基于CAESARⅡ的排氣系統管道熱補償設計

秦崢嶸，曹慶宇，徐升，劉元周

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

管道輸送介質或管道所處環境經常會遇到溫度變化，此時管道出現熱脹冷縮現象。這樣的尺寸變化必須采取一定的方式進行補償，否則將會在管道內壁產生很高的應力，因此在管道系統設計中需要對所設計的管道采取相應的熱補償設計[1-2]。

在管道補償設計中，自然補償是一種最經濟的補償方式，這種補償的主要原理是針對管道的位移變形，利用管道自然彎曲形狀所具有的柔性來補償，當這種補償不能滿足要求時，通常應考慮設置膨脹節，本文以航空發動機某試驗器排氣系統為例詳細介紹管道的熱補償設計，并利用仿真軟件CAESARⅡ驗證該補償設計的正確性。

1 排氣系統

1.1 排氣系統組成

排氣系統布置如圖1所示，該系統主要由排氣管道、閥門、膨脹節、排氣蝸殼、換熱器、管路支架等組成。

圖1 排氣布置圖

其中，排氣系統管道主要由排氣蝸殼出口管道、直排大氣管道、換熱器進口管道及預留管道組成，排氣系統管道規格如表1所示。管道材料采用06Cr19Ni10（304不銹鋼），設計溫度250 ℃，設計壓力（0.02～0.11）MPa（A），管道介質為空氣。

表1 排氣系統管道規格

1.2 排氣系統支架布置

排氣系統中共有固定支架3個，滑動導向支架/托架4個，滾動導向支架1個，其中認為滾動導向支架為滑動支架的其中一種類型，支架安裝位置如表2所示。

表2 排氣系統支架名稱及類型

2 管道熱補償設計

2.1 熱補償原則

在管道設計時，優先選用自然補償器（L形和Z形補償器等）；如無法實現，則選用金屬膨脹節，在金屬膨脹節中優先選擇成本較低的橫向大拉桿，其次是鉸鏈型和壓力平衡型。

2.2 管道熱膨脹量計算

式中：ΔL為管道熱脹量，mm；α為管道材料線膨脹系數，mm /（m·℃）；L0為安裝時管道長度，m；t為運行時管道溫度（取管內介質溫度），℃；t0為安裝時管道溫度（取管道周圍空氣溫度），℃。

2.3 管道膨脹節需求分析

由圖1可知，由于排氣系統中現有排氣管道布局不具備通過管道自身彎曲進行熱補償，根據2.1節中管道熱補償設計原則采用金屬膨脹節方式開展熱補償設計。

金屬膨脹節膨脹計算參照2.2節中式（1），式中運行時管道溫度t取250 ℃，管道線性膨脹系數α取17.42，安裝時管道溫度t0取20 ℃。

1）PZJ-O-01。

PZJ-O-01位于排氣蝸殼和DN1800固定支架之間，安裝位置示意圖如圖2所示，橫向補償量為0 mm，軸向補償量為65 mm，管徑為DN1800，因蝸殼軸向不能承受很大的推力，故沒有選擇本身不承受內壓推力的單式（復式）軸向型膨脹節，而選擇了直管壓力平衡型膨脹節，同時對膨脹節產生的軸向最大變形力提出了要求。

圖2 PZJ-O-01安裝位置示意圖

2）PZJ-O-02。

PZJ-O-02位于1#換熱器入口和DN1800管道之間，安裝位置示意圖如圖3所示，整個管段為L形，橫向補償量為50 mm，軸向補償量為19 mm，管徑為DN1400，由于安裝位置限制，故只能選擇可吸收軸向、橫向位移的復式自由式膨脹節，同時對膨脹節產生的軸向最大推力提出了要求。

圖3 PZJ-O-02安裝位置示意圖

3）PZJ-O-03。

PZJ-O-03位于2#換熱器入口和DN1800管道之間，安裝位置示意圖如圖4所示，整個管段為L形，橫向補償量為18 mm，軸向補償量為19 mm，管徑為DN1400，由于安裝位置限制，故只能選擇可吸收軸向、橫向位移的復式自由式膨脹節，同時對膨脹節產生的軸向最大推力提出了要求。

圖4 PZJ-O-03安裝位置示意圖

4）PZJ-O-04。

PZJ-O-04位于DN1800管道和DN1000彎管固定支架之間，安裝位置示意圖如圖5所示，整個管段為典型空間“Z”型，橫向補償量為34 mm，軸向補償量為15 mm，管徑為DN1000，由于安裝位置限制，故只能選擇可吸收軸向、橫向位移的復式自由式膨脹節，同時對膨脹節產生的軸向最大推力提出了要求。

圖5 PZJ-O-04安裝位置示意圖

5）PZJ-O-05。

PZJ -O -05 位于DN1000彎管固定支架和DN1000固定支架之間，安裝位置示意圖如圖6所示，整個管段為L形，橫向補償量為135 mm，軸向補償量為15 mm，管徑為DN1000，為了補償彎頭產生的軸向熱脹位移，故選擇單面彎頭復式拉桿型膨脹節，該膨脹節除了補償橫向位移外，也補償膨脹節長度內的軸向位移。

圖6 PZJ-O-05安裝位置示意圖

根據以上需求分析，共需求3種5個波紋管膨脹節，其具體型式、規格、參數如表2所示。

表2 排氣系統膨脹節技術規格參數

2.4 CAESARⅡ仿真分析

2.4.1 計算模型

通過查看管道設計標準，可以看出管道應力分為一次應力和二次應力2種。其中一次應力是指管道受到持續載荷作用，應力與載荷達到了平衡狀態。一次應力主要包括自重、壓力、彈簧作用力等產生的應力。另外一種二次應力是指管道發生變形或是將要發生變形，受到外部條件限制，不能繼續變形或是不能發生變形所產生的力。二次應力與一次應力有較大不同，其中二次應力最大特點是和變形有直接關系，針對所處的外部條件約束限制通過發生變形來適應環境特點。通常，二次應力包括道的熱脹冷縮位移、附加位移等產生的應力[3-4]。

選用CAESARⅡ軟件對排氣系統整體建模仿真。在建模過程中，將管道的外形尺寸、管道的材料特性和許用應力、管件特征參數（包含閥門、三通、彎頭、膨脹節）、管道限位點和支座等如實輸入設計壓力、設計溫度[5]。其中排氣蝸殼、1#、2#換熱器設備由于固定，因此在建模過程中將以上設備處理為管道限位點，排氣系統管道計算模型如圖7所示。

圖7 排氣系統CAESARⅡ計算模型

2.4.2 計算結果及分析

CAESARⅡ軟件中計算工況有3個：SUS（安裝工況）、EXP（純熱脹工況）、OPE（運行工況）。一次應力為SUS工況下的應力，二次應力為EXP下的應力，膨脹節計算位移為OPE下的位移。

2.4.2.1 應力仿真分析

1）一次應力工況。排氣系統一次應力最大發生在節點2800處（排氣蝸殼出口管道滾動導向支架），綜合應力為28 644.2 kPa，許用應力為122 023.4 kPa，應力比率為23.5%，應力通過校核。

2）二次應力工況。排氣系統二次應力最大發生在節點800處（排氣蝸殼出口管固定支架），綜合應力為18 250.3 kPa，許用應力為45 495.5 kPa，應力比率為40.1%，應力通過校核。

2.4.2.2 位移仿真分析

排氣管道的應力計算評定合格，表明排氣管道在設計狀態下的軸向位移變形、角向位移和橫向位移均被膨脹節變形吸收。但由于膨脹節變形是有上限的，為避免由于管道變形導致膨脹節發生失穩或變形，同時也是為了保障膨脹節自身安全和使用壽命，還應對排氣管道進行位移仿真。

由仿真結果可知，排氣系統膨脹節計算最大位移與膨脹節選型時的允許位移數值如表3所示，由表3中觀察可知，排氣系統管道所有膨脹節計算位移均小于選型膨脹節允許變形位移，因此，排氣系統膨脹節選型滿足管道安全運行要求。

表3 排氣系統膨脹節變形位移數值

3 結語

本文通過對航空發動機某試驗器排氣系統管道的熱補償設計，介紹了管道設計過程中需遵循的設計原則，在自然補償不能滿足的情形下開展膨脹節需求分析，選用能夠滿足實際工況的膨脹節形式，確定膨脹節技術參數，并利用CAESARⅡ從應力及位移兩方面對該排氣系統管道進行計算分析，結果表明排氣系統熱補償設計滿足使用要求，為同類管道系統設計提供了參考。