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-160G^[2]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。

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。

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-160G^[2]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。

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。

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。

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Teflon。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。

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。

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NACA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。

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。

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 N · m，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 N · m，大于图11中通气过程额定流量下最大气动力矩0.037 2 N · m，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。

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