chǎn)品內(nèi)腔經(jīng)整體化學(xué)氧化，可耐受積水環(huán)境。

（3）將回?zé)崞鳠徇吋铀]底層翅片，然后將回?zé)崞髌街糜诘蜏叵鋬?nèi)，開啟試驗箱，以10 ℃·min-1的降溫速度降溫至-55 ℃，保持4 h，恢復(fù)至室溫后取出回?zé)崞鬟M(jìn)行泄露試驗檢查。重復(fù)上述過程，共進(jìn)行3個循環(huán)12 h的低溫結(jié)冰試驗，回?zé)崞鳠o泄露，芯體完好。

（4）回?zé)崞餍倔w翅片原材料為常規(guī)鋁合金材料3A12-O，廣泛用于各類板翅式熱交換器產(chǎn)品，材料合格。

（5）翅片零件尺寸要按照質(zhì)量程序嚴(yán)格控制，若尺寸不合格會直接導(dǎo)致芯體脫焊等焊接缺陷。檢查回?zé)崞髦圃爝^程，其焊接參數(shù)均符合工藝要求，故障件未發(fā)現(xiàn)脫焊等焊接缺陷。

（6）焊接回?zé)崞魉褂玫男倔w釬焊設(shè)備固定，且嚴(yán)格執(zhí)行周期定檢制度，設(shè)備運行狀態(tài)良好。

（7）回?zé)崞鹘?jīng)過一段時間工作，底層翅片有一定量的水積存。在某些工況下，熱邊流量還未達(dá)到設(shè)計流量，而且空氣流場在芯體中分布并不均勻。芯體中心位置通過的空氣流量較多，芯體底層翅片通過的流量很少。芯體底層積水與來流空氣在鋸齒形翅片通道內(nèi)混合，存在產(chǎn)生空化作用的物理條件。大量氣泡在節(jié)距為1.4 mm的鋸齒形翅片所形成的狹窄通道內(nèi)瞬間產(chǎn)生和破滅，對薄壁的翅片和隔板產(chǎn)生較大沖擊壓力而發(fā)生過載斷裂。

通過對相關(guān)文獻(xiàn)的研究[1-2]，根據(jù)故障樹分析，可排除產(chǎn)品設(shè)計缺陷、環(huán)境腐蝕、材料不合格以及焊接缺陷等因素。導(dǎo)致翅片斷裂、芯體串漏的原因是在特定工況下通道內(nèi)的積水快速凍結(jié)造成局部瞬時高壓，芯體熱邊底層加強翅片、隔板過載斷裂。

1.2 具體原因分析

回?zé)崞鳠徇叺讓映崞ǖ篱L期積水，產(chǎn)品停止工作時，熱邊沒有熱空氣流過，當(dāng)環(huán)境溫度降至0 ℃以下時，底層通道中的積水可能會結(jié)冰。芯體內(nèi)部普通翅片厚度為0.12 mm，其強度明顯弱于厚度為0.2 mm的加強翅片，而芯體損壞卻發(fā)生在最底層加強翅片層，可判斷該層通道短時超壓與積水有關(guān)。

因芯體底層通道尺寸較大，在某些條件下，通道積水結(jié)冰速度過快，在局部區(qū)域可能形成密閉空間。底層通道為錯列鋸齒形翅片通道，內(nèi)部均布的錯列毛刺形翅片構(gòu)成了粗糙表面。在水、空氣兩相混合流動條件下，在錯列長度為3 mm的錯列鋸齒形翅片的錯列位置處，翅片邊界壁面容易附著大量氣泡。積水快速結(jié)冰、體積膨脹，從而對局部密閉空間的氣泡形成快速擠壓，造成局部短時沖擊性壓力，超過了壁面材料的最大承壓能力，最終導(dǎo)致翅片過載斷裂。

2 問題機理分析

2.1 通道積水機理分析

某型機回?zé)崞鳛闈駸釗Q熱器，其位置在制冷組件下部。在制冷組件停機時，空氣中的水會冷凝回流至芯體的最下層。因為熱邊加強翅片位于芯體的最底部，所以該層通道會長期積水。

為驗證以上分析，進(jìn)行了積水量試驗：控制系統(tǒng)出口溫度為3～7 ℃，制冷組件入口中每千克空氣的含水量為21～23 g，達(dá)到控制參數(shù)要求并保持性能參數(shù)穩(wěn)定運行0.5 h。停止運轉(zhuǎn)0.5 h后拆下產(chǎn)品，測量內(nèi)腔含水的產(chǎn)品質(zhì)量，減去產(chǎn)品自身質(zhì)量后即為內(nèi)腔積水量。通過2次測量取平均數(shù)，測得產(chǎn)品內(nèi)腔積水量為453 g。按相同性能參數(shù)保持穩(wěn)定運行1 h，停止運轉(zhuǎn)0.5 h后拆下新狀態(tài)產(chǎn)品并稱重，測得內(nèi)腔積水量為387 g，因此可確認(rèn)積水量不會隨運行時間增加而增加，積水量與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和空氣流量及含濕量相關(guān)，與工作時長無關(guān)。

2.2 空化現(xiàn)象導(dǎo)致翅片斷裂的機理分析

芯體底層通道為錯列鋸齒形翅片通道，內(nèi)部均布的錯列毛刺形翅片構(gòu)成了粗糙表面，可增加流體邊界層的紊動強度。在粗糙表面所構(gòu)成的內(nèi)流場中，水和空氣兩相流混合時，存在發(fā)生空化現(xiàn)象的物理條件。在特定積水量、特定空氣流量、特定壓力所造成的特殊瞬時工況條件下，水和來流氣體混合會產(chǎn)生大量氣泡，從而在底層鋸齒形翅片所構(gòu)成的粗糙通道內(nèi)發(fā)生空化現(xiàn)象，使大量氣泡附著在錯列長度為3 mm的錯列鋸齒形翅片錯列位置處的翅片邊界壁面。它的錯列長度越小，節(jié)距越小，暴露在流體中毛刺形的翅片邊界壁面越多，附著的氣泡就越多。

隨機性和群泡性是空化現(xiàn)象的特點，因為氣核運動是隨機的，壓力場變化也是隨機的，所以單個氣核的空化行為是隨機的，而且液體中的氣核也比較多。液體中的空化現(xiàn)象就是由數(shù)目眾多、有不同初始尺度和不同初始空間位置的氣核在流體動力作用下產(chǎn)生的各種運動匯集而成的，因此空化現(xiàn)象是群泡的總體現(xiàn)象。每臺回?zé)崞餍倔w發(fā)生底層翅片斷裂的位置是隨機的，這也體現(xiàn)了空化現(xiàn)象的隨機性。

影響空化發(fā)展的因素很多，主要有物體因素（流場幾何形貌和表面粗糙狀況）、流場參數(shù)（來流壓力和流速）以及水質(zhì)條件（氣核分布和溶解氣體含量）等。上述物理條件因素也決定了故障的破壞程度。例如：芯體串漏故障件均發(fā)生了翅片和隔板斷裂；隔板向冷空氣通道彎曲的現(xiàn)象，故障范圍均為20～30 mm；部分故障件2.5 mm的側(cè)板發(fā)生明顯塑形變形而鼓包，但側(cè)板均未發(fā)生破裂。

從回?zé)崞鲗嶋H承壓能力和故障率可以判斷，只有在系統(tǒng)中出現(xiàn)極限高壓，空氣來流壓力異常，且積水量滿足發(fā)生空化水質(zhì)條件的情況下，空化現(xiàn)象才得以發(fā)生和發(fā)展。在這種情況下，在底層鋸齒形翅片通道的局部區(qū)域會產(chǎn)生數(shù)倍于空氣來流壓力的沖擊性高壓，從而導(dǎo)致芯體翅片過載斷裂。

2.3 積水結(jié)冰導(dǎo)致短時高壓機理分析

利用紫銅管作為試驗件，其外徑為6 mm，壁厚為0.6 mm，最大承壓為7.8 MPa。銅管兩側(cè)帶有充注用針閥，用于水的充注和測壓。銅管上側(cè)針閥處安裝有壓力傳感器，壓力傳感器最大量程為5 MPa，破壞壓強為7.5 MPa，用于測量結(jié)冰過程中氣泡的壓強變化。

試驗過程中：首先，在常壓條件下用針頭向銅管中加入定量的水，如初始加入40%的水，初始?xì)庵急?0%；其次，密封銅管，并用水壓機通過針閥向銅管內(nèi)打水，使壓強升高到0.6 MPa（回?zé)崞髡９ぷ鲏毫Γ蛔詈?，向銅管噴射-40 ℃的冷氣，同時檢測頂部氣泡的壓強。結(jié)果表明，在冷凍結(jié)冰過程中，隨著冰的體積膨脹（體積膨脹率為1.09），氣泡體積被快速壓縮，氣泡內(nèi)壓強快速上升，且氣泡體積越小，冰膨脹的空間越小，從而使氣泡內(nèi)壓強越高，壓強增速越快。當(dāng)初始?xì)庵急葹?5%和50%時（結(jié)冰前氣柱占比分別為9.2%和8.3%），氣泡壓強均達(dá)到了壓力傳感器的上限（5 MPa）。

當(dāng)初始?xì)庵急葹?5%時，結(jié)冰后銅管頂部氣泡處出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，證明氣泡內(nèi)壓強增大使銅管出現(xiàn)了塑性變形。當(dāng)初始?xì)庵急葹?0%時，結(jié)冰后銅管頂部氣泡處爆裂，說明氣泡內(nèi)壓強超過了銅管的最大承壓（約7.8 MPa）。兩種情況下銅管的實際情況如圖1所示。

圖1 結(jié)冰后銅管鼓包、爆裂圖片

2.3 機理分析結(jié)論

將紫銅管原理性故障再現(xiàn)試驗與回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)和工況條件相結(jié)合，可以得出如下結(jié)論：在底層鋸齒形翅片通道存在大量積水的條件下，遇極冷環(huán)境（冷邊溫度低或高空低溫環(huán)境）時，積水快速結(jié)冰，并在結(jié)冰過程中形成局部密閉空間，聚集在翅片毛刺形邊界的大量氣泡被體積膨脹的冰快速擠壓，在狹窄通道（節(jié)距僅為1.4 mm）內(nèi)形成超過壁面材料最大承壓能力的沖擊性壓力，短時內(nèi)即會出現(xiàn)翅片、隔板過載斷裂的情況。

3 改進(jìn)措施

針對翅片過載斷裂而導(dǎo)致的芯體內(nèi)漏故障，可采取以下解決措施。

（1）增強芯體組件最外兩層流道的翅片，將加強翅片進(jìn)行改型，由原來切口較多的鋸齒形翅片改為整體無切口的平直形翅片，翅片厚度由原來的0.2 mm增加至0.5 mm，翅片節(jié)距由原來的1.4 mm增加至4.2 mm，從而增大水力半徑，減小流動阻力。

（2）產(chǎn)品整體增加浸涂X-75351H環(huán)氧酯涂層，提高產(chǎn)品的耐腐蝕能力，同時使壁面更為光滑，抑制氣泡聚集。

通過以上兩方面改進(jìn)，可以實現(xiàn)如下效果。

（1）降低了氣泡在通道翅片上附著聚集的程度?；?zé)崞鞯讓佑射忼X形翅片改為平直形翅片，節(jié)距為4.2 mm，水力直徑為4.58 mm，能夠使流道順暢。同樣流量條件下，流動阻力（相同流量下摩擦阻力降低為鋸齒通道的1/10）和表面張力（韋伯?dāng)?shù)增大2.3倍）大幅降低，同時浸涂X-7535H環(huán)氧酯涂層能夠使表面更光滑，翅片上的氣泡很容易排出，從而大幅降低氣泡在通道翅片上附著聚集的概率，從源頭上降低發(fā)生結(jié)冰爆裂的概率。

（2）降低了形成密閉冷凍空間的概率。新老狀態(tài)產(chǎn)品積水量比對試驗表明，新產(chǎn)品積水量更少，積水不會淹沒底層，形成密閉冷凍空間的概率大幅降低。利用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬的同等條件下（冷空氣-20 ℃，外側(cè)對流換熱系數(shù)為200 W·m-2·K-1）鋸齒形翅片和平直翅片結(jié)冰速率動態(tài)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的平直翅片內(nèi)結(jié)冰速率更慢，需要更長時間才會完全結(jié)冰占滿通道，從而形成密閉空間。新產(chǎn)品翅片節(jié)距為4.2 mm，冰層生長占滿通道的時間增加了3倍以上，難以形成密閉冷凍空間，大幅降低了結(jié)冰爆裂的可能性。

4 結(jié)語

本文通過對回?zé)崞鞒崞脑O(shè)計方法進(jìn)行改進(jìn)，解決了產(chǎn)品芯體熱邊底層加強翅片過載斷裂引起的芯體串漏問題。該問題的發(fā)生說明在設(shè)計過程中對某些特定工作環(huán)境考慮不足，對類似產(chǎn)品的研制具有借鑒意義。