金屬軟管在航空發動機上的應用

賈 鐸，羅 鵬，邱明星，高 雷

金屬軟管在航空發動機上的應用

賈 鐸，羅 鵬，邱明星，高 雷

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

針對發動機管路制造偏差和運動位移的補償要求，對金屬軟管在航空發動機上的應用進行研究。根據金屬軟管的系統、結構尺寸、接口參數和位移補償，采用樣條曲線對軟管路徑進行擬合，并運用有限元求解變形后的路徑形狀的計算方法對金屬軟管的長度和補償工作條件下的曲率半徑進行了分析。結果表明：金屬軟管的管形變化可滿足發動機位移補償要求，并為金屬軟管在某型發動機上的應用提供依據。

金屬軟管；航空發動機；位移補償；曲率半徑

0 引言

金屬軟管具有質量輕、體積小、承壓高、耐腐蝕、耐高低溫、抗疲勞、柔性好等優點，能夠吸收振動，補償安裝偏移和管線位移，廣泛應用于航空、航天、船舶和兵器等領域[1-4]。目前在航空發動機上的金屬軟管多用于補償制造偏差和熱偏差，而補償較大運動位移在國內的大中型渦噴、渦扇發動機研制中尚未應用[5]。

本文對金屬軟管在工作時管形變化對位移的補償能力進行分析和研究。

1 金屬軟管設計要求

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

1.1 系統要求

（1）實現發動機和配裝飛機附件機匣之間的管路接口連接。

（2）發動機和配裝飛機附件機匣共用滑油系統，金屬軟管實現輸送滑油系統工作介質，如圖1所示。

1.2 結構尺寸要求

（1）根據某型發動機、飛機附件機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構，通過兩端硬管部分將發動機和飛機附件機匣接口之間的空間角度轉換為平面角度，使軟管柔性部分成為1個平面內1個圓弧結構形式。金屬軟管的結構尺寸如圖2所示。

圖1 金屬軟管系統

圖2 金屬軟管結構

表2 軟管接口位置

（2）根據發動機的系統要求，確定金屬軟管的規格，見表1。

表1 金屬軟管規格

1.3 接口位置要求

根據發動機數字樣機模型，確定金屬軟管接口位置（對應的接頭端面圓心坐標和外法矢量），數據見表2。

表2中坐標及矢量信息對應的基準坐標系如圖3所示。取主安裝節截面為YZ平面，其與發動機軸線交點為主坐標系原點（0，0），X軸由發動機出口指向進口，且與發動機旋轉軸線重合；Z軸為從原點出發的徑向線，其正向為指向發動機正上方；Y軸按右手法則確定。

圖3 發動機主坐標系

1.4 位移補償要求

補償飛機附件機匣與發動機之間相對位移公差。其中相對位移補償要求為 Δx=0 mm；Δy=±6 mm；Δz=±6 mm。

2 計算方法及步驟

2.1 長度計算

軟管的長度計算主要包括2個步驟：軟管路徑確定和路徑長度計算，基于材料力學原理，均勻軟管在兩端受約束后，其中心線形狀應至少滿足2階光滑連續；基于高等數學原理，已知曲線起點、終點的坐標和外切向矢量，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為軟管的起、終端面圓心坐標，以接頭端面外矢量為軟管端面內矢量，采用樣條曲線對軟管路徑進行擬合。具體擬合方法為：

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

（2）樣條曲線方程可寫為

通過求式(1)的導數可得曲線的斜率為

（3）將起點、終點的信息代入式（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）并將結果代入式（1），即得到樣條曲線的描述方程。

（4）進行曲線積分計算樣條曲線長度l

表3 典型極限相對位移變化工況

（5）假定位移補償，即起點與終點相對位移發生變化時，硬管部分只有平動，而無轉動，即起點與終點的端面法矢量不變。計算發生典型極限相對位移變化（即表3所示的9種工況）時，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計的基準長度。

計算一端固定，另一端法向矢量不變、而位置在Δy，Δz構成矩形區域內變化時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 曲率半徑計算

對于式（5）描述的曲線，可看作某一動點的運動軌跡，則該動點

運動速度和加速度矢量為

對于有顯式表達式的曲線，可直接求其導數進而獲得速度與加速度信息，在只有曲線坐標信息時，可采用有限差分的方法進行求解[14-15]。

由運動學中的惠更斯定理，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。

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

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

（2）軟管內波紋管的波長相對其長度為小值，壁厚較薄，而網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行單元劃分；

（3）輸入管截面尺寸參數和材料信息；

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

（5）進行幾何非線性求解。

圖5 有限元求解變形后的路徑形狀

從有限元計算結果中提取位移變形信息，并計算變形后的路徑坐標，然后基于前述方法進行曲率半徑的計算。

3 計算結果及分析

3.1 長度計算結果

軟管長度計算結果見表4。其中l_hose為按樣條曲線擬合計算的軟管長度，dis_max為所有極限位移補償工況下軟管起點與終點之間最大直線距離。

表4 軟管長度計算結果

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

3.2 曲率半徑計算結果

軟管曲率半徑的計算結果見表5。其中“安裝狀態”是指無位移補償即Δx=Δy=Δz=0的情形；“最小R狀態”是指在所有極限位移補償工況中，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 軟管曲率半徑計算

4 結束語

（1）在某型發動機金屬軟管設計時，從結構、工藝等方面繼承現役金屬軟管的成熟技術，降低研制風險。

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

（3）金屬軟管能夠滿足發動機的位移補償要求。

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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 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

賈鐸（1980），男，工程師，主要從事航空發動機外部結構設計工作；E-mail:jiaduo1980326@tom.com。

賈鐸，羅鵬，邱明星，等.金屬軟管在航空發動機上的應用[J].航空發動機，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）