飛機(jī)燃油系統(tǒng)活門關(guān)閉特性分析和試驗(yàn)研究

郭衍鋒， 張小軍， 潘 俊， 韓貞榮， 邱在輝， 苗 揚(yáng),3

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部， 北京 100124； 2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán) 南京機(jī)電液壓工程研究中心， 南京, 江蘇 211106;3.北京工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

引言

燃油系統(tǒng)是飛機(jī)上的重要系統(tǒng)[1]，飛機(jī)燃油活門在飛機(jī)燃油系統(tǒng)擔(dān)任重要角色，更是許多流體動(dòng)力系統(tǒng)中的不可或缺的組件。早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)報(bào)道了活門的動(dòng)態(tài)建模[2]，SONG X等[3]使用CFX套件對(duì)泄壓活門進(jìn)行二維動(dòng)態(tài)分析;李躍東等[4]嘗試對(duì)調(diào)節(jié)關(guān)斷活門的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì); SRIKANTH C等[5]使用移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)常見的4類活門進(jìn)行了研究，但兩者都沒有對(duì)關(guān)閉過程的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究。齊曉燕等[6]、柳海波等[7]對(duì)航空飛機(jī)的液壓管路進(jìn)行了仿真分析和研究，取得了一些進(jìn)展，但是在大流量大壓力情況下并不適用。孫曉鋒等[8]對(duì)壓電泵用截止活門的最小開啟壓力和靜態(tài)過流能力做了分析試驗(yàn)，結(jié)果表明0.2 kPa時(shí)就可以開始工作，但是流量和壓力都相對(duì)較小。顯然在21世紀(jì)，低流量、低壓力已經(jīng)不能滿足當(dāng)代飛機(jī)燃油系統(tǒng)的需求[9]。在飛機(jī)活門故障的研究中，鄧江[10]和葛俊等[11]對(duì)活門故障進(jìn)行了分析，提出只有提前排除飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障，才能保障飛行安全。研究發(fā)現(xiàn)，在大流量大壓力的條件下，飛機(jī)燃油活門的安全性能十分不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)各種故障情況，從而導(dǎo)致意外事故頻發(fā)[12-14]，因此對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)活門進(jìn)行研究是十分有必要的[15]。

本研究針對(duì)活門故障問題進(jìn)行流固耦合仿真，分析活門在關(guān)閉過程的瞬態(tài)特性，得出影響活門故障和活門壽命的主要因素，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行活門關(guān)閉試驗(yàn)。

1 流固耦合計(jì)算

在進(jìn)行流固耦合計(jì)算時(shí)，有限元解法是求解該問題的主要算法，從數(shù)據(jù)的傳遞角度分析，可將流固耦合計(jì)算分為 2 種類型：?jiǎn)蜗蛄鞴恬詈戏治龊碗p向流固耦合分析[16]，其中雙向流固耦合分析又可分為順序求解法和同時(shí)求解法。

單向流固分析中，在流固耦合的交界面只進(jìn)行數(shù)據(jù)的單向傳遞，即一般只允許流體力通過交界面?zhèn)鬟f給固體，而固體的變形不影響流場(chǎng)的變化，因此流體分析的結(jié)果對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大；雙向流固耦合是指流體與固體之間的計(jì)算結(jié)果通過流固耦合相交界面的相互傳遞和相互影響。由于這種數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)傳遞，因此計(jì)算量較大，一般用于大變形問題[17-18]。

研究對(duì)象選取是球形燃油活門，由于流道內(nèi)閥體對(duì)流體產(chǎn)生的影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)。所以本研究對(duì)活門關(guān)閉過程只作單向流固耦合分析，即只考慮流體對(duì)閥芯的壓力變形情況，不考慮閥體對(duì)流體的影響。

2 流固耦合模型

2.1 流體控制方程

考慮到研究對(duì)象為不可壓縮液體，其連續(xù)性方程可表示為：

(1)

式中，νx，νy，νz分別為在x，y，z方向上的速度分量。

動(dòng)量守恒方程為流體力學(xué)中動(dòng)力定理的表達(dá)式，遵循牛頓第二定律的原則，其在x，y，z方向上的動(dòng)量方程分別為：

(2)

(3)

(4)

式中，p—— 流體微單元上的壓力

τxx，τxy，τxz—— 微單元表面上不同方向上的黏性應(yīng)力分量

fx，fy，fz——x,y,z方向上的單位質(zhì)量力分量

流體流動(dòng)還必須遵循能量守恒定律，即單位時(shí)間內(nèi)流體內(nèi)部能量的增長(zhǎng)量與質(zhì)量力做功、流體內(nèi)部增加熱流通量和表面力三者之和相等，能量守恒方程表達(dá)式為：

(5)

式中，E—— 流體微單元體總能量，E=h-p/ρ+ν2/2

keff—— 有效熱傳導(dǎo)系數(shù)

h—— 焓

Jj—— 擴(kuò)散通量

Sh—— 其他體積熱源項(xiàng)

2.2 固體運(yùn)動(dòng)方程

固體結(jié)構(gòu)部分的控制方程主要根據(jù)牛頓第二定律得到：

(6)

式中，ρs—— 固體的密度

σs—— 柯西應(yīng)力張量

fs—— 體積力矢量

2.3 流固耦合面守恒定律

流固耦合分析在滿足上述三大基本守恒定律的基礎(chǔ)上，在耦合面上有如下規(guī)律：

(7)

式中，τ為流體與固體的應(yīng)力；d為位移；q為熱流量；T為溫度；n為特征向量；下標(biāo)f，s分別表示流體和固體。

式(1)～式(7)是流固耦合分析中的基本方程，在實(shí)際分析中，常將其簡(jiǎn)化為通用的控制方程式，通過對(duì)其邊界條件及初始條件參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)行聯(lián)合求解，加快運(yùn)算速度。

3 數(shù)值仿真

選取飛機(jī)燃油系統(tǒng)某型號(hào)球形燃油活門進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，仿真流體類型為RP-3航空燃油，其主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 仿真球形活門的主要技術(shù)參數(shù)

3.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

用繪圖軟件畫出球形燃油活門的裝配圖，如圖1所示。

圖1 球形燃油活門裝配圖

將在SolidWorks中建好的球形活門模型導(dǎo)入到ANSYS的Fluid Flow模塊中，然后提取流體域，圖2為全開狀態(tài)下提取的流體域。

圖2 全開狀態(tài)流體域提取圖

一般來(lái)說，網(wǎng)格劃分越密集，計(jì)算的結(jié)果精度更高，但網(wǎng)格劃分過于密集，會(huì)使形成的單元過多，其劃分過程和計(jì)算過程將消耗大量的時(shí)間，延緩工作效率。因此，應(yīng)適當(dāng)控制網(wǎng)格劃分的過程，活門結(jié)構(gòu)變化不大的地方將網(wǎng)格劃分的稀疏一些，而在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且變化較大的地方，盡量把網(wǎng)格劃分的密集一些，以保證這些區(qū)域的精度，同時(shí)也適當(dāng)降低計(jì)算的工作量，最終網(wǎng)格劃分完成的結(jié)果如圖3所示。

圖3 流體域網(wǎng)格劃分

設(shè)置邊界條件時(shí)，將進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力為0.7 MPa；出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力為0 MPa。

3.2 活門關(guān)閉過程分析

所選的流體域?yàn)榛铋T打開一定開口時(shí)的穩(wěn)態(tài)模型，當(dāng)活門無(wú)法關(guān)閉時(shí)，形成穩(wěn)定的流體域。采用穩(wěn)態(tài)分析的方法分析計(jì)算閥芯開度為0°，30°，60°時(shí)，內(nèi)部各部分的流速以及對(duì)閥芯的壓力。

活門完全打開時(shí)的流體域橫截面上的壓力分布云圖，如圖4所示。可以看出，壓力從入口到出口逐漸減小，并沒有發(fā)生突變。

圖4 閥芯開度為0°時(shí)壓力分布云圖

閥芯開度為30°時(shí)的流體域橫截面上的壓力分布云圖，如圖5所示?？梢钥闯觯?dāng)活門在即將關(guān)閉時(shí)，已經(jīng)有明顯的壓力差出現(xiàn)。

圖5 閥芯開度為30°時(shí)壓力分布云圖

閥芯開度為60°時(shí)的流體域橫截面上的壓力分布云圖，如圖6所示。閥芯開度越大，壓力劇變?cè)酱螅y芯繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)受到的阻力也就越大，最終導(dǎo)致閥芯無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，使得活門無(wú)法正常關(guān)閉。

圖6 閥芯開度為60°時(shí)壓力分布云圖

3.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

為了讓結(jié)果更加有說服力，本研究對(duì)以上結(jié)果分別做了單向流固耦合仿真分析，得到閥芯開度在0°，30°，60°的等效應(yīng)力云圖和總變形圖，分別如圖7～圖12所示。

圖7 閥芯開度為0°時(shí)等效應(yīng)力云圖

圖8 閥芯開度為0°時(shí)總變形圖

圖9 閥芯開度為30°時(shí)等效應(yīng)力云圖

圖10 閥芯開度為30°時(shí)總變形圖

圖11 閥芯開度為60°時(shí)等效應(yīng)力云圖

圖12 閥芯開度為60°時(shí)總變形圖

從仿真結(jié)果不難看出，隨著閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角的增大，閥芯受到的等效應(yīng)力明顯增大，變形量也越來(lái)越大，進(jìn)一步說明在活門關(guān)閉過程中存在嚴(yán)重的變形，致使出現(xiàn)活門關(guān)閉不嚴(yán)等故障問題，嚴(yán)重?fù)p害活門壽命和飛機(jī)燃油系統(tǒng)安全。

4 活門關(guān)閉試驗(yàn)

4.1 燃油活門試驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證本研究數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建了某型號(hào)飛機(jī)燃油活門的試驗(yàn)臺(tái)，如圖13所示，試驗(yàn)時(shí)齒輪泵泵出的燃油通過過濾器除去燃油帶有的灰塵等雜質(zhì)；燃油由主油路經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)油液流量與壓力后，分別來(lái)到液動(dòng)控制活門入口與射流傳感器入口，此時(shí)射流傳感器暴露于空氣中，接收率較高；控制腔接收高壓信號(hào)，活門打開，燃油通過活門經(jīng)管道進(jìn)入油箱；當(dāng)射流傳感器被液面淹沒時(shí)，射流傳感器接收率大幅降低，活門關(guān)閉，停止輸油，齒輪泵泵出的燃油由輔油路經(jīng)流量傳感器和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥進(jìn)入油箱。

1.齒輪泵 2.球閥 3.過濾器 4.氣動(dòng)薄膜閥 5.油箱 6.壓力傳感器 7.限流孔 8.數(shù)據(jù)采集卡 9.計(jì)算機(jī)終端 10.射流傳感器 11.流量表 12.油泵控制活門

為了監(jiān)測(cè)活門的綜合健康狀態(tài)，借鑒文獻(xiàn)[19]對(duì)液壓活門的試驗(yàn)研究，在活門組件上安裝壓力傳感器、流量傳感器等，壓力傳感器用于測(cè)量活門入口和出口的壓力信號(hào)，選用量程為2 MPa的壓力傳感器，上位機(jī)軟件采用LabWindows/CVI+RTX編寫，前者用于編輯人機(jī)交互界面，后者用于實(shí)現(xiàn)軟件與傳感器之間的底層通訊，完成傳感器輸入信號(hào)的模擬量/數(shù)字量(A/D)轉(zhuǎn)換。

選用合適的試驗(yàn)件，試驗(yàn)件活門主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行1400 L/min流量下的關(guān)閉試驗(yàn)。隨著壓力和流量慢慢增大，試驗(yàn)品活門無(wú)法完全關(guān)閉，從電動(dòng)機(jī)械指示上判斷閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)約63°，無(wú)到位信號(hào)發(fā)出，說明活門沒有完全關(guān)閉，之后對(duì)其他工況下依次做關(guān)閉試驗(yàn)，得到測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)件活門的主要技術(shù)參數(shù)

實(shí)時(shí)記錄壓力傳感器的數(shù)據(jù)，如表3所示，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和處理，得到試驗(yàn)品在入口壓力為0.7 MPa，流量為1200 L/min的進(jìn)口和出口壓力曲線如圖14、圖15所示。試驗(yàn)時(shí)，先將入口端壓力增加至0.7 MPa,之后打開活門，慢慢增加流量到1200 L/min，測(cè)得入口端峰值為0.94 MPa，最后緩慢關(guān)閉活門，未出現(xiàn)故障情況。

圖15 試驗(yàn)件出口壓力曲線(1200 L/min)

表3 活門關(guān)閉試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖14 試驗(yàn)件進(jìn)口壓力曲線(1200 L/min)

對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，得到試驗(yàn)品在0.7 MPa入口壓力下，流量為1350 L/min的進(jìn)口和出口壓力曲線如圖16、圖17所示。測(cè)得入口端峰值為1.06 MPa，最后關(guān)閉活門，發(fā)現(xiàn)無(wú)法關(guān)閉，但試驗(yàn)件在關(guān)閉過程中的壓力不斷上升，關(guān)閉最后瞬壓高達(dá)1 MPa(靜壓)。分析認(rèn)為，大流量下球體(閥芯)關(guān)閉至無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)品在流道側(cè)面僅剩余1個(gè)小開口，每分鐘數(shù)百升的流量從這個(gè)開口高速流入與流出，在很短的范圍內(nèi)造成了0.7 MPa以上的壓力損失，對(duì)球體產(chǎn)生了極大的動(dòng)壓，阻止閥芯繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此后試驗(yàn)件一直維持該工況，可見入口端壓力幾乎被彎曲的流道消耗掉。

圖16 試驗(yàn)件進(jìn)口壓力曲線(1350 L/min)

圖17 試驗(yàn)件出口壓力曲線(1350 L/min)

5 結(jié)論

本研究以經(jīng)典飛機(jī)燃油系統(tǒng)球形活門為研究對(duì)象，對(duì)所構(gòu)建的活門模型運(yùn)用數(shù)值仿真分析的方法進(jìn)行了分析驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

(1) 在實(shí)際工程中，管道的變形量較小，對(duì)流體介質(zhì)的影響十分微小，因此在進(jìn)行數(shù)值仿真分析時(shí)，只需要進(jìn)行單向流固耦合分析就能得到較為準(zhǔn)確的變形結(jié)果；

(2) 活門無(wú)法完全關(guān)閉的原因是流道內(nèi)部形成巨大的壓力差，阻止閥芯繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致形成較大的變形問題，進(jìn)而引起故障；

(3) 對(duì)同類型活門做關(guān)閉試驗(yàn)，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)件無(wú)法完全關(guān)閉時(shí)，剩余流量為200～300 L/min，出口端壓力約為0.2 MPa，此后一直維持該工況，電動(dòng)機(jī)構(gòu)堵轉(zhuǎn)，在很短的長(zhǎng)度范圍造成了巨大的壓力損失，對(duì)閥芯產(chǎn)生極大的壓力，使得閥芯無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果大體相同；

(4) 由于仿真模型比較理想化，忽視了摩擦等因素，所以結(jié)果比較單一，但仿真與試驗(yàn)結(jié)果大體相同，進(jìn)一步證明流量和壓力是影響活門故障和活門壽命的主要因素，甚至?xí)斐蓢?yán)重安全事故，研究結(jié)果對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)活門故障和健康管理系統(tǒng)提供了支撐環(huán)境，也為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)燃油系統(tǒng)活門故障檢測(cè)提供了寶貴數(shù)據(jù)。