第23卷第6期航空學(xué)報(bào)2002年11月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICANov.2002文章編號:1000689X2002)6-0517-03飛機(jī)座艙蓋熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)分析李世武,劉珊西北工業(yè)大學(xué)航空動(dòng)力與熱力工程系,陜西西安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∶依據(jù)熱經(jīng)濟(jì)分析理論并結(jié)合對飛機(jī)座艙蓋熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行模擬找岀了系統(tǒng)的關(guān)鍵能耗元件計(jì)對它的熱慣性是造成系統(tǒng)潛在髙耗能的主要原因提岀了在關(guān)鍵能耗元件加隔熱層的改進(jìn)方案。對某型號座艙蓋100飛行小時(shí)試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算結(jié)果的比較表明改進(jìn)方案能使試驗(yàn)?zāi)芎南陆?7%。關(guān)鍵詞:座艙蓋熱疲勞管路系統(tǒng)能耗辯識中圖分類號V215.5+4;V223′6文獻(xiàn)標(biāo)識碼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殲擊杋座艙蓋旳性能與使用壽命采用熱疲勞量耗費(fèi)試驗(yàn)費(fèi)用減少運(yùn)行能耗已成為急需解決試驗(yàn)確定,以座艙前緣點(diǎn)各種溫度變化的檢驗(yàn)的問題。我國有數(shù)家單位建有TSAC,其試驗(yàn)原曲線作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。座艙蓋熱疲勞理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)技術(shù)均大致相近。為解決這問題對該系統(tǒng)曾進(jìn)行過精心的分析并未發(fā)現(xiàn)在組建上有不合理之處。盡管國外有數(shù)個(gè)國家建有TSAC然而未見相關(guān)文獻(xiàn)也就不知其具體的研究程度1。為徹底搞清這一問題的實(shí)質(zhì)就應(yīng)探尋新的思路,依據(jù)熱經(jīng)濟(jì)分析理論并結(jié)合對系統(tǒng)的運(yùn)行模擬來探索改進(jìn)途1TSAC的能耗辨識圖1某條檢驗(yàn)曲線為了降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,依據(jù)熱經(jīng)濟(jì)分析試驗(yàn)系統(tǒng)TSAC湜由多段通道連接組成的閉合理論23,最有效的措施就是診斷出系統(tǒng)中能耗管路系統(tǒng)。主要通過控制空氣來流溫度實(shí)現(xiàn)座艙率中國煤化工元件并研究減小其能蓋的熱疲勞試驗(yàn)。由于系統(tǒng)運(yùn)行是以迅速空氣流耗CNMHG進(jìn)行系統(tǒng)各元件的劃的方式進(jìn)行對一型號的座艙蓋,一般要進(jìn)行數(shù)萬分然后確定各元件的能耗率從而完成對關(guān)鍵能小時(shí)的熱疲勞試驗(yàn)。所以長期試驗(yàn)的結(jié)果將大耗元件的辨識。通過對TSAC的測量與分析可收稿日期2001-1101;修訂日期20020427知由于系統(tǒng)外表面具有良好的保溫所以系統(tǒng)向文章網(wǎng)址htp/www.hkabne.cm/hkxb/2002/06/0517外界環(huán)境所傳遞的能量極小可忽略不計(jì)。這里518航空學(xué)報(bào)第23卷把系統(tǒng)劃分為元件元件1至元件5分別為管路分布。圖3和圖4分別顯示了系統(tǒng)按特征曲線中流體、座艙蓋、通用艙、通道的金屬構(gòu)(其中為行時(shí)前5s和前10s內(nèi)各元件的能耗率。通道的金屬管壁、艙蓋導(dǎo)流罩、風(fēng)檔導(dǎo)流罩和管路中的閥門以及通道的保溫層在對各種檢驗(yàn)曲線性態(tài)分析后概括出一條具有基本特征的余弦曲線即特征曲線來作為研某209599件4元件5究基礎(chǔ)見圖2。引入特征曲線是為了通過深入研究按該曲線運(yùn)行時(shí)所揭示出的系統(tǒng)能耗分布元件1元件2元件3元并以此進(jìn)行系統(tǒng)的能耗辯識。然后分析關(guān)鍵能圖3各元件在5s的能耗率耗元件的能耗原因提出相應(yīng)的改進(jìn)途徑為按檢Fg.3 The energy consuming ratio of components in5 s of the驗(yàn)曲線運(yùn)行時(shí)降低系統(tǒng)能耗提供倡導(dǎo)。system operation元件1元件2元件3元件4元件5圖4各元件在10s的能耗Fig. 4 The energy consuming ratio of components in 1Os of the圖2特征曲線由于特征曲線在前10s內(nèi)是單調(diào)降溫的所為了解系統(tǒng)各元件的運(yùn)行能耗建立了數(shù)學(xué)以各元件所得到的能量會隨時(shí)間有不同程度的增加對系統(tǒng)的運(yùn)行模擬也表明了這點(diǎn)。由圖3到模型它包括以管路中流體為研究對象旳連續(xù)方圖4可見雖然管路中各流體所到的能量隨時(shí)間程、動(dòng)量方程和能量方程以及管路內(nèi)壁外的導(dǎo)熱是增加的但它的能耗率卻在減少。這是因?yàn)樗匠毯蛽Q熱方程根據(jù)工程定解條件編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件,并經(jīng)考核后78用于對本系統(tǒng)運(yùn)對本系統(tǒng)遠(yuǎn)最先從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凈能量增加值行的數(shù)值模擬。系統(tǒng)在運(yùn)行初始各元件均處在較小從而導(dǎo)致它的能耗率隨時(shí)間在減小。金屬與環(huán)境熱平衡的狀態(tài)特征曲線的前段是單調(diào)降溫的它反映了各類檢驗(yàn)曲線基本特征之一。數(shù)構(gòu)件的能耗率隨時(shí)間在增加而座艙蓋的能耗率隨時(shí)間基上保持恒定這說法明它的能量增量和值模擬系統(tǒng)按特征曲線前10s性態(tài)變化運(yùn)行得供能裝置所提供的能量增量是同步的。雖然通用出各元件的能耗動(dòng)態(tài)分布。艙和通道保溫層所得到的能量隨時(shí)間是增加的j元件在至t+△時(shí)間內(nèi)所獲得的△E按但由于它們的能耗率大小以至難于在隨時(shí)間的變下式確定化中有所反映△E,=mCp(T…+s-T:)(1)由上述分析并綜合考察在第5s第10s和式中mCp,T和T+△分別為j元件的質(zhì)特征曲線結(jié)束時(shí)這3個(gè)運(yùn)行時(shí)刻確定出系統(tǒng)的量、比熱、在t和t+Δt時(shí)刻的溫度。關(guān)鍵能耗元件是元件4即系統(tǒng)通道的金屬構(gòu)件。元件所荻得的能量分為兩類,當(dāng)△E;>0則表明;元件在△時(shí)間內(nèi)所獲得的能量是由供能2關(guān)鍵能耗元件的分析與改進(jìn)裝置的電加熱器提供的高溫?zé)崮芏?dāng)△E<0則表明是由供能裝置的液氮蒸發(fā)器提供的低溫?zé)?V凵中國煤化工分析能。這樣各元件從系統(tǒng)元件運(yùn)行初時(shí)到某時(shí)刻CNMH量來源于管路流體。當(dāng)所獲得的能量就可按式1進(jìn)行每一時(shí)間步長上檢驗(yàn)曲線經(jīng)歷升溫過程時(shí)系統(tǒng)的供能裝置就向的絕對值累加。管路流體提供加熱量。此時(shí)與管路流體相接觸元件獲得的能量與所有元件獲得能量的總和的金屬構(gòu)件便會與它發(fā)生傳熱從中獲得能量熱之比稱為元件的能耗率它用反映各元件能耗的量)并蓄存起來。當(dāng)檢驗(yàn)曲線經(jīng)歷降溫過程時(shí)供第6期李世武等:飛機(jī)座艙蓋熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)分析能裝置就向管路流體提供制冷量。此時(shí),金屬構(gòu)3)SAC關(guān)鍵能耗元件的高能耗原因是元件又從管路流體獲得能量冷量)并使其溫度降件所具有的熱慣性低。就本系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)康膩碚f金屬構(gòu)件所獲得4)降低TSAC能耗的有效途徑為最大可能的能量并未有效利用所以就應(yīng)盡量減少。由傳地削弱管路流體與金屬構(gòu)件之間的傳熱。熱學(xué)可知要有效減少管路流體與金屬構(gòu)件之間對上述結(jié)論中的2)(3廂4),還需進(jìn)行實(shí)的傳熱量就必須削弱傳熱條件。由此可得出對驗(yàn)驗(yàn)證以確保結(jié)論的準(zhǔn)確性。金屬構(gòu)件改進(jìn)的途徑與方案為最大可能地削弱參考文獻(xiàn)管路流體與金屬構(gòu)件之間的傳熱在與管路流體相接觸的金屬構(gòu)件表面即管路內(nèi)壁加隔熱層來[1階空部六二一研究所,飛機(jī)透明件譯文集21北京航空部六二一研究所,1986杜絕或減小這一傳熱。621 Research Institete of the Ministry of Aviation Industry. The2.2關(guān)鍵能耗元件的改進(jìn)效果corpus of aircraft transparent things[ Z ]. Beijing 621 ResearchInstitute of the Ministry of Aviation Industry 1986.這里選導(dǎo)熱系數(shù)0.067W(m.K)的隔熱材[2l】 I-sayed Y M Gaggioli A. a critical review of second law cost-管路內(nèi)嬰加限熱層某型號座艙蓋100行小時(shí)ER個(gè)195rm料厚度1.5mm采用等離子噴涂法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)試驗(yàn)的檢驗(yàn)曲線有10條圖1為其中之一各檢[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驗(yàn)曲線在試驗(yàn)中有不同的執(zhí)行次數(shù)。就管路內(nèi)壁T,190.11(5)-15加隔熱層與不加這兩種情況對此試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)[4侏明善.能量系統(tǒng)的火用分杌M]北京清華大學(xué)出版社值模擬。在相同能耗下液氮價(jià)格遠(yuǎn)高于電能價(jià)格降低液氮耗量是降低試驗(yàn)費(fèi)用的關(guān)鍵。表1(Zhu Ms Exergy analysis of energy systeni M Beijing: Pub-lishing House of Qinghua University 1988, 195-205.)的模擬結(jié)果顯示加隔熱層后雖然電能耗量稍許[5李汝輝劉德彰李世武.能量有效利M]北京北京航空增多但僅增加了1.3%;而液氮耗量卻減少了航天大學(xué)出版社1990.349-35537%尤其是系統(tǒng)運(yùn)行能耗費(fèi)用降低了37%這(LiR H ,Liu d z li s wEffective use of energy[ M l beijing表明在管路內(nèi)壁加隔熱層這一方案對減少系統(tǒng)能 Publishing House of Beijing Universitg of Aeronautis and Astro-耗從而降低試驗(yàn)費(fèi)用很有效。nautics,990.349-355.)表1100飛行小時(shí)試驗(yàn)的改進(jìn)方案經(jīng)濟(jì)性比較[6李世武.管網(wǎng)系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)決策理論與方法的研究D]西安西北工業(yè)大學(xué)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試驗(yàn)曲線電能消耗量液氮消耗量電能消耗量液氮消耗量technical University 2002.)曲線執(zhí)行[無隔熱層無隔熱層正加隔熱層I加隔熱層]編號次數(shù)/kWh/kwh[7孟叢林.飛機(jī)座艙蓋高低溫疲勞試驗(yàn)臺換熱數(shù)值模攬D],西503498.63944.159546.1147安西北工業(yè)大學(xué)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瀏珊.座艙蓋高低溫疲勞試驗(yàn)臺換熱數(shù)值模擬及熱經(jīng)濟(jì)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合計(jì)125759.95337735.5886769.87844874.0636作者簡介李世武1957-)男四川開江人西北工3結(jié)論中國煤化工博11年大連理工大學(xué)1辮降低系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵部位為系統(tǒng)的關(guān)鍵HCNMHG程應(yīng)用專業(yè)委員會委員主雯從事⊥槿熱力學(xué)與節(jié)能方面的研究E能耗元件。mail'shiwuli(@nwpu.edu.cn(2)ISAC的關(guān)鍵能耗元件是與管內(nèi)流體相劉珊1966-)女遼寧沈陽人2001年西北工業(yè)大學(xué)熱工程專碩士研究生畢業(yè)接觸的金屬構(gòu)件。責(zé)任編輯李鐵柏)