飞机座舱盖热疲劳试验系统的热经济分析

第23卷第6期航空学报2002年11月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICANov.2002文章编号:1000689X2002)6-0517-03飞机座舱盖热疲劳试验系统的热经济分析李世武,刘珊西北工业大学航空动力与热力工程系,陕西西安710072)THERMOECONOMIC ANALYSIS OF THE TESTING SYSTEMFOR THE THERMAL FATIGUE OF AIRCRAFT CANOPYLI Shi-wu Liu ShanDepartment of aeroengine and Thermal Power Engineering northwestern Polytechnical University Xi an 710072, China摘要∶依据热经济分析理论并结合对飞机座舱盖热疲劳试验系统的运行模拟找岀了系统的关键能耗元件計对它的热惯性是造成系统潜在髙耗能的主要原因提岀了在关键能耗元件加隔热层的改进方案。对某型号座舱盖100飞行小时试验模拟计算结果的比较表明改进方案能使试验能耗下降37%。关键词:座舱盖熱疲劳管路系统能耗辩识中图分类号V215.5+4;V223′6文献标识码Abstract: The testing system for the thermal fatigue of a fighter plane canopy is made up of closed pipes and is usedto test the performance and flight lifetime of canopy. The canopy load of high and low temperatures in experiment isachieved by energy exchange with rapidly heating up or cooling down airflow thus the system consumes much en-To solve the problem the key energy consuming component has been found in light of the thermoeconomigy consuming component leads much energy spending of the system' s operation it is proposed to add a layer of heatsulation on the surface of the key energy consuming component. The numerical simulation for the100 flight hours of a certain canopy shows that the measure can reduce 37% energy spending of the system' s operaKey words: aircraft canopy thermal fatigue pipeline i energy diagnosis歼击杋座舱盖旳性能与使用寿命采用热疲劳量耗费试验费用減少运行能耗已成为急需解决试验确定,以座舱前缘点各种温度变化的检验的问题。我国有数家单位建有TSAC,其试验原曲线作为检验标准如图1所示。座舱盖热疲劳理、系统结构和试验技术均大致相近。为解决这问题对该系统曾进行过精心的分析并未发现在组建上有不合理之处。尽管国外有数个国家建有TSAC然而未见相关文献也就不知其具体的研究程度1。为彻底搞清这一问题的实质就应探寻新的思路,依据热经济分析理论并结合对系统的运行模拟来探索改进途1TSAC的能耗辨识图1某条检验曲线为了降低系统的运行能耗,依据热经济分析试验系统TSAC湜由多段通道连接组成的闭合理论23,最有效的措施就是诊断出系统中能耗管路系统。主要通过控制空气来流温度实现座舱率中国煤化工元件并研究减小其能盖的热疲劳试验。由于系统运行是以迅速空气流耗CNMHG进行系统各元件的划的方式进行对一型号的座舱盖,一般要进行数万分然后确定各元件的能耗率从而完成对关键能小时的热疲劳试验。所以长期试验的结果将大耗元件的辨识。通过对TSAC的测量与分析可收稿日期2001-1101;修订日期20020427知由于系统外表面具有良好的保温所以系统向文章网址htp/www.hkabne.cm/hkxb/2002/06/0517外界环境所传递的能量极小可忽略不计。这里518航空学报第23卷把系统划分为元件元件1至元件5分别为管路分布。图3和图4分别显示了系统按特征曲线中流体、座舱盖、通用舱、通道的金属构(其中为行时前5s和前10s内各元件的能耗率。通道的金属管壁、舱盖导流罩、风档导流罩和管路中的阀门以及通道的保温层在对各种检验曲线性态分析后概括出一条具有基本特征的余弦曲线即特征曲线来作为研某209599件4元件5究基础见图2。引入特征曲线是为了通过深入研究按该曲线运行时所揭示出的系统能耗分布元件1元件2元件3元并以此进行系统的能耗辩识。然后分析关键能图3各元件在5s的能耗率耗元件的能耗原因提出相应的改进途径为按检Fg.3 The energy consuming ratio of components in5 s of the验曲线运行时降低系统能耗提供倡导。system operation元件1元件2元件3元件4元件5图4各元件在10s的能耗Fig. 4 The energy consuming ratio of components in 1Os of the图2特征曲线由于特征曲线在前10s内是单调降温的所为了解系统各元件的运行能耗建立了数学以各元件所得到的能量会随时间有不同程度的增加对系统的运行模拟也表明了这点。由图3到模型它包括以管路中流体为研究对象旳连续方图4可见虽然管路中各流体所到的能量随时间程、动量方程和能量方程以及管路内壁外的导热是增加的但它的能耗率却在减少。这是因为它方程和换热方程根据工程定解条件编制了相应的计算机软件,并经考核后78用于对本系统运对本系统远最先从供能裝置得到能量增加值然而其大部分被管路沿途各元件吸收使得它的净能量增加值行的数值模拟。系统在运行初始各元件均处在较小从而导致它的能耗率随时间在减小。金属与环境热平衡的状态特征曲线的前段是单调降温的它反映了各类检验曲线基本特征之一。数构件的能耗率随时间在增加而座舱盖的能耗率随时间基上保持恒定这说法明它的能量增量和值模拟系统按特征曲线前10s性态变化运行得供能裝置所提供的能量增量是同步的。虽然通用出各元件的能耗动态分布。舱和通道保温层所得到的能量随时间是增加的j元件在至t+△时间内所获得的△E按但由于它们的能耗率大小以至难于在随时间的变下式确定化中有所反映△E,=mCp(T…+s-T:)(1)由上述分析并综合考察在第5s第10s和式中mCp,T和T+△分别为j元件的质特征曲线结束时这3个运行时刻确定出系统的量、比热、在t和t+Δt时刻的温度。关键能耗元件是元件4即系统通道的金属构件。元件所荻得的能量分为两类,当△E;>0则表明;元件在△时间内所获得的能量是由供能2关键能耗元件的分析与改进装置的电加热器提供的高温热能而当△E<0则表明是由供能装置的液氮蒸发器提供的低温热2V凵中国煤化工分析能。这样各元件从系统元件运行初时到某时刻CNMH量来源于管路流体。当所获得的能量就可按式1进行每一时间步长上检验曲线经历升温过程时系统的供能装置就向的绝对值累加。管路流体提供加热量。此时与管路流体相接触元件获得的能量与所有元件获得能量的总和的金属构件便会与它发生传热从中获得能量热之比称为元件的能耗率它用反映各元件能耗的量)并蓄存起来。当检验曲线经历降温过程时供第6期李世武等:飞机座舱盖热疲劳试验系统的热经济分析能装置就向管路流体提供制冷量。此时,金属构3)SAC关键能耗元件的高能耗原因是元件又从管路流体获得能量冷量)并使其温度降件所具有的热惯性低。就本系统的试验目的来说金属构件所获得4)降低TSAC能耗的有效途径为最大可能的能量并未有效利用所以就应尽量减少。由传地削弱管路流体与金属构件之间的传热。热学可知要有效减少管路流体与金属构件之间对上述结论中的2)(3厢4),还需进行实的传热量就必须削弱传热条件。由此可得出对验验证以确保结论的准确性。金属构件改进的途径与方案为最大可能地削弱参考文献管路流体与金属构件之间的传热在与管路流体相接触的金属构件表面即管路内壁加隔热层来[1阶空部六二一研究所,飞机透明件译文集21北京航空部六二一研究所,1986杜绝或减小这一传热。621 Research Institete of the Ministry of Aviation Industry. The2.2关键能耗元件的改进效果corpus of aircraft transparent things[ Z ]. Beijing 621 ResearchInstitute of the Ministry of Aviation Industry 1986.这里选导热系数0.067W(m.K)的隔热材[2l】 I-sayed Y M Gaggioli A. a critical review of second law cost-管路内婴加限热层某型号座舱盖100行小时ER个195rm料厚度1.5mm采用等离子喷涂法实现对系统试验的检验曲线有10条图1为其中之一各检[3 Gaggioli R A El-sayed Y M. A critical review of second law costing methods- ll calculus procedure[ J] Trans ASME J of E R验曲线在试验中有不同的执行次数。就管路内壁T,190.11(5)-15加隔热层与不加这两种情况对此试验进行了数[4侏明善.能量系统的火用分杌M]北京清华大学出版社值模拟。在相同能耗下液氮价格远高于电能价格降低液氮耗量是降低试验费用的关键。表1(Zhu Ms Exergy analysis of energy systeni M Beijing: Pub-lishing House of Qinghua University 1988, 195-205.)的模拟结果显示加隔热层后虽然电能耗量稍许[5李汝辉刘德彰李世武.能量有效利M]北京北京航空增多但仅增加了1.3%;而液氮耗量却减少了航天大学出版社1990.349-35537%尤其是系统运行能耗费用降低了37%这(LiR H ,Liu d z li s wEffective use of energy[ M l beijing表明在管路内壁加隔热层这一方案对减少系统能 Publishing House of Beijing Universitg of Aeronautis and Astro-耗从而降低试验费用很有效。nautics,990.349-355.)表1100飞行小时试验的改进方案经济性比较[6李世武.管网系统热经济决策理论与方法的研究D]西安西北工业大学2002Table 1 The economic comparison for the experiment of(Li S W. Research on the theory and methodology of thermoeco-100 flight hours of a certain aircraft canopynomic decision for piping system[ D ]Xi an Northwestern Poly试验曲线电能消耗量液氮消耗量电能消耗量液氮消耗量technical University 2002.)曲线执行[无隔热层无隔热层正加隔热层I加隔热层]编号次数/kWh/kwh[7孟丛林.飞机座舱盖高低温疲劳试验台换热数值模攬D],西503498.63944.159546.1147安西北工业大学19994002117.83604.192954.7360Meng C L. Numerical simulation of the testingfor ther2472167.15631.788877.8451mal fatigue of aircraft canopy[ D ] Xi an Northwestem Polytech4346.292530.08176.069832,4037cal University 2002.)5612.780993.791913.345478.5328[8浏珊.座舱盖高低温疲劳试验台换热数值模拟及热经济分析622.95808,098719,476871412.429710.887910.192815.29198134.156731.81563.208424.0025929.870241.41858.145335.4960testing system for thermal fatigue of aircraft canopy[ D ],Xi10217.015830.815.426329.7469合计125759.95337735.5886769.87844874.0636作者简介李世武1957-)男四川开江人西北工3结论中国煤化工博11年大连理工大学1辮降低系统能耗的关键部位为系统的关键HCNMHG程应用专业委员会委员主雯从事⊥槿热力学与节能方面的研究E能耗元件。mail'shiwuli(@nwpu.edu.cn(2)ISAC的关键能耗元件是与管内流体相刘珊1966-)女辽宁沈阳人2001年西北工业大学热工程专硕士研究生毕业接触的金属构件。责任编辑李铁柏)