雙層高溫氣體通道熱膨脹分析及解決方案研究

武俊虎，秦崢嶸，宋志佳，袁肖民，劉哲，黃琨

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

在輪盤類動力源試驗設(shè)備試驗時，所需輸氣體介質(zhì)為高溫壓縮空氣。按照工況結(jié)構(gòu)需求，有時會遇到試驗設(shè)備需要內(nèi)、外層環(huán)形管道之間輸送試驗用高溫壓縮氣體的情況。由于壓縮空氣溫度較高，又帶有一定的壓力，外層管道和內(nèi)層管道不但要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時內(nèi)、外層管道存在熱膨脹。由于工作條件的特殊性，輪盤類試驗件排氣端不是普通的單層的排氣通道結(jié)構(gòu)形式，形狀類似喇叭形且為雙層環(huán)型結(jié)構(gòu)形式，試驗件排氣端外層管壁和內(nèi)層管壁沿軸向必然存在熱膨脹。另外，由于工作條件的結(jié)構(gòu)特殊性，安裝也不方便。因此，解決輪盤試驗件的熱膨脹問題并方便連接安裝該試驗件排氣通道存在較大的難度。本文主要解決輪盤試驗件熱膨脹問題，同時還需考慮方便進(jìn)行試驗件的連接安裝和拆卸更換。

1 工況要求及初步分析計

1.1 工況要求

該輪盤類動力源試驗設(shè)備排氣系統(tǒng)要求包含高溫排氣管道、耐高溫閥門、耐高溫膨脹節(jié)、排氣端裝置、管路支架等，輪盤類動力源試驗設(shè)備排出的氣體可直接送入消音塔，也可經(jīng)抽氣裝置抽吸排出。輪盤類動力源試驗器流通介質(zhì)為高溫壓縮空氣，一般工作壓力不大于0.15 MPa，試驗設(shè)備進(jìn)氣介質(zhì)溫度不高于500 ℃，試驗設(shè)備排氣介質(zhì)溫度不高于300 ℃。在設(shè)計排氣系統(tǒng)時，應(yīng)考慮盡量減小沿程管路及節(jié)流件造成的壓力損失；輪盤類試驗端出口為環(huán)型雙層的特殊形式的排氣通道。

1.2 試驗段熱膨脹量、彈性力、流速等初步分析計算

1.2.1 試驗段熱膨脹量計算

試驗段熱膨脹量計算公式為

式中：ΔL為管道熱脹量，mm；α為管道材料線膨脹系數(shù)，mm/(m·℃)；L0為安裝時管道長度，m；t為運(yùn)行時管道溫度（取管內(nèi)介質(zhì)溫度），℃；t0為安裝時管道溫度（取管道周圍空氣溫度），℃。

由總體工況要求可知：L0=3500 mm，t=500 ℃，α=0.0170 mm/(m·℃)。

經(jīng)計算可知，試驗段熱膨脹量為30 mm左右。

1.2.2 膨脹補(bǔ)償器變形彈性力計算

式中：N為環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器熱變形彈性力；ΔL為管道熱脹量，mm；K為環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器軸向剛度，N/mm。

咨詢膨脹節(jié)廠家后，確定環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器軸向剛度為2300 N/mm左右。

經(jīng)計算可知，若采取環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器，熱變形彈性力約為70 kN。在對輪盤試驗器兩端的進(jìn)氣端裝置、排氣端裝置支點支座進(jìn)行受力分析計算時，需考慮此熱變形彈性力。

1.2.3 膨脹補(bǔ)償器內(nèi)流速計算

先依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得到氣體密度，再依據(jù)流量公式得到氣流速度[1]。

理想氣體狀態(tài)方程為

式中：P為高溫氣體壓力，Pa；ρ為氣體密度，kg/m3；T為氣體溫度，K；R為理想氣體常數(shù)，R＝287.1 J/(kg·K)。

氣體流量公式為

式中：V為氣流速度，m/s；Q為氣體流量，不大于70 kg/s；ρ為氣體密度，kg/m3；D1、D2為內(nèi)、外層管徑，m。

綜上所述，得到氣流速度計算公式為

經(jīng)計算可知，耐高溫膨脹補(bǔ)償器內(nèi)氣體最高流速約為60 m/s左右，一般規(guī)定排到大氣的管道內(nèi)氣體流速不大于0.3 Mach，因此符合實際工程工況要求。

2 試驗段熱膨脹問題分析

如圖1所示，輪盤試驗段是該試驗器進(jìn)、排氣系統(tǒng)中的核心部分，試驗段主要由進(jìn)氣端裝置、輪盤試驗件、排氣端裝置等組成。輪盤試驗件出口為雙層環(huán)型腔特殊結(jié)構(gòu)形式，通過分析輪盤試驗器設(shè)計要求，由于進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)中壓縮空氣的溫度較高，為防止輪盤試驗件及進(jìn)氣端裝置、排氣端裝置因熱膨脹而產(chǎn)生破壞，在試驗段設(shè)計中必須考慮熱膨脹問題，保障試驗設(shè)備安全，根據(jù)實際工況選取適宜的熱膨脹問題解決方案。

圖1 試驗段布置示意圖

在工作時，考慮到耐高溫膨脹節(jié)使用特殊性的要求，進(jìn)氣端裝置和排氣端裝置設(shè)置為固定點，高溫空氣經(jīng)進(jìn)氣端裝置和輪盤試驗件內(nèi)層排氣通道、外層排氣通道排出高溫氣體，并通過適宜的熱膨脹通道進(jìn)入排氣端裝置收集并排出。從輪盤試驗件的結(jié)構(gòu)特點可以看出，輪盤試驗件出口是特殊的“雙層環(huán)型腔通道”結(jié)構(gòu)，而且出口直徑較大，試驗件距排氣端裝置進(jìn)口法蘭距離約為400 mm，由于輸送氣體為高溫氣體，必然存在熱膨脹，需要設(shè)計合適的新型的耐高溫膨脹節(jié)來解決。通常單層管道的熱膨脹都比較容易解決，而本試驗件是雙層環(huán)型腔通道結(jié)構(gòu)形式，既要考慮外層管道的熱膨脹，又要考慮內(nèi)層管道的熱膨脹，還要方便輪盤試驗件的安裝和拆卸，因此解決本試驗段熱膨脹的問題必然存在較大的技術(shù)難度。

通過分析該輪盤試驗段熱膨脹問題，確定需要克服以下關(guān)鍵技術(shù)難點：雙層環(huán)型腔內(nèi)、外層一致性熱膨脹問題，熱膨脹量約為30 mm；低壓特殊工況狀態(tài)低流阻的試驗要求。

3 熱膨脹方案設(shè)計研究

通過分析輪盤試驗段結(jié)構(gòu)形式，不能采用自然補(bǔ)償器形式，初步考慮有以下3種方案。

3.1 方案一：采用盤根壓緊

在輪盤試驗件和排氣端裝置之間采用雙層環(huán)形的帶均布筋板的不銹鋼直筒連接，如圖2所示。在直筒的內(nèi)外兩側(cè)沿圓周纏繞布置石墨盤根，再用沿圓周布置的分段壓環(huán)通過螺栓與輪盤試驗件法蘭及排氣端裝置進(jìn)口法蘭進(jìn)行連接，并均勻地壓緊盤根，如圖3所示。盤根壓緊方案的外壓環(huán)的局部結(jié)構(gòu)如圖4所示。盤根壓緊方案內(nèi)壓環(huán)的局部結(jié)構(gòu)如圖5所示。并且內(nèi)筒與外筒之間沿圓周均布筋板，既起到連接加強(qiáng)作用，又起到輪盤試驗件排氣均勻的作用，盤根壓緊直筒筋板的布置如圖6所示。

圖2 盤根壓緊方案示意圖

圖3 盤根壓緊直筒徑向放大示意圖

圖4 盤根壓緊方案外壓環(huán)局部放大示意圖

圖6 盤根壓緊直筒筋板布置示意圖

該方案的優(yōu)點是：成本較低，直筒、壓環(huán)等加工制作方便，質(zhì)量相對較輕。不足之處是：同軸度要求較高，安裝不太方便，對于盤根的壓緊程度要求嚴(yán)格，若壓得過緊，則熱膨脹時自由串動困難，若壓得過松，則在進(jìn)行負(fù)壓試驗時可能存在漏氣的現(xiàn)象，影響輪盤試驗的準(zhǔn)確性。

3.2 方案二：采用帶金屬絲的環(huán)型硅膠玻纖布軟連接

在輪盤試驗件和排氣端裝置之間采用帶金屬絲內(nèi)環(huán)、金屬絲外環(huán)的硅膠玻纖布進(jìn)行連接，如圖7所示。帶金屬絲的環(huán)型硅膠玻纖布軟連接的徑向放大圖如圖8所示。并采用螺栓和壓板進(jìn)行壓緊，以解決試驗段的熱膨脹問題。帶金屬絲的環(huán)型硅膠玻纖布軟連接的局部結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖7 帶金屬絲的環(huán)型硅膠玻纖布軟連接方案示意圖

圖8 帶金屬絲的環(huán)型硅膠玻纖布軟連接徑向放大示意圖

圖9 帶金屬絲的環(huán)型硅膠玻纖布軟連接局部放大示意圖

該方案的優(yōu)點是：成本較低，加工制作方便，質(zhì)量輕。不足之處是：帶金屬絲的環(huán)型硅膠玻纖布軟連接安裝不太方便；在進(jìn)行負(fù)壓試驗時，由于硅膠玻纖布較軟，存在向通道內(nèi)方向的變形，減少輪盤試驗件通道的流通面積，可能在一定程度上會導(dǎo)致試驗排氣壓力損失不滿足技術(shù)要求。

3.3 方案三：采用雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器

在輪盤試驗件和排氣端裝置之間，采用環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器進(jìn)行連接，雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器方案徑向示意圖如圖10所示。雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器軸向放大示意圖如圖11所示。參照GB/T 12777《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》[2]進(jìn)行了非標(biāo)設(shè)計，考慮到試驗時工作溫度不大于300 ℃、工作壓力不大于0.15 MPa 的要求，雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器材料選取不銹鋼。該雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器由進(jìn)氣端外法蘭、帶均布隔板的導(dǎo)流筒、進(jìn)氣端內(nèi)法蘭、外層補(bǔ)償器、排氣端外法蘭、內(nèi)層補(bǔ)償器、排氣端內(nèi)法蘭、吊環(huán)等組成[3-5]。進(jìn)氣端外法蘭和排氣端外法蘭通過外層補(bǔ)償器連在一起，雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器進(jìn)氣端外法蘭處連接如圖12所示，雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器排氣端外法蘭處連接如圖14 所示。進(jìn)氣端內(nèi)法蘭和排氣端內(nèi)法蘭通過內(nèi)層補(bǔ)償器連在一起，另外進(jìn)氣端外法蘭和進(jìn)氣端內(nèi)法蘭通過沿圓周均勻布置的隔板導(dǎo)流筒焊接在一起，同樣既起到連接加強(qiáng)作用，又起到輪盤試驗件排氣均勻的作用，排氣端導(dǎo)流筒自由滑動。雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器進(jìn)氣端內(nèi)法蘭處連接如圖13所示。雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器排氣端內(nèi)法蘭處連接如圖15所示。進(jìn)出排氣端安裝4個吊環(huán)，可以方便吊裝膨脹補(bǔ)償器。該環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器兩側(cè)法蘭通過螺栓孔、密封墊同兩側(cè)的輪盤試驗件和排氣端裝置的法蘭固定。

圖10 雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器方案徑向示意圖

圖11 雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器軸向放大示意圖

圖12 雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器進(jìn)氣端外法蘭處連接示意圖

圖13 雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器進(jìn)氣端內(nèi)法蘭處連接示意圖

圖14 雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器排氣端外法蘭處連接示意圖

圖15 雙層環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器排氣端內(nèi)法蘭處連接示意圖

在工作時，根據(jù)環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器的使用要求，進(jìn)氣端裝置和排氣端裝置需要設(shè)置為固定點，在工作時，高溫空氣經(jīng)內(nèi)管道、外層管道之間排出高溫氣體，通過該環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器將氣體排到排氣端收集裝置，由于輸送氣體為高溫氣體，必然存在熱膨脹，這樣就通過該補(bǔ)償器吸收膨脹量。通過初步計算，寬度為400 mm的補(bǔ)償器可以吸收30 mm左右的熱膨脹量，設(shè)計內(nèi)層補(bǔ)償器、外層補(bǔ)償器時，需注意盡量讓兩者的膨脹要求一致。另外，由于工作時管道中氣體流速較高，因此在通道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流筒，防止氣體對波紋沖刷，從而保護(hù)內(nèi)層補(bǔ)償器和外層補(bǔ)償器，同時降低了氣流的流阻損失。該環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器還解決了外層管道和排氣收集裝置同軸度要求較高的問題，而且還方便內(nèi)層管道和外層管道安裝、拆卸，有利于試驗件的重復(fù)試驗拆裝工作，大大提高了效率。

該方案的優(yōu)點是：可滿足內(nèi)層管道和外層管道軸向同時熱膨脹，耐高溫（氣流溫度400 ℃以上），對內(nèi)層管道和外層管道和排氣收集裝置同軸度要求較低，對輪盤試驗件的反復(fù)連接、拆卸都相對方便，設(shè)置導(dǎo)流筒可減少沿程壓力損失。不足之處是成本相對較高、質(zhì)量較大。

4 結(jié)論

為了解決輪盤試驗件內(nèi)層排氣管道和外層排氣管道軸向同時熱膨脹的問題，對比分析了3個方案的優(yōu)缺點，并結(jié)合試驗工況，選取了環(huán)型腔膨脹補(bǔ)償器方案，更好地解決試驗段的熱膨脹問題。不但獲得了耐高溫性能，而且降低了輪盤試驗件管道和排氣收集裝置同軸度要求；輪盤試驗件的連接、拆卸都相對方便；設(shè)置的導(dǎo)流筒可減少沿程壓力損失。同時參照GB/T 12777《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》進(jìn)行了非標(biāo)設(shè)計。多家波紋補(bǔ)償器專業(yè)廠家進(jìn)行均認(rèn)為該技術(shù)方案可行，加工制作方便，可以解決試驗件特殊的雙層環(huán)型通道熱膨脹問題?？晒┕艿罒崤蛎浽O(shè)計領(lǐng)域的工程技術(shù)人員借鑒，以設(shè)計出可靠性更高的產(chǎn)品。