航空高溫管路支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

黃晨輝　薛海明

摘 要：該文通過(guò)筆者在日常的工作中所遇到的具體實(shí)例，介紹了航空器高溫管路中波紋管數(shù)量設(shè)計(jì)方法；同時(shí)也通過(guò)實(shí)例，分析了航空器高溫管路中熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因，管路熱應(yīng)力對(duì)航空器結(jié)構(gòu)帶來(lái)的破壞作用，以及高溫管路中支撐固定系統(tǒng)的布置原則以及支撐形式選擇進(jìn)行了分析，提出了一種通過(guò)改變管路支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式來(lái)有效預(yù)防管路熱應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：航空 高溫 管路 支撐 熱膨脹 載荷 波紋管

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0019-02

高溫管路在飛機(jī)上的應(yīng)用非常廣泛，許多系統(tǒng)的工作都需要使用來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫高壓氣體，例如：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣加溫防冰、機(jī)翼前緣加溫防冰以及飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)等。但是高溫高壓氣體在流過(guò)管路時(shí)，會(huì)對(duì)導(dǎo)管壁產(chǎn)生很大的流體縱向力和熱膨脹力，使的管路需要承受較大壓縮載荷和拉伸載荷，管路在這些載荷的作用下，會(huì)發(fā)生軸向以及側(cè)向變形，導(dǎo)管管路的變形將直接將載荷傳遞給固定導(dǎo)管的支架，這些高溫導(dǎo)管管路支架在長(zhǎng)期的交變載荷作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂，引起高溫管路的破裂，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，另外，管路軸向變形也會(huì)帶來(lái)高溫管路的破裂，因此，消除高溫管路熱變形是飛機(jī)管路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。

為了消除管路中高溫流體帶來(lái)的管路熱變形，一般在高溫管路敷設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用固定支撐系統(tǒng)和導(dǎo)向支撐系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，固定支撐系統(tǒng)用于導(dǎo)管的穩(wěn)定或限制導(dǎo)管的振動(dòng)，導(dǎo)向支撐系統(tǒng)用于導(dǎo)管的穩(wěn)定或限制導(dǎo)管沿預(yù)定的方向移動(dòng)。同時(shí)，為了吸收管路系統(tǒng)熱膨脹帶來(lái)的尺寸變化，還可在直段的管路系統(tǒng)中設(shè)置波紋管。

1 直線段高溫管路支撐系統(tǒng)中波紋管數(shù)量的確定

波紋管是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的具有伸縮功能的器件，它由金屬波紋管于構(gòu)建組成，它能沿軸向方向進(jìn)行伸縮，也允許少量彎曲。在高溫管路系統(tǒng)中，由于流體縱向力及熱膨脹力的作用管路熱拉伸變形，必須設(shè)置波紋管來(lái)吸收熱拉伸量。波紋管數(shù)量選擇不合理，也會(huì)帶來(lái)安全隱患，波紋管數(shù)量不足，管路變形量不能被完全吸收，有可能將管路接頭拉開(kāi)或?qū)⒉y管拉裂，導(dǎo)致熱空氣泄漏，危及到附近電纜及其他設(shè)備的工作安全；波紋管數(shù)量過(guò)多，會(huì)增加系統(tǒng)重量及制造成本。故波紋管的數(shù)量對(duì)高溫管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。下面通過(guò)實(shí)例來(lái)介紹下直線段管路中波紋管數(shù)量的確定方法。

航空高溫管路導(dǎo)管材料一般選擇薄壁不銹鋼材料（1Cr18Ni9Ti），管路內(nèi)流體工作溫度為20～270 ℃，管路總長(zhǎng)為8826 mm，導(dǎo)管中空氣最高溫度為270 ℃，最低溫度為20 ℃，溫度變化量可按公式（1）確定，導(dǎo)管總伸縮量可按公式（2）確定。

由以上計(jì)算結(jié)果可選n=3個(gè)波紋管可滿足長(zhǎng)度為8826 mm不銹鋼導(dǎo)管在20～270 ℃時(shí)的熱膨脹的補(bǔ)償要求。故在總長(zhǎng)為8826 mm的直管段范圍內(nèi)應(yīng)距離均勻的布置三個(gè)波紋管，以保證管路系統(tǒng)各段伸縮量均勻，受力均勻。

2 高溫管路支撐系統(tǒng)中支撐件布置設(shè)計(jì)

高溫管路支撐系統(tǒng)按照受力特征一般分為包括兩種類型：壓縮型導(dǎo)管支撐系統(tǒng)和拉伸型導(dǎo)管支撐系統(tǒng)，壓縮型導(dǎo)管支撐系統(tǒng)一般指直線段的管路支撐系統(tǒng)，拉伸型導(dǎo)管支撐系統(tǒng)一般指帶有彎接頭的導(dǎo)管支撐系統(tǒng)。

壓縮型導(dǎo)管支撐形式使導(dǎo)管系統(tǒng)除了承受由導(dǎo)管內(nèi)部壓力產(chǎn)生的流體縱向力和熱膨脹力外，由于受到飛機(jī)側(cè)向載荷和導(dǎo)管自身重力作用，還要考慮承受相對(duì)大的側(cè)向載荷，同時(shí)，波紋管也自身存在固有的不穩(wěn)定性，就要求導(dǎo)管系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，同時(shí)導(dǎo)管的縱向強(qiáng)度，必須在允許的不同軸度下，足以承受所作用的壓縮載荷，導(dǎo)向支架用于導(dǎo)管中部支撐。它僅承受導(dǎo)管的側(cè)向載荷，不承受導(dǎo)管的縱向載荷。

拉伸型導(dǎo)管支撐形式使導(dǎo)管內(nèi)部產(chǎn)生的流體縱向力或軸向力不是傳遞到飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，而只是對(duì)導(dǎo)管壁起到軸向拉升作用。在彎管的兩端各設(shè)置一個(gè)波紋管來(lái)適應(yīng)導(dǎo)管的軸向、扭轉(zhuǎn)和彎曲偏轉(zhuǎn)，固定支架來(lái)適應(yīng)導(dǎo)管的拉伸載荷，承受作用在導(dǎo)管重量上的飛機(jī)慣性載荷系數(shù)，并足以適應(yīng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)以及導(dǎo)管熱膨脹等影響后，導(dǎo)管軸向、扭轉(zhuǎn)和彎曲偏轉(zhuǎn)。

由于波紋管自身具有一定的撓性，如果波紋管兩端有任何一端管路的偏斜就會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的壓縮力，因此，在高溫管路支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)中每?jī)蓚€(gè)波紋管之間必須設(shè)置一對(duì)非常牢靠的安裝支架，其中一個(gè)固定支架將導(dǎo)管和飛機(jī)結(jié)構(gòu)剛性連接，而另一個(gè)導(dǎo)向支架則需采用能使管路沿軸向自由移動(dòng)。

3 導(dǎo)向支架的設(shè)計(jì)

為了滿足高溫管路系統(tǒng)在高溫情況下，將熱膨脹產(chǎn)生的位移準(zhǔn)確的傳遞給管路中的波紋管，降低管路熱膨脹力對(duì)固定支架和飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷，導(dǎo)向支架必須設(shè)計(jì)成在不受到導(dǎo)管軸向力的情況下，能夠使高溫導(dǎo)管沿軸向發(fā)生小范圍的位移，而位移范圍要根據(jù)兩個(gè)固定之間導(dǎo)管的熱脹冷縮的位移量確定，導(dǎo)向之間形式可參考圖3進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

通過(guò)上述的計(jì)算、分析，高溫管路支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全，合理選擇高溫管路的支撐形式以及補(bǔ)償設(shè)備是飛機(jī)高溫管路支撐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，上述介紹的高溫管路支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成功應(yīng)用到多型飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，也得到飛機(jī)的長(zhǎng)期使用驗(yàn)證，滿足飛機(jī)的功能使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì)編.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（等15冊(cè)）[M].航空工業(yè)出版社，1999.endprint