聚四氟乙烯軟管在航空發動機上的應用研究

馮凱　李洪軍　史志勇

1、引言

聚四氟乙烯軟管是一種柔性管，常用于與運動部件的連接，利用自身柔性可以補償部件間的相對位移。其本身具有高結構阻尼特性，可以減少相連部件的振動水平，具有隔振、消振和降噪的作用。我國在1966年開始研制聚四氟乙烯軟管，已取得顯著成果并成功應用在多型飛機上。但由于航空發動機外部管路工作條件更加苛刻，對管路安全性要求更高，我國的軟管研制技術尚不成熟，國內正在使用及研制的航空發動機外部管路還未使用聚四氟乙烯軟管，均為金屬硬管。

2、軟管在國外航空發動機上的應用

在發動機上用于燃油、滑油和空氣等介質輸送的管路，是發動機的重要組成部分，其可靠性直接影響發動機的安全性。在航空史上，由于管路問題而引起的飛機故障也不乏其例。現代航空發動機尤其是大涵道比渦扇發動機的可靠性和壽命不斷提高，這就對外部管路的可靠性和壽命提出了更高的要求，因此如何提高管路的可靠性，保證其在發動機上的安全工作，對發動機的穩定運行具有非常重要的意義。

為減少管路故障，在國外現役型號航空發動機上大量使用了軟管。目前應用的軟管主要有金屬軟管和非金屬軟管兩種。其中，俄羅斯、烏克蘭兩國的發動機上采用的是金屬軟管。

英、法、美等西方國家的發動機主要采用非金屬軟管。在航空發動機上應用的非金屬軟管主要是聚四氟乙烯軟管，其使用溫度最高可達204℃。金屬軟管相對于非金屬軟管具有更高的使用溫度范圍，但其柔性和補償作用不如非金屬軟管，一般用于管路的熱變形補償。

3、聚四氟乙烯軟管在航空發動機上的應用前景

聚四氟乙烯軟管組件是由聚四氟乙烯波紋內管、不銹鋼絲增強層、扣壓接頭和管接頭組成。針對航空發動機高溫、高壓、強振動、壓力突變等惡劣的工作環境，需嚴格控制扣壓接頭扣壓量的大小。扣壓量太大，對聚四氟乙烯內管和不銹鋼絲加強層造成損壞，容易在管體上產生縱向破裂;扣壓量太小，容易在壓力突變、振動等情況下發生泄漏、接頭脫落等故障。為了保證發動機在意外著火時，管路能在一定時間內保持燃、滑油不泄露，并維持其功能，這就要求發動機上的外部管路必須是防火的，這對在發動機上應用的軟管提出了更嚴格的要求。為了實現聚四氟乙烯軟管的防火功能，在軟管不銹鋼絲增強層外需硫化防火橡膠層，通過硫化防火橡膠層，使軟管能夠經受住1090℃的火焰沖擊15分鐘，而不影響其使用功能，不發生可燃流體泄漏等故障，這為聚四氟乙烯軟管在航空發動機上的應用提供了保障。

聚四氟乙烯軟管由于自身的結構特點使其在航空發動機上的應用具有諸多優勢，但其本身也有很多局限性限制了軟管在發動機上的大批量使用。第一，聚四氟乙烯軟管的重量大，其重量基本是相同長度金屬硬管的兩倍，增加了發動機的重量負荷;第二，聚四氟乙烯軟管的體積大，因考慮強度、耐磨、防火等因素軟管直徑比金屬硬管大1.5倍左右，這就使軟管的布置需要更大的外部空間;第三，聚四氟乙烯軟管的許用折彎半徑大，其折彎半徑接近相同內徑硬管的四倍，給軟管的布置帶來很多不便;第四，聚四氟乙烯軟管的耐溫極限低，其最高使用溫度僅為204℃，遠遠低于金屬硬管的最高溫度極限，這些不利因素限制了聚四氟乙烯軟管在航空發動機上的廣泛應用。設計軟管時需要考慮軟管的伸縮性。對于軟管，當壓力變化時能延長2%，也能縮短4%。軟管過長會增加壓降并影響性能，軟管太短加壓時可能在扣壓接頭脫開。在確定軟管長度時，尤其是軟管用于具有相對運動部件之間，需要考慮用于運動補償時管路長度的變化。軟管設計時，應避免軟管的彎曲曲率小于軟管要求的最小曲率半徑，以免影響軟管的使用壽命。在同一平面內彎曲的軟管，當連接的兩個部件間有相對運動時，要避免扭轉軟管，否則會減少軟管的承壓能力。

在CFM56-5和CFM56-7系列發動機上各采用了30多根非金屬軟管，占全部管路的1/5左右。雖然聚四氟乙烯軟管具有諸多“短板”，但若能揚長避短，發揮其結構優勢，將其應用在裝配應力大、附件相對位移大、熱變形大、振動應力大的管路上，必將取得非常優異的效果。因此，聚四氟乙烯軟管在航空發動機上具有廣闊的應用前景。

3.1 降低管路的裝配應力

采用金屬硬管，在裝配過程中，由于管路加工的尺寸偏差及附件位置累積誤差，不可避免的要在管接頭間、管路與附件、管路與卡箍之間產生安裝位置和尺寸的偏差，導致管路在連接、固定過程中產生裝配應力。管路中裝配應力的存在，將降低管路承受振動疲勞的能力，管路強度儲備系數隨之降低，管路中存在很小的振動應力就可能引起管路斷裂，影響管路的可靠性和使用壽命。在航空發動機上采用聚四氟乙烯軟管，利用其自身的柔性可以補償加工、裝配誤差，降低管路中的裝配應力。

3.2 補償附件間的相對位移

在具有相對運動的附件間的金屬硬管，發動機工作過程中，隨著兩附件相對位置關系的變化會在管路中產生交變的附加應力，交變應力的存在將降低管路的疲勞極限。在具有相對位移的附件間采用聚四氟乙烯軟管連接，根據附件的相對位置關系設計具有合適長度的軟管，可以補償附件間的相對位移，消除管路中的交變應力。

3.3 補償管路的熱變形

在發動機工作過程中，管路中的燃油、滑油、空氣溫度會隨著發動機工作狀態的變化而不斷改變。由于管路內流體溫度變化速度高于發動機機匣溫度變化速度，管路的變形量大于機匣的變形量，因此會隨著發動機狀態的改變，在管路中產生變化的拉應力或壓應力，降低管路的疲勞極限。采用聚四氟乙烯軟管利用其自身的柔性可以補償管路的熱變形。

3.4 減少管路的振動應力

增加管路系統中的結構阻尼可以有效減小管路中的振動應力，是保證管路安全工作的有效途徑。聚四氟乙烯軟管自身具有較高的結構阻尼特性，因此采用軟管還可以增加管路系統中的結構阻尼，吸收管路系統的振動，抑制過大管路振動應力的發生。另外，可以將管路系統中的剛性連接變為柔性連接，防止過大的機匣、附件及管路的振動傳遞到相連管路上，降低相連管路的振動水平，可以有效防止管路中過大振動應力的產生。因此，采用聚四氟乙烯軟管可以有效降低管路中的應力水平，提高管路系統的強度和使用壽命，是解決管路故障的有效途徑。

4、結論

在發動機外部管路中采用聚四氟乙烯軟管不但可以補償運動部件間的相對位移，還可以將管路與管路、管路與附件間的剛性連接變為柔性連接，防止過大的振動傳遞到其它管路及附件上;另外，采用聚四氟乙烯軟管可以降低管路、支架的加工精度要求，減少因加工誤差而引起的裝配應力;同時由于其自身具有良好的阻尼特性，可以起到降低管路振動應力的作用，采用軟管對提高管路壽命，保證管路安全、可靠的工作具有積極的作用。由于軟管在航空發動機上的工作環境極其惡劣，其工作的可靠性還需進一步驗證，軟管自身的體積和重量比相同規格的金屬硬管大，使其在航空發動機上的應用受到了一定的限制，但在民用大涵道比渦扇發動機上卻有著廣闊的應用空間。

參考文獻

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