金屬軟管在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

賈 鐸，羅 鵬，邱明星，高 雷

金屬軟管在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

賈 鐸，羅 鵬，邱明星，高 雷

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

針對發(fā)動機(jī)管路制造偏差和運(yùn)動位移的補(bǔ)償要求，對金屬軟管在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行研究。根據(jù)金屬軟管的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)尺寸、接口參數(shù)和位移補(bǔ)償，采用樣條曲線對軟管路徑進(jìn)行擬合，并運(yùn)用有限元求解變形后的路徑形狀的計(jì)算方法對金屬軟管的長度和補(bǔ)償工作條件下的曲率半徑進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：金屬軟管的管形變化可滿足發(fā)動機(jī)位移補(bǔ)償要求，并為金屬軟管在某型發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用提供依據(jù)。

金屬軟管；航空發(fā)動機(jī)；位移補(bǔ)償；曲率半徑

0 引言

金屬軟管具有質(zhì)量輕、體積小、承壓高、耐腐蝕、耐高低溫、抗疲勞、柔性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠吸收振動，補(bǔ)償安裝偏移和管線位移，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶和兵器等領(lǐng)域[1-4]。目前在航空發(fā)動機(jī)上的金屬軟管多用于補(bǔ)償制造偏差和熱偏差，而補(bǔ)償較大運(yùn)動位移在國內(nèi)的大中型渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)研制中尚未應(yīng)用[5]。

本文對金屬軟管在工作時(shí)管形變化對位移的補(bǔ)償能力進(jìn)行分析和研究。

1 金屬軟管設(shè)計(jì)要求

金屬軟管由網(wǎng)體部分和兩端連接接頭焊接而成，其中網(wǎng)體又由金屬波紋管、接管、環(huán)、鋼絲網(wǎng)套焊接而成。受金屬波紋管的結(jié)構(gòu)限制，金屬軟管不能過度彎曲和承受軸向載荷，在承受扭曲應(yīng)力或交變應(yīng)力時(shí)，壽命會大大縮短[6-9]。因此，金屬軟管需要在發(fā)動機(jī)上的有限空間內(nèi)合理安裝和固定，同時(shí)還要滿足運(yùn)動位移補(bǔ)償要求，難度較大。

1.1 系統(tǒng)要求

（1）實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)和配裝飛機(jī)附件機(jī)匣之間的管路接口連接。

（2）發(fā)動機(jī)和配裝飛機(jī)附件機(jī)匣共用滑油系統(tǒng)，金屬軟管實(shí)現(xiàn)輸送滑油系統(tǒng)工作介質(zhì)，如圖1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)尺寸要求

（1）根據(jù)某型發(fā)動機(jī)、飛機(jī)附件機(jī)匣的空間位置和接口要求，金屬軟管采用硬管和軟管組合結(jié)構(gòu)，通過兩端硬管部分將發(fā)動機(jī)和飛機(jī)附件機(jī)匣接口之間的空間角度轉(zhuǎn)換為平面角度，使軟管柔性部分成為1個(gè)平面內(nèi)1個(gè)圓弧結(jié)構(gòu)形式。金屬軟管的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖1 金屬軟管系統(tǒng)

圖2 金屬軟管結(jié)構(gòu)

表2 軟管接口位置

（2）根據(jù)發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)要求，確定金屬軟管的規(guī)格，見表1。

表1 金屬軟管規(guī)格

1.3 接口位置要求

根據(jù)發(fā)動機(jī)數(shù)字樣機(jī)模型，確定金屬軟管接口位置（對應(yīng)的接頭端面圓心坐標(biāo)和外法矢量），數(shù)據(jù)見表2。

表2中坐標(biāo)及矢量信息對應(yīng)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系如圖3所示。取主安裝節(jié)截面為YZ平面，其與發(fā)動機(jī)軸線交點(diǎn)為主坐標(biāo)系原點(diǎn)（0，0），X軸由發(fā)動機(jī)出口指向進(jìn)口，且與發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線重合；Z軸為從原點(diǎn)出發(fā)的徑向線，其正向?yàn)橹赶虬l(fā)動機(jī)正上方；Y軸按右手法則確定。

圖3 發(fā)動機(jī)主坐標(biāo)系

1.4 位移補(bǔ)償要求

補(bǔ)償飛機(jī)附件機(jī)匣與發(fā)動機(jī)之間相對位移公差。其中相對位移補(bǔ)償要求為 Δx=0 mm；Δy=±6 mm；Δz=±6 mm。

2 計(jì)算方法及步驟

2.1 長度計(jì)算

軟管的長度計(jì)算主要包括2個(gè)步驟：軟管路徑確定和路徑長度計(jì)算，基于材料力學(xué)原理，均勻軟管在兩端受約束后，其中心線形狀應(yīng)至少滿足2階光滑連續(xù)；基于高等數(shù)學(xué)原理，已知曲線起點(diǎn)、終點(diǎn)的坐標(biāo)和外切向矢量，可以惟一確定1條3次樣條曲線[10-13]。

以表2提供的接頭端面圓心坐標(biāo)為軟管的起、終端面圓心坐標(biāo)，以接頭端面外矢量為軟管端面內(nèi)矢量，采用樣條曲線對軟管路徑進(jìn)行擬合。具體擬合方法為：

（1）以起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，以起點(diǎn)－終點(diǎn)連線為OX軸建立新的直角坐標(biāo)參考系，換算出起點(diǎn)、終點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值（x1,y1,z1）、（x2,y2,z2）以及端面矢量在新坐標(biāo)系下的值（i1,j1,k1）、（i2,j2,k2）。這一步可在UG等CAD軟件中方便實(shí)現(xiàn)。

（2）樣條曲線方程可寫為

通過求式(1)的導(dǎo)數(shù)可得曲線的斜率為

（3）將起點(diǎn)、終點(diǎn)的信息代入式（1）和（2），可得到以a1,b1,c1,d2,a2,b2,c2,d2為未知量的方程組

求解式（3）并將結(jié)果代入式（1），即得到樣條曲線的描述方程。

（4）進(jìn)行曲線積分計(jì)算樣條曲線長度l

表3 典型極限相對位移變化工況

（5）假定位移補(bǔ)償，即起點(diǎn)與終點(diǎn)相對位移發(fā)生變化時(shí)，硬管部分只有平動，而無轉(zhuǎn)動，即起點(diǎn)與終點(diǎn)的端面法矢量不變。計(jì)算發(fā)生典型極限相對位移變化（即表3所示的9種工況）時(shí)，擬合得到的樣條曲線的長度，取所有工況中的樣條曲線的最大長度為軟管設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)長度。

計(jì)算一端固定，另一端法向矢量不變、而位置在Δy，Δz構(gòu)成矩形區(qū)域內(nèi)變化時(shí)的極限情況下樣條曲線的長度，如圖4所示。

圖4 極限相對位移變化工況

2.2 曲率半徑計(jì)算

對于式（5）描述的曲線，可看作某一動點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，則該動點(diǎn)

運(yùn)動速度和加速度矢量為

對于有顯式表達(dá)式的曲線，可直接求其導(dǎo)數(shù)進(jìn)而獲得速度與加速度信息，在只有曲線坐標(biāo)信息時(shí)，可采用有限差分的方法進(jìn)行求解[14-15]。

由運(yùn)動學(xué)中的惠更斯定理，加速度與速度滿足

所以有

通過式（9）、（10）和（11）即可求解出曲率半徑 ρ。

對于按某一工況進(jìn)行樣條曲線擬合得到路徑的軟管，在其它位移補(bǔ)償工況時(shí)，軟管形狀必然發(fā)生改變，曲率半徑也發(fā)生改變。本文采用有限元法對其他工況下的變形進(jìn)行計(jì)算（如圖5所示）。軟管分析建模采用了以下假設(shè)：

（1）相對于軟管管體，管接頭及相關(guān)組件剛性較大，假定在位移補(bǔ)償中，接頭端面只有平動，而無轉(zhuǎn)動。

（2）軟管內(nèi)波紋管的波長相對其長度為小值，壁厚較薄，而網(wǎng)套沿長度方向較為均一，假定軟管管體截面慣性距沿其長度方向均勻分布。

具體實(shí)施步驟為：

（1）建立軟管在樣條曲線工況下的路徑曲線模型；

（2）采用管單元對路徑曲線進(jìn)行單元劃分；

（3）輸入管截面尺寸參數(shù)和材料信息；

（4）一端進(jìn)行完全零位移約束，另一端按補(bǔ)償工況要求的位移值施加平動位移，并約束轉(zhuǎn)動位移；

（5）進(jìn)行幾何非線性求解。

圖5 有限元求解變形后的路徑形狀

從有限元計(jì)算結(jié)果中提取位移變形信息，并計(jì)算變形后的路徑坐標(biāo)，然后基于前述方法進(jìn)行曲率半徑的計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 長度計(jì)算結(jié)果

軟管長度計(jì)算結(jié)果見表4。其中l(wèi)_hose為按樣條曲線擬合計(jì)算的軟管長度，dis_max為所有極限位移補(bǔ)償工況下軟管起點(diǎn)與終點(diǎn)之間最大直線距離。

表4 軟管長度計(jì)算結(jié)果

軟管實(shí)際長度的取值，無疑不能小于表4中的dis_max（起點(diǎn)、終點(diǎn)最大間距），過長則會出現(xiàn)長度“冗余”而導(dǎo)致曲率半徑偏小，也容易引起振幅偏大相互碰摩。

3.2 曲率半徑計(jì)算結(jié)果

軟管曲率半徑的計(jì)算結(jié)果見表5。其中“安裝狀態(tài)”是指無位移補(bǔ)償即Δx=Δy=Δz=0的情形；“最小R狀態(tài)”是指在所有極限位移補(bǔ)償工況中，平均曲率半徑最小的情形；R表示軟管路徑上的平均曲率半徑；R、D_ratio分別為軟管路徑曲率半徑與軟管外徑的比值。

表5 軟管曲率半徑計(jì)算

4 結(jié)束語

（1）在某型發(fā)動機(jī)金屬軟管設(shè)計(jì)時(shí)，從結(jié)構(gòu)、工藝等方面繼承現(xiàn)役金屬軟管的成熟技術(shù)，降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

（2）金屬軟管長度和靜態(tài)彎曲半徑滿足在發(fā)動機(jī)上的安裝和固定要求；工作時(shí)的最小曲率半徑符合動態(tài)彎曲半徑要求。

（3）金屬軟管能夠滿足發(fā)動機(jī)的位移補(bǔ)償要求。

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Application of Metal Hose for Aeroengine

JIA Duo，LUO Peng， QIU Ming-xing,GAO Lei
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015， China）

To meet the compensation requirements for pipe manufacturing deviations and movement displacement of the engine,the application of the metal hose for aeroengine was investigated.According to metal hose of system,structure size,interface parameter and displacement compensation requirements,the hose path was fitted by spline curve.The length of metal hose and curvature radius at compensation work conditions were analyzed by the path shape calculation method of ANSYSfinite element solving deformation.The results show that the tube style changes of the metal hose can meet displacement compensation requirements of engine and provide reference for application of metal hose for an aeroengine.

metal hose；aeroengine；displacement compensation；curvature radius

V232.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.007

2013-01-10 基金項(xiàng)目：航空動力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

賈鐸（1980），男，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；E-mail:jiaduo1980326@tom.com。

賈鐸，羅鵬，邱明星，等.金屬軟管在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用[J].航空發(fā)動機(jī)，2015，41（1）：36-40.JIA Duo，LUOPeng，QIU Ming-xing,et al.Application of metal hosefor aeroengine[J].Aeroengine，2015，41（1）：36-40.

（編輯：沈廣祥）