航空油冷發(fā)電機(jī)作為現(xiàn)代航空電力系統(tǒng)的核心部件，其可靠性直接關(guān)系到飛行安全。近年來，隨著航空裝備向高性能、高功率密度方向發(fā)展，發(fā)電機(jī)的熱管理問題日益凸顯。某型飛機(jī)進(jìn)行供電系統(tǒng)與雷達(dá)機(jī)上地面交聯(lián)試驗(yàn)過程中，其研發(fā)電機(jī)（設(shè)計(jì)服役溫度不大于200℃）發(fā)生了過熱故障，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的過熱保護(hù)功能均失效，其熱脫扣裝置未及時(shí)脫扣，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)接線板處絕緣襯套熔化，發(fā)電機(jī)內(nèi)部高溫油氣噴出。

過熱保護(hù)功能失效是航空發(fā)電機(jī)領(lǐng)域最為嚴(yán)重的安全隱患之一。目前，發(fā)電機(jī)熱脫扣裝置選用的低熔點(diǎn)合金主要有Zn-Al系、Zn-Cd系和Sn-Zn系三種。其中，錫鋅（Sn-Zn）合金因其熔點(diǎn)低且具有良好的導(dǎo)電性和力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，成為低熔點(diǎn)合金的首選材料。然而，由于Zn的高活性，Sn-Zn體系中的Zn很容易被氧化形成某些腐蝕產(chǎn)物（如鋅氧化物/氫氧化物和ZnCl2）導(dǎo)致合金性能降低。

油冷結(jié)構(gòu)與風(fēng)冷、水冷結(jié)構(gòu)相比，具有重量輕、運(yùn)動(dòng)黏度大、散熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的前提是計(jì)算電機(jī)熱場(chǎng)，進(jìn)而正確分析電機(jī)的溫度分布，優(yōu)化材料選擇。由于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部溫度的測(cè)量比較困難。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，數(shù)值計(jì)算可作為一種非常有效的前期研制手段預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)工作時(shí)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和磁場(chǎng)等參數(shù)。

本文將針對(duì)航空油冷發(fā)電機(jī)過熱保護(hù)設(shè)計(jì)展開系統(tǒng)研究，通過溫度場(chǎng)模擬分析、故障機(jī)理研究以及優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證，提出一套完整的過熱保護(hù)解決方案，為航空發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

一、航空油冷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及冷卻原理

1.1 發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)

航空油冷交流發(fā)電機(jī)是一種專門針對(duì)航空環(huán)境設(shè)計(jì)的高功率密度電機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊，散熱要求高。該發(fā)電機(jī)自帶滑油冷卻系統(tǒng)，為電機(jī)的繞組、軸承等發(fā)熱部件提供冷卻保護(hù)。發(fā)電機(jī)的核心部件包括主發(fā)定子、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)、永磁機(jī)以及冷卻系統(tǒng)組件。

主發(fā)定子殼體采用鎂合金材料，具有密度低（1.770g/cm3）、比熱容大（963J/(kg·℃)）和導(dǎo)熱系數(shù)高（113W/(m·℃)）的特點(diǎn)，既能滿足輕量化要求，又能有效傳導(dǎo)熱量。主發(fā)定子鐵芯采用鈷鋼帶，主發(fā)定子繞組采用聚酰亞胺漆包銅扁線，具有良好的導(dǎo)熱性（380W/(m·℃)）和耐高溫特性。

1.2 油路冷卻系統(tǒng)原理

航空油冷交流發(fā)電機(jī)的油路系統(tǒng)是一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)由泵組件、油箱及相關(guān)冷卻油路等部件組成，其工作流程如下：

首先，注油泵抽取油箱中的滑油到電機(jī)殼體循環(huán)油路中，對(duì)主發(fā)定子進(jìn)行冷卻；然后，滑油經(jīng)定子循環(huán)后，進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的空心軸內(nèi)，對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行冷卻；而后通過噴嘴噴出，對(duì)電機(jī)內(nèi)腔中的各發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻；最后，滑油落入電機(jī)殼體底部的回油槽中，被兩個(gè)回油泵抽出進(jìn)入外散熱管路，經(jīng)外部散熱器冷卻后再進(jìn)入電機(jī)油箱中。

1.3 過熱保護(hù)機(jī)制

航空油冷發(fā)電機(jī)設(shè)有熱脫扣保護(hù)裝置，其主要作用是當(dāng)滑油溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)脫開發(fā)電機(jī)與前端傳動(dòng)裝置（機(jī)匣）的機(jī)械連接，使發(fā)電機(jī)停止工作，防止因過熱造成更嚴(yán)重的損壞。

熱脫扣保護(hù)裝置采用低熔點(diǎn)合金作為溫度敏感元件，當(dāng)油溫升高到合金熔點(diǎn)時(shí)，合金熔化，觸發(fā)機(jī)械機(jī)構(gòu)斷開連接。核查發(fā)生故障的發(fā)電機(jī)熱脫扣動(dòng)作溫度指標(biāo)超過197℃時(shí)，輸入軸熱脫扣。該指標(biāo)是參照某俄制油冷發(fā)電機(jī)制定的，在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中熱脫扣保護(hù)裝置中采用了低熔點(diǎn)合金進(jìn)行溫度敏感保護(hù)，實(shí)測(cè)低熔點(diǎn)合金溫度值為202.8℃。

二、過熱保護(hù)溫度場(chǎng)模擬分析

2.1湍流模型選擇

航空油冷發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)包含多種冷卻形式。針對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)特性，選用有旋均勻剪切流、自由流、腔道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)適應(yīng)性更好的Realizable k-ε模型進(jìn)行分析。

Realizable k-ε模型對(duì)復(fù)雜流動(dòng)的模擬有較好的效果，包括有旋均勻剪切流、自由流（射流和混合層），腔道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)。該模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部流體在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的流動(dòng)特性和換熱過程。

2.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算采用Ansys Fluent軟件，仿真分析包含三個(gè)基本環(huán)節(jié)：前處理、計(jì)算求解和后處理。考慮到計(jì)算資源和計(jì)算精度的平衡，對(duì)實(shí)際發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)、永磁機(jī)發(fā)熱小，僅約為主發(fā)電機(jī)發(fā)熱的5%，且勵(lì)磁機(jī)與永磁機(jī)安裝位置與低熔點(diǎn)合金位置相隔較遠(yuǎn)；端蓋、油箱等為不發(fā)熱結(jié)構(gòu)件，對(duì)電機(jī)熱場(chǎng)分布影響不大。因此僅截取主發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行分析，以主發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子，殼體循環(huán)油路為主要研究對(duì)象，對(duì)殼體進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅保留循環(huán)油路；對(duì)繞組進(jìn)行簡(jiǎn)化，將繞組絕緣等均簡(jiǎn)化為形狀相似的一體化復(fù)合材料，根據(jù)絕緣及銅占比設(shè)置符合材料熱傳導(dǎo)屬性。

2.3 邊界條件與材料參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)出口油溫?cái)?shù)據(jù)，設(shè)定仿真邊界條件，并通過鉑電阻測(cè)量電機(jī)殼體各處溫度，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。仿真過程中，采用流體域旋轉(zhuǎn)、流固耦合壁面相對(duì)于流體域靜止來模擬電機(jī)腔內(nèi)的流動(dòng)特征。

三、熱場(chǎng)仿真與故障分析

3.1 溫度場(chǎng)分布特性

通過仿真分析，獲得了發(fā)電機(jī)在正常工況和故障工況下的溫度場(chǎng)分布。在正常工況下，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)合部位及繞組溫度較高，低熔點(diǎn)合金總體溫度較低，接近進(jìn)口油溫。低熔點(diǎn)合金各部分存在明顯溫度梯度。

3.2 過熱故障機(jī)理分析

當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)滑油過熱問題時(shí)，熱脫扣保護(hù)裝置未做出保護(hù)動(dòng)作，而在發(fā)電機(jī)接線柱處的絕緣襯套處發(fā)生噴油故障，說明發(fā)電機(jī)接線柱絕緣襯套高溫?fù)p毀的溫度與熱脫扣保護(hù)裝置動(dòng)作溫度不協(xié)調(diào)，破壞先于保護(hù)發(fā)生。

通過故障模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)出口油溫達(dá)到260℃時(shí)，絕緣襯套開始軟化，導(dǎo)致電機(jī)腔體內(nèi)發(fā)生漏油。而此時(shí)熱脫扣保護(hù)裝置中的低熔點(diǎn)合金尚未達(dá)到熔點(diǎn)（202.8℃），這是由于熱傳導(dǎo)路徑和熱容量差異導(dǎo)致的。低熔點(diǎn)合金安裝在相對(duì)較冷區(qū)域，而絕緣襯套直接接觸高溫滑油，導(dǎo)致其先于保護(hù)裝置損壞。

3.3 電機(jī)進(jìn)出口油溫變化分析

對(duì)發(fā)電機(jī)工作過程中的進(jìn)出口油溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，是了解其熱特性的重要手段。在故障發(fā)生時(shí)，電機(jī)進(jìn)出口油溫變化曲線顯示出異常波動(dòng)。在165s時(shí)，電機(jī)熱場(chǎng)分布出現(xiàn)明顯不均勻性，高溫區(qū)域主要集中在定子繞組端部和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條連接處。

在165s時(shí)電機(jī)熱場(chǎng)分析中，發(fā)現(xiàn)定子繞組最高溫度達(dá)到285℃，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條溫度達(dá)到263℃，均已超過材料允許的長(zhǎng)期工作溫度。此時(shí)低熔點(diǎn)合金熱場(chǎng)顯示其平均溫度僅為185℃，尚未達(dá)到脫扣溫度。

3.4 極限高油溫?zé)釄?chǎng)分析

在極限高油溫條件下（油溫超過300℃），電機(jī)熱場(chǎng)分布發(fā)生顯著變化。電機(jī)熱場(chǎng)分布顯示，高溫區(qū)域已擴(kuò)散到整個(gè)定子繞組和大部分轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。絕緣材料溫度普遍超過300℃，導(dǎo)致絕緣性能急劇下降。

低熔點(diǎn)合金熱場(chǎng)分布在極限條件下顯示，其溫度雖然有所上升（達(dá)到210℃左右），但上升速度遠(yuǎn)低于絕緣襯套區(qū)域的溫度上升速度。這種熱響應(yīng)滯后是導(dǎo)致過熱保護(hù)失效的主要原因。

四、過熱保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

4.1 低熔點(diǎn)合金材料優(yōu)化

針對(duì)熱脫扣保護(hù)裝置與絕緣襯套之間的熱響應(yīng)不匹配問題，從材料角度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)Sn-Zn-Bi低熔點(diǎn)合金微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)合適的Bi含量可以顯著提高合金的潤(rùn)濕性并進(jìn)一步降低熔點(diǎn)。

在Sn-Zn共晶合金中加入Bi元素，形成Sn-Zn-Bi三元合金，可以調(diào)節(jié)其熔點(diǎn)至更合適的范圍。同時(shí)，通過添加微量稀土元素，改善合金的抗氧化性能，提高其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。優(yōu)化后的低熔點(diǎn)合金熔點(diǎn)調(diào)整為195±3℃，既避免了誤動(dòng)作，又能及時(shí)響應(yīng)真實(shí)過熱情況。

4.2 絕緣襯套材料升級(jí)

針對(duì)原絕緣襯套在260℃軟化的問題，選用耐高溫復(fù)合材料替代原有材料，將軟化溫度提高至350℃以上。新材料的選用基于以下考慮：高導(dǎo)熱系數(shù)，利于熱量散發(fā)；良好的絕緣性能，確保電氣安全；與滑油的相容性，避免材料老化。

4.3 熱脫扣裝置位置優(yōu)化

除了材料優(yōu)化外，還對(duì)熱脫扣裝置的安裝位置進(jìn)行了調(diào)整。通過熱場(chǎng)分析確定發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度響應(yīng)最敏感的區(qū)域，將熱脫扣裝置移至更接近熱源的位置，縮短熱傳導(dǎo)路徑，提高響應(yīng)速度。

同時(shí)，考慮采用雙熱敏元件設(shè)計(jì)，分別在油路出口處和繞組附近布置溫度傳感元件，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位過熱監(jiān)測(cè)，避免單一監(jiān)測(cè)點(diǎn)失效導(dǎo)致的保護(hù)失靈。

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的過熱保護(hù)方案通過了全面試驗(yàn)驗(yàn)證，包括臺(tái)架試驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果顯示，在模擬過熱條件下，新的熱脫扣裝置能夠在絕緣襯套軟化前及時(shí)動(dòng)作，斷開發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接。

試飛驗(yàn)證結(jié)果表明，優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)過熱保護(hù)系統(tǒng)在各種飛行工況下均能可靠工作，未再出現(xiàn)過熱保護(hù)失效情況。電機(jī)出口油溫在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，絕緣襯套不再出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，證明了優(yōu)化方案的有效性。

五、結(jié)論

本文針對(duì)航空油冷發(fā)電機(jī)過熱保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，通過溫度場(chǎng)模擬和故障分析，找出了過熱保護(hù)失效的根本原因，并提出了有效的優(yōu)化措施。主要結(jié)論如下：

航空油冷發(fā)電機(jī)的熱場(chǎng)分布不均勻，定子繞組和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條是主要發(fā)熱部位，而熱脫扣裝置安裝部位溫度相對(duì)較低，這種熱場(chǎng)不均勻性是導(dǎo)致過熱保護(hù)失效的主要原因。

通過CFD仿真可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，為過熱保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可靠工具。

原設(shè)計(jì)中的絕緣襯套耐溫性能不足（260℃軟化），而熱脫扣裝置響應(yīng)溫度偏高（202.8℃動(dòng)作），導(dǎo)致在過熱情況下絕緣襯套先于熱脫扣動(dòng)作而損壞。

通過優(yōu)化低熔點(diǎn)合金成分、提高絕緣襯套耐溫等級(jí)（至350℃）以及調(diào)整熱脫扣裝置位置，可以顯著提高發(fā)電機(jī)過熱保護(hù)的可靠性。

試驗(yàn)和試飛驗(yàn)證表明，優(yōu)化后的過熱保護(hù)系統(tǒng)能夠在各種工況下可靠工作，有效防止發(fā)電機(jī)過熱損壞。

本研究為航空油冷發(fā)電機(jī)的過熱保護(hù)設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)的解決方案，對(duì)提高航空電氣系統(tǒng)的可靠性具有重要指導(dǎo)意義。未來的研究可以進(jìn)一步關(guān)注多物理場(chǎng)耦合分析、智能熱保護(hù)策略等方向，不斷提升航空發(fā)電系統(tǒng)的安全性與可靠性。

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