航空高温管路支撑系统设计方法

黄晨辉　薛海明

摘 要：该文通过笔者在日常的工作中所遇到的具体实例，介绍了航空器高温管路中波纹管数量设计方法；同时也通过实例，分析了航空器高温管路中热应力产生的原因，管路热应力对航空器结构带来的破坏作用，以及高温管路中支撑固定系统的布置原则以及支撑形式选择进行了分析，提出了一种通过改变管路支撑系统的结构形式来有效预防管路热应力的设计方法。

关键词：航空 高温 管路 支撑 热膨胀 载荷 波纹管

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0019-02

高温管路在飞机上的应用非常广泛，许多系统的工作都需要使用来自发动机的高温高压气体，例如：发动机进气道前缘加温防冰、机翼前缘加温防冰以及飞机空调系统等。但是高温高压气体在流过管路时，会对导管壁产生很大的流体纵向力和热膨胀力，使的管路需要承受较大压缩载荷和拉伸载荷，管路在这些载荷的作用下，会发生轴向以及侧向变形，导管管路的变形将直接将载荷传递给固定导管的支架，这些高温导管管路支架在长期的交变载荷作用下会产生疲劳断裂，引起高温管路的破裂，导致严重的安全事故，另外，管路轴向变形也会带来高温管路的破裂，因此，消除高温管路热变形是飞机管路设计中的关键。

为了消除管路中高温流体带来的管路热变形，一般在高温管路敷设设计过程中，采用固定支撑系统和导向支撑系统相结合的设计思路，固定支撑系统用于导管的稳定或限制导管的振动，导向支撑系统用于导管的稳定或限制导管沿预定的方向移动。同时，为了吸收管路系统热膨胀带来的尺寸变化，还可在直段的管路系统中设置波纹管。

1 直线段高温管路支撑系统中波纹管数量的确定

波纹管是一种挠性、薄壁、有横向波纹的具有伸缩功能的器件，它由金属波纹管于构建组成，它能沿轴向方向进行伸缩，也允许少量弯曲。在高温管路系统中，由于流体纵向力及热膨胀力的作用管路热拉伸变形，必须设置波纹管来吸收热拉伸量。波纹管数量选择不合理，也会带来安全隐患，波纹管数量不足，管路变形量不能被完全吸收，有可能将管路接头拉开或将波纹管拉裂，导致热空气泄漏，危及到附近电缆及其他设备的工作安全；波纹管数量过多，会增加系统重量及制造成本。故波纹管的数量对高温管路系统设计至关重要。下面通过实例来介绍下直线段管路中波纹管数量的确定方法。

航空高温管路导管材料一般选择薄壁不锈钢材料（1Cr18Ni9Ti），管路内流体工作温度为20～270 ℃，管路总长为8826 mm，导管中空气最高温度为270 ℃，最低温度为20 ℃，温度变化量可按公式（1）确定，导管总伸缩量可按公式（2）确定。

由以上计算结果可选n=3个波纹管可满足长度为8826 mm不锈钢导管在20～270 ℃时的热膨胀的补偿要求。故在总长为8826 mm的直管段范围内应距离均匀的布置三个波纹管，以保证管路系统各段伸缩量均匀，受力均匀。

2 高温管路支撑系统中支撑件布置设计

高温管路支撑系统按照受力特征一般分为包括两种类型：压缩型导管支撑系统和拉伸型导管支撑系统，压缩型导管支撑系统一般指直线段的管路支撑系统，拉伸型导管支撑系统一般指带有弯接头的导管支撑系统。

压缩型导管支撑形式使导管系统除了承受由导管内部压力产生的流体纵向力和热膨胀力外，由于受到飞机侧向载荷和导管自身重力作用，还要考虑承受相对大的侧向载荷，同时，波纹管也自身存在固有的不稳定性，就要求导管系统、支撑系统以及飞机结构更加坚固，同时导管的纵向强度，必须在允许的不同轴度下，足以承受所作用的压缩载荷，导向支架用于导管中部支撑。它仅承受导管的侧向载荷，不承受导管的纵向载荷。

拉伸型导管支撑形式使导管内部产生的流体纵向力或轴向力不是传递到飞机结构上，而只是对导管壁起到轴向拉升作用。在弯管的两端各设置一个波纹管来适应导管的轴向、扭转和弯曲偏转，固定支架来适应导管的拉伸载荷，承受作用在导管重量上的飞机惯性载荷系数，并足以适应飞机结构偏转以及导管热膨胀等影响后，导管轴向、扭转和弯曲偏转。

由于波纹管自身具有一定的挠性，如果波纹管两端有任何一端管路的偏斜就会产生不稳定的压缩力，因此，在高温管路支撑系统设计中每两个波纹管之间必须设置一对非常牢靠的安装支架，其中一个固定支架将导管和飞机结构刚性连接，而另一个导向支架则需采用能使管路沿轴向自由移动。

3 导向支架的设计

为了满足高温管路系统在高温情况下，将热膨胀产生的位移准确的传递给管路中的波纹管，降低管路热膨胀力对固定支架和飞机机体结构的损伤，导向支架必须设计成在不受到导管轴向力的情况下，能够使高温导管沿轴向发生小范围的位移，而位移范围要根据两个固定之间导管的热胀冷缩的位移量确定，导向之间形式可参考图3进行设计。

4 结论

通过上述的计算、分析，高温管路支撑系统设计关系到飞机的飞行安全，合理选择高温管路的支撑形式以及补偿设备是飞机高温管路支撑设计的关键，上述介绍的高温管路支撑系统的设计方法已经成功应用到多型飞机的设计中，也得到飞机的长期使用验证，满足飞机的功能使用要求。

参考文献

[1] 《飞机设计手册》总编委会编.飞机设计手册（等15册）[M].航空工业出版社，1999.endprint