燃氣輪機燃燒室中的管路設計

趙傳亮，尚守堂，馬宏宇，柴昕

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

燃氣輪機燃燒室中的管路設計

趙傳亮，尚守堂，馬宏宇，柴昕

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

燃氣輪機燃燒室中的管路主要用于供油、引氣和測試等，其重要性往往易被忽視，而成為故障易發部位。為了提高燃氣輪機燃燒室管路部件的可靠性,從實際應用出發,分析總結了燃燒室的管路設計中需要考慮的管路材料、直徑以及壁厚的選擇，形狀的確定，相配件的熱膨脹協調、卡箍與支架的設計，振頻及動應力計算與測試，焊接方式的選擇與工藝控制，后期校形控制等主要因素。通過對以上各設計細節的控制，可以從根本上解決管路易出現的各種問題，降低燃燒室管路故障發生的概率。

管路；設計；故障；燃氣輪機；燃燒室

0 引言

燃氣輪機燃燒室中的管路主要用于供油、引氣和測試等，其工作特點是溫度高、壓力大，有時需要穿越燃燒室機匣、外涵等部件，決定了在設計燃燒室管路時需要特別考慮一些問題。根據近年來航空發動機及地面燃氣輪機燃燒室研制的經驗表明，往往是一些不易引起重視的管路在燃燒室的使用中較易發生故障。某型發動機燃燒室近年來發生的2起較大的故障均是管路故障，且均反復多次出現。其中1起是燃油管路的裂紋故障，影響了正常的試車、試飛乃至型號的研制周期。其原因既有設計問題也有生產與裝配質量的控制問題，這些問題交織在一起，相互影響，但設計質量作為產品質量的根源，占有更為重要的地位。

本文針對燃氣輪機燃燒室管路設計時需要考慮的諸多問題展開論述，以期對該管路設計產生一定的指導作用。

1 影響因素

燃燒室的管路設計中需要考慮的管路材料、直徑以及壁厚的選擇、形狀的確定、相配件的熱膨脹協調、卡箍與支架的設計、振頻及動應力計算與測試、焊接方式的選擇與工藝控制、后期校形控制等主要因素。

1.1 管路材料的選擇

隨著發動機循環壓比的增大，進入燃燒室內的氣流溫度和壓力也在逐漸提高，在燃燒室內參與工作的管路所承受的溫度和壓力負荷也相應增大，因此要根據燃燒室的使用工況選擇相應的管路材料。

在燃燒室內工作的管路的材料不僅要有良好的高溫強度以及持久、蠕變性能，還要有良好的高溫抗氧化、抗腐蝕能力，同時也要考慮到塑性以及質量、成本等問題。此外，管路選材時也不能盲目追求高強度，部分高強度材料的塑性較差，如果管路裝配時對中性不好，會在管路根部產生較大的裝配應力，極易導致管路在工作時發生斷裂，因此，管路選材時要在強度與塑性之間進行合理的折衷考慮。

一般而言，燃燒室管路設計可優選0Cr18Ni9，GH625，GH536等常用材料。

1.2 管路直徑的選擇

通常根據管路的用途選擇相應的直徑。一般而言，燃燒室內引氣管路內徑應保證最大引氣狀態下的引氣量，并且管路損失需要滿足相關部門提出的損失控制要求；燃油管路的直徑應保證管路內的燃油流速不能過大，以免產生太大的流阻損失，而使燃油泵負荷過大；燃油或引氣管路內流阻可通過試驗或計算方法確定[1]；測試用管路直徑不宜過大，以減少測試響應時間，但要保證足夠的強度及剛度。

1.3 管路壁厚的選擇

在管路設計時，應根據其使用條件以及所選擇的材料選擇適當的壁厚。過厚會增加發動機的質量和制造難度，過薄會增大發生故障的概率?？梢愿鶕苈穬葔?、直徑以及管路材料的許用應力進行估算來確定壁厚。壁厚應最終選取工程上常用的尺寸系列或與制造方協商后確定，以便于管路材料采購。

1.4 管路形狀的確定

傳統的管路生產需要在發動機其他零組件加工完成后再取樣，導致管路的生產必然會受到發動機其他零組件的制約，往往成為最后交付的組件。隨著3D技術的不斷發展，在計算機內進行精確地3維建模并排布管路已成為現實，文獻[2-5]介紹了管路數字化設計的一些方法。目前,常用的3維建模軟件有UG、CATIA、Pro/E等，可以在設計之初就建立起燃燒室電子3維模型，并對管路進行排布，改變了設計人員的設計方法和思維方式，能幫助設計者更準確地了解空間位置、形狀尺寸，避免了傳統手工取樣周期長、管形不準等弊端，可以大大縮短生產周期，提高設計成功率[6]。例如某型發動機在外場試飛過程中發生燃油分管焊縫裂紋故障，經分析認為裂紋故障產生的原因之一是由于燃油分管手工取樣尺寸不準確，致使在組件中裝配時需要進行大量校形，結果在焊縫處產生了較大的裝配應力，在工作過程中裝配應力與動應力疊加，致使燃油分管出現裂紋。故障發生后，設計人員向生產廠提供了由電子樣機取樣形成的管路坐標值，生產廠按這些坐標值生產出的管路形狀準確，基本不需校形就可進行焊接、裝配，大大提高了生產效率，減小了故障發生的概率。因此，通過采用CAD/CAE和CAM技術，增強燃燒室管路設計的可靠性和維護性，提高燃燒室的設計水平。

1.5 熱膨脹協調設計

由于燃燒室上的管路經常需要穿過燃燒室機匣、外涵等部件，而燃燒室機匣以及外涵的溫差較大，比如推比8一級軍機外涵與燃燒室機匣的溫差可能達到300℃以上，如果在設計時沒有考慮熱膨脹問題，而未采取相應的補償措施，那么如果管路同時穿越了燃燒室機匣和外涵機匣，在管路工作時必定會在其軸向和徑向熱膨脹量不一致而承受額外的載荷，可能導致管路或與其相配件提前失效。

為了解決上述問題，首先合理地選擇管路以及與其相配件的材料。充分考慮管路和相配件的工作溫度和材料的線膨脹系數，盡可能保證相配件在工作時熱膨脹量一致；其次設法降低管路的剛性。某型發動機燃燒室中使用的測壓管路進行拉伸時，管路應力分布情況如圖1、2所示，分別表示的是管路上面的安裝座受拉變形位移為0.4 mm的變形、應力分布情況。此時管路根部的最大靜應力達到342.3 MPa。

圖1 受拉變形位移為0.4 mm的變形分布

圖2 受拉變形位移為0.4 mm的應力分布

該管路的使用溫度約為600℃，如果采用GH536管材，則在600℃時的б0.2=270 MPa，бb=655 MPa[7]。此時管路的靜強度安全系數n0.2=0.8，nb=1.9，所以在不考慮動應力的情況下，管路的強度儲備已經不足。換言之，如果上述管路2個安裝座之間的裝配誤差或熱膨脹差達到0.4 mm，管路將無法正常工作。

為了解決裝配或熱膨脹帶來的應力問題，在國內外發動機管路設計中最通用有效的辦法是設法降低管路的剛性。設計時可以適當增加管路的長度，以補償管路工作時兩端可能出現的相對位移，降低管路應力。

將圖1中的管路加長約30 mm后的應力變化情況如圖3所示。從圖3中可見，在變形量同樣為0.4 mm的情況下，管路的最大應力由圖2的342.3 MPa下降為圖3的237.3 MPa，降低了30.7%。可見將管路加長后，其承受的最大應力顯著減小。此時管路的靜強度安全系數n0.2=1.14、nb=2.76，分別比管路加長前提高了42.5%和45.3%。

圖3 管路加長后受拉變形量為0.4 mm時的應力分布

協和號客機配裝的Olympus 593、V2500、CFM56-7、PW4000、PW6000和俄羅斯某型發動機的燃燒室燃油分管的形狀分別如圖4～9所示。從圖中可見，不同型號發動機燃燒室的燃油分管形狀千差萬別，但無一例外地都有意加長管路的長度，以降低其剛性，減小應力，來提高使用壽命。

圖4 OLYMPUS 593發動機燃燒室的燃油分管形狀

圖5 V2500發動機燃燒室的燃油分管形狀

圖6 CFM56-7發動機燃燒室的燃油分管形狀

此外，還可采用柔性管路來降低其剛性。АЛ-31Ф發動機從燃燒室上引出的2根管，其中間有1段采用金屬軟管結構，如圖10所示。采用金屬軟管的燃油分管如圖11所示，該結構形式的燃油分管尚未在正式商用發動機中使用，應該是未來發展方向之一。在Trent 900發動機燃燒室中采用的橡膠外皮的燃油分管如圖12所示。該燃油分管形式新穎，首次用于商用發動機中，值得國內借鑒。

圖7 PW4000發動機燃燒室的燃油分管形狀

圖8 PW6000發動機燃燒室的燃油分管形狀

圖9 俄羅斯某型發動機燃燒室的燃油分管形狀

圖10 АЛ-31Ф發動機使用的金屬軟管

圖11 采用金屬軟管的燃油分管

圖12 Trent 900發動機燃燒室的燃油分管

另外還可以采用浮動配合結構降低相配件的工作壓力。對于軍用渦扇發動機而言，由于燃燒室上的燃油、測試以及引氣管等管路都需要通過外涵機匣引到發動機外部，而燃燒室與外涵機匣在工作時存在一定的軸向和徑向相對位移，必須采取相應的措施，以防止發動機工作時管路與外涵機匣出現干涉而產生應力。目前，較為通用的措施是在管路上采用浮動配合結構。

1.6 卡箍與支架的設計

振動是影響管路壽命非常重要的因素之一，而管路系統中卡箍與支架的設計（如數量、位置、剛度等）對管路系統振動的影響非常大。因此，管路設計中對卡箍和支架給予足夠的重視，對管路系統的振動特性（如固有頻率和應力等）分析具有重要工程意義。

早期發動機上的卡箍多采用鋼制件，中間加鋼墊作為阻尼元件，如圖13所示。但由于該結構減振效果較差，發動機振動對管路的影響較大，目前基本不使用。

現在民機上使用最廣泛的卡箍是帶有減振橡膠或氟塑料的鋼卡箍，如GE90、CFM56-7和Trent 800發動機上所用的卡箍，如圖14～16所示。

根據航展資料，АЛ-31Ф發動機外部管路上普遍使用了1種帶有金屬氈結構的卡箍。該金屬氈是由金屬絲經過螺旋成型，再相互纏繞最后模壓而成的阻尼襯墊，其阻尼性能好、抗高溫、不易老化，且具有質量輕，可調節剛度等優點，在燃燒室的管路卡箍設計時也可考慮使用。

圖13 OLYMPUS 593發動機使用的卡箍及墊片

圖14 GE90發動機上所用卡箍

圖15 CFM56-7發動機上所用卡箍

圖16 Trent 800發動機上所用卡箍

另外，文獻[8]介紹了1種新型的帶墊卡箍結構，具有減震、防火性能好、耐老化和裝配方便等優點。在燃燒室內的卡箍設計時也可借鑒使用。

現代燃燒室管路設計時也可考慮采用有限元法輔助進行卡箍設計。文獻[9]介紹了針對航空發動機管路系統中不同卡箍的結構特點，對其剛度系數進行有限元計算和試驗測定的方法。文獻[10]分析了簡化管路系統模型的固有頻率特性以及其與導管卡箍固定位置的對應關系，給出了導管卡箍固定間距的安全范圍。

除了以上提到的卡箍設計外，在進行燃燒室上的支架設計時，應盡量簡單，且自身要有足夠的剛度，最好在機匣的安裝邊或座上固定支架，盡量不要將其固定在部件上，以免在發動機工作時影響管路的定位。1.7振頻以及動應力控制

管路設計必須從結構上防止出現高周疲勞，并保證有足夠的低循環疲勞壽命。而為了防止高周疲勞主要是使管路的自振頻率錯開發動機的特定頻率。

另外，燃燒室管路的自振頻率還應避免落在燃燒室聲激振的高能量區，管路的最大振動應力應小于同種結構管子疲勞極限的1/3。為達到以上要求，對管路的振動特性分析以及進行相關試驗是必不可少的，其中包括振頻和振型的計算（如簡化估算、有限元分析等）[11-13]、響應分析、壽命預估[14]等，以及對管路的振頻、振型、動應力等進行測量[15]。如果測量結果不令人滿意，可通過改變管路的形狀、支架與卡箍的位置等來調整管路的自振頻率和動應力[16]。

1.8 焊接方式的選擇與質量控制

燃燒室內的管路總數雖不是很多，但其形狀大多比較復雜，焊縫數量也比較多。同時，也由于其形狀復雜，造成管路成形困難以及一些自動焊設備無法使用，而手工焊往往大大增加了焊縫潛在缺陷存在的可能性。根據相關資料報道，某渦扇發動機燃油總管上的釬焊縫共有90余處，某渦噴發動機燃油總管上的氬弧焊縫共有120余處，某在役發動機燃油總管上的焊縫共有100余處。這3型發動機的燃油總管在使用中，無一例外地在重要試飛、試車過程中發生過燃油管路焊縫裂紋故障，對型號的研制進度均產生了重大影響。因此，從設計角度對焊縫質量進行嚴格控制是燃燒室管路設計中極其重要的方面。

（1）根據管路系統結構特點選擇合適的焊接方法。由于真空釬焊的焊接應力小、焊縫質量好、生產效率高等優點，對于焊縫較多的燃油管路焊接來說應是較好的選擇，但在焊料的選擇上一定要慎重，以預防在使用過程中發生焊縫裂紋故障。另外，由于一些焊料對釬焊間隙要求較高，在釬焊時應根據焊料特點選擇合適的釬焊間隙，以保證焊接質量。對于一些能采用自動焊接設備或不適宜采用釬焊的管路來說，采用氬弧焊也是很好的選擇?？傊?，在燃燒室管路設計時應根據其特點以及各種焊接方法的優缺點選擇合適的焊接方法，否則不但不能發揮各種焊接方法的優點，反而容易給生產及使用帶來諸多隱患。

（2）加強焊接質量控制。在設計初期，設計人員就要對重要的焊縫提出明確的質量控制要求。除了常規的X光、熒光以及打壓試驗外，對重要焊縫還要有相應的金相檢查、疲勞試驗以及定期檢查要求等。

1.9 校形控制

由于管路生產的特殊性，很多管路在裝配時都要進行校形。然而，由于工人的技術水平各不相同，在校形過程中極易造成管路以及焊縫內殘余大量的應力，在管路工作時就很可能發生故障。某型發動機多次出現過從燃燒室引出的測壓管的斷裂故障，其原因均與不規范的校形有很大關系。所以在設計文件中對管路的裝配要提出嚴格的要求,對校形次數、校形位置、管路在自由狀態下與在安裝狀態下的錯移量等進行限定。另外，一般情況下，均要求管路安裝自如，徒手能擰動外加螺母螺紋長度的2/3多；校正導管時，應采取措施，嚴防應力傳至焊縫。

2 結束語

由于燃燒室內管路工作的特殊性，在設計時必須從管路的材料、直徑與壁厚的選擇、管形的確定、相配件的熱膨脹協調方式、卡箍與支架的設計、振頻及動應力計算與測試、焊接方式的選擇與工藝控制、后期校形控制等多方面進行綜合考慮，并對生產與裝配中可能出現的問題進行嚴格要求與限定，以規范管路制造和使用中各細節，有效保證燃燒室內管路使用的可靠性。

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Design of Pipelines for Gas Turbine Combustor

ZHAO Chuan-liang，SHANG Shou-tang，MA Hong-yu，CHAI Xin
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Pipelines in combustor are used for fuel supply,air bleeding and testing.The importance of the pipeline in combustor is often neglected,which usually causes combustor failure.In order to increase the reliability of combustor pipelines,when designing pipelines of a combustor,the key factors were analyzed and summarized according to the experience of practical application.More attention should be paid to the following aspects,such as the selection of material,pipeline’s diameter,wall thickness,the shape definition,thermal expansion coordination,the design of clamp and bracket,the calculation and testing of vibration frequency and dynamic stress,the selection of welding,the control of welding procedure,the control of pipelines shape adjustment，etc.All kinds of problems happened on pipelines can be fundamentally avoided.The probability of combustor pipeline failure will be reduced in this way by controlling the design details.

pipeline;design;failure;gas turbine;combustor

V 235.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.05.008

2013-10-07基金項目：燃氣輪機工程研究項目資助

趙傳亮（1976），男，碩士，高級工程師，從事航空發動機主燃燒室設計工作；E-mail：zcl606@qq.com。

趙傳亮，尚守堂，馬宏宇，等.燃氣輪機燃燒室中的管路設計[J].航空發動機，2014，40（5）：39-44．ZHAO Chuanliang，SHANG Shoutang，MAHongyu，et al.Design ofpipelines for gas turbine combustor[J].Aeroengine，2014，40（5）：39-44．