應用CAESAR II軟件對電加熱器進出口管路的優化設計

高凱， 羅振偉， 武俊虎， 胡銘鑫

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

某試車臺進氣系統利用電加熱器為發動機提供不同溫度的高溫氣體，以模擬航空發動機試驗過程中的各種工況。該電加熱器的進出口管路管徑較大、內部流體溫度較高，為提高其安全性，需進行應力分析，以便進行合理的管路布置[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，可建立復雜的空間管系，并對管道進行靜態載荷和動態載荷下的一維計算和快速分析[2]。1 建模和分析

1.1 管道元件參數及設計工況

模型構建基本形式為：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，管徑變為φ500。此套管路的設計工況為高溫高壓工況，電加熱器進口端來氣溫度為350℃、壓力為1 MPa，出口端溫度為700℃、壓力為0.8 MPa。模型構建時所需管道及元件參數及具體工況參數如表1所示。

表1 安裝中所選用鋼管規格

1.2 管道初始設計方案計算

該供氣管道為高溫高壓管道，工作過程中會產生較大的熱脹力，而膨脹節等柔性元件已不適用于如此高溫高壓工況，故設計過程中通過L型及空間Z型的自然補償形式來吸收管道熱膨脹量。電加熱器進出口管道的初始設計中，支架布置方式及計算使用坐標系如圖1所示。經CAESARⅡ軟件搭建模型并進行應力計算［3-4］，各處應力分布如圖2所示。圖2中顯示應力超標唯一節點為220號點。超標節點應力及部分節點各工況受力情況如表2、表3所示。

圖1 電加熱器進出口管道初始布置圖

圖2 初始布置管道應力分布圖

結果顯示：220號節點（即電加熱器與出口管道連接三通處）一次應力、二次應力均嚴重超標，即為管道中潛在隱患點；170號節點（即電加熱器進口附近的導向支架處）Z向受力為0，分析可知電加熱器固定支點上半段受熱向上膨脹，導致該處導向支架脫空。

表2 220號節點對應的應力

表3 170號節點各工況下受力情況

1.3 管道優化設計方案

針對應力超標問題分析可知，二次應力產生的原因為管道熱脹力。電加熱器出口管線中，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導致的；而一次應力超標主要原因是出口處管道跨距過大，導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 電加熱器進出口管道初始布置圖

圖4 優化后管道二次應力分布圖

綜合以上分析，結合管道布置及場地條件限制，對加熱器出口端管道系統做如下優化：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號節點處的導向支架更改為彈簧吊架。

表4 優化后最大應力節點（220號點）對應的應力

表5 優化后170號節點各工況下受力情況N

優化后具體布置方案如圖3所示，二次應力分布如圖4所示。計算后顯示最大應力仍發生在220號點，其應力值及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。

結果顯示：一次應力、二次應力校核全部通過，各方向熱脹均被有效吸收。電加熱器進口導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，因此優化方案可行。此外，計算可得出電加熱器進出口受力情況，為電加熱器廠家提供設計依據。

2 結論

利用CAESAR II軟件對電加熱器進出口管道進行應力計算，可確定出管道中應力較大點，即為存在安全隱患處，進而對進出口管道系統的布置進行優化設計。與此同時，計算可得出管道系統中支吊架的受力情況，還可得出設備接口處的受力情況，方便對于設備提供理論依據。CAESAR II軟件的運用可有效地降低設計人員工作量并提高設計效率和和可靠性，保證了設備設計質量。