某型艦用柴油主機排氣管漏煙故障分析及改進

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(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

1 原排氣管結構特點及漏煙故障

某型柴油機作為艦船主機在使用過程中發生了數起排氣管路漏煙現象，特別是經過使用一段時間后漏煙現象更為嚴重，柴油機箱裝體內消音棉因大量吸入煙灰和積炭而被破壞，效果降低，沿箱裝體內部敷設的電纜全部因高溫煙氣熏烤而表皮破裂。

該柴油機排氣管系是由排氣支管、中間接管通過套管、波紋管、卡箍聯接組成，并用螺釘和止動墊片緊固在托板上，經排查確認漏煙位止動墊片緊固在托板上，經排查確認漏煙位置為排氣波紋管與排氣支管連接處[1]。

排氣支管、波紋管、卡箍及內套管的安裝結構見圖1、2。

圖2 原布置三維實體示意

采用的這種排氣波紋管連接V型卡箍接頭結構，具有以下特點。

1)V型卡箍安裝。安裝空間小，操作方便，拆裝維修快捷。排氣的密封主要是靠排氣支管法蘭凸緣面與波紋管凸緣的配合保證的，其密封結構形式屬于非平面靜密封，與法蘭連接方式相比，其密閉性差。

2)排氣管內冷/熱態溫差大。滿負荷工作排溫700 ℃，接頭不同材料的熱脹冷縮特性和長期工作后使接頭部分產生熱松弛，導致漏氣。

3)接頭多。20缸每臺機有34×2=68個排氣管接頭。

4)接頭結構件全部為金屬件，20°斜面為密封面，理想狀態為面密封，但因卡箍內卡塊夾緊面實際為弧面，加之加工精度及結構件的剛度等原因，實際上面密封容易形成線密封，密封效果差，特別是缺乏柔性回彈材料，細小間隙容易產生漏氣[2]。

5)另外，膨脹節在接頭端口部位常因安裝不當產生折皺(見圖3)，這是由膨脹節安裝時潤滑脂不夠，卡箍收緊時造成膨脹節接口處變形引起的。這對煙氣的密封也造成非常大的影響。

圖3 安裝不當造成的折皺

2 改進方案

2.1 由原有的3段卡塊改為6段卡塊結構

參照HB 8—93—2002，空氣系統高溫高壓導管與導管連接卡箍，卡箍內卡環由原來的3段改為6段，見圖4、5。

圖4 航空工業空氣系統高溫高壓導管與導管連接卡箍

圖5 改進的卡箍結構示意

這樣設計有如下優點。

1)有利于密封面的均勻密封。分為6段后，與原3段結構相比，減小了單個卡塊長度，可以改善單塊由于加工精度、安裝等原因造成整個密封面局部不能壓緊的現象。

2)有利于避免波紋管安裝皺褶。由于卡塊間留有間隙，該間隙可以吸收相鄰2塊卡塊在卡箍收緊過程中擠壓波紋管造成的變形。分為6段后間隙分布更多更均勻，可以避免位移變形集中形成皺褶，影響煙氣密封。有限元計算結果也證實了相關結論。

3)有利于卡箍安裝。6段結構方式也更利于卡箍徑向自由擴張，方便安裝。

2.2 控制卡塊之間的安裝間隙

原設計中卡塊間隙為設計5 mm，開口處間隙為9 mm，實際產品中這些間隙測量值遠大于設計值，特別是開口間隙收緊后達到20 mm。(見圖6)過大的間隙值對密封面的效果會產生不利影響。本次改進設計中將對間隙值進行嚴格控制，使實際產品安裝后的間隙小于或等于設計值。

圖6 原結構安裝后卡塊間隙示意

2.3 卡塊卡面減小弧度并改為機加工結構

航空空氣系統高溫高壓導管與導管連接卡箍結構的卡塊結構尺寸見圖7[3-5]，本接頭原結構卡塊結構尺寸見圖8。

圖7 航空卡箍結構的卡塊結構尺寸示意

對比2種結構可以看出，前者平直的密封面較深、夾角較小，而后者較淺、夾角較大，后者實際產品則基本上以弧面為主，因此容易將面密封造成線密封，影響密封效果。本次改進設計建議采取工藝措施減小卡塊卡面弧度以增加密封面。

本接頭結構原為2 mm不銹鋼沖壓結構，現改為及加工結構，保證結構件的加工尺寸的穩定和質量。

2.4 部分卡塊與箍帶之間的固結改為可滑動連接

原卡塊與箍帶之間采用的是點焊方式實現固定連接的，改進設計擬將6塊卡塊中的4塊卡塊改為卡塊通過卡柱與滑槽滑動連接方式，實現與箍帶之間可滑動連接(見圖9)，且相鄰卡塊之間采用鋼絲鉸接(見圖10)，遠離卡箍開口端的2塊卡塊仍采用原點焊方式。這樣，既保證了卡塊與箍帶之間的相對定位，又可以在安裝過程中保持卡塊之間的正常間隙，并可以使箍帶在安裝收緊過程中產生的收緊位移由卡塊與箍帶之間的滑動實現，避免卡塊與波紋管密封面之間產生位移造成安裝皺褶。

圖9 卡塊與箍帶之間的連接示意

圖10 卡塊之間的定位示意

3 排煙管密封結構有限元仿真分析

3.1 原波紋管有限元仿真

波紋管原設計結構由波紋管、排氣支管、卡箍組成。鑒于結構的對稱性，建立波紋管原設計結構一半的有限元模型，見圖11。模型結構劃分采用solid185單元、采用conta174單元及targe170單元模擬波紋管與排氣支管、波紋管與卡箍、卡箍與排氣支管接觸面之間力的傳遞，接觸面之間沒有定義摩擦，模型共用節點39 982個，單元數量為182 331個。模型約束結構對稱面法向的位移，在另一端的卡箍上作用4 mm的位移載荷。模型的計算結果見圖12。

圖11 波紋管原設計結構網格模型

圖12 波紋管原設計結構形變計算結果

3.2 改進后波紋管有限元仿真

將波紋管的卡箍由3段結構改為6段結構，改進后的波紋管有限元模型見圖13。改進后的模型除結構改變外，所用單元、接觸方法、約束及載荷均與原模型一致。計算結果見圖14。

圖13 波紋管改進結構網格模型

圖14 波紋管改進結構形變計算結果

3.3 計算結果分析

從圖12看，卡箍4 mm位移載荷下，波紋管在卡箍的開口位置產生拉伸變形，最大為3.995 mm，但在此附近的大片區域形變為負值，因而會受到擠壓作用，容易產生皺褶導致波紋管漏煙。

由圖14可知，波紋管卡箍由3段改為6段后，在同樣的載荷下，波紋管所受的最大形變位置不變，依然在卡箍的開口位置，其值略有減小為3.994 mm，但新設計結構使得此附件的區域波紋管的形變變為正值，不再受擠壓作用，因此不易產生皺褶，并且從整個波紋管變形情況來看，受擠壓的區域大幅減小。由此可見，改進結構有助于解決波紋管的漏煙故障。

4 試驗驗證

根據設計圖紙，對卡箍結構進行試制和裝配試驗。裝配效果見圖15。

經試驗，卡箍上緊力矩增加為規定值的1.5倍時，不銹鋼波紋管經檢驗無任何變形。

5 結論

1)該型柴油機排煙管漏煙為排煙管卡箍設計、生產不當引起。

圖15 卡箍上緊后總體形態

2)將原卡箍的3段、沖壓成型結構，設計修改為6段、加工成型結構，可有效減少因卡箍上緊引起的波紋管變形，保證安裝效果。

3)實機密封性試驗半年多的運行狀況跟蹤觀察表明，該機的漏煙情況比以前有很大的改善，說明排氣波紋管的改進達到了預期效果。