航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路設(shè)計(jì)研究

張香華 王立志 黨偉

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的導(dǎo)管主要是用來(lái)為發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)輸送燃油、滑油、液壓油、空氣和氧氣等的工作介質(zhì)，是發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的一個(gè)重要的組成部分，任何一根導(dǎo)管出現(xiàn)斷裂故障都會(huì)造成嚴(yán)重的事故，重者甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀人亡。由于導(dǎo)管安裝位置苛刻、溫度、壓力不斷變化，其受力較復(fù)雜。航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管工作的可靠性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、壽命至關(guān)重要。發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)研究，除要考慮材質(zhì)可靠、耐用性之外，還需要考慮諸多因素。本文從航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路設(shè)計(jì)原則出發(fā)，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的因素，涉及管路布局、間隙、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和應(yīng)力等，本文為從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；管路設(shè)計(jì)；研究

中圖分類號(hào)：V233 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管設(shè)計(jì)原則

發(fā)動(dòng)機(jī)管路設(shè)計(jì)中遵循先進(jìn)性和繼承性原則，選擇并繼承成熟的傳統(tǒng)技術(shù)，還要廣泛收集資料和信息，充分利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中按照方案優(yōu)選、參數(shù)優(yōu)化原則進(jìn)行改進(jìn)，管路系統(tǒng)元件應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件或按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在強(qiáng)度、功能和重量都滿足要求的前提下，優(yōu)先選擇成本低的材料和工藝。

管路系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕，管路敷設(shè)不允許超出發(fā)動(dòng)機(jī)輪廓控制線，管路系統(tǒng)應(yīng)具備可伸縮性和能夠自行進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)墓δ埽⒕邆渥銐虻膹?qiáng)度儲(chǔ)備和良好的振動(dòng)特性。管路中介質(zhì)流速一般要求滑油管路的滑油最大流速應(yīng)小于5.0m/s，滑油回油管路的滑油最大流速應(yīng)小于3.5m/s，燃油管路的介質(zhì)最大流速應(yīng)小于9.5m/s。

2 管路設(shè)計(jì)要求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油管路、滑油、空氣管路的最高溫度應(yīng)當(dāng)限制在防止碳化物的形成和滑油降解的溫度，通過(guò)使用可允許的最小的管徑來(lái)減少介質(zhì)的滯留時(shí)間。在密封形式為金屬對(duì)金屬的地方，不允許使用密封劑。管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要有高可靠性、良好維修性、足夠的安全性。容易錯(cuò)裝的管接頭，應(yīng)采用防錯(cuò)設(shè)計(jì)。所有的管路連接處都必須設(shè)計(jì)穩(wěn)妥的鎖緊措施。

3 管路設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，可以從燃油、滑油、空氣、液壓幾個(gè)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，每個(gè)系統(tǒng)可以有幾種方案，經(jīng)論證、評(píng)議從中選出各系統(tǒng)最佳方案。

3.1 總體布局

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外形和附件接口位置進(jìn)行各系統(tǒng)管路敷設(shè)分布協(xié)調(diào)，初步建立管路系統(tǒng)圖，確定基本管路路線、管形、連接點(diǎn)、固定和密封形式、卡箍和標(biāo)識(shí)等重要特征參數(shù)、以供在隨后的設(shè)計(jì)過(guò)程中使用。

3.2 管路間隙要求

發(fā)動(dòng)機(jī)管路之間和與機(jī)體構(gòu)件之間最小間隙一般不小于5mm；管路在剛性固定點(diǎn)處最小間隙不小于3mm；管路與活動(dòng)件的最小間隙一般應(yīng)不小于10mm。

3.3 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

導(dǎo)管上必須有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，用以補(bǔ)償導(dǎo)管與發(fā)動(dòng)機(jī)之間熱脹冷縮的變化量差異和安裝、制造的誤差，防止應(yīng)力過(guò)大，管路能做補(bǔ)償彎曲的最小長(zhǎng)度。對(duì)于外徑較大的粗管，需要采用具有可以伸縮補(bǔ)償功能的導(dǎo)管連接件，還可以在導(dǎo)管中裝膨脹節(jié)。

3.4 導(dǎo)管的流阻計(jì)算

流阻計(jì)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(tǒng)按照?qǐng)A形管道進(jìn)行流阻計(jì)算，管道內(nèi)的流體視為光滑管區(qū)紊流流動(dòng)。

3.5 管路系統(tǒng)中零組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管路中零組件的材料和尺寸應(yīng)根據(jù)上述各種計(jì)算并參考其他機(jī)種各類導(dǎo)管的設(shè)計(jì)和使用的成熟經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定；

對(duì)管路連接件中使用的密封圈必須按照密封圈的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(zhì)為依據(jù)。

3.6 管路系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)

導(dǎo)管既安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部又安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外部時(shí)，要有剛性固定和抗扭措施，以防管路扭曲。可拆換的內(nèi)部管路在通過(guò)油槽壁面處、穿過(guò)支板端部或發(fā)動(dòng)機(jī)外機(jī)匣時(shí)，必須在該處設(shè)置可更換的耐磨襯墊；導(dǎo)管在穿過(guò)外機(jī)區(qū)時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)有適當(dāng)高度的凸緣或球形件，以便導(dǎo)管支撐和封嚴(yán)，對(duì)球形件還可起協(xié)調(diào)變形的作用。導(dǎo)管支架及連接導(dǎo)管的附件支架應(yīng)有足夠的剛性，固定導(dǎo)管的支架、卡箍、金屬夾子等，必須有軟質(zhì)材料的襯墊，用以減輕導(dǎo)管的振動(dòng)負(fù)荷并防止導(dǎo)管磨損。襯墊的材料應(yīng)能承受工作溫度。

燃油、滑油、液壓油導(dǎo)管應(yīng)布置在電纜導(dǎo)線下方，防止裝卸導(dǎo)管時(shí)油液滴落到電纜導(dǎo)線上，導(dǎo)管連接中的法蘭盤，必須具有足夠的剛度，在螺栓擰緊時(shí)不能產(chǎn)生彎曲變形，螺栓的數(shù)量和分布要合理。導(dǎo)管接頭不應(yīng)直接擰入鋁鎂合金和鈦合金機(jī)匣，應(yīng)在接頭擰入處設(shè)置鋼絲套或銅套。導(dǎo)管內(nèi)腔要保證清潔，存放時(shí)要用堵蓋堵好開(kāi)口，防止掉進(jìn)異物，安裝時(shí)要用煤油沖洗，氧氣導(dǎo)管要用氮?dú)獯党龣z查，導(dǎo)管接頭應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件或成熟的結(jié)構(gòu)形式。

3.7 管路系統(tǒng)的維修性設(shè)計(jì)

管路系統(tǒng)的敷設(shè)應(yīng)留有足夠空間，便于發(fā)動(dòng)機(jī)單元體、外部零組件以及附件的更換，導(dǎo)管更換時(shí)應(yīng)使導(dǎo)管系統(tǒng)裝拆工作量最少。導(dǎo)管接頭應(yīng)位于發(fā)動(dòng)機(jī)單元體或發(fā)動(dòng)機(jī)部件、組件的分界面附近。對(duì)平行一束的管路接頭應(yīng)彼此錯(cuò)開(kāi)；對(duì)彼此靠近、管徑相同的導(dǎo)管接頭，應(yīng)采用不可互換的結(jié)構(gòu)形式或其他防錯(cuò)措施。

導(dǎo)管組合件的標(biāo)印在發(fā)動(dòng)機(jī)上的位置應(yīng)清晰可見(jiàn)，無(wú)遮擋，導(dǎo)管上的檢測(cè)點(diǎn)、調(diào)整點(diǎn)、維修點(diǎn)，在飛機(jī)上的維修窗口處操作應(yīng)可達(dá)、可視、防盲裝，如必需盲裝，機(jī)件上要有引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

3.8 管路系統(tǒng)的防火要求

外露的燃、滑油導(dǎo)管的長(zhǎng)度應(yīng)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(dǎo)管應(yīng)妥善布置，避免損壞時(shí)溢出的燃、滑油吸入發(fā)動(dòng)機(jī)或流到發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上。在起動(dòng)不成功或者發(fā)動(dòng)機(jī)停車后，燃燒室供油管路中的燃油應(yīng)能及時(shí)排出機(jī)外，防止繼續(xù)流入燃燒室。發(fā)動(dòng)機(jī)各附近的漏油點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)主流道的漏油點(diǎn)要設(shè)置漏油收集器，并能將漏油排出機(jī)外。

在高溫區(qū)內(nèi)導(dǎo)管應(yīng)選用不銹鋼導(dǎo)管，并應(yīng)避免安排導(dǎo)管接頭。必需安排接頭時(shí)，應(yīng)選擇在高溫條件下封嚴(yán)性能好的結(jié)構(gòu)，或采取必要的保護(hù)措施，燃、滑油和液壓油管路應(yīng)遠(yuǎn)離尾噴口，當(dāng)必須布置在尾噴口附近時(shí)，應(yīng)采取防護(hù)措施。

結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路設(shè)計(jì)原則、管路設(shè)計(jì)一般要求和管路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，對(duì)管路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的多種因素研究，為提高管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量打下了很好的基礎(chǔ)。所提出的管路設(shè)計(jì)內(nèi)容可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如艦船管路設(shè)計(jì)、機(jī)電產(chǎn)品管線設(shè)計(jì)以及機(jī)器人路徑規(guī)劃等。

參考文獻(xiàn)

[1]李洋，佟文偉，韓振宇，等.發(fā)動(dòng)機(jī)引氣管卡箍斷裂原因分析[J].失效分析與預(yù)防，2003，3（8）：167-172.

[2]智友海，史向平.飛機(jī)管路系統(tǒng)卡箍位置的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2010，30（6）：75-80.

[3]李佳，劉麗玉，何玉懷，等.液壓作動(dòng)筒裂紋分析[J].失效分析與預(yù)防，2013，（4）：98-102.

[4]呂鳳軍，傅國(guó)如.某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油供油導(dǎo)管裂紋分析[J].裝備環(huán)境工程，2013，6（12）：114-117.

[5]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000：318-319.

[6]王國(guó)鵬，萬(wàn)利，周楊娜.航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路振動(dòng)故障研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2008（S1）：191-194.

[7]初飛雪.兩端簡(jiǎn)支輸液管道流固耦合振動(dòng)分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（3）：248-251.

[8]李艷華，柳貢民，張寅豹.流體管道橫向振動(dòng)的頻域傳遞矩陣法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2009，22（6）：597-601.