秦崢嶸，曹慶宇，徐升，劉元周

（沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

0 引言

管道輸送介質(zhì)或管道所處環(huán)境經(jīng)常會(huì)遇到溫度變化，此時(shí)管道出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象。這樣的尺寸變化必須采取一定的方式進(jìn)行補(bǔ)償，否則將會(huì)在管道內(nèi)壁產(chǎn)生很高的應(yīng)力，因此在管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要對(duì)所設(shè)計(jì)的管道采取相應(yīng)的熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)[1-2]。

在管道補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，自然補(bǔ)償是一種最經(jīng)濟(jì)的補(bǔ)償方式，這種補(bǔ)償?shù)闹饕硎轻槍?duì)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(bǔ)償，當(dāng)這種補(bǔ)償不能滿足要求時(shí)，通常應(yīng)考慮設(shè)置膨脹節(jié)，本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)某試驗(yàn)器排氣系統(tǒng)為例詳細(xì)介紹管道的熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)，并利用仿真軟件CAESARⅡ驗(yàn)證該補(bǔ)償設(shè)計(jì)的正確性。

1 排氣系統(tǒng)

1.1 排氣系統(tǒng)組成

排氣系統(tǒng)布置如圖1所示，該系統(tǒng)主要由排氣管道、閥門、膨脹節(jié)、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(tǒng)管道主要由排氣蝸殼出口管道、直排大氣管道、換熱器進(jìn)口管道及預(yù)留管道組成，排氣系統(tǒng)管道規(guī)格如表1所示。管道材料采用06Cr19Ni10（304不銹鋼），設(shè)計(jì)溫度250 ℃，設(shè)計(jì)壓力（0.02～0.11）MPa（A），管道介質(zhì)為空氣。

表1 排氣系統(tǒng)管道規(guī)格

1.2 排氣系統(tǒng)支架布置

排氣系統(tǒng)中共有固定支架3個(gè)，滑動(dòng)導(dǎo)向支架/托架4個(gè)，滾動(dòng)導(dǎo)向支架1個(gè)，其中認(rèn)為滾動(dòng)導(dǎo)向支架為滑動(dòng)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(tǒng)支架名稱及類型

2 管道熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)

2.1 熱補(bǔ)償原則

在管道設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先選用自然補(bǔ)償器（L形和Z形補(bǔ)償器等）；如無法實(shí)現(xiàn)，則選用金屬膨脹節(jié)，在金屬膨脹節(jié)中優(yōu)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(jì)算

式中：ΔL為管道熱脹量，mm；α為管道材料線膨脹系數(shù)，mm /（m·℃）；L0為安裝時(shí)管道長(zhǎng)度，m；t為運(yùn)行時(shí)管道溫度（取管內(nèi)介質(zhì)溫度），℃；t0為安裝時(shí)管道溫度（取管道周圍空氣溫度），℃。

2.3 管道膨脹節(jié)需求分析

由圖1可知，由于排氣系統(tǒng)中現(xiàn)有排氣管道布局不具備通過管道自身彎曲進(jìn)行熱補(bǔ)償，根據(jù)2.1節(jié)中管道熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)原則采用金屬膨脹節(jié)方式開展熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

金屬膨脹節(jié)膨脹計(jì)算參照2.2節(jié)中式（1），式中運(yùn)行時(shí)管道溫度t取250 ℃，管道線性膨脹系數(shù)α取17.42，安裝時(shí)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(bǔ)償量為0 mm，軸向補(bǔ)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(nèi)壓推力的單式（復(fù)式）軸向型膨脹節(jié)，而選擇了直管壓力平衡型膨脹節(jié)，同時(shí)對(duì)膨脹節(jié)產(chǎn)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(gè)管段為L(zhǎng)形，橫向補(bǔ)償量為50 mm，軸向補(bǔ)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(fù)式自由式膨脹節(jié)，同時(shí)對(duì)膨脹節(jié)產(chǎn)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(gè)管段為L(zhǎng)形，橫向補(bǔ)償量為18 mm，軸向補(bǔ)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(fù)式自由式膨脹節(jié)，同時(shí)對(duì)膨脹節(jié)產(chǎn)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(gè)管段為典型空間“Z”型，橫向補(bǔ)償量為34 mm，軸向補(bǔ)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(fù)式自由式膨脹節(jié)，同時(shí)對(duì)膨脹節(jié)產(chǎn)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(gè)管段為L(zhǎng)形，橫向補(bǔ)償量為135 mm，軸向補(bǔ)償量為15 mm，管徑為DN1000，為了補(bǔ)償彎頭產(chǎn)生的軸向熱脹位移，故選擇單面彎頭復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)，該膨脹節(jié)除了補(bǔ)償橫向位移外，也補(bǔ)償膨脹節(jié)長(zhǎng)度內(nèi)的軸向位移。

圖6 PZJ-O-05安裝位置示意圖

根據(jù)以上需求分析，共需求3種5個(gè)波紋管膨脹節(jié)，其具體型式、規(guī)格、參數(shù)如表2所示。

表2 排氣系統(tǒng)膨脹節(jié)技術(shù)規(guī)格參數(shù)

2.4 CAESARⅡ仿真分析

2.4.1 計(jì)算模型

通過查看管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以看出管道應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力2種。其中一次應(yīng)力是指管道受到持續(xù)載荷作用，應(yīng)力與載荷達(dá)到了平衡狀態(tài)。一次應(yīng)力主要包括自重、壓力、彈簧作用力等產(chǎn)生的應(yīng)力。另外一種二次應(yīng)力是指管道發(fā)生變形或是將要發(fā)生變形，受到外部條件限制，不能繼續(xù)變形或是不能發(fā)生變形所產(chǎn)生的力。二次應(yīng)力與一次應(yīng)力有較大不同，其中二次應(yīng)力最大特點(diǎn)是和變形有直接關(guān)系，針對(duì)所處的外部條件約束限制通過發(fā)生變形來適應(yīng)環(huán)境特點(diǎn)。通常，二次應(yīng)力包括道的熱脹冷縮位移、附加位移等產(chǎn)生的應(yīng)力[3-4]。

選用CAESARⅡ軟件對(duì)排氣系統(tǒng)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(yīng)力、管件特征參數(shù)（包含閥門、三通、彎頭、膨脹節(jié)）、管道限位點(diǎn)和支座等如實(shí)輸入設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度[5]。其中排氣蝸殼、1#、2#換熱器設(shè)備由于固定，因此在建模過程中將以上設(shè)備處理為管道限位點(diǎn)，排氣系統(tǒng)管道計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 排氣系統(tǒng)CAESARⅡ計(jì)算模型

2.4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

CAESARⅡ軟件中計(jì)算工況有3個(gè)：SUS（安裝工況）、EXP（純熱脹工況）、OPE（運(yùn)行工況）。一次應(yīng)力為SUS工況下的應(yīng)力，二次應(yīng)力為EXP下的應(yīng)力，膨脹節(jié)計(jì)算位移為OPE下的位移。

2.4.2.1 應(yīng)力仿真分析

1）一次應(yīng)力工況。排氣系統(tǒng)一次應(yīng)力最大發(fā)生在節(jié)點(diǎn)2800處（排氣蝸殼出口管道滾動(dòng)導(dǎo)向支架），綜合應(yīng)力為28 644.2 kPa，許用應(yīng)力為122 023.4 kPa，應(yīng)力比率為23.5%，應(yīng)力通過校核。

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

2.4.2.2 位移仿真分析

排氣管道的應(yīng)力計(jì)算評(píng)定合格，表明排氣管道在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的軸向位移變形、角向位移和橫向位移均被膨脹節(jié)變形吸收。但由于膨脹節(jié)變形是有上限的，為避免由于管道變形導(dǎo)致膨脹節(jié)發(fā)生失穩(wěn)或變形，同時(shí)也是為了保障膨脹節(jié)自身安全和使用壽命，還應(yīng)對(duì)排氣管道進(jìn)行位移仿真。

由仿真結(jié)果可知，排氣系統(tǒng)膨脹節(jié)計(jì)算最大位移與膨脹節(jié)選型時(shí)的允許位移數(shù)值如表3所示，由表3中觀察可知，排氣系統(tǒng)管道所有膨脹節(jié)計(jì)算位移均小于選型膨脹節(jié)允許變形位移，因此，排氣系統(tǒng)膨脹節(jié)選型滿足管道安全運(yùn)行要求。

表3 排氣系統(tǒng)膨脹節(jié)變形位移數(shù)值

3 結(jié)語

本文通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)某試驗(yàn)器排氣系統(tǒng)管道的熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)，介紹了管道設(shè)計(jì)過程中需遵循的設(shè)計(jì)原則，在自然補(bǔ)償不能滿足的情形下開展膨脹節(jié)需求分析，選用能夠滿足實(shí)際工況的膨脹節(jié)形式，確定膨脹節(jié)技術(shù)參數(shù)，并利用CAESARⅡ從應(yīng)力及位移兩方面對(duì)該排氣系統(tǒng)管道進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明排氣系統(tǒng)熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)滿足使用要求，為同類管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。