某重型燃機旋流器的熱應力分析

陳貝貝，趙仕志，劉維兵

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

某重型燃機旋流器的熱應力分析

陳貝貝，趙仕志，劉維兵

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章首先對某重型燃機旋流器在穩定工況下的熱應力分析，校核了旋流器以及螺釘的強度，并對所選取的預緊力和材料進行了分析。其次，計算了旋流器在啟停機階段下的熱應力。最后，根據相關經驗，提出一種強度評判準則對旋流器在啟停機過程中的二次應力進行評判。

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0 引言

旋流器位于火焰筒的頭部，中間有燃料噴嘴通過，在火焰筒的頭部產生高速旋轉射流形成低壓區，進而造成熱回流區使燃燒保持穩定。此外，這種高速旋轉的氣流，還使空氣與從燃料噴嘴噴出的燃料相互摻混，有利于完全燃燒。旋流器作為燃氣輪機燃燒室的重要部件，其工作性能的好壞將直接影響燃燒室的綜合性能。

目前，國內外不少學者對旋流器的功用及其對燃燒室燃燒性能的影響做了大量研究，Woo等[1]對同向和反向旋轉的雙級徑向旋流器的流場和燃油霧化進行了研究。李超等[2]對旋流器葉片安裝角與燃燒室性能的關系進行了研究。王志斌等[3]主要對旋流器所產生的流場進行了數值模擬和流場特性分析。雖然對旋流器的研究很多，但是對旋流器的強度進行的研究還比較少見。因此，本文分別研究了旋流器在穩定工況和啟停機工況下的熱應力大小，并嘗試對旋流器在啟停機工況下的應力強度進行評判。

1 旋流器結構

在圖1中，以某重型燃機筒型燃燒室為例，說明了旋流器在燃燒室中的位置。整個計算模型由螺釘、上游旋流器、下游旋流器和端蓋構成。端蓋、上游旋流器與下游旋流器順次焊接在一起，其中，螺釘穿過端蓋和上游旋流器插入下游旋流器。

圖1 某重型燃機筒型燃燒室和旋流器模型

為了簡化計算，根據旋流器的對稱結構，取其八分之一作為研究對象，如圖2所示。

圖2 簡化旋流器模型

在穩態工況下，螺釘在預緊力作用下對旋流器起固定作用，旋流器主要受到熱邊界條件的影響，因此要對螺釘以及旋流器進行強度校核。而在燃氣輪機的啟停機階段，冷熱轉換較快，容易產生大的應力，也需要對旋流器的啟停機過程中的熱應力進行校核。但由于缺少相關的評判準則，借鑒相關經驗，本文嘗試建立一種評判旋流器應力水平的準則，并期望下一步通過實驗進行驗證。

2 模型材料和邊界條件

本文計算模型所選取的材料以及旋流器的傳熱邊界條件見表1～2。

表1 各部件材料

表2 旋流器的傳熱邊界條件

對稱面上施加循環對稱邊界條件，上游與下游、端蓋與上游均采用接觸設置。對于螺釘，施加預緊力F=30 000 N。考慮到端蓋的熱脹，根據估算給定2.1 mm徑向位移。

3 旋流器的穩態和瞬態計算

3.1 旋流器的穩態分析

在燃燒器穩定工作的情況下，對旋流器、螺釘的受力進行了研究。根據表2進行傳熱計算之后，再進行靜力計算，結果如圖3所示。

圖3 旋流器和螺釘應力云圖

根據材料手冊和有限元計算后的結果，螺釘受到的最大應力約為屈服強度的0.5倍，上游旋流器受到的最大應力約為其屈服強度的0.7倍，兩者均能滿足所需的屈服強度。經過分析，認為預緊力過大可能導致旋流器受到的應力過大。在實際工況下，可以考慮適當減小施加的預緊力。

3.2 旋流器的啟停機瞬態分析

在傳統的對旋流器強度的評判中，一般只進行穩態分析即可，然而在燃機的啟停機過程中，由于受到冷熱轉換的影響，所以熱應力波動較大，因此考慮對啟停機過程中的旋流器進行強度校核。但由于缺少相關的評判準則，根據對其他熱部件分析的經驗，對旋流器進行強度評判。為此，引入啟停機曲線 （如圖4所示），其中AB為啟動階段，BC為穩定運行階段，CD為停機階段，圖中縱坐標比例系數表示為載荷。

圖4 載荷隨時間變化的曲線

考慮旋流器承受二次應力 （主要是熱應力），根據經驗，一般認為Δσmises<1.5σs，即表明材料滿足強度。旋流器的瞬態計算結果如圖 5所示，為了對旋流器進行評判，選取點UP1、UP2為評判點，其分別是旋流器在瞬態和穩態工作時的最大應力位置。根據旋流器對應的屈服強度，相應的應力評判見表3。

表3 應力評判結果

圖5 旋流器瞬態應力云圖

在表3中，σmisespk為在啟停機過程中最大溫度對應的Mises應力， Tmax為啟停機過程最大溫度，2點位置的σmisespk均比Δσmises要小。根據評判準則，表中Δσmises/1.5σs<1即為安全，可以看出，在這種評判準則下，旋流器處于安全狀態。

4 結論

本文對旋流器在穩定工況以及啟停機工況下的熱應力進行了分析，校核了旋流器的穩態強度，其次，計算了旋流器在啟停機階段下的熱應力，根據相關經驗，提出一種評判準則對旋流器在啟停機過程中的二次應力進行評判。綜合以上對旋流器穩態和瞬態的研究，均表明旋流器的強度能夠滿足要求，進而說明可以應用這種評判準則對旋流器進行評判。由于缺乏旋流器的啟停機熱應力評判經驗，希望能夠在以后的工作中，通過實驗驗證這種瞬態啟停機評判準則對于旋流器的適用性。

[1]Woo S S,Yeoung M H,Dae S L.Flow and spracy characteristics of a lean fuel injection module with radial swirlers[R].ASME-2000-GT-118,2000

[2]李超,王成軍,張群杰.雙級徑向旋流器燃燒性能的數值研究[J].沈陽航空航天大學學報,2012,1(29):34-37

[3]王志斌,陳文梅,褚良銀,等.旋流器流場的數值模擬及對流場特性的分析 [J].四川大學學報:工程科學版,2006,3 (38):59-64

Thermal Stress Analysis for Swirler of Heavy Gas Turbine

Chen Beibei，Zhao Shizhi，Liu Weibing

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Firstly,the thermal stress for swirler of a heavy gas turbine under stable state is analyzed.Then the strength of swirler and bolt are checked,respectively the pre-stress on bolt and material of swirler are discussed.Secondly,the thermal stress for swirler under the operation cycle progress is simulated.At last,based on the related experience,a new criterion for thermal stress is proposed for verifying the swirler in the operation cycle progress.

swirler,thermal stress,operation cycle,verify

TK472

A

1674-9987（2015）03-0014-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.004

陳貝貝 （1985-），男，碩士，2013年畢業于南京航空航天大學工程力學專業，從事燃機強度方面的研究工作。