應(yīng)用CAESAR II軟件對電加熱器進(jìn)出口管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高凱， 羅振偉， 武俊虎， 胡銘鑫

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

某試車臺進(jìn)氣系統(tǒng)利用電加熱器為發(fā)動機(jī)提供不同溫度的高溫氣體，以模擬航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中的各種工況。該電加熱器的進(jìn)出口管路管徑較大、內(nèi)部流體溫度較高，為提高其安全性，需進(jìn)行應(yīng)力分析，以便進(jìn)行合理的管路布置[1]。CAESAR II軟件基于有限元方法，利用其自身的模型和約束類型，可建立復(fù)雜的空間管系，并對管道進(jìn)行靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷下的一維計(jì)算和快速分析[2]。1 建模和分析

1.1 管道元件參數(shù)及設(shè)計(jì)工況

模型構(gòu)建基本形式為：氣源來氣的空氣管路管徑為φ377，通過電加熱器后的高溫空氣管路管徑為φ426，后通過異徑接頭，管徑變?yōu)棣?00。此套管路的設(shè)計(jì)工況為高溫高壓工況，電加熱器進(jìn)口端來氣溫度為350℃、壓力為1 MPa，出口端溫度為700℃、壓力為0.8 MPa。模型構(gòu)建時(shí)所需管道及元件參數(shù)及具體工況參數(shù)如表1所示。

表1 安裝中所選用鋼管規(guī)格

1.2 管道初始設(shè)計(jì)方案計(jì)算

該供氣管道為高溫高壓管道，工作過程中會產(chǎn)生較大的熱脹力，而膨脹節(jié)等柔性元件已不適用于如此高溫高壓工況，故設(shè)計(jì)過程中通過L型及空間Z型的自然補(bǔ)償形式來吸收管道熱膨脹量。電加熱器進(jìn)出口管道的初始設(shè)計(jì)中，支架布置方式及計(jì)算使用坐標(biāo)系如圖1所示。經(jīng)CAESARⅡ軟件搭建模型并進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算［3-4］，各處應(yīng)力分布如圖2所示。圖2中顯示應(yīng)力超標(biāo)唯一節(jié)點(diǎn)為220號點(diǎn)。超標(biāo)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及部分節(jié)點(diǎn)各工況受力情況如表2、表3所示。

圖1 電加熱器進(jìn)出口管道初始布置圖

圖2 初始布置管道應(yīng)力分布圖

結(jié)果顯示：220號節(jié)點(diǎn)（即電加熱器與出口管道連接三通處）一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均嚴(yán)重超標(biāo)，即為管道中潛在隱患點(diǎn)；170號節(jié)點(diǎn)（即電加熱器進(jìn)口附近的導(dǎo)向支架處）Z向受力為0，分析可知電加熱器固定支點(diǎn)上半段受熱向上膨脹，導(dǎo)致該處導(dǎo)向支架脫空。

表2 220號節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力

表3 170號節(jié)點(diǎn)各工況下受力情況

1.3 管道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對應(yīng)力超標(biāo)問題分析可知，二次應(yīng)力產(chǎn)生的原因?yàn)楣艿罒崦浟Αｋ娂訜崞鞒隹诠芫€中，x方向沒有約束，可自由熱脹；彈簧吊架1#所在的π型彎可吸收y方向熱脹[6]；因此引起二次應(yīng)力過大的主要原因是電加熱器出口處豎直方向管道熱脹力巨大引起的，究其原因是由于管道豎直方向柔性不夠?qū)е碌模欢淮螒?yīng)力超標(biāo)主要原因是出口處管道跨距過大，導(dǎo)致連接三通處承受了部分管道重力，即管道缺少支撐[7]。

圖3 電加熱器進(jìn)出口管道初始布置圖

圖4 優(yōu)化后管道二次應(yīng)力分布圖

綜合以上分析，結(jié)合管道布置及場地條件限制，對加熱器出口端管道系統(tǒng)做如下優(yōu)化：1）電加熱器出口豎直方向管段增加一處π型彎，以更好地吸收其豎直方向的熱膨脹；2）在新增π型彎的水平方向管道上增加一處彈簧吊架，用來承受管道自重，避免管道重力全部施加到電加熱器出口三通處；3）將170號節(jié)點(diǎn)處的導(dǎo)向支架更改為彈簧吊架。

表4 優(yōu)化后最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)（220號點(diǎn)）對應(yīng)的應(yīng)力

表5 優(yōu)化后170號節(jié)點(diǎn)各工況下受力情況N

優(yōu)化后具體布置方案如圖3所示，二次應(yīng)力分布如圖4所示。計(jì)算后顯示最大應(yīng)力仍發(fā)生在220號點(diǎn)，其應(yīng)力值及170號彈簧吊架（只承受豎直方向力，其他方向受力為零）受力情況如表4、表5所示。

結(jié)果顯示：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力校核全部通過，各方向熱脹均被有效吸收。電加熱器進(jìn)口導(dǎo)向支架更改為彈簧吊架后不存在脫空情況，有效地改善了各支架的受力分布，因此優(yōu)化方案可行。此外，計(jì)算可得出電加熱器進(jìn)出口受力情況，為電加熱器廠家提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 結(jié)論

利用CAESAR II軟件對電加熱器進(jìn)出口管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，可確定出管道中應(yīng)力較大點(diǎn)，即為存在安全隱患處，進(jìn)而對進(jìn)出口管道系統(tǒng)的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，計(jì)算可得出管道系統(tǒng)中支吊架的受力情況，還可得出設(shè)備接口處的受力情況，方便對于設(shè)備提供理論依據(jù)。CAESAR II軟件的運(yùn)用可有效地降低設(shè)計(jì)人員工作量并提高設(shè)計(jì)效率和和可靠性，保證了設(shè)備設(shè)計(jì)質(zhì)量。