聚四氟乙烯软管在航空发动机上的应用研究

冯凯　李洪军　史志勇

1、引言

聚四氟乙烯软管是一种柔性管，常用于与运动部件的连接，利用自身柔性可以补偿部件间的相对位移。其本身具有高结构阻尼特性，可以减少相连部件的振动水平，具有隔振、消振和降噪的作用。我国在1966年开始研制聚四氟乙烯软管，已取得显著成果并成功应用在多型飞机上。但由于航空发动机外部管路工作条件更加苛刻，对管路安全性要求更高，我国的软管研制技术尚不成熟，国内正在使用及研制的航空发动机外部管路还未使用聚四氟乙烯软管，均为金属硬管。

2、软管在国外航空发动机上的应用

在发动机上用于燃油、滑油和空气等介质输送的管路，是发动机的重要组成部分，其可靠性直接影响发动机的安全性。在航空史上，由于管路问题而引起的飞机故障也不乏其例。现代航空发动机尤其是大涵道比涡扇发动机的可靠性和寿命不断提高，这就对外部管路的可靠性和寿命提出了更高的要求，因此如何提高管路的可靠性，保证其在发动机上的安全工作，对发动机的稳定运行具有非常重要的意义。

为减少管路故障，在国外现役型号航空发动机上大量使用了软管。目前应用的软管主要有金属软管和非金属软管两种。其中，俄罗斯、乌克兰两国的发动机上采用的是金属软管。

英、法、美等西方国家的发动机主要采用非金属软管。在航空发动机上应用的非金属软管主要是聚四氟乙烯软管，其使用温度最高可达204℃。金属软管相对于非金属软管具有更高的使用温度范围，但其柔性和补偿作用不如非金属软管，一般用于管路的热变形补偿。

3、聚四氟乙烯软管在航空发动机上的应用前景

聚四氟乙烯软管组件是由聚四氟乙烯波纹内管、不锈钢丝增强层、扣压接头和管接头组成。针对航空发动机高温、高压、强振动、压力突变等恶劣的工作环境，需严格控制扣压接头扣压量的大小。扣压量太大，对聚四氟乙烯内管和不锈钢丝加强层造成损坏，容易在管体上产生纵向破裂;扣压量太小，容易在压力突变、振动等情况下发生泄漏、接头脱落等故障。为了保证发动机在意外着火时，管路能在一定时间内保持燃、滑油不泄露，并维持其功能，这就要求发动机上的外部管路必须是防火的，这对在发动机上应用的软管提出了更严格的要求。为了实现聚四氟乙烯软管的防火功能，在软管不锈钢丝增强层外需硫化防火橡胶层，通过硫化防火橡胶层，使软管能够经受住1090℃的火焰冲击15分钟，而不影响其使用功能，不发生可燃流体泄漏等故障，这为聚四氟乙烯软管在航空发动机上的应用提供了保障。

聚四氟乙烯軟管由于自身的结构特点使其在航空发动机上的应用具有诸多优势，但其本身也有很多局限性限制了软管在发动机上的大批量使用。第一，聚四氟乙烯软管的重量大，其重量基本是相同长度金属硬管的两倍，增加了发动机的重量负荷;第二，聚四氟乙烯软管的体积大，因考虑强度、耐磨、防火等因素软管直径比金属硬管大1.5倍左右，这就使软管的布置需要更大的外部空间;第三，聚四氟乙烯软管的许用折弯半径大，其折弯半径接近相同内径硬管的四倍，给软管的布置带来很多不便;第四，聚四氟乙烯软管的耐温极限低，其最高使用温度仅为204℃，远远低于金属硬管的最高温度极限，这些不利因素限制了聚四氟乙烯软管在航空发动机上的广泛应用。设计软管时需要考虑软管的伸缩性。对于软管，当压力变化时能延长2%，也能缩短4%。软管过长会增加压降并影响性能，软管太短加压时可能在扣压接头脱开。在确定软管长度时，尤其是软管用于具有相对运动部件之间，需要考虑用于运动补偿时管路长度的变化。软管设计时，应避免软管的弯曲曲率小于软管要求的最小曲率半径，以免影响软管的使用寿命。在同一平面内弯曲的软管，当连接的两个部件间有相对运动时，要避免扭转软管，否则会减少软管的承压能力。

在CFM56-5和CFM56-7系列发动机上各采用了30多根非金属软管，占全部管路的1/5左右。虽然聚四氟乙烯软管具有诸多“短板”，但若能扬长避短，发挥其结构优势，将其应用在装配应力大、附件相对位移大、热变形大、振动应力大的管路上，必将取得非常优异的效果。因此，聚四氟乙烯软管在航空发动机上具有广阔的应用前景。

3.1 降低管路的装配应力

采用金属硬管，在装配过程中，由于管路加工的尺寸偏差及附件位置累积误差，不可避免的要在管接头间、管路与附件、管路与卡箍之间产生安装位置和尺寸的偏差，导致管路在连接、固定过程中产生装配应力。管路中装配应力的存在，将降低管路承受振动疲劳的能力，管路强度储备系数随之降低，管路中存在很小的振动应力就可能引起管路断裂，影响管路的可靠性和使用寿命。在航空发动机上采用聚四氟乙烯软管，利用其自身的柔性可以补偿加工、装配误差，降低管路中的装配应力。

3.2 补偿附件间的相对位移

在具有相对运动的附件间的金属硬管，发动机工作过程中，随着两附件相对位置关系的变化会在管路中产生交变的附加应力，交变应力的存在将降低管路的疲劳极限。在具有相对位移的附件间采用聚四氟乙烯软管连接，根据附件的相对位置关系设计具有合适长度的软管，可以补偿附件间的相对位移，消除管路中的交变应力。

3.3 补偿管路的热变形

在发动机工作过程中，管路中的燃油、滑油、空气温度会随着发动机工作状态的变化而不断改变。由于管路内流体温度变化速度高于发动机机匣温度变化速度，管路的变形量大于机匣的变形量，因此会随着发动机状态的改变，在管路中产生变化的拉应力或压应力，降低管路的疲劳极限。采用聚四氟乙烯软管利用其自身的柔性可以补偿管路的热变形。

3.4 减少管路的振动应力

增加管路系统中的结构阻尼可以有效减小管路中的振动应力，是保证管路安全工作的有效途径。聚四氟乙烯软管自身具有较高的结构阻尼特性，因此采用软管还可以增加管路系统中的结构阻尼，吸收管路系统的振动，抑制过大管路振动应力的发生。另外，可以将管路系统中的刚性连接变为柔性连接，防止过大的机匣、附件及管路的振动传递到相连管路上，降低相连管路的振动水平，可以有效防止管路中过大振动应力的产生。因此，采用聚四氟乙烯软管可以有效降低管路中的应力水平，提高管路系统的强度和使用寿命，是解决管路故障的有效途径。

4、结论

在发动机外部管路中采用聚四氟乙烯软管不但可以补偿运动部件间的相对位移，还可以将管路与管路、管路与附件间的刚性连接变为柔性连接，防止过大的振动传递到其它管路及附件上;另外，采用聚四氟乙烯软管可以降低管路、支架的加工精度要求，减少因加工误差而引起的装配应力;同时由于其自身具有良好的阻尼特性，可以起到降低管路振动应力的作用，采用软管对提高管路寿命，保证管路安全、可靠的工作具有积极的作用。由于软管在航空发动机上的工作环境极其恶劣，其工作的可靠性还需进一步验证，软管自身的体积和重量比相同规格的金属硬管大，使其在航空发动机上的应用受到了一定的限制，但在民用大涵道比涡扇发动机上却有着广阔的应用空间。

参考文献

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