双层高温气体通道热膨胀分析及解决方案研究

武俊虎，秦峥嵘，宋志佳，袁肖民，刘哲，黄琨

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

0 引言

在轮盘类动力源试验设备试验时，所需输气体介质为高温压缩空气。按照工况结构需求，有时会遇到试验设备需要内、外层环形管道之间输送试验用高温压缩气体的情况。由于压缩空气温度较高，又带有一定的压力，外层管道和内层管道不但要求有足够的强度和刚度，同时内、外层管道存在热膨胀。由于工作条件的特殊性，轮盘类试验件排气端不是普通的单层的排气通道结构形式，形状类似喇叭形且为双层环型结构形式，试验件排气端外层管壁和内层管壁沿轴向必然存在热膨胀。另外，由于工作条件的结构特殊性，安装也不方便。因此，解决轮盘试验件的热膨胀问题并方便连接安装该试验件排气通道存在较大的难度。本文主要解决轮盘试验件热膨胀问题，同时还需考虑方便进行试验件的连接安装和拆卸更换。

1 工况要求及初步分析计

1.1 工况要求

该轮盘类动力源试验设备排气系统要求包含高温排气管道、耐高温阀门、耐高温膨胀节、排气端装置、管路支架等，轮盘类动力源试验设备排出的气体可直接送入消音塔，也可经抽气装置抽吸排出。轮盘类动力源试验器流通介质为高温压缩空气，一般工作压力不大于0.15 MPa，试验设备进气介质温度不高于500 ℃，试验设备排气介质温度不高于300 ℃。在设计排气系统时，应考虑尽量减小沿程管路及节流件造成的压力损失；轮盘类试验端出口为环型双层的特殊形式的排气通道。

1.2 试验段热膨胀量、弹性力、流速等初步分析计算

1.2.1 试验段热膨胀量计算

试验段热膨胀量计算公式为

式中：ΔL为管道热胀量，mm；α为管道材料线膨胀系数，mm/(m·℃)；L0为安装时管道长度，m；t为运行时管道温度（取管内介质温度），℃；t0为安装时管道温度（取管道周围空气温度），℃。

由总体工况要求可知：L0=3500 mm，t=500 ℃，α=0.0170 mm/(m·℃)。

经计算可知，试验段热膨胀量为30 mm左右。

1.2.2 膨胀补偿器变形弹性力计算

式中：N为环型腔膨胀补偿器热变形弹性力；ΔL为管道热胀量，mm；K为环型腔膨胀补偿器轴向刚度，N/mm。

咨询膨胀节厂家后，确定环型腔膨胀补偿器轴向刚度为2300 N/mm左右。

经计算可知，若采取环型腔膨胀补偿器，热变形弹性力约为70 kN。在对轮盘试验器两端的进气端装置、排气端装置支点支座进行受力分析计算时，需考虑此热变形弹性力。

1.2.3 膨胀补偿器内流速计算

先依据理想气体状态方程得到气体密度，再依据流量公式得到气流速度[1]。

理想气体状态方程为

式中：P为高温气体压力，Pa；ρ为气体密度，kg/m3；T为气体温度，K；R为理想气体常数，R＝287.1 J/(kg·K)。

气体流量公式为

式中：V为气流速度，m/s；Q为气体流量，不大于70 kg/s；ρ为气体密度，kg/m3；D1、D2为内、外层管径，m。

综上所述，得到气流速度计算公式为

经计算可知，耐高温膨胀补偿器内气体最高流速约为60 m/s左右，一般规定排到大气的管道内气体流速不大于0.3 Mach，因此符合实际工程工况要求。

2 试验段热膨胀问题分析

如图1所示，轮盘试验段是该试验器进、排气系统中的核心部分，试验段主要由进气端装置、轮盘试验件、排气端装置等组成。轮盘试验件出口为双层环型腔特殊结构形式，通过分析轮盘试验器设计要求，由于进气系统、排气系统中压缩空气的温度较高，为防止轮盘试验件及进气端装置、排气端装置因热膨胀而产生破坏，在试验段设计中必须考虑热膨胀问题，保障试验设备安全，根据实际工况选取适宜的热膨胀问题解决方案。

图1 试验段布置示意图

在工作时，考虑到耐高温膨胀节使用特殊性的要求，进气端装置和排气端装置设置为固定点，高温空气经进气端装置和轮盘试验件内层排气通道、外层排气通道排出高温气体，并通过适宜的热膨胀通道进入排气端装置收集并排出。从轮盘试验件的结构特点可以看出，轮盘试验件出口是特殊的“双层环型腔通道”结构，而且出口直径较大，试验件距排气端装置进口法兰距离约为400 mm，由于输送气体为高温气体，必然存在热膨胀，需要设计合适的新型的耐高温膨胀节来解决。通常单层管道的热膨胀都比较容易解决，而本试验件是双层环型腔通道结构形式，既要考虑外层管道的热膨胀，又要考虑内层管道的热膨胀，还要方便轮盘试验件的安装和拆卸，因此解决本试验段热膨胀的问题必然存在较大的技术难度。

通过分析该轮盘试验段热膨胀问题，确定需要克服以下关键技术难点：双层环型腔内、外层一致性热膨胀问题，热膨胀量约为30 mm；低压特殊工况状态低流阻的试验要求。

3 热膨胀方案设计研究

通过分析轮盘试验段结构形式，不能采用自然补偿器形式，初步考虑有以下3种方案。

3.1 方案一：采用盘根压紧

在轮盘试验件和排气端装置之间采用双层环形的带均布筋板的不锈钢直筒连接，如图2所示。在直筒的内外两侧沿圆周缠绕布置石墨盘根，再用沿圆周布置的分段压环通过螺栓与轮盘试验件法兰及排气端装置进口法兰进行连接，并均匀地压紧盘根，如图3所示。盘根压紧方案的外压环的局部结构如图4所示。盘根压紧方案内压环的局部结构如图5所示。并且内筒与外筒之间沿圆周均布筋板，既起到连接加强作用，又起到轮盘试验件排气均匀的作用，盘根压紧直筒筋板的布置如图6所示。

图2 盘根压紧方案示意图

图3 盘根压紧直筒径向放大示意图

图4 盘根压紧方案外压环局部放大示意图

图6 盘根压紧直筒筋板布置示意图

该方案的优点是：成本较低，直筒、压环等加工制作方便，质量相对较轻。不足之处是：同轴度要求较高，安装不太方便，对于盘根的压紧程度要求严格，若压得过紧，则热膨胀时自由串动困难，若压得过松，则在进行负压试验时可能存在漏气的现象，影响轮盘试验的准确性。

3.2 方案二：采用带金属丝的环型硅胶玻纤布软连接

在轮盘试验件和排气端装置之间采用带金属丝内环、金属丝外环的硅胶玻纤布进行连接，如图7所示。带金属丝的环型硅胶玻纤布软连接的径向放大图如图8所示。并采用螺栓和压板进行压紧，以解决试验段的热膨胀问题。带金属丝的环型硅胶玻纤布软连接的局部结构如图9所示。

图7 带金属丝的环型硅胶玻纤布软连接方案示意图

图8 带金属丝的环型硅胶玻纤布软连接径向放大示意图

图9 带金属丝的环型硅胶玻纤布软连接局部放大示意图

该方案的优点是：成本较低，加工制作方便，质量轻。不足之处是：带金属丝的环型硅胶玻纤布软连接安装不太方便；在进行负压试验时，由于硅胶玻纤布较软，存在向通道内方向的变形，减少轮盘试验件通道的流通面积，可能在一定程度上会导致试验排气压力损失不满足技术要求。

3.3 方案三：采用双层环型腔膨胀补偿器

在轮盘试验件和排气端装置之间，采用环型腔膨胀补偿器进行连接，双层环型腔膨胀补偿器方案径向示意图如图10所示。双层环型腔膨胀补偿器轴向放大示意图如图11所示。参照GB/T 12777《金属波纹管膨胀节通用技术条件》[2]进行了非标设计，考虑到试验时工作温度不大于300 ℃、工作压力不大于0.15 MPa 的要求，双层环型腔膨胀补偿器材料选取不锈钢。该双层环型腔膨胀补偿器由进气端外法兰、带均布隔板的导流筒、进气端内法兰、外层补偿器、排气端外法兰、内层补偿器、排气端内法兰、吊环等组成[3-5]。进气端外法兰和排气端外法兰通过外层补偿器连在一起，双层环型腔膨胀补偿器进气端外法兰处连接如图12所示，双层环型腔膨胀补偿器排气端外法兰处连接如图14 所示。进气端内法兰和排气端内法兰通过内层补偿器连在一起，另外进气端外法兰和进气端内法兰通过沿圆周均匀布置的隔板导流筒焊接在一起，同样既起到连接加强作用，又起到轮盘试验件排气均匀的作用，排气端导流筒自由滑动。双层环型腔膨胀补偿器进气端内法兰处连接如图13所示。双层环型腔膨胀补偿器排气端内法兰处连接如图15所示。进出排气端安装4个吊环，可以方便吊装膨胀补偿器。该环型腔膨胀补偿器两侧法兰通过螺栓孔、密封垫同两侧的轮盘试验件和排气端装置的法兰固定。

图10 双层环型腔膨胀补偿器方案径向示意图

图11 双层环型腔膨胀补偿器轴向放大示意图

图12 双层环型腔膨胀补偿器进气端外法兰处连接示意图

图13 双层环型腔膨胀补偿器进气端内法兰处连接示意图

图14 双层环型腔膨胀补偿器排气端外法兰处连接示意图

图15 双层环型腔膨胀补偿器排气端内法兰处连接示意图

在工作时，根据环型腔膨胀补偿器的使用要求，进气端装置和排气端装置需要设置为固定点，在工作时，高温空气经内管道、外层管道之间排出高温气体，通过该环型腔膨胀补偿器将气体排到排气端收集装置，由于输送气体为高温气体，必然存在热膨胀，这样就通过该补偿器吸收膨胀量。通过初步计算，宽度为400 mm的补偿器可以吸收30 mm左右的热膨胀量，设计内层补偿器、外层补偿器时，需注意尽量让两者的膨胀要求一致。另外，由于工作时管道中气体流速较高，因此在通道内设置导流筒，防止气体对波纹冲刷，从而保护内层补偿器和外层补偿器，同时降低了气流的流阻损失。该环型腔膨胀补偿器还解决了外层管道和排气收集装置同轴度要求较高的问题，而且还方便内层管道和外层管道安装、拆卸，有利于试验件的重复试验拆装工作，大大提高了效率。

该方案的优点是：可满足内层管道和外层管道轴向同时热膨胀，耐高温（气流温度400 ℃以上），对内层管道和外层管道和排气收集装置同轴度要求较低，对轮盘试验件的反复连接、拆卸都相对方便，设置导流筒可减少沿程压力损失。不足之处是成本相对较高、质量较大。

4 结论

为了解决轮盘试验件内层排气管道和外层排气管道轴向同时热膨胀的问题，对比分析了3个方案的优缺点，并结合试验工况，选取了环型腔膨胀补偿器方案，更好地解决试验段的热膨胀问题。不但获得了耐高温性能，而且降低了轮盘试验件管道和排气收集装置同轴度要求；轮盘试验件的连接、拆卸都相对方便；设置的导流筒可减少沿程压力损失。同时参照GB/T 12777《金属波纹管膨胀节通用技术条件》进行了非标设计。多家波纹补偿器专业厂家进行均认为该技术方案可行，加工制作方便，可以解决试验件特殊的双层环型通道热膨胀问题。可供管道热膨胀设计领域的工程技术人员借鉴，以设计出可靠性更高的产品。