民用客机通气浮子阀设计改进.pdf

2023 年第 2 期总第 149 期 民用飞机设计与研究Civil Aircraft Design&Research 2023 No.2Sum No.149http:/ myfj_(021)20866796DOI:10.19416/ki.1674-9804.2023.02.014民用客机通气浮子阀设计改进谢春稳 王玉涛 王 楠 史新芳(航空工业新航集团民机研发中心,新乡 453019)摘 要:通气浮子阀对民用客机燃油箱的通气起着重要作用。某民用大型客机配套的通气浮子阀在验证过程中先后出现了结冰试验卡滞、额定流量下通气关闭等故障,无法保障飞机燃油箱的正常通气。针对结冰试验故障,对产品的活门座、支架等零件进行了结构优化,并对活门座表面喷涂疏水性涂层,改进后产品通过了试验验证;对于产品在额定流量下通气关闭的问题,使用 Fluent 对燃油箱通气过程进行了流场仿真,并提取不同流量点下产品所受到的气动关闭力矩,对气动关闭力矩和重力打开力矩进行分析比较,根据计算结果对产品进行改进,解决了产品在额定流量下通气关闭的问题。关键词:燃油箱通气;结冰试验;结构优化;疏水涂层;气动力矩仿真中图分类号:V222文献标识码:AOSID:0 引言民用飞机燃油箱主要由燃油箱及通气油箱组成。燃油箱通气的主要目的有:1)飞机巡航过程中,随着油箱内燃油消耗,从油箱外部补充空气以维持油箱内外的压力平衡,避免燃油箱承受较大压差;2)飞机快速爬升或应急下降时,飞机油箱外部压力发生急剧变化,而油箱内的无油空间气体压力在短时间内却变化很小,因此油箱需要及时排出或补充空气;3)民用飞机一般采用压力加油,在压力加油过程中油箱内无油空间气体需要排出油箱外以使加油过程能够持续1。通气浮子阀通过匹配浮子的浮力与重力连通或关闭通气管路,在通气过程中起着关键作用。某大型民用客机的通气浮子阀在按照适航要求进行试验时先后出现了结冰试验卡滞产品无法正常关闭和额定流量下产品关闭等故障。飞机在飞行过程中,当外部环境的温度、高度和湿度快速变化时会出现结冰环境,结冰试验的目的是确认产品在结冰的工况下能够正常工作。通气浮子阀根据燃油系统分配的要求需要按照 DO-160G2第 24 章进行 B 类结冰试验,该试验适用于带活动部件类产品对由冷凝水冻结或融化的冰重新冻结产生的冰的耐受能力。对于机载设备的防冰性设计,可以通过结构设计避免飞行过程中产生的冰对设备的性能带来影响,在该领域的研究,未发现关于阀类产品防冰设计的报道。通过在设备表面喷涂疏水涂层,使水滴在设备表面的附着力大大降低,从而降低结冰的概率。彭华乔等3综述了超疏水表面防冰研究进展,包括表面疏水、减小冰附着力和提升防冰时间等。李君等4对低温高湿环境用超疏水防/除冰材料和多功能复合超疏水防/除冰材料在耐久性、制备方法等方面的研究进展进行了综述和分析。燃油箱的正常通气是飞机安全飞行的前提,而对于飞机燃油箱的通气过程,研究大多为直升机油箱5-6,关于大型民用飞机燃油箱的通气过程研究较少,但气动力矩的研究已经在阀门7-8、风力机9以及汽车10的设计中得到应用。论文对通气浮子阀结冰卡滞和通气过程中关闭两项故障出现的原因进行了分析,对设计改进的方法进行了论述和验证。38 通信作者.E-mail:引用格式:谢春稳,王玉涛,王楠,等.民用客机通气浮子阀设计改进J.民用飞机设计与研究,2023(2):83-88.XIE C W,WANG Y T,WANG N,et al.Design improvement of the foat vent valve of civil aircraftJ.Civil Aircraft Design and Re-search,2023(2):83-88(in Chinese).机载系统总第 149 期1 通气浮子阀工作原理及故障描述1.1 产品工作原理通气浮子阀初始设计结构(-101 构型)如图 1所示,产品主要由活门座、活门、连杆、浮子以及轴组成。活门座通过圆周 4 处均布的安装孔安装在飞机燃油箱通气管路上,中间孔用于通气;活门上硫化橡胶用于产品关闭时同活门座配合密封;浮子通过发泡与连杆固定连接在一起。活门与连杆接触位置为球面结构,能够实现在产品关闭时活门自动找正,从而保证密封性。当燃油箱中的液面高度上升至一定值时,浮子受到的浮力大于重力,浮子上升使活门关闭通气口避免燃油泄漏;当燃油箱中的燃油下降至规定高度时,浮子在重力的作用下下降,活门打开使燃油箱通气。图 1 通气浮子阀初始结构1.2 结冰试验故障根据燃油系统要求,通气浮子阀应按照 DO-160G2第 24 章进行 B 类结冰试验。结冰试验安装图如图 2 所示,试验件通过活门座上的安装孔安装在结冰工装上,然后将结冰工装放入环境箱共进行25 个结冰试验循环,在此期间产品处于非工作状态。25 个 循 环 结 束 后,环 境 箱 的 温 度 稳 定 在-20,然后向结冰工装通入-20 的低温 RP-3 燃油,检查试验件能否正常关闭以及关闭之后的密封性,试验要求试验件应能正常关闭且关闭后的泄漏量应不大于 1 mL/min。-101 构型产品试验后性能检查照片如图 3 所示,试验后当向结冰工装通入低温燃油时,浮子未能随燃油液面的上升而浮起,出现了卡滞的现象,燃油从通气管路泄漏,产品不满足结冰试验要求。检查产品外观发现在支架与活门座限位位置所形成的“V”形空间有冰存在,阻挡了支架的转动,使产品在打开位置失效。a)结冰试验原理图b)结冰工装放置 c)试验件安装图 2 结冰试验安装图图 3-101 构型产品结冰试验后外观图 4 燃油箱通气原理图1.3 通气过程关闭故障通气浮子阀在燃油系统的安装方式如图 4 所示。产品通过活门座安装在通气管上,空气温度为-55、15 和 55,流量分别为 1 lb/min、2 lb/min、3 lb/min、4 lb/min、5 lb/min,共计 15 个流482023 年第 2 期谢春稳,等 民用客机通气浮子阀设计改进量点。当空气从通气油箱进入燃油箱时,产生的气动力矩使产品呈打开的趋势,在通气过程中不会因为气流导致产品关闭;当空气从燃油箱向通气油箱流动时,在流量为 5 lb/min 的三个流量点(空气温度:-55、15 和 55)产品出现了关闭的现象,无法满足飞机燃油系统正常通气的需求。2 防结冰卡滞设计改进根据-101 构型产品结冰试验时在活门座与支架的限位位置形成的“V”形区域存在积水结冰的现象,对产品的活门座、支架及两者的配合方式进行了更改,更改前后的结构对比如表 1 所示,更改原因如下:1)在活门座原限位处增加导流槽,避免聚集的水在低温下凝结成冰导致产品无法正常关闭;2)支架端部的近似矩形结构更改为倒三角结构,同时减少零件厚度,增加了支架与活门座之间的空间,避免水的聚积;3)将活门座与支架之间的限位由端部移至中间位置,消除了原限位结构形成的“V”形区域。表 1-101 与-102 结构对比零件名称-101 构型-102 构型活门座支 架限位位置 在进行-102 构型产品结冰试验时,充分识别了产品在系统中的安装连接方式,模拟产品在飞机上的实际安装姿态,将产品倾斜 6放置,如图 5 所示,活门座一侧抬高,浮子一侧降低。25 个循环结束后,向结冰工装通入-20 低温燃油,浮子并未随燃油液面的上升而浮起,出现了卡滞的现象。试验后检查产品外观在活门与活门座之间出现了冰的凝结,如图 6 所示。虽然-102 构型产品解决了限位位置结冰的问题,但当产品倾斜6安装时,活门座上存在的低位容易积水,在结冰试验过程中,水凝结为冰并逐渐积累将活门与活门座冻结在一起,使产品无法作动。图 5 产品安装角度图 6-102 构型产品结冰试验后外观根据-102 构型结冰试验结果再次对产品结构进行了更改,更改方案如下:1)在活门座结冰部位增加了导流孔,避免水的聚集;2)将活门座的表面处理方式由阳极化更改为整体导电氧化后喷涂 Tef-lon。Teflon 为疏水性材料,可有效降低水在活门座表面的附着;另外,底层采用导电氧化既可以满足产品的导电性要求,又能够增强 Teflon 的附着力,采用该喷涂工艺制备的试件对于腐蚀性较强的磷酸酯液压油仍有很好的耐受性。更改后的-103 产品如图 7 所示。图 7-103 构型产品对-103 构型产品进行结冰试验验证,结冰试验后密封性检查如图 8 所示。25 个循环结束后,使产58机载系统总第 149 期品表面温度稳定在-20,然后向工装油箱通入-20 的低温燃油,浮子随燃油液面的上升而浮起,燃油到达规定高度液面后,产品正常关闭,密封性测试结果满足要求。图 8-103 构型产品结冰试验后外观3 通气关闭设计改进为解决产品在额定流量下通气关闭的问题,采用数值计算的方法对系统通气过程中产品受到气流的影响进行仿真分析。由于从通气油箱向燃油箱通气时,气流不会导致产品关闭,因此仅对从燃油箱到通气箱的通气过程进行仿真分析。额定流量的空气从左侧进气口进入外燃油箱,然后通过通气浮子阀及通气管路进入通气油箱,最后通过 NA-CA 口进入外部大气。为了简化模型便于仿真,对NACA 口进行了简化处理。采用 Ansys Fluent 进行通气过程流场仿真。边界条件为进气口流量入口,在-55、15 和 55 三种温度条件下分别通入1 lb/min、2 lb/min、3 lb/min、4 lb/min、5 lb/min 的空气,共 15 个流量点,NACA 口为压力出口,压力与环境大气相同。三种温度条件下空气的性能参数如表 2 所示。流体网格类型为六面体核心,多面体填充,体网格数量为 309 万,节点数为 786 万。表 2 空气性能参数11性能参数温度/()-551555密度/(kgm-3)1.621.2251.076比热容/(J/kgK)1 0061 0061 008导热率/(W/mK)0.020.0250.028动力黏度/(Pas)1.437 710-51.800 210-51.991 410-5 图 9 是三种温度条件下通入 5 lb/min 的空气流量时,通气系统内气流的速度场分布。从图中可以看出,在不同温度下,通气系统的速度场分布相似,空气从进气口高速射入燃油箱,然后通过产品及通气管先喷向通气油箱侧板,最后通过 NACA 口进入外部大气,在产品活门最大开口处空气流速较大;并且随着空气温度的升高,高速流动区呈现增加的趋势。a)温度-55,流量 5 lb/minb)温度 15,流量 5 lb/minc)温度 55,流量 5 lb/min图 9 不同温度最大额定流量下通气系统速度场分布图 10 是温度为 55、流量为 5 lb/min 的空气流量下产品周边的压力云图分布。从图中可以看出燃油箱内的压力高于通气油箱,并且压力梯度在活门附近区域最为显著,这种分布方式使产品在空气由燃油箱流通进入通气油箱通气时呈现关闭的趋势,从而出现通气关闭的现象。为计算产品是否会在通气过程中关闭,分别对产品受到的重力合力矩与气流产生的气动合力矩进行了计算。产品重力矩计算结果为 0.016 957 Nm,该力矩使产品呈打开的趋势。在计算气动力矩时,对压力场分析结果中各个零件表面的压力分布进行提取,并以转轴为中心,计算各个零件表面压力所形成的气动力矩。产品在各个温度、流量下受到682023 年第 2 期谢春稳,等 民用客机通气浮子阀设计改进图 10 空气温度 55、流量 5 lb/min 时压力场分布图 11 气动力矩与重力矩的比较的气动力矩如图 11 所示。从图中可以看出,通气时产生的气动力矩均为正值,产品趋于关闭。同一温度下,随着流量的增加,气动力矩呈现增加的趋势;相同流量下,随着空气温度的升高,气动力矩也相应增大。通过与重力矩比较发现,共有 5 处流量点的合力矩大于零。因此,产品在通气过程中出现关闭的原因为重力力矩过小所致。根据重力力矩与气动力矩的分析结果,对产品进行了结构改进,在杠杆端部位置增加配重块,如图 12 所示,力矩块通过螺钉安装在杠杆上,然后进行发泡,配重块直接镶嵌在聚氨酯泡沫中。增 加 配 重 块 后,产 品 的 重 力 打 开 力 矩 为0.045 Nm,大于图 11 中通气过程额定流量下最大气动力矩 0.037 2 Nm,合力矩为使产品打开的趋势,因此在通气过程中,产品会维持打开的状态,不会出现通气关闭的情况。按照增加配重块的方案重新加工产品并进行通气试验验证,产品未出现通气关闭的情况。图 12 增加配重块4 结论针对产品在结冰试验出现卡滞的故障,通过消除了原限位结构形成的“V”形区域、在活门座低位增加导流孔等设计改进;以及在活门座表面喷涂疏水性材料 Teflon,可以有效避免结冰试验过程中水聚集及凝结。通气过程流场仿真结果显示:空气由燃油箱进入通气油箱过程中对产品产生的气动力矩有使产品关闭的趋势;且相同流量下空气温度越高,气动力矩越大;在温度不变时,气动力矩随着空气流量的增大而增大;当气动力矩大于重力矩时,会导致产品关闭,数值计算与仿真具有较好的吻合。在产品杠杆端部增加配重块,使产品重力力矩大于气动力矩,避免了在通气过程中产品关闭的情况发生。参考文献:1 赵士洋.民用飞机燃油箱通气系统技术研究J.科技信息,2013(16):409-411.2 Radio Technical Commission for Aeronautics.Environ-mental conditions and test procedures for airborne equip-ment:DO-160G,S.Washington D.C.:RTCA Incor-porated,2010.3 彭华乔,李林,夏祖西,等.超疏水材料防冰研究进展J.化工新型材料,2019,47(11):1-5.4 李君,矫维成,王寅春,等.超疏水材料在防/除冰技术中的应用研究进展J.复合材料学报,2022,39(1):23-38.5 谢增.机动状态下直升机燃油箱通气系统性能计算和分析J.直升机技术,2019(3):28-34.6 杨小龙,谢增,张驰.直升机压力加油通气系统溢油动特性研究J.直升机技术,2019,(3):19-23.7 刘雄伟,马文静,付晓俊,等.AP1000 核电汽轮机78机载系统总第 149 期中压调节阀气动力矩数值模拟J.汽轮机技术,2016,58(6):424-426.8 刘静,陈达海.核级密闭型隔离风阀运行过程中仿真力矩计算J.流体机械,2016,44(8):28-31.9 詹枞州,叶舟,韩彦军,等.仿生翅片翼动态平衡及气动性能研究J.太阳能学报,2021,42(2):115-121.10 高璐,高磊,孙礼.基于流入角实时变化的气动性对操纵稳定性的影响J.计算机辅助工程,2021,30(4):62-66.11 丁祖荣.流体力学M.第3 版.北京:高等教育出版社,2018:187-190.作者简介谢春稳 男,硕士,高级工程师。主要研究方向:民机机载设备设计。E-mail:xiechun.wen 王玉涛 男,硕士,高级工程师。主要研究方向:民机机载设备设计。E-mail:wangyutao 王 楠 男,学士,工程师。主要研究方向:民机机载设备设计。E-mail:wangnan 史新芳 女,学士,研究员。主要研究方向:民机机载设备设计。E-mail:mjyfzx Design improvement of the foat vent valve of civil aircraft XIE Chunwen WANG Yutao WANG Nan SHI Xinfang(Xinxiang Aviation Group Civil Aircraft Research and Development Center of AVIC,Xinxiang 453019,China)Abstract:Float vent valves play an important role for civil aircraft fuel tank venting.During the validation of the float vent valve for a large civil airliner,there were several failures,such as freezing in the icing test and being closed in the rated flow test occur,which cannot guarantee the normal venting of the fuel tank.For the icing test failure,the structure of the valve seat,the bracket and other parts of the product was optimized,and the hydropho-bic coating is panted on the surface of the valve seat.The improved product passed the test verification.For the ventilation closing failure at rated flow,fluent was used to simulate the flow field during the ventilation process of the fuel tank,and pneumatic closing torque of different flow point was extracted for analysis and comparison with the gravity torque.According to the calculation results,the product was improved and the ventilation closing prob-lem has been solved.Keywords:fuel tank vent;icing test;improved product;hydrophobic coating;aerodynamic 88 Corresponding author.E-mail: