电子控制器3D打印燃油冷板设计研究

　　摘要:随着飞机的任务要求更多，航空发动机设计更加复杂，发动机电子控制器性能更高，功耗不断增加，外部环境条件更加恶劣，其散热面临更加严峻的挑战。针对电子控制器3D打印燃油冷板开展了结构设计、仿真优化、3D打印制造、实验测试研究，3D打印燃油冷板通过了350℃高温试验测试，具备高换热、低流阻、重量轻、高可靠的性能，为发动机电子控制器燃油冷板设计提供借鉴。

　　关键词:电子控制器;冷板;3D打印;散热

　　随着飞机任务要求增多，航空发动机设计更加复杂，可调节的部位越来越多，发动机输入和输出参数的数量不断增加，控制变量从10～12个增至20多个，要求发动机电子控制器具有更强的计算能力、逻辑功能和更高的控制精度。发动机电子控制器在航空发动机系统中占有非常重要的地位，其性能优劣直接影响到发动机及飞机的性能，为了不断满足发动机发展的需求，未来电子控制器的发展目标是提高性能、减轻质量，耐恶劣环境、提高可靠性和维护性［1］。笔者针对电子控制器设计了一种3D打印燃油液冷板，对燃油冷板结构设计、仿真优化、3D打印制造、实验测试进行了介绍，结果表明3D打印燃油冷板换热性能更高、减重效果更加明显、可靠性更高，为今后发动机电子控制器燃油液冷结构设计提供技术指导。

　　1电子控制器燃油冷板结构需求

　　发动机控制系统从20世纪40年代简单的机械液压燃油控制系统发展到全权限数字电子控制系统(FADEC)，其主要是利用计算机数字运算能力实现对发动机的控制。随着发动机任务剖面更多，结构愈发复杂，电子控制器控制信号增加，性能提升，功耗不断增加。同时在繁多与复杂飞行任务要求下，电子控制器的工作环境日渐恶化，特别是在持续、高超声速飞行条件下，发动机工作温度可能达到650℃［2］。电子控制功耗增加、外部环境条件更加恶劣，其散热面临更加严峻的挑战，使用液冷散热成了更加有效的方式。飞机燃油热管理系统［3］如图1所示，飞机发动机的FADEC采用飞机燃油进行冷却，燃油将电子控制器中的热量带出，达到控制电子控制器温度的目的发动机电子控制器的质量大约占发动机质量的15%～20%左右，因此，要减轻发动机的质量，提高发动机推重比，减轻发动机电子控制器的重量是重要的途径之一。燃油冷却相比传统液冷对液冷冷板的可靠性和安全性要求更高，如果冷板发生开裂，燃油泄漏将造成灾难性的后果。综上所述，需要研制一种散热性能更高、重量更轻、可靠性更高的电子控制器燃油冷板，提高电子控制器耐恶劣环境能力。

　　2电子控制器燃油冷板结构设计

　　电子控制器燃油液冷结构如图2所示，采用侧壁燃油液冷的结构，上下两个侧板为燃油冷板，燃油从液冷接头流入，分别进入上下两个燃油冷板，从液冷接头流出。其换热原理如图3所示，芯片将热量通过导热垫传导到模块壳体上，再由模块壳体将芯片热量传导到燃油冷板上。燃油冷板内有液冷通道，燃油在燃油冷板内循环将芯片产生的热量及外部辐射进入的热量带出电子控制器，达到高效散热的目的。传统采用埋管、铣削通道等方式形成冷板流道，受制于传统加工方式的限制，无法设计更加复杂或者异型结构的流道，冷板的换热性能已经达到设计极限。同时，由于有焊缝存在，需要保证强度要求，冷板壁厚较厚，冷板的质量已经达到设计极限。电子控制器燃油冷板需满足高换热性能、重量更轻、高可靠的需求。电子控制器燃油冷板采用3D打印方案，针对高换热性能的需求，冷板内流道可设计为异型结构，增强换热性能，降低流阻;针对质量更轻的需求，流道可以进行异型设计，不需要焊接后，在保证强度的前提下结构可以更加轻便，减轻整体重量传统采用埋管、铣削通道等方式形成冷板流道，受制于传统加工方式的限制，无法设计更加复杂或者异型结构的流道，冷板的换热性能已经达到设计极限。同时，由于有焊缝存在，需要保证强度要求，冷板壁厚较厚，冷板的质量已经达到设计极限。电子控制器燃油冷板需满足高换热性能、重量更轻、高可靠的需求。电子控制器燃油冷板采用3D打印方案，针对高换热性能的需求，冷板内流道可设计为异型结构，增强换热性能，降低流阻;针对质量更轻的需求，流道可以进行异型设计，不需要焊接后，在保证强度的前提下结构可以更加轻便，减轻整体重量电子控制器燃油冷板的具体结构形式如图4所示，(图中所示为去除上表面1mm结构后的剖视图)，燃油从入口进入冷板，从出口流出，燃油与冷板进行热量交换将热量带出电子控制器。

　　3电子控制器燃油冷板仿真优化

　　流道的结构直接影响燃油液冷板的换热，流阻，重量等性能，为了增加换热性能，降低系统流阻，降低冷板质量，流道内设计有梯度桁架结构以增强扰流换热能力，流道内的梯度桁架结构如图5所示。通过仿真进行优化设计，提高换热性能的同时，降低流道压力损失，降低质量成为优化的目标。仿真分析不同流道结构对燃油冷板散热性能以及流道压力损失的影响，对液冷板进行性能优化。针对梯度桁架结构中宽度方向间距m，长度方向间距n，梯柱底圆直径a，梯度顶圆直径b进行参数优化设计。最终得到宽度方向间距m=10，长度方向间距n=8，梯柱成4－3阵列结构，梯柱底圆直径a=7，梯度顶圆直径b=3时，换热效果、流阻、质量指标最优。从优化后的梯度桁架结构仿真结果中可以看出，电子控制器内部6处导轨各60W，外表面辐射热量360W，总功耗720W时，冷板导轨表面的温度最高56℃，冷板的热阻仅为0．019℃/W，换热性能非常好，流阻仅为1537．3Pa，质量仅为1．234kg，相比传统铣削焊接液冷板，质量降低17．5%、壁面温度降低3．3%，压差降低14．1%，达到了高换热性能、低流阻、低重量的目标。

　　4电子控制器燃油液冷板3D打印

　　冷板的加工工艺比较多，目前传统采用埋管、焊接等方式形成冷板的液冷腔体。传统方式都存在焊缝或者焊接面，焊缝或者焊接面间钎料的强度一般低于母材，随着工艺的成熟各种焊接冷板层出不穷，能够适应不同环境下的使用要求及可靠性要求。针对燃油不能泄漏的更高可靠性需求，以及优化后的燃油冷板内部桁架扰流减重结构为梯柱结构，传统机械加工难以成行的问题。电子控制器燃油冷板采用3D打印加工方式，其内部结构一体成型，桁架梯柱结构完整打印，通道内无钎料焊缝及焊接面，不存在燃油泄漏的风险。由于3D打印一体成型，燃油冷板腔体内桁架梯度结构是否完整，是否有堵塞必须通过X射线进行透视检测，采用X射线检测其内部腔体，从图7可以看出桁架梯度结构完整，通道光滑，没有出现堵塞现象，满足设计要求。

　　5电子控制器燃油冷板实验测试

　　电子控制器样机进行高温试验原理如图8所示。将电子控制器样机放置于高温箱中，分别将线缆1、线缆2和线缆3插入至样机上的X1、X2和X3连接器上，分别将管路1和管路2插入至样机上的液冷接头插座1和插座2上。将线缆1和线缆3连接到测温仪上，将线缆2连接到直流电源正负极。将管路1和管路2分别连接到冷水机出水口和回水口。由测试结果可知，在环境空气温度350℃，冷却液供液温度61℃，样机热功耗351W时，样机内加热片(芯片)温度为80．7℃、81．9℃、82．4℃、81．4℃，3D打印燃油冷板可保证加热片(芯片)表面温度低于125℃。

　　6结语

　　通过电子控制器3D打印燃油冷板结构设计、仿真优化、3D打印制造、实验测试可以看出3D打印燃油冷板相比传统铣削焊接液冷板，质量降低17．5%、壁面温度降低3．3%，压差降低14．1%，具备高换热、低流阻、质量轻的优点。3D打印燃油冷板一体成型烧结而成，没有焊缝，相比传统焊接冷板可靠性更高，通过了350℃高温试验测试。3D打印工艺可以满足冷板通道内异型结构的加工成型，可以根据需求设计优化通道内特征结构，提高燃油冷板的综合性能。

　　参考文献:

　　［1］姚华．未来航空发动机控制技术的发展趋势［J］．航空科学技术，2012(6):1－6．

　　［2］祁国栋．FADEC(全权限数字发动机控制)的未来发展趋势［J］．科技风，2016(5):34－35．

　　［3］齐社红．F/A－18E/F飞机综合环境控制系统和液体冷却系统［J］．飞机设计参考资料，2010(2):30－37．

　　［4］古良玲，全晓莉．3D打印技术在电子元器件研制中的应用［J］．电子元件与材料，2014，33(1):67－68．

　　作者：赵亮 周尧 吴波 张丰华 单位：西安航空计算技术研究所