航空發動機管路設計研究

張香華 王立志 黨偉

摘 要：航空發動機中的導管主要是用來為發動機和飛機輸送燃油、滑油、液壓油、空氣和氧氣等的工作介質，是發動機和飛機的一個重要的組成部分，任何一根導管出現斷裂故障都會造成嚴重的事故，重者甚至會導致機毀人亡。由于導管安裝位置苛刻、溫度、壓力不斷變化，其受力較復雜。航空發動機導管工作的可靠性對發動機性能、壽命至關重要。發動機管路系統研究，除要考慮材質可靠、耐用性之外，還需要考慮諸多因素。本文從航空發動機管路設計原則出發，研究了發動機管路系統設計時，需要重點考慮的因素，涉及管路布局、間隙、補償結構和應力等，本文為從事航空發動機系統研究與設計的工程技術人員提供參考。

關鍵詞：發動機；管路設計；研究

中圖分類號：V233 文獻標志碼：A

1 航空發動機導管設計原則

發動機管路設計中遵循先進性和繼承性原則，選擇并繼承成熟的傳統技術，還要廣泛收集資料和信息，充分利用先進的設計技術和軟件進行設計，設計中按照方案優選、參數優化原則進行改進，管路系統元件應采用標準件、通用件或按照標準設計。在強度、功能和重量都滿足要求的前提下，優先選擇成本低的材料和工藝。

管路系統應結構簡單、尺寸小、重量輕，管路敷設不允許超出發動機輪廓控制線，管路系統應具備可伸縮性和能夠自行進行熱補償的功能，并具備足夠的強度儲備和良好的振動特性。管路中介質流速一般要求滑油管路的滑油最大流速應小于5.0m/s，滑油回油管路的滑油最大流速應小于3.5m/s，燃油管路的介質最大流速應小于9.5m/s。

2 管路設計要求

航空發動機滑油管路、滑油、空氣管路的最高溫度應當限制在防止碳化物的形成和滑油降解的溫度，通過使用可允許的最小的管徑來減少介質的滯留時間。在密封形式為金屬對金屬的地方，不允許使用密封劑。管路系統設計要有高可靠性、良好維修性、足夠的安全性。容易錯裝的管接頭，應采用防錯設計。所有的管路連接處都必須設計穩妥的鎖緊措施。

3 管路設計主要內容

航空發動機外部管路系統方案設計，可以從燃油、滑油、空氣、液壓幾個系統來設計，每個系統可以有幾種方案，經論證、評議從中選出各系統最佳方案。

3.1 總體布局

依據發動機外形和附件接口位置進行各系統管路敷設分布協調，初步建立管路系統圖，確定基本管路路線、管形、連接點、固定和密封形式、卡箍和標識等重要特征參數、以供在隨后的設計過程中使用。

3.2 管路間隙要求

發動機管路之間和與機體構件之間最小間隙一般不小于5mm；管路在剛性固定點處最小間隙不小于3mm；管路與活動件的最小間隙一般應不小于10mm。

3.3 補償結構

導管上必須有補償結構，用以補償導管與發動機之間熱脹冷縮的變化量差異和安裝、制造的誤差，防止應力過大，管路能做補償彎曲的最小長度。對于外徑較大的粗管，需要采用具有可以伸縮補償功能的導管連接件，還可以在導管中裝膨脹節。

3.4 導管的流阻計算

流阻計算的主要目的是確保流量滿足附件、部件的要求，并保證各管路有足夠的末端壓力。管路系統按照圓形管道進行流阻計算，管道內的流體視為光滑管區紊流流動。

3.5 管路系統中零組件的結構設計

管路中零組件的材料和尺寸應根據上述各種計算并參考其他機種各類導管的設計和使用的成熟經驗來確定；

對管路連接件中使用的密封圈必須按照密封圈的設計標準進行設計，密封圈材料的選擇以各管路連接處的工作溫度和流體的性質為依據。

3.6 管路系統的安全性設計

導管既安裝在發動機內部又安裝在發動機外部時，要有剛性固定和抗扭措施，以防管路扭曲。可拆換的內部管路在通過油槽壁面處、穿過支板端部或發動機外機匣時，必須在該處設置可更換的耐磨襯墊；導管在穿過外機區時應設計有適當高度的凸緣或球形件，以便導管支撐和封嚴，對球形件還可起協調變形的作用。導管支架及連接導管的附件支架應有足夠的剛性，固定導管的支架、卡箍、金屬夾子等，必須有軟質材料的襯墊，用以減輕導管的振動負荷并防止導管磨損。襯墊的材料應能承受工作溫度。

燃油、滑油、液壓油導管應布置在電纜導線下方，防止裝卸導管時油液滴落到電纜導線上，導管連接中的法蘭盤，必須具有足夠的剛度，在螺栓擰緊時不能產生彎曲變形，螺栓的數量和分布要合理。導管接頭不應直接擰入鋁鎂合金和鈦合金機匣，應在接頭擰入處設置鋼絲套或銅套。導管內腔要保證清潔，存放時要用堵蓋堵好開口，防止掉進異物，安裝時要用煤油沖洗，氧氣導管要用氮氣吹除檢查，導管接頭應盡量選用標準件或成熟的結構形式。

3.7 管路系統的維修性設計

管路系統的敷設應留有足夠空間，便于發動機單元體、外部零組件以及附件的更換，導管更換時應使導管系統裝拆工作量最少。導管接頭應位于發動機單元體或發動機部件、組件的分界面附近。對平行一束的管路接頭應彼此錯開；對彼此靠近、管徑相同的導管接頭，應采用不可互換的結構形式或其他防錯措施。

導管組合件的標印在發動機上的位置應清晰可見，無遮擋，導管上的檢測點、調整點、維修點，在飛機上的維修窗口處操作應可達、可視、防盲裝，如必需盲裝，機件上要有引導結構。

3.8 管路系統的防火要求

外露的燃、滑油導管的長度應盡可能短，盡可能避免將其布置在因受攻擊而引起著火的部位，燃、滑油導管應妥善布置，避免損壞時溢出的燃、滑油吸入發動機或流到發動機熱端部件上。在起動不成功或者發動機停車后，燃燒室供油管路中的燃油應能及時排出機外，防止繼續流入燃燒室。發動機各附近的漏油點與發動機主流道的漏油點要設置漏油收集器，并能將漏油排出機外。

在高溫區內導管應選用不銹鋼導管，并應避免安排導管接頭。必需安排接頭時，應選擇在高溫條件下封嚴性能好的結構，或采取必要的保護措施，燃、滑油和液壓油管路應遠離尾噴口，當必須布置在尾噴口附近時，應采取防護措施。

結語

本文系統地介紹了航空發動機管路設計原則、管路設計一般要求和管路設計的主要內容，對管路設計時需要考慮的多種因素研究，為提高管路系統的設計質量打下了很好的基礎。所提出的管路設計內容可以應用于其他領域，如艦船管路設計、機電產品管線設計以及機器人路徑規劃等。

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