賈 鐸，高 雷，高東武

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

0 引言

渦扇發(fā)動機上的外涵機匣主要用于連接中介機匣和渦輪后機匣并傳遞載荷，形成外涵氣流通道，固定內(nèi)涵穿出的傳感器和管路等，以及固定外部附件、支架和管路等結(jié)構(gòu)件。隨著對發(fā)動機的引氣、供油、點火、測試等功能要求的提高，穿過外涵機匣的傳感器和管路的數(shù)量也在增加，實現(xiàn)外涵機匣維護性的難度相應(yīng)增大[1-4]。

本文通過分析現(xiàn)役發(fā)動機上穿過外涵機匣的管路結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求，設(shè)計了2種穿過外涵機匣的管路新型結(jié)構(gòu)，以提高外涵機匣的維護性[5]。

1 外涵機匣結(jié)構(gòu)

目前，航空發(fā)動機常采用對開式外涵機匣結(jié)構(gòu)，將外部附件、管路等結(jié)構(gòu)件集中布置在外涵機匣的上半?yún)^(qū)域或下半?yún)^(qū)域（如圖1所示），以提高發(fā)動機的維修、維護能力。如發(fā)動機在航修廠使用過程中，需要對有損傷的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行快速更換，只需拆下機匣上少量管路、支架以及下半（或上半）機匣、壓氣機靜子機匣即可。外涵機匣分解維護如圖2所示。

在外涵機匣分解維護過程中，穿過外涵機匣的管路結(jié)構(gòu)，直接影響著外涵機匣的拆裝難度和工作量。

圖1 外部結(jié)構(gòu)布置

圖2 外涵機匣分解維護

2 管路結(jié)構(gòu)特點

2.1 補償結(jié)構(gòu)

在發(fā)動機最大熱負(fù)荷狀態(tài)下，核心機機匣的熱膨脹位移相對較大，而外涵機匣的溫度比內(nèi)涵機匣的低，因而熱膨脹位移相對小，導(dǎo)致內(nèi)、外涵機匣的軸向和徑向熱膨脹量不一致。穿過外涵機匣的管路若沒有熱協(xié)調(diào)能力，將在工作時承受額外的應(yīng)力，可能導(dǎo)致管路或其配件提前失效[6-7]。

解決管路熱協(xié)調(diào)問題的常用設(shè)計方法[8-9]有：

（1）優(yōu)化管形，適當(dāng)增加管路的長度，以減小管路剛性；

（2）采用浮動補償結(jié)構(gòu)，如圖3所示。直徑φ=8~20mm的通油管路，多采用球座結(jié)構(gòu)；直徑φ=20~36mm的通氣管路，多采用分半式浮動環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖3 浮動補償結(jié)構(gòu)

2.2 密封結(jié)構(gòu)

為滿足外涵機匣開孔處的密封要求，多采用球座組件與固定襯套配合結(jié)構(gòu)、分半式浮動環(huán)與固定襯套配合結(jié)構(gòu)（圖3）。

2.3 連接結(jié)構(gòu)

穿過外涵機匣的管路，由于與內(nèi)涵機匣相連并從外涵機匣穿出，長度較短，多采用1根管路的整體式結(jié)構(gòu)，管路接頭露在機匣外，如圖4所示。為保證機匣外連接管路的外廓要求，將部分管路接頭設(shè)計成彎管結(jié)構(gòu)。

圖4 一體式管路結(jié)構(gòu)

3 設(shè)計要求

根據(jù)穿出外涵機匣的管路結(jié)構(gòu)特點，提出如下設(shè)計要求：

（1）管路結(jié)構(gòu)可靠、拆裝方便，減小對外涵機匣的拆裝影響；

（2）管路具有補償能力；

（3）在外涵機匣開孔位置處實現(xiàn)密封；

（4）消除小零件通過外涵機匣孔座掉入發(fā)動機涵道內(nèi)的隱患。

4 管路設(shè)計思路

以發(fā)動機防冰引氣管（如圖5所示）為例，其現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)在航修廠使用過程中存在拆裝不便問題。主要原因是該管路從主燃燒室到外涵機匣外采用1根管路的整體式結(jié)構(gòu)，加之在機匣外接頭采用彎管結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致外涵機匣拆裝困難。

針對原防冰引氣管結(jié)構(gòu)特點、相連管路的外廓以及外涵拆裝要求，需設(shè)計1種穿過外涵機匣的新型管路結(jié)構(gòu)，以提高該管路的可裝配性，降低機匣拆裝的工作量。主要設(shè)計思路為：

（1）連接結(jié)構(gòu)：將1根管路的整體式結(jié)構(gòu)改為2根管路的分段式結(jié)構(gòu)，斷開位置在外涵機匣開孔處。外涵機匣內(nèi)、外管路之間的連接采用74°內(nèi)/外錐面結(jié)構(gòu)，露出機匣外接頭結(jié)構(gòu)保持不變。

（2）密封結(jié)構(gòu)：采用浮動套筒與密封環(huán)配合的密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)外涵機匣開孔處的密封。

（3）補償結(jié)構(gòu)：將球座補償結(jié)構(gòu)改為浮動套筒結(jié)構(gòu)。浮動套筒與密封環(huán)間隙配合，外涵機匣內(nèi)管路可沿機匣徑向自由移動；浮動套筒與機匣安裝座、壓板間隙配合，沿機匣安裝座周向可自由移動，使穿過機匣的管路具有熱膨脹補償能力，以降低管路的工作應(yīng)力。

圖5 防冰引氣管

（4）分解維護：在外涵機匣外管路上采用加長外加螺母結(jié)構(gòu)，便于施加擰緊力矩；在浮動套筒上采用內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)，在外涵機匣內(nèi)管路上采用外花鍵結(jié)構(gòu)，以在機匣外管路裝配時起到反力矩扳手作用。

5 管路設(shè)計方案及其實施

5.1 防冰引氣管改進(jìn)結(jié)構(gòu)（方案1）

防冰引氣管改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案1如圖6、7所示。在外涵機匣內(nèi)管路上異型外錐接頭設(shè)計有外花鍵和密封槽結(jié)構(gòu)。與之配合的浮動套筒與外涵安裝座、壓板的最小距離大于管路的熱膨脹軸向位移。其中壓板根據(jù)發(fā)動機空間情況可采用整體或分半式搭接結(jié)構(gòu)。

在分解維護時，將4個螺栓和壓板從外涵安裝座上拆下；安裝工藝螺栓，將浮動套筒固定在外涵安裝座上，通過浮動套筒和異型外錐接頭上的花鍵結(jié)構(gòu)拆下外涵機匣外管路；進(jìn)而拆下螺栓和浮動套筒。

5.2 防冰引氣管改進(jìn)結(jié)構(gòu)（方案2）

防冰引氣管改進(jìn)結(jié)構(gòu)（方案2）如圖8、9所示。與方案1的結(jié)構(gòu)差異在于密封環(huán)的安裝從外涵內(nèi)管路改在外涵外管路上；將浮動套筒、外錐接頭的長度縮短，在外加螺母上增加密封槽結(jié)構(gòu)。

分解維護過程同方案1。

圖6 防冰引氣管改進(jìn)結(jié)構(gòu)（方案1）

圖7 防冰引氣管改進(jìn)結(jié)構(gòu)放大（方案1）

圖8 防冰引氣管改進(jìn)結(jié)構(gòu)（方案2）

圖9 CDP引氣管改進(jìn)結(jié)構(gòu)放大（方案2）

6 結(jié)束語

方案1和方案2均考慮了管路連接密封性和拆裝維護性；相比而言，在方案2中，外涵機匣內(nèi)管路上使用的異型外錐接頭結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕，在外加螺母上安裝密封環(huán)，操作更便捷。

在發(fā)動機防冰引氣管結(jié)構(gòu)改進(jìn)時，繼承了原外涵機匣內(nèi)、外管路的接頭結(jié)構(gòu)，僅重新設(shè)計了穿過外涵機匣的管路連接、密封、補償結(jié)構(gòu)。

新型管路結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝便捷、安全可靠、互換性好等優(yōu)點，可滿足管路補償和外涵機匣的密封要求，為發(fā)動機型號研制提供設(shè)計思路。

[1]李俊昇，文放，劉濤.管路連接中的約束設(shè)計（上）[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010（4）：21.LI Junsheng，WEN Fang，LIU Tao.Constraint design in tube coupling（PartⅠ）[J].Aeronautic Standardization and Quality，2010（4）：21.（in Chinese）

[2]李俊昇，文放，劉濤.管路連接中的約束設(shè)計（下）[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010（5）：37.LI Junsheng，WEN Fang，LIU Tao.Constraint design in tube coupling（PartⅡ）[J].Aeronautic Standardization and Quality，2010（5）：37.（in Chinese）

[3]白曉蘭，張禹.航空發(fā)動機管路智能布局[J].機械設(shè)計與制造，2013（9）：12.BAI Xiaolan，ZHANG Yu.Pipe routing algorithm for aeroengines[J].Machinery Design and Manufacture，2013（9）：12.（in Chinese）

[4]柳強，王成恩，白曉蘭.基于工程規(guī)則的航空發(fā)動機管路敷設(shè)算法[J].機械工程學(xué)報，2011，47（5）：35.LIU Qiang，WANG Chengen，BAI Xiaolan.Engineering rules-based pipe routing algorithm for aero-engines[J].Journal of Mechanical Engineering，2011，47（5）：35.（in Chinese）

[5]呂春光，邱明星，田靜，等.航空發(fā)動機外涵機匣結(jié)構(gòu)建模方法研究[J].航空發(fā)動機，2012，38（1）：18.LYU Chunguang，QIU Mingxing，TIAN Jing，et al.Study of modeling method for aeroengine bypass duct[J].Aeroengine，2012，38（1）：18.（in Chinese）

[6]李俊昇，文放.航空發(fā)動機管路件標(biāo)準(zhǔn)化的整體構(gòu)思[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010（1）：6.LI Junsheng，WEN Fang.Overall conception of aeroengine piping and fitting standards[J].Aeronautic Standardization and Quality，2010（1）：6.（in Chinese）

[7]李迎春，胡詩凡，沈博智.發(fā)動機管路防漏措施[J].工程機械與維修，2012（7）：4.LI Yingchun，HU Shifan，SHEN Bozhi.The measures of engine pipeline leakage[J].Construction Machinery and Maintenance，2012（7）：4.（in Chinese）

[8]趙傳亮，尚守堂，馬宏宇，等.燃?xì)廨啓C燃燒室中的管路設(shè)計[J].航空發(fā)動機，2014，40（5）：39-44．ZHAO Chuanliang，SHANG Shoutang，MA Hongyu，et al.Design of pipelines for gas turbine combustor[J].Aeroengine，2014，40（5）：39-44.（in Chinese）

[9]劉長福.航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)分析[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：55-61.LIU Changfu.Analysis of aeroengine structure[M].Xi’an：Northwestern Polytechnical University Press，2006：55-61.（in Chinese）