飛機空氣導管安全性設計與泄漏探測技術研究.pdf

1、飛機空氣導管系統(tǒng)主要負責從發(fā)動機、APU和地面氣源引出高溫壓力氣體輸送到防冰系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等子系統(tǒng)。管系穿越機翼、發(fā)動機吊掛、機身等多個區(qū)域,管路故障不僅影響整個空氣管理系統(tǒng)功能的實現(xiàn),也會給周圍其他系統(tǒng)帶來安全隱患,故此空氣導管的安全性和可靠性成為飛機安全設計的重要內容。本文主要從理論推導、數(shù)值仿真、實驗模擬等方面對飛機空氣導管管路系統(tǒng)設計所涉及的關鍵技術如傳熱流動特性、應力安全設計和評估方法及泄漏探測技術開展研究。具體工作

2、內容如下:
　　(1)空氣導管管路工作機制與設計參數(shù)的選擇
　　給出了ARJ21-700的空氣導管管路系統(tǒng)布置圖,根據(jù)管路系統(tǒng)關斷閥位置及管內氣流屬性,將管路系統(tǒng)分為引氣系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)、配平系統(tǒng)、空調管路系統(tǒng)和笛形管系統(tǒng),詳細介紹了各個子系統(tǒng)管路及其附件的工作機制。其次,給出了飛機空氣導管管路的屬性參數(shù),提出了飛機空氣導管采用空氣層絕熱和固體材料絕熱的多層絕熱設計思路,并推導了飛機空氣導管多層絕熱設計的計算方法。最后,結合空

3、氣導管的不同引氣方式、飛行加速度、導管的校核標準以及外界環(huán)境溫度確定了空氣導管的計算工況,為空氣導管的設計提供邊界條件。
　　(2)空氣導管管內外傳熱流動特性研究
　　基于流體網(wǎng)絡算法和有限體積法開展對空氣導管管內外傳熱流動特性的分析工作,獲得了管系在不同邊界條件下的溫度、壓力和流量等參數(shù)特性以及空氣導管管外的溫度場分布。研究結果表明:盡管小流量的管路破壞對管系本身的輸送特性影響較小,但對周圍環(huán)境溫度的影響需要引起重視。此外

4、,較好的PID控制邏輯和閥門的開關特性能改善管路的壓力脈動。最后,從導管的空間布置來說,導管向下布置以及導管管徑的增加均會加強導管與艙內空氣的換熱。管道的布置主要考慮其對座艙熱載荷以及自身熱損失的影響,對于給定管徑的管道系統(tǒng),可構建關于貨艙三角區(qū)傳遞給座艙熱負荷以及管道自身熱損失的優(yōu)化函數(shù),給出最優(yōu)的管道布置位置。
　　(3)基于有限元的管系應力和位移安全設計方法
　　在分析飛機飛行工況和應力安全評定準則的基礎上,提出了基于

5、空間梁單元、殼單元、實體單元的空氣導管應力分析、補償與校核的設計方案。分析了含有直管、彎管、閥門、球形接頭、滑動接頭、法蘭、管路組件的空氣導管管系梁單元模型、殼單元模型,同時給出了空氣導管相關關鍵部位實體模型的建模方法。最后,考察了應力校核標準、飛行加速度、管內氣體壓力、溫度及管道附件布置位置對管道應力補償?shù)挠绊憽?br>　　(4)引氣系統(tǒng)的應力和位移安全設計
　　采用提出的管系安全設計方法對ARJ21-700飛機空氣導管的引氣系

6、統(tǒng)進行管系應力安全計算、補償、校核與優(yōu)化設計。在補償過程中,提出了承重設計優(yōu)先、位移約束及應力釋放交替補償、采用管系結構劃分進行應力補償、滑動接頭對稱布置等設計思路。同時,基于球形接頭偏轉角度的大小進行管系優(yōu)化設計。最后,提出了基于Miner理論和雨流計數(shù)法分析管系的疲勞壽命的方法。
　　(5)高溫壓力管道的泄漏探測技術研究
　　在研究現(xiàn)有國外飛機空氣導管泄漏探測系統(tǒng)工作原理的基礎上,指出了現(xiàn)有探測系統(tǒng)的不足,基于熱敏材料和