航空高溫管路支撐系統設計方法

黃晨輝　薛海明

摘 要：該文通過筆者在日常的工作中所遇到的具體實例，介紹了航空器高溫管路中波紋管數量設計方法；同時也通過實例，分析了航空器高溫管路中熱應力產生的原因，管路熱應力對航空器結構帶來的破壞作用，以及高溫管路中支撐固定系統的布置原則以及支撐形式選擇進行了分析，提出了一種通過改變管路支撐系統的結構形式來有效預防管路熱應力的設計方法。

關鍵詞：航空 高溫 管路 支撐 熱膨脹 載荷 波紋管

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0019-02

高溫管路在飛機上的應用非常廣泛，許多系統的工作都需要使用來自發動機的高溫高壓氣體，例如：發動機進氣道前緣加溫防冰、機翼前緣加溫防冰以及飛機空調系統等。但是高溫高壓氣體在流過管路時，會對導管壁產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，會發生軸向以及側向變形，導管管路的變形將直接將載荷傳遞給固定導管的支架，這些高溫導管管路支架在長期的交變載荷作用下會產生疲勞斷裂，引起高溫管路的破裂，導致嚴重的安全事故，另外，管路軸向變形也會帶來高溫管路的破裂，因此，消除高溫管路熱變形是飛機管路設計中的關鍵。

為了消除管路中高溫流體帶來的管路熱變形，一般在高溫管路敷設設計過程中，采用固定支撐系統和導向支撐系統相結合的設計思路，固定支撐系統用于導管的穩定或限制導管的振動，導向支撐系統用于導管的穩定或限制導管沿預定的方向移動。同時，為了吸收管路系統熱膨脹帶來的尺寸變化，還可在直段的管路系統中設置波紋管。

1 直線段高溫管路支撐系統中波紋管數量的確定

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建組成，它能沿軸向方向進行伸縮，也允許少量彎曲。在高溫管路系統中，由于流體縱向力及熱膨脹力的作用管路熱拉伸變形，必須設置波紋管來吸收熱拉伸量。波紋管數量選擇不合理，也會帶來安全隱患，波紋管數量不足，管路變形量不能被完全吸收，有可能將管路接頭拉開或將波紋管拉裂，導致熱空氣泄漏，危及到附近電纜及其他設備的工作安全；波紋管數量過多，會增加系統重量及制造成本。故波紋管的數量對高溫管路系統設計至關重要。下面通過實例來介紹下直線段管路中波紋管數量的確定方法。

航空高溫管路導管材料一般選擇薄壁不銹鋼材料（1Cr18Ni9Ti），管路內流體工作溫度為20～270 ℃，管路總長為8826 mm，導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，導管總伸縮量可按公式（2）確定。

由以上計算結果可選n=3個波紋管可滿足長度為8826 mm不銹鋼導管在20～270 ℃時的熱膨脹的補償要求。故在總長為8826 mm的直管段范圍內應距離均勻的布置三個波紋管，以保證管路系統各段伸縮量均勻，受力均勻。

2 高溫管路支撐系統中支撐件布置設計

高溫管路支撐系統按照受力特征一般分為包括兩種類型：壓縮型導管支撐系統和拉伸型導管支撐系統，壓縮型導管支撐系統一般指直線段的管路支撐系統，拉伸型導管支撐系統一般指帶有彎接頭的導管支撐系統。

壓縮型導管支撐形式使導管系統除了承受由導管內部壓力產生的流體縱向力和熱膨脹力外，由于受到飛機側向載荷和導管自身重力作用，還要考慮承受相對大的側向載荷，同時，波紋管也自身存在固有的不穩定性，就要求導管系統、支撐系統以及飛機結構更加堅固，同時導管的縱向強度，必須在允許的不同軸度下，足以承受所作用的壓縮載荷，導向支架用于導管中部支撐。它僅承受導管的側向載荷，不承受導管的縱向載荷。

拉伸型導管支撐形式使導管內部產生的流體縱向力或軸向力不是傳遞到飛機結構上，而只是對導管壁起到軸向拉升作用。在彎管的兩端各設置一個波紋管來適應導管的軸向、扭轉和彎曲偏轉，固定支架來適應導管的拉伸載荷，承受作用在導管重量上的飛機慣性載荷系數，并足以適應飛機結構偏轉以及導管熱膨脹等影響后，導管軸向、扭轉和彎曲偏轉。

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產生不穩定的壓縮力，因此，在高溫管路支撐系統設計中每兩個波紋管之間必須設置一對非常牢靠的安裝支架，其中一個固定支架將導管和飛機結構剛性連接，而另一個導向支架則需采用能使管路沿軸向自由移動。

3 導向支架的設計

為了滿足高溫管路系統在高溫情況下，將熱膨脹產生的位移準確的傳遞給管路中的波紋管，降低管路熱膨脹力對固定支架和飛機機體結構的損傷，導向支架必須設計成在不受到導管軸向力的情況下，能夠使高溫導管沿軸向發生小范圍的位移，而位移范圍要根據兩個固定之間導管的熱脹冷縮的位移量確定，導向之間形式可參考圖3進行設計。

4 結論

通過上述的計算、分析，高溫管路支撐系統設計關系到飛機的飛行安全，合理選擇高溫管路的支撐形式以及補償設備是飛機高溫管路支撐設計的關鍵，上述介紹的高溫管路支撐系統的設計方法已經成功應用到多型飛機的設計中，也得到飛機的長期使用驗證，滿足飛機的功能使用要求。

參考文獻

[1] 《飛機設計手冊》總編委會編.飛機設計手冊（等15冊）[M].航空工業出版社，1999.endprint