內腔充液體介質對列管式熱交換器振動的影響

劉劍飛　王曉宇　秦海洋　袁超峰

摘 要：列管式熱交換器的優點是結構簡單、堅固耐用、操作彈性大、可靠程度高、能承受高壓高溫以及便于管理等，迄今仍是用于航空高溫高壓環境下的主要熱交換器。隨著飛機和發動機高馬赫數和高推重比的發展，它對附件的耐振動需求越來越高，而對產品的質量需求則越來越低，這就對產品設計和振動試驗方法提出了更高的要求。

關鍵詞：列管式換熱器;振動;充介質

中圖分類號：TQ051.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0050-04

Inner Cavity Filled with Liquid Medium Tube-and-Tube Heat

Exchanger the Effect of Vibration

LIU Jianfei Wang Xiaoyu QIN Haiyang YUAN Chaofeng

（1.Military Representative Office of the Force Equipment in Xinxiang，Xinxiang Henan 453000;2.AVIC Xinhang Aviation Industry（Group） Co.， Ltd.，? Xinxiang Henan 453000）

Abstract： The advantages of the tubular heat exchanger are simple structure， sturdiness and durability， large operating flexibility， high reliability， high pressure and high temperature， easy management， etc. It is still the main heat exchanger used in aviation high temperature and high pressure environment. With the development of aircraft and engines with high Mach numbers and high thrust-to-weight ratios， the requirements for vibration resistance of accessories are becoming higher and higher， and the weight of products is required to be smaller and smaller， which puts forward higher product design and vibration test methods. Requirements.Through theoretical analysis， based on the Workbench structure and strength simulation module， vibration simulation.

Keywords： tube-and-tube heat exchanger;vibration;filling medium

2015年，新航集團70%的新研熱交換器在振動試驗時出現故障，其中新研制的鋁制列管式熱交換器在振動試驗時100%出現故障，主要失效模式為散熱管與隔板釬焊處斷裂和開裂導致的泄漏，故障原因包括散熱管自身材料缺陷、腐蝕以及焊接應力等[1]。但是，排查分析認為，內部充滿一定壓力的工作介質對列管式熱交換器振動結果的影響不容忽視。本文分析內部充介質對列管式熱交換器的影響，以期對后續類似產品的振動試驗提供一定的參考價值[2]。

1 結構

如圖1所示，列管式熱交換器主要包括端板、散熱管、隔板以及殼體（可無）等。芯體通常采用整體釬焊而成，部分產品也通過脹接方式形成芯體[3-4]。

2 理論分析

為了保證散熱管能順利穿過多個隔板，一般芯體隔板的孔徑會比較大，造成釬焊時散熱管不能全部與隔板釬焊，容易產生應力集中和釬劑殘留。應力集中容易造成散熱管在振動時局部應力過大，從而引發疲勞失效。

完全不釬焊時，散熱管在單位長度內約束點較少，容易增加散熱管的擺幅，造成其與隔板摩擦。摩擦會造成散熱管材料局部變薄，強度降低，同時生成的熱量會使材料局部強度下降，造成散熱管損壞。

當散熱管內部充入一定壓力的介質后，液體不可壓縮，會增加散熱管的剛度，降低散熱管振動引起的變形，增加散熱管的抗疲勞能力。

當散熱管外部充入一定壓力的介質后，液體的阻尼系數要高于空氣的阻尼系數，因此會降低散熱管的擺幅，減小散熱管與隔板的摩擦。同時，液體會始終充斥在散熱管與隔板之間，起到潤滑和散熱的作用，從而降低摩擦和熱對材料強度的影響。

3 仿真分析

3.1 案例

一套XX-80散熱器產品在振動試驗后出現散熱管泄漏故障，現對該產品進行充液與不充液兩種狀態下的振動仿真模擬，完成兩種狀態下的振動仿真對比分析。

3.2 幾何模型

XX-80為列管式散熱器，含散熱管28根。充液下模態分析（簡稱濕模態）對計算機硬件要求較高，現有硬件配置不能滿足計算要求。為此，在保證兩種狀態對比可行性的基礎上，去除掉24根散熱管，以減小計算量[5]。仿真幾何模型見圖2。

3.3 坐標系的建立

仿真環境中的坐標系建立見圖3，后續的隨機振動方向將以該坐標系軸向進行設定。

3.4 網格劃分簡述

為了保證兩種狀況仿真結果對比的可靠性，使這兩種模型設定的網格尺寸大小、網格單元類型均保持一致，網格劃分見圖4。

3.5 網格質量評估

網格質量好壞直接影響仿真計算結果的精確性，現依據Skewness質量評估準則對該仿真的網格劃分進行質量評估。評估值越小，意味著網格質量越好，見圖5。

3.6 模態分析

3.6.1 邊界條件。在模態分析中，對于不充液模型只需要施加約束條件即可，見圖6。而充液模型在施加約束條件的基礎上，還需要對液體模型進行參數設置，見圖7。

3.6.2 結果分析。不充液模型和充液模型前10階固有頻率分別如圖8和圖9所示。不充液模型和充液模型前3階模態振型分別如圖10和圖11所示。

通過以上模態分析結果可以看出，充液下產品的固有頻率要小于未充液下產品固有頻率，且前幾階模態主要集中在散熱管零件。

3.7 隨機振動分析

3.7.1 邊界條件。在隨機振動中，輸入的激勵為功率譜密度（Power Spectral Density，OSD）譜值，見圖12。

3.7.2 結果分析。隨機振動中，主要查看結果為等效應力結果，現將兩種狀態的等效應力結果列出，以作對比。

不充液狀態和充液狀態下的散熱管等效應力結果，分別如圖13和圖14所示。

將兩種狀態下的等效應力結果列表對比，結果見表1。

表1的等效應力結果是在阻尼比設定均為0.02前提下得到的。研究發現，液體的注入會加大散熱管結構模態的阻尼值。從模態結果可以看出，前幾階模態主要集中在散熱管零件，充液模型的等效應力結果隨著阻尼值的加大必定會降低，因此實際充液下產品的阻尼值要大于未充液產品，充液下產品的應力值則小于未充液產品。

4 試驗對比

燃滑油散熱器為鋁制列管式散熱器，在進行耐久性振動試驗時，每軸向完成2 h試驗后，產品即發生散熱管斷裂引起的串腔故障。經分解檢查，散熱管與隔板接觸處發生斷裂，斷裂處有明顯摩擦痕跡，斷口檢查為疲勞斷裂。起初分析認為芯體隔板數較少，對散熱管約束較少，造成散熱管擺幅較大引起疲勞失效。因此，對芯體進行改進，增加了隔板數量。改進后，經試驗驗證沒有明顯效果。

后經詳細分析認為，產品內腔充入一定壓力的工作介質會降低振動對產品內腔散熱管的破壞作用。隨后抽取了一套產品將兩腔均充入工作介質進行振動試驗，產品完成了每軸向20 h的耐久振動，大幅度提高了產品耐振動試驗的能力，更符合產品的實際使用情況。

5 結論

通過以上理論分析和試驗對比可以得出以下結論。

①充液后產品的固有頻率要小于未充液產品，且振動主要集中在散熱管零件。

②在阻尼比設定均為0.02的前提下，兩種狀態的等效應力結果基本一致，但實際充液后產品散熱管模態的阻尼值會提高，隨著阻尼值的增大，產品的振動必定會降低。

③在動力學中，液體壓力變化影響著液體密度，而密度的改變會影響產品結構的動態特性，由于液體可壓縮性較小，密度隨壓力變化較小，因此壓力的影響作用較小。

④通過試驗對比，列管式產品內腔充入一定壓力的液體工作介質能有效減少振動對散熱管的破壞。

振動破壞對熱交換器以及其他產品的影響已經嚴重影響了單位產品的研制進度。產品自身設計的不足，工藝方法的不完善，原材料和工裝設計的缺陷等顯性因素，可以通過學習和改進逐步完善;而對于振動引起破壞的隱形因素，需要更深入地了解其作用機理。經理論分析、仿真分析及部分試驗驗證，內腔充入一定壓力的液體介質對列管式散熱器振動較為有利。

參考文獻：

[1]翁詩源.某管殼式換熱設備泄漏檢驗案例分析[J].化工裝備技術，2021（4）：46-49.

[2]劉順磊.氯乙烯生產裝置中換熱器泄漏原因及改造[J].清洗世界，2021（9）：25-26.

[3]劉家慶，唐濱.管殼式換熱器設計淺析[J].上海化工，2021（3）：36-39.

[4]杜文靜，趙浚哲，張立新，等.換熱器結構發展綜述及展望[J].山東大學學報（工學版），2021（5）：76-83.

[5]馬兵善，趙皓辰，王燁，等.一種扁管管翅式換熱器的高效數值設計方法[J].化工學報，2020（2）：104-110.

1297501186385