航空发动机管路设计研究

张香华 王立志 党伟

摘 要：航空发动机中的导管主要是用来为发动机和飞机输送燃油、滑油、液压油、空气和氧气等的工作介质，是发动机和飞机的一个重要的组成部分，任何一根导管出现断裂故障都会造成严重的事故，重者甚至会导致机毁人亡。由于导管安装位置苛刻、温度、压力不断变化，其受力较复杂。航空发动机导管工作的可靠性对发动机性能、寿命至关重要。发动机管路系统研究，除要考虑材质可靠、耐用性之外，还需要考虑诸多因素。本文从航空发动机管路设计原则出发，研究了发动机管路系统设计时，需要重点考虑的因素，涉及管路布局、间隙、补偿结构和应力等，本文为从事航空发动机系统研究与设计的工程技术人员提供参考。

关键词：发动机；管路设计；研究

中图分类号：V233 文献标志码：A

1 航空发动机导管设计原则

发动机管路设计中遵循先进性和继承性原则，选择并继承成熟的传统技术，还要广泛收集资料和信息，充分利用先进的设计技术和软件进行设计，设计中按照方案优选、参数优化原则进行改进，管路系统元件应采用標准件、通用件或按照标准设计。在强度、功能和重量都满足要求的前提下，优先选择成本低的材料和工艺。

管路系统应结构简单、尺寸小、重量轻，管路敷设不允许超出发动机轮廓控制线，管路系统应具备可伸缩性和能够自行进行热补偿的功能，并具备足够的强度储备和良好的振动特性。管路中介质流速一般要求滑油管路的滑油最大流速应小于5.0m/s，滑油回油管路的滑油最大流速应小于3.5m/s，燃油管路的介质最大流速应小于9.5m/s。

2 管路设计要求

航空发动机滑油管路、滑油、空气管路的最高温度应当限制在防止碳化物的形成和滑油降解的温度，通过使用可允许的最小的管径来减少介质的滞留时间。在密封形式为金属对金属的地方，不允许使用密封剂。管路系统设计要有高可靠性、良好维修性、足够的安全性。容易错装的管接头，应采用防错设计。所有的管路连接处都必须设计稳妥的锁紧措施。

3 管路设计主要内容

航空发动机外部管路系统方案设计，可以从燃油、滑油、空气、液压几个系统来设计，每个系统可以有几种方案，经论证、评议从中选出各系统最佳方案。

3.1 总体布局

依据发动机外形和附件接口位置进行各系统管路敷设分布协调，初步建立管路系统图，确定基本管路路线、管形、连接点、固定和密封形式、卡箍和标识等重要特征参数、以供在随后的设计过程中使用。

3.2 管路间隙要求

发动机管路之间和与机体构件之间最小间隙一般不小于5mm；管路在刚性固定点处最小间隙不小于3mm；管路与活动件的最小间隙一般应不小于10mm。

3.3 补偿结构

导管上必须有补偿结构，用以补偿导管与发动机之间热胀冷缩的变化量差异和安装、制造的误差，防止应力过大，管路能做补偿弯曲的最小长度。对于外径较大的粗管，需要采用具有可以伸缩补偿功能的导管连接件，还可以在导管中装膨胀节。

3.4 导管的流阻计算

流阻计算的主要目的是确保流量满足附件、部件的要求，并保证各管路有足够的末端压力。管路系统按照圆形管道进行流阻计算，管道内的流体视为光滑管区紊流流动。

3.5 管路系统中零组件的结构设计

管路中零组件的材料和尺寸应根据上述各种计算并参考其他机种各类导管的设计和使用的成熟经验来确定；

对管路连接件中使用的密封圈必须按照密封圈的设计标准进行设计，密封圈材料的选择以各管路连接处的工作温度和流体的性质为依据。

3.6 管路系统的安全性设计

导管既安装在发动机内部又安装在发动机外部时，要有刚性固定和抗扭措施，以防管路扭曲。可拆换的内部管路在通过油槽壁面处、穿过支板端部或发动机外机匣时，必须在该处设置可更换的耐磨衬垫；导管在穿过外机区时应设计有适当高度的凸缘或球形件，以便导管支撑和封严，对球形件还可起协调变形的作用。导管支架及连接导管的附件支架应有足够的刚性，固定导管的支架、卡箍、金属夹子等，必须有软质材料的衬垫，用以减轻导管的振动负荷并防止导管磨损。衬垫的材料应能承受工作温度。

燃油、滑油、液压油导管应布置在电缆导线下方，防止装卸导管时油液滴落到电缆导线上，导管连接中的法兰盘，必须具有足够的刚度，在螺栓拧紧时不能产生弯曲变形，螺栓的数量和分布要合理。导管接头不应直接拧入铝镁合金和钛合金机匣，应在接头拧入处设置钢丝套或铜套。导管内腔要保证清洁，存放时要用堵盖堵好开口，防止掉进异物，安装时要用煤油冲洗，氧气导管要用氮气吹除检查，导管接头应尽量选用标准件或成熟的结构形式。

3.7 管路系统的维修性设计

管路系统的敷设应留有足够空间，便于发动机单元体、外部零组件以及附件的更换，导管更换时应使导管系统装拆工作量最少。导管接头应位于发动机单元体或发动机部件、组件的分界面附近。对平行一束的管路接头应彼此错开；对彼此靠近、管径相同的导管接头，应采用不可互换的结构形式或其他防错措施。

导管组合件的标印在发动机上的位置应清晰可见，无遮挡，导管上的检测点、调整点、维修点，在飞机上的维修窗口处操作应可达、可视、防盲装，如必需盲装，机件上要有引导结构。

3.8 管路系统的防火要求

外露的燃、滑油导管的长度应尽可能短，尽可能避免将其布置在因受攻击而引起着火的部位，燃、滑油导管应妥善布置，避免损坏时溢出的燃、滑油吸入发动机或流到发动机热端部件上。在起动不成功或者发动机停车后，燃烧室供油管路中的燃油应能及时排出机外，防止继续流入燃烧室。发动机各附近的漏油点与发动机主流道的漏油点要设置漏油收集器，并能将漏油排出机外。

在高温区内导管应选用不锈钢导管，并应避免安排导管接头。必需安排接头时，应选择在高温条件下封严性能好的结构，或采取必要的保护措施，燃、滑油和液压油管路应远离尾喷口，当必须布置在尾喷口附近时，应采取防护措施。

结语

本文系统地介绍了航空发动机管路设计原则、管路设计一般要求和管路设计的主要内容，对管路设计时需要考虑的多种因素研究，为提高管路系统的设计质量打下了很好的基础。所提出的管路设计内容可以应用于其他领域，如舰船管路设计、机电产品管线设计以及机器人路径规划等。

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