某型飛機液冷系統(tǒng)欠壓、噴液故障研究

戴國杰，李 欣

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖）

液冷系統(tǒng)是飛機上執(zhí)行熱控制的主要系統(tǒng)之一，通過系統(tǒng)內(nèi)冷卻液在吸熱區(qū)和散熱區(qū)循環(huán)往復(fù)，其主要功能是完成對特定系統(tǒng)工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的控制。

1 故障現(xiàn)象

某型飛機液冷系統(tǒng)按要求調(diào)試合格（接通系統(tǒng)工作，系統(tǒng)欠壓燈應(yīng)熄滅）后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)過短時多次啟停工作，欠壓等常亮，系統(tǒng)停止工作后（2～3）min 內(nèi)，會有大量冷卻液從系統(tǒng)排液口噴出，需重新對系統(tǒng)進行補液排氣調(diào)試，系統(tǒng)才能夠恢復(fù)正常。

2 故障分析

液冷系統(tǒng)由液冷泵、過濾器、壓差信號器、安全活門、油氣分離器、膨脹罐、散熱器等組成。系統(tǒng)上電后液冷泵開始工作，泵進口通過吸附膨脹罐及回油管路中的冷卻液，經(jīng)過液冷泵增壓后，輸出壓力液體，高壓管路液體經(jīng)過濾器后進入系統(tǒng)循環(huán)，隨后經(jīng)回油管路將升溫后的冷卻液輸送至散熱器進行冷卻，經(jīng)過冷卻的冷卻液在進入液冷泵之前，經(jīng)油氣分離器將液氣分離，分離后的氣體進入膨脹罐。

基于故障現(xiàn)象及系統(tǒng)工作原理，在機械及電氣兩方面分析，液冷泵故障、過濾器堵塞、液冷加注量不足、管路不密封、系統(tǒng)中氣體較多、壓差信號器故障、液冷泵線路故障及欠壓燈線路故障均可能導(dǎo)致液冷系統(tǒng)欠壓、噴液故障。

根據(jù)液冷系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)欠壓、噴液故障現(xiàn)象情況，繪制故障樹，具體見圖1。

圖1 液冷系統(tǒng)欠壓、噴液故障樹

3 故障排查及定位

3.1 故障樹底事件排查

根據(jù)故障結(jié)構(gòu)樹分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)樹中的X1～X9底事件進行分類逐項試驗及排查，排查過程如下。

3.1.1 底事件X1、X8 分析排查

液冷泵作為液冷系統(tǒng)的動力來源，當(dāng)液冷泵存在液冷泵供電線路故障，會導(dǎo)致泵不能正常啟動工作。對系統(tǒng)進行上電，接通泵工作，機上泵工作正常。排除底事件X1、X8 可能。

3.1.2 底事件X2 分析排查

當(dāng)過濾器中雜質(zhì)過多產(chǎn)生堵塞時，過濾器的壓降較大，導(dǎo)致系統(tǒng)高壓管路中壓力與流量降低，引發(fā)欠壓燈燃亮。從故障現(xiàn)象來看，如果過濾器堵塞，濾前壓力會升高，通過壓力表檢測濾前的高壓管路中的壓力，測得的壓力值一直低于0.4 MPa，小于泵的正常出口（0.5～0.85）MPa 值；同時檢查過濾器中濾芯，發(fā)現(xiàn)濾芯情況良好。排除底事件X2 可能。

3.1.3 底事件X3 分析排查

當(dāng)冷卻液加注不足時，液冷泵入口吸入冷卻液不足，會造成泵出口壓力及流量不足，引發(fā)欠壓燈燃亮。按工藝要求，對系統(tǒng)進行加注冷卻液作業(yè)，加注至系統(tǒng)排液接管嘴有液冷排出，同時在經(jīng)清洗后，補充加注冷卻液循環(huán)后，檢查膨脹罐內(nèi)液面高度，滿足要求。排除底事件X3 可能。

3.1.4 底事件X4 分析排查

當(dāng)系統(tǒng)管路不密封時，會造成冷卻液外泄，導(dǎo)致系統(tǒng)中冷卻液總量不斷下降，引發(fā)欠壓燈燃亮。一方面液冷系統(tǒng)管路及相應(yīng)附件已在裝配階段完成，同時進行了高壓及低壓氣密試驗，密封性檢查合格；另一方面，在液冷加注及清洗過程中，均未發(fā)現(xiàn)各管路連接處有冷卻液泄露情況。排除底事件X4 可能。

3.1.5 底事件X5 分析排查

當(dāng)系統(tǒng)中存在較多氣體未排除時，會造成液冷泵進油口吸入不足，出口流量下降，從而會造成液冷泵出口輸出的壓力值不滿足（0.5～0.85）MPa 的要求。不能排除底事件X5 可能性。

3.1.6 底事件X6、X7、X9 分析排查

壓差信號器故障、欠壓燈故障、欠壓燈線路故障，可能導(dǎo)致欠壓燈常亮無法熄滅。試驗中，通過接入地面設(shè)備輔助，提高液冷系統(tǒng)中的流量，可以看到，當(dāng)系統(tǒng)中的流量大于3 600 L/h 時，欠壓燈能夠正常熄滅，流量小于3 600 L/h 時，欠壓燈能夠正常燃亮，可以斷定信號器、指示燈、電氣線路的正常。排除底事件X6、X7、X9 可能。

3.2 故障原因定位

經(jīng)以上分析，已確認(rèn)系統(tǒng)中氣體較多是導(dǎo)致液冷系統(tǒng)欠壓、噴液故障的唯一疑似原因。為進一步確定故障原因，對系統(tǒng)欠壓信號出現(xiàn)原理進行仿真分析，具體如下。

3.2.1 建模及仿真分析

當(dāng)系統(tǒng)中存在較多氣體未排除時，會造成液冷泵進油口吸入不足，出口流量下降。系統(tǒng)欠壓信號是通過壓差信號器感知同一管路中不同截面下的壓差信號，流量變化產(chǎn)生的壓差值跟隨變化。對系統(tǒng)中的流量壓差開展仿真分析如下。

（1） 壓差信號器工作管道內(nèi)流體流動狀態(tài)確定

系統(tǒng)流量測量工作原理是通過壓差式流量測量原理對系統(tǒng)中的流量進行測量。該原理是在充滿液體的管道中放置一個流通面積小于管道截面積的限流件，流體在通過限流件時局部收縮，在收縮處流速增加，靜壓力下降，在限流件前后就會產(chǎn)生一定的壓差。對一定形狀和尺寸的限流件，在一定的測壓位置和流體參數(shù)的情況下，限流件前后的壓差與流量之間具有一定的函數(shù)關(guān)系,如下式所示[1]。

（2） 計算雷諾數(shù)

式中：ρ 為介質(zhì)密度；V 為介質(zhì)流速；L 為特征尺寸；v為動力粘度。在溫度為20 ℃時，冷卻液（乙二醇溶液）的密度為1 090 kg/m3、動力粘度為0.006 99 Pa/s?？紤]到管道內(nèi)限流件影響，特征尺寸可確定為限流件內(nèi)徑0.014 8 m，管道內(nèi)流速約為5 m/s。計算得出雷諾數(shù)Re=116 89，此處管道內(nèi)流動可視為充分發(fā)展的湍流。

（3） 建模仿真分析

利用Fluent 軟件建立壓差信號器處管道流體模型[2]，流體介質(zhì)選用乙二醇，建立仿真網(wǎng)格劃分試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

當(dāng)限流件內(nèi)徑為14.8 mm，管道入口流量分別設(shè)定為3 200 L/h 和3 600 L/h 時，壓差信號器兩端壓差值ΔP 的仿真結(jié)果分別為7.9 kPa 和9.6 kPa，當(dāng)ΔP＜9.6 kPa 時，發(fā)出欠壓信號，仿真結(jié)果符合設(shè)計指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 Q=3 200 L/h 壓力分布

圖3 Q=3 600 L/h 壓力分布

通過以上分析，可以確定，系統(tǒng)欠壓是系統(tǒng)中流量不足導(dǎo)致，結(jié)合上述分析結(jié)構(gòu)可知，影響系統(tǒng)流量的唯一不確定因素為系統(tǒng)中存在較多氣體，導(dǎo)致液冷泵進油口吸入不足，工作效能下降，出口流量降低。

3.2.2 故障原因驗證

前面已基本確定故障原因是系統(tǒng)內(nèi)氣體較多，現(xiàn)通過引入地面設(shè)備對系統(tǒng)進行排氣及故障復(fù)現(xiàn)，進一步驗證故障原因（該裝置能夠有效排除經(jīng)過設(shè)備的液體中混合的氣體）。通過將設(shè)備接入到系統(tǒng)中進行循環(huán)，排除系統(tǒng)中的氣體（設(shè)備上設(shè)有管路觀察窗口，在接入設(shè)備（20～30）min 后，系統(tǒng)管路中流動的冷卻液已無明顯氣泡），氣體基本排除后斷開設(shè)備，完善機上系統(tǒng)自運行，欠壓燈熄滅，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

系統(tǒng)合格狀態(tài)保持一段時間，在經(jīng)過多次系統(tǒng)的上下電后，系統(tǒng)又再次出現(xiàn)欠壓情況，再次接入排氣設(shè)備，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有存在大量氣體，多次重復(fù)上述排氣過程，最后結(jié)果依舊，由此斷定，液冷系統(tǒng)在運行過程中會產(chǎn)生或吸入氣體。查閱冷卻液物理性質(zhì)，進一步確定系統(tǒng)內(nèi)氣體是外部吸入所致。

3.2.3 故障點確定

在大量的分析及模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過系統(tǒng)的系統(tǒng)圖樣分析及在機上的反復(fù)試驗核實，最終查找系統(tǒng)在啟動過程中液冷泵會吸入氣體（通過泵內(nèi)部工作軸密封處吸入）。系統(tǒng)驗證結(jié)果為：在系統(tǒng)上電啟動工作起始階段，監(jiān)測液冷泵漏油口壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)泵啟動工作起始階段，監(jiān)測點壓力值為負(fù)壓，符合系統(tǒng)故障現(xiàn)象。

對液冷泵結(jié)構(gòu)進行分析，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，該泵采用單向密封皮碗進行密封，如果內(nèi)外壓力差是正值，密封性較好，如果內(nèi)外壓力差是負(fù)值，系統(tǒng)密封很容易就被打開，對拆下的一件液冷泵進行驗證，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外壓力差值達(dá)到-13 kpa 后外界的氣體能夠打通通道進入泵內(nèi)。從泵的工作原理看，液冷泵在啟動階段會在泵的入口產(chǎn)生一個較高的負(fù)壓，入口的負(fù)壓直接作用在泵密封皮碗，且該負(fù)壓值超過-13 kpa，最終導(dǎo)致故障的發(fā)生。

圖4 液冷泵密封示意

3.2.4 故障定位結(jié)論

通過對液冷系統(tǒng)的工作原理、欠壓燈亮的工作機制、產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析及系統(tǒng)故障的復(fù)現(xiàn)，可肯定液冷泵在工作的起始階段吸入大量的氣體，會導(dǎo)致液冷系統(tǒng)在經(jīng)過幾個啟停循環(huán)后出現(xiàn)欠壓、噴液故障。

4 改進措施

4.1 當(dāng)前應(yīng)對措施

為不影響現(xiàn)階段的裝備正常使用，目前，結(jié)合該產(chǎn)品工作原理和修理經(jīng)驗，在不能更換液冷泵的前提下，修理及使用環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)層面對液冷系統(tǒng)噴液情況進行優(yōu)調(diào)。通過在要求范圍內(nèi)調(diào)整安全活門打開壓力，減少膨脹罐內(nèi)冷卻液儲量，增加緩沖空間，穩(wěn)定系統(tǒng)增壓，延長泵啟動后的循環(huán)工作時間，提升系統(tǒng)自身排氣量等措施[3]，能夠很大程度上改善系統(tǒng)噴液欠壓的情況。

4.2 后續(xù)改進措施

導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、噴液故障是因為液冷泵密封結(jié)構(gòu)不合理，工作過程中會吸入空氣所致，可通過對液冷泵密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將單向密封更改為雙向密封，能夠徹底解決液冷泵吸氣導(dǎo)致系統(tǒng)欠壓噴液故障。

結(jié)束語

綜上所述，液冷系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、噴液故障主要原因是液冷泵密封結(jié)構(gòu)不合理，工作過程中會吸入空氣，最終導(dǎo)致液冷泵自身進油口吸入不足，出口流體流量下降，同時系統(tǒng)在殘留氣體及系統(tǒng)壓力的作用下，突破安全活門壓力限制向外噴冷卻液。通過對系統(tǒng)平臺的優(yōu)化參數(shù)調(diào)整及完善使用維護手段，能夠有效解決現(xiàn)階段外場裝備使用維護困難。后續(xù)對液冷泵開展密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完善系統(tǒng)密封缺陷，徹底能夠解決系統(tǒng)進氣困擾，不斷提高平臺的使用可靠性。