一種整體式進(jìn)氣道—滑油箱結(jié)構(gòu)分析

王 玨，劉 海，杜發(fā)喜

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，四川 成都 610092)

0 引 言

油箱是各類液壓系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，其主要用途是儲(chǔ)存液體介質(zhì)，起散熱、分離液體介質(zhì)中的空氣及沉淀液體介質(zhì)中雜質(zhì)等作用.在航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)中，滑油箱不僅為發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗提供滑油補(bǔ)充源，也為滑油熱膨脹及滑油在整個(gè)系統(tǒng)中吸氣膨脹提供空間，并提供低速區(qū)使滑油出氣.在飛機(jī)的各種飛行姿態(tài)與機(jī)動(dòng)力作用下，滑油箱需保證供油、回油與冷卻滑油.目前，科研人員根據(jù)滑油箱的工作原理，將其研究分為供油、回油和冷卻三方面.例如王世光[1]運(yùn)用UG二次開發(fā)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱油量分析系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)研究.楊勤[2]對(duì)油氣分離影響因素進(jìn)行了分析，為兩相分離的優(yōu)化提供了幫助.郭雋等[3]通過相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析，表明滑油箱作為進(jìn)氣道的一部分可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑及冷卻要求，同時(shí)，對(duì)于緩解燃/滑油散熱器熱負(fù)荷、減小燃/滑油散熱器體積和重量具有明顯的作用.在此基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)了一種整體式進(jìn)氣道—滑油箱結(jié)構(gòu)，其具有油箱固有的儲(chǔ)油、防塵、冷卻滑油等功能，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和制造要求.

1 油箱結(jié)構(gòu)組成

1.1 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

針對(duì)機(jī)型要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[4-5]，本研究設(shè)計(jì)出了如圖1所示的整體式進(jìn)氣道—滑油箱結(jié)構(gòu).

該整體式進(jìn)氣道—滑油箱結(jié)構(gòu)是一個(gè)由滑油箱蒙皮、滑油箱壁板、加強(qiáng)件、滑油箱隔板、進(jìn)氣道蒙皮和系統(tǒng)管嘴構(gòu)成的金屬結(jié)構(gòu)件.其中，滑油箱蒙皮采用金屬材料鈑金成型，四周用加強(qiáng)件來增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，增加隔板以減少滑油箱的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度，從而提高滑油箱的穩(wěn)定性.該整體式進(jìn)氣道—滑油箱具有如下的特點(diǎn)：

1.引氣管嘴；2.油箱蒙皮；3.油氣分離管嘴；4.加油口座；5.油標(biāo)尺組件；6.加強(qiáng)型材；7.油箱隔板；8.出油管嘴；9.放油管嘴；10.進(jìn)氣道；11.回油管嘴；12.通氣管嘴

圖1油箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1)油箱構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作可靠、尺寸緊湊、重量輕、壽命長(zhǎng).

2)滑油箱作為進(jìn)氣道的一部分可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑及冷卻要求.同時(shí)，對(duì)于緩解滑油散熱器熱負(fù)荷、減小滑油散熱器體積和重量具有明顯的作用.

3)油箱形狀設(shè)計(jì)成上寬下窄，導(dǎo)致進(jìn)氣道對(duì)油液的接觸面積增大，使得進(jìn)氣道的氣流能帶走油液更多的熱量.

4)底部斜壁板的設(shè)計(jì)省出了油箱左下方的空間，便于油箱下方安裝配電裝置，實(shí)現(xiàn)立體化布置.

5)滑油箱與進(jìn)氣道固定為一個(gè)整體，以便提高油箱密封性.前后兩框有一定距離，保證前后零部件的開敞度，便于裝配.

6)隔板7的設(shè)計(jì)能使油箱的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度均有所變小，提高油箱穩(wěn)定性.

1.2 工作原理

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)主要由滑油箱、滑油泵、滑油散熱器、油路截止閥、油氣分離器等組成，加上發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部油路組成一條完整的回路.油箱滑油系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示.

圖2油箱系統(tǒng)原理示意圖

工作原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)從滑油箱內(nèi)通過抽油管將滑油輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)部件關(guān)節(jié)部位，滑油對(duì)傳動(dòng)部件起潤(rùn)滑和冷卻作用后而升溫，升溫的滑油回到滑油箱內(nèi)回油管中，利用回油管上部的小孔和回油壓力將滑油噴射到滑油箱外壁內(nèi)表面以達(dá)到散熱效果.滑油散熱器也是主要的滑油散熱部件，其利用燃油來冷卻從發(fā)動(dòng)機(jī)回流到滑油箱的滑油.

2 計(jì)算分析

2.1 強(qiáng)度分析

按照相關(guān)規(guī)范對(duì)各工況下滑油箱的變形以及焊接對(duì)結(jié)構(gòu)的削弱狀況，本研究通過CAE軟件進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證.其中，最嚴(yán)重的耐壓工況(油箱工況3)計(jì)算結(jié)果如圖3和表1所示.

計(jì)算結(jié)果表明：滑油箱在工況3下，最大變形為1.09 mm，最大von Mises應(yīng)力為37 MPa.考慮滑油箱壁板材料LF21M破壞應(yīng)力σb=98 MPa，焊縫的強(qiáng)度削弱系數(shù)K1=0.5，則焊縫部位的強(qiáng)度裕度為，

M1S1=(K1σb)/σmax-1

=0.324>0

滑油箱筋條(非焊縫區(qū))在工況3下，

最大主應(yīng)

(a)滑油箱工況3變形

(b)滑油箱工況3von Mises應(yīng)力

(c)滑油箱工況3最大組合應(yīng)力

(d)滑油箱工況3最小組合應(yīng)力

圖3滑油箱在工況3下的計(jì)算結(jié)果

表1 滑油箱計(jì)算結(jié)果

力為62 MPa，最小主應(yīng)力為-73 MPa，均小于滑油箱壁板材料(LF21M)和腹板材料(6061)的破壞應(yīng)力.

計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的滑油箱結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求.

2.2 散熱分析

本滑油箱基本結(jié)構(gòu)形式為圓柱環(huán)形，內(nèi)環(huán)作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，滑油箱的散熱主要由進(jìn)氣道內(nèi)高速空氣流動(dòng)完成.由此可得，

Q≈α·A·ΔT

(1)

式中，Q為滑油系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，α為滑油箱進(jìn)氣道蒙皮與來流空氣之間的平均對(duì)流換熱系數(shù)，A為滑油箱進(jìn)氣道蒙皮的有效散熱面積，ΔT為滑油箱進(jìn)氣道蒙皮溫度與滑油箱周圍環(huán)境溫度差.

當(dāng)滑油箱在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，滑油泵回油溫度為80 ℃，此時(shí)ΔT=60 ℃.

原設(shè)計(jì)中的滑油箱軸向長(zhǎng)度為l(此時(shí)滑油泵回油溫度為80 ℃)，新設(shè)計(jì)滑油箱軸向長(zhǎng)度為l1=εl，則滑油箱進(jìn)氣道蒙皮的有效散熱面積為A1=εA.取滑油泵回油溫度為100 ℃(發(fā)動(dòng)機(jī)所用滑油最高工作溫度為120 ℃，為保證滑油箱工作裕度，因此取滑油泵回油溫度為100 ℃)，則新油箱ΔT1=100 ℃-20 ℃=80 ℃，ΔT1=4/3ΔT.由此得新滑油箱散熱為，

Q≈α·A·ΔT=α·εA·4/3ΔT

(2)

因發(fā)動(dòng)機(jī)本體沒有變化，滑油系統(tǒng)產(chǎn)生熱量不變，由此得，ε=0.75，則新油箱軸向長(zhǎng)度，

l1=εl=0.75×260=195 mm.

因此，新滑油箱軸向長(zhǎng)度應(yīng)不小于195 mm.整體式滑油箱的軸向長(zhǎng)度是200 mm，完全符合散熱要求(見圖4).

圖4滑油箱散熱示意圖

3 工藝實(shí)施

3.1 焊接材料選擇

本研究設(shè)計(jì)的滑油箱采用防銹鋁合金作為焊接件.該焊接件的主要優(yōu)點(diǎn)是能制造形狀復(fù)雜的構(gòu)件，節(jié)省材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，保證結(jié)構(gòu)密封性，且工藝較簡(jiǎn)便.

3.2 焊接質(zhì)量控制

在滑油箱外壁對(duì)合之前，對(duì)油箱艙內(nèi)系統(tǒng)管件、隔板和型材的安裝位置、焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查，合格后清除多余物再對(duì)合密封焊接.同時(shí)，在實(shí)際操作時(shí)應(yīng)注意：保證焊接氣密、油密和焊接強(qiáng)度；對(duì)漏氣、滲漏油的焊縫允許再次補(bǔ)焊，但同一處補(bǔ)焊次數(shù)不得超過2次，補(bǔ)焊處數(shù)按HB5375要求執(zhí)行；對(duì)所有熔焊焊縫嚴(yán)禁撞擊和敲打；系統(tǒng)分段管子對(duì)合焊接后，在固定管件之前應(yīng)仔細(xì)清除管內(nèi)焊瘤和鋁屑.

3.3 焊接變形控制

滑油箱的焊接工裝如圖5所示.在焊接時(shí)，裝配工裝通過內(nèi)定位器固定進(jìn)氣道蒙皮，卡板組件固定進(jìn)氣道蒙皮兩端和滑油箱壁板，從而有效控制進(jìn)氣道蒙皮和滑油箱壁板的變形.

圖5焊接工裝示意圖

4 結(jié) 論

通過相關(guān)設(shè)計(jì)和工藝分析表明，采用整體式進(jìn)氣道—滑油箱結(jié)構(gòu)對(duì)于緩解滑油散熱器熱負(fù)荷，減小其體積和重量以及充分利用結(jié)構(gòu)空間具有明顯作用.進(jìn)氣道滑油箱的一體化設(shè)計(jì)及制造，解決了某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油、散熱和潤(rùn)滑問題，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，性能可靠，同時(shí)滿足了結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和工藝要求，具有很好的市場(chǎng)前景.