雙層高溫氣體通道熱膨脹分析及解決方案研究

武俊虎，秦崢嶸，宋志佳，袁肖民，劉哲，黃琨

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

在輪盤類動力源試驗設備試驗時，所需輸氣體介質為高溫壓縮空氣。按照工況結構需求，有時會遇到試驗設備需要內、外層環形管道之間輸送試驗用高溫壓縮氣體的情況。由于壓縮空氣溫度較高，又帶有一定的壓力，外層管道和內層管道不但要求有足夠的強度和剛度，同時內、外層管道存在熱膨脹。由于工作條件的特殊性，輪盤類試驗件排氣端不是普通的單層的排氣通道結構形式，形狀類似喇叭形且為雙層環型結構形式，試驗件排氣端外層管壁和內層管壁沿軸向必然存在熱膨脹。另外，由于工作條件的結構特殊性，安裝也不方便。因此，解決輪盤試驗件的熱膨脹問題并方便連接安裝該試驗件排氣通道存在較大的難度。本文主要解決輪盤試驗件熱膨脹問題，同時還需考慮方便進行試驗件的連接安裝和拆卸更換。

1 工況要求及初步分析計

1.1 工況要求

該輪盤類動力源試驗設備排氣系統要求包含高溫排氣管道、耐高溫閥門、耐高溫膨脹節、排氣端裝置、管路支架等，輪盤類動力源試驗設備排出的氣體可直接送入消音塔，也可經抽氣裝置抽吸排出。輪盤類動力源試驗器流通介質為高溫壓縮空氣，一般工作壓力不大于0.15 MPa，試驗設備進氣介質溫度不高于500 ℃，試驗設備排氣介質溫度不高于300 ℃。在設計排氣系統時，應考慮盡量減小沿程管路及節流件造成的壓力損失；輪盤類試驗端出口為環型雙層的特殊形式的排氣通道。

1.2 試驗段熱膨脹量、彈性力、流速等初步分析計算

1.2.1 試驗段熱膨脹量計算

試驗段熱膨脹量計算公式為

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），℃。

由總體工況要求可知：L0=3500 mm，t=500 ℃，α=0.0170 mm/(m·℃)。

經計算可知，試驗段熱膨脹量為30 mm左右。

1.2.2 膨脹補償器變形彈性力計算

式中：N為環型腔膨脹補償器熱變形彈性力；ΔL為管道熱脹量，mm；K為環型腔膨脹補償器軸向剛度，N/mm。

咨詢膨脹節廠家后，確定環型腔膨脹補償器軸向剛度為2300 N/mm左右。

經計算可知，若采取環型腔膨脹補償器，熱變形彈性力約為70 kN。在對輪盤試驗器兩端的進氣端裝置、排氣端裝置支點支座進行受力分析計算時，需考慮此熱變形彈性力。

1.2.3 膨脹補償器內流速計算

先依據理想氣體狀態方程得到氣體密度，再依據流量公式得到氣流速度[1]。

理想氣體狀態方程為

式中：P為高溫氣體壓力，Pa；ρ為氣體密度，kg/m3；T為氣體溫度，K；R為理想氣體常數，R＝287.1 J/(kg·K)。

氣體流量公式為

式中：V為氣流速度，m/s；Q為氣體流量，不大于70 kg/s；ρ為氣體密度，kg/m3；D1、D2為內、外層管徑，m。

綜上所述，得到氣流速度計算公式為

經計算可知，耐高溫膨脹補償器內氣體最高流速約為60 m/s左右，一般規定排到大氣的管道內氣體流速不大于0.3 Mach，因此符合實際工程工況要求。

2 試驗段熱膨脹問題分析

如圖1所示，輪盤試驗段是該試驗器進、排氣系統中的核心部分，試驗段主要由進氣端裝置、輪盤試驗件、排氣端裝置等組成。輪盤試驗件出口為雙層環型腔特殊結構形式，通過分析輪盤試驗器設計要求，由于進氣系統、排氣系統中壓縮空氣的溫度較高，為防止輪盤試驗件及進氣端裝置、排氣端裝置因熱膨脹而產生破壞，在試驗段設計中必須考慮熱膨脹問題，保障試驗設備安全，根據實際工況選取適宜的熱膨脹問題解決方案。

圖1 試驗段布置示意圖

在工作時，考慮到耐高溫膨脹節使用特殊性的要求，進氣端裝置和排氣端裝置設置為固定點，高溫空氣經進氣端裝置和輪盤試驗件內層排氣通道、外層排氣通道排出高溫氣體，并通過適宜的熱膨脹通道進入排氣端裝置收集并排出。從輪盤試驗件的結構特點可以看出，輪盤試驗件出口是特殊的“雙層環型腔通道”結構，而且出口直徑較大，試驗件距排氣端裝置進口法蘭距離約為400 mm，由于輸送氣體為高溫氣體，必然存在熱膨脹，需要設計合適的新型的耐高溫膨脹節來解決。通常單層管道的熱膨脹都比較容易解決，而本試驗件是雙層環型腔通道結構形式，既要考慮外層管道的熱膨脹，又要考慮內層管道的熱膨脹，還要方便輪盤試驗件的安裝和拆卸，因此解決本試驗段熱膨脹的問題必然存在較大的技術難度。

通過分析該輪盤試驗段熱膨脹問題，確定需要克服以下關鍵技術難點：雙層環型腔內、外層一致性熱膨脹問題，熱膨脹量約為30 mm；低壓特殊工況狀態低流阻的試驗要求。

3 熱膨脹方案設計研究

通過分析輪盤試驗段結構形式，不能采用自然補償器形式，初步考慮有以下3種方案。

3.1 方案一：采用盤根壓緊

在輪盤試驗件和排氣端裝置之間采用雙層環形的帶均布筋板的不銹鋼直筒連接，如圖2所示。在直筒的內外兩側沿圓周纏繞布置石墨盤根，再用沿圓周布置的分段壓環通過螺栓與輪盤試驗件法蘭及排氣端裝置進口法蘭進行連接，并均勻地壓緊盤根，如圖3所示。盤根壓緊方案的外壓環的局部結構如圖4所示。盤根壓緊方案內壓環的局部結構如圖5所示。并且內筒與外筒之間沿圓周均布筋板，既起到連接加強作用，又起到輪盤試驗件排氣均勻的作用，盤根壓緊直筒筋板的布置如圖6所示。

圖2 盤根壓緊方案示意圖

圖3 盤根壓緊直筒徑向放大示意圖

圖4 盤根壓緊方案外壓環局部放大示意圖

圖6 盤根壓緊直筒筋板布置示意圖

該方案的優點是：成本較低，直筒、壓環等加工制作方便，質量相對較輕。不足之處是：同軸度要求較高，安裝不太方便，對于盤根的壓緊程度要求嚴格，若壓得過緊，則熱膨脹時自由串動困難，若壓得過松，則在進行負壓試驗時可能存在漏氣的現象，影響輪盤試驗的準確性。

3.2 方案二：采用帶金屬絲的環型硅膠玻纖布軟連接

在輪盤試驗件和排氣端裝置之間采用帶金屬絲內環、金屬絲外環的硅膠玻纖布進行連接，如圖7所示。帶金屬絲的環型硅膠玻纖布軟連接的徑向放大圖如圖8所示。并采用螺栓和壓板進行壓緊，以解決試驗段的熱膨脹問題。帶金屬絲的環型硅膠玻纖布軟連接的局部結構如圖9所示。

圖7 帶金屬絲的環型硅膠玻纖布軟連接方案示意圖

圖8 帶金屬絲的環型硅膠玻纖布軟連接徑向放大示意圖

圖9 帶金屬絲的環型硅膠玻纖布軟連接局部放大示意圖

該方案的優點是：成本較低，加工制作方便，質量輕。不足之處是：帶金屬絲的環型硅膠玻纖布軟連接安裝不太方便；在進行負壓試驗時，由于硅膠玻纖布較軟，存在向通道內方向的變形，減少輪盤試驗件通道的流通面積，可能在一定程度上會導致試驗排氣壓力損失不滿足技術要求。

3.3 方案三：采用雙層環型腔膨脹補償器

在輪盤試驗件和排氣端裝置之間，采用環型腔膨脹補償器進行連接，雙層環型腔膨脹補償器方案徑向示意圖如圖10所示。雙層環型腔膨脹補償器軸向放大示意圖如圖11所示。參照GB/T 12777《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》[2]進行了非標設計，考慮到試驗時工作溫度不大于300 ℃、工作壓力不大于0.15 MPa 的要求，雙層環型腔膨脹補償器材料選取不銹鋼。該雙層環型腔膨脹補償器由進氣端外法蘭、帶均布隔板的導流筒、進氣端內法蘭、外層補償器、排氣端外法蘭、內層補償器、排氣端內法蘭、吊環等組成[3-5]。進氣端外法蘭和排氣端外法蘭通過外層補償器連在一起，雙層環型腔膨脹補償器進氣端外法蘭處連接如圖12所示，雙層環型腔膨脹補償器排氣端外法蘭處連接如圖14 所示。進氣端內法蘭和排氣端內法蘭通過內層補償器連在一起，另外進氣端外法蘭和進氣端內法蘭通過沿圓周均勻布置的隔板導流筒焊接在一起，同樣既起到連接加強作用，又起到輪盤試驗件排氣均勻的作用，排氣端導流筒自由滑動。雙層環型腔膨脹補償器進氣端內法蘭處連接如圖13所示。雙層環型腔膨脹補償器排氣端內法蘭處連接如圖15所示。進出排氣端安裝4個吊環，可以方便吊裝膨脹補償器。該環型腔膨脹補償器兩側法蘭通過螺栓孔、密封墊同兩側的輪盤試驗件和排氣端裝置的法蘭固定。

圖10 雙層環型腔膨脹補償器方案徑向示意圖

圖11 雙層環型腔膨脹補償器軸向放大示意圖

圖12 雙層環型腔膨脹補償器進氣端外法蘭處連接示意圖

圖13 雙層環型腔膨脹補償器進氣端內法蘭處連接示意圖

圖14 雙層環型腔膨脹補償器排氣端外法蘭處連接示意圖

圖15 雙層環型腔膨脹補償器排氣端內法蘭處連接示意圖

在工作時，根據環型腔膨脹補償器的使用要求，進氣端裝置和排氣端裝置需要設置為固定點，在工作時，高溫空氣經內管道、外層管道之間排出高溫氣體，通過該環型腔膨脹補償器將氣體排到排氣端收集裝置，由于輸送氣體為高溫氣體，必然存在熱膨脹，這樣就通過該補償器吸收膨脹量。通過初步計算，寬度為400 mm的補償器可以吸收30 mm左右的熱膨脹量，設計內層補償器、外層補償器時，需注意盡量讓兩者的膨脹要求一致。另外，由于工作時管道中氣體流速較高，因此在通道內設置導流筒，防止氣體對波紋沖刷，從而保護內層補償器和外層補償器，同時降低了氣流的流阻損失。該環型腔膨脹補償器還解決了外層管道和排氣收集裝置同軸度要求較高的問題，而且還方便內層管道和外層管道安裝、拆卸，有利于試驗件的重復試驗拆裝工作，大大提高了效率。

該方案的優點是：可滿足內層管道和外層管道軸向同時熱膨脹，耐高溫（氣流溫度400 ℃以上），對內層管道和外層管道和排氣收集裝置同軸度要求較低，對輪盤試驗件的反復連接、拆卸都相對方便，設置導流筒可減少沿程壓力損失。不足之處是成本相對較高、質量較大。

4 結論

為了解決輪盤試驗件內層排氣管道和外層排氣管道軸向同時熱膨脹的問題，對比分析了3個方案的優缺點，并結合試驗工況，選取了環型腔膨脹補償器方案，更好地解決試驗段的熱膨脹問題。不但獲得了耐高溫性能，而且降低了輪盤試驗件管道和排氣收集裝置同軸度要求；輪盤試驗件的連接、拆卸都相對方便；設置的導流筒可減少沿程壓力損失。同時參照GB/T 12777《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》進行了非標設計。多家波紋補償器專業廠家進行均認為該技術方案可行，加工制作方便，可以解決試驗件特殊的雙層環型通道熱膨脹問題。可供管道熱膨脹設計領域的工程技術人員借鑒，以設計出可靠性更高的產品。