高溫壓力管道供氣系統管道布置與應力分析研究

龔博， 羅振偉

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引 言

航空發動機試驗需要一套具有調節溫度壓力功能的高溫壓力管道供氣系統，該系統的作用是模擬發動機實際工作環境，其特點是需要通過摻混器、閥門、管道等設備，將氣源的壓縮空氣調節到指定的溫度、壓力，同時考慮管道柔性設計要求，通過增加波紋補償器、支撐架等設備使管道一次應力、二次應力、排氣反力等不同應力條件滿足管道材料的應力要求。本文通過對某航空發動機試車臺的高溫壓力管道供氣系統的管道布置設計與應力分析，探討該類高溫壓力管道系統的設計方法。

1 設計條件

1.1 設計參數

高溫壓力管道系統設計參數見表1。

1.2 管道材料

因為本項目中最高工作溫度達到550℃，同時，對管道內的清潔度要求較高，不允許生銹，所以選擇06Cr19Ni10不銹鋼作為管道材料。

2 管道布置設計

表1 設計參數表

2.1 設計原理

本系統由高、低溫兩路氣源供氣，經過摻混器將氣體溫度調整到所需溫度，氣體經過摻混器后通過主進氣管道上的壓力精調閥精確調節壓力，最終保證穩壓箱出口氣體的溫度、壓力、流量滿足試驗需求，少量的多余氣體通過摻混器后排氣調壓管道排出,并經過排空主進氣管道進入排氣塔。為適應發動機的試驗要求，需要在主進氣管道的壓力精調閥后設置大氣進氣管道。進氣系統下游的穩壓箱與排空主管道之間設置一路安全調壓管道，保證穩壓箱內壓力突然升高時能夠及時泄壓。進氣系統原理圖見圖1。

2.2 管道布局設計

圖1 進氣系統原理圖

首先確定主進氣管道中心標高，將主要設備如摻混器、壓力精調閥、穩壓箱、主進氣管道等設備布置在同一軸線上，根據設備尺寸及支撐空間的要求，將主進氣管道中心高度定為2500 mm。摻混器冷、熱氣源入口水平布置，排氣調壓管道在摻混器后豎直升起，與主進氣管道錯層布置，最后與排空主管道連接，排氣調壓管道中心高度取決于柔性設計對L型管道邊長的要求或補償器軸向尺寸，本項目中選用復式萬向鉸鏈型波紋補償器吸收熱應力，最后中心高定為6700 mm。壓力精調閥選用2個并聯的軸流閥，這樣選擇既可以避免采購大口徑調節閥，減少采購預算，又可以提高調節精度，使調節過程中閥門開度更多處于最佳開度范圍[1]。經過計算，主進氣管道的管徑選擇DN1000，軸流閥口徑選擇DN700。大氣進氣管道對于管道設計要求較低，這里不再贅述。管道布局見圖2。

2.3 管道支架設計

2.3.1 管道支架間距確定

圖2 管道布局圖

水平管道支架最大間距應同時滿足管道強度和剛度2個條件。強度條件是控制管道自重彎曲應力不超過設計溫度下材料許用應力的一半。剛度條件是限制管道自重產生的彎曲撓度。首先根據管架間距公式確定最大間距L，選定支架間距后根據撓度公式計算出最大撓度f，然后驗證f

管架間距公式：

式中：L為管道最大間距，m；q 為1 m管道的重量，kg/m；[δ]為管材的許用彎曲應力，MPa；W為管道截面模數，cm3。

最大撓度公式：

式中：E為管道彈性模量，MPa；J為管道截面的慣性矩，cm4。

管道最終需要進行液體打壓試驗，因此，在計算管道質量時考慮水的質量。

2.3.2 管道支架形式

根據管道熱脹方向及承力形式，將管道支架分為固定支架和導向支架。固定支架是主要承力設備，其強度要求較高，本項目中在主進氣管道的中間位置（壓力精調閥位置）布置了一處固定支架，因為該處有多個管道分支，同時中間位置固定可以向兩個方向熱脹，避免單一方向熱脹過大；其他固定支架主要布置在各管道交匯處，這樣可以限制分支管道的位移，減少波紋補償器變形量。導向支架即限定管道徑向位移，在穿墻管道及長度較大的直管道處多設置導向支架，導向支架的移動方式多采用金屬與金屬或金屬與聚四氟乙烯的滑動摩擦，但本項目中管道重量較大且溫度較高，移動方式采用棍棒在底板上滾動摩擦的方式。

3 管道柔性設計

管道柔性設計的本質是使管系由熱效應和外部位移造成的管道應力不超出管系允許的應力范圍，其中又以熱效應造成的熱位移對于管道布置的影響最大。

本項目中對于管道空間走向的布置優先采用L形和Z形管道進行自然補償，當管道空間受到限制，管道長度無法滿足自然補償條件時，采用波紋補償器，同時為避免補償器內壓力推力（盲板力）的影響，優先選擇約束型波紋補償器[3]。

在主進氣管道上只有軸向位移，選擇直管壓力平衡型波紋補償器來減少熱應力對于管道固定支架影響；在產生橫向位移，且流速高、振動較大的中等口徑（如DN400、DN800等）的管道上選用復式萬向鉸鏈橫向型波紋補償器；在產生橫向位移，且變形力小、流速低、振動較小的大口徑管道上選用大拉桿橫向型波紋補償器；因為橫向大拉桿或復式萬向鉸鏈型波紋補償器等不能承受轉矩，所以在承受空間管系產生的轉矩時，將3個單式鉸鏈橫向型波紋補償器組合使用，利用補償器的平面角偏轉來吸收空間管系的扭轉位移。

4 管道應力分析

本項目應力分析主要考察高溫壓力管道的靜態分析，而靜態應力計算主要評定整個系統在一次應力、二次應力等不同應力綜合影響下，管道、支撐等材料是否滿足強度要求。

本項目中靜力分析包括：1）管道內壓力載荷及重力作用下的一次應力計算；2）管道熱脹以及端點附加位移等位移載荷作用下的二次應力計算；3）管道對設備、支架作用力的計算。根據管道、設備、支架布局的實際情況，應用CAESARⅡ軟件建立應力計算模型，見圖3。

根據實際工況，將不同載荷組合作為不同的輸入條件，共形成18組工況組合，經過軟件計算可得到各節點的約束力情況[4]。根據工程經驗及計算結果可以找到系統承受載荷較大的部位，再將該位置節點的約束力情況作為輸入條件對局部設備進行應力仿真，找到薄弱環節，并通過增加補償器、支架、管道補強或調整管道布局等方式不斷迭代設計方案來消除薄弱環節，最終確定設計方案。

例如在檢查各節點約束力計算結果中發現某管道交匯點處約束力較大，見圖4，經應力校核后發現結構強度不足，最后在該處增加補強板后滿足強度要求。

圖3 應力計算模型圖

圖4 管道薄弱點模型圖

5 結論

本文根據某航空發動機核心機試車臺的高溫壓力管道供氣系統的工程實際，從管道布局，管道支架設計，管道柔性設計，管道應力分析4個方面，詳細分析了高溫壓力管道供氣系統的設計方法：1）水平管道支架最大間距應同時滿足管道強度和剛度2個條件，并指出固定支架和導向支架的選取原則；2）本項目在管道柔性設計中，通過增加補償器吸收管道熱脹位移，并指出補償器的選取原則；3）結合CAESARⅡ軟件，介紹了管道應力分析的方法。