高溫壓力容器的內隔熱設計在渦輪試驗設備中的運用分析

張星 王斌 趙思 劉飛

摘要：高溫壓力容器的設計過程中，為了使承壓的金屬殼體不必同時承受高溫，有時會采用內隔熱的設計方式。這種設計理念現在被引入到渦輪試驗設備中，并因此帶來了一系列優勢。然而，在帶來優勢的同時，需要關注內隔熱設計衍生的問題，以保證試驗設備的安全運行。

關鍵詞：高溫;壓力容器;隔熱層;渦輪;試驗

1引言

高溫壓力容器的設計過程中，為了使耐壓的殼體不必工作在高溫下，有時會采用內隔熱的設計方式，這種設計在化工領域已經廣泛使用[1]，在航空試驗領域運用相對較少。本文分析了使用該技術帶來的優勢，以及潛在的風險，技術解決途徑，為后續進一步研究提供了方向性的建議。

2采用內隔熱層的優勢

高溫壓力容器（管道）采用內隔熱層的設計在化工領域運用較多，該技術的使用可以使承壓殼體的溫度顯著降低，給承壓殼體的選材提供了更加廣闊的空間，可以提高設備安全系數，降低成本。

航空發動機渦輪試驗器主要用于測試航空發動機的渦輪部件氣動性能[2]，其進排氣蝸殼通常也是壓力容器，用于分配和收集進出渦輪試驗件的氣流，在該設備上采用內隔熱設計，除帶來前文所述好處之外，還能有額外的優勢，包括：

a） 減小了流動的溫度附面層;

b） 減小了殼體的熱變形量及熱不對中現象;

c） 減小了殼體內部的溫度梯度;

d） 縮短了設備達到熱平衡的時間。

這些優勢可以提高渦輪試驗的效率和精度[3]，降低故障率，這些優勢中，a），b），c）項相對容易理解，而d）項往往不被認識。為此，可以進行一個簡單的數值模擬進行對比。數值模擬的物理模型如下，壓力容器的材質為316不銹鋼，隔熱材料選用硅酸鋁棉。壓力容器內部的換熱系數為100W/ （㎡ K）， 流體溫度為527℃，壓力容器外壁面與大氣的對流換熱系數選取為20W/ （㎡ K），大氣溫度20℃。圖1 a）模擬的是壓力容器處于的外隔熱狀態，而圖1 b）中硅酸鋁棉和316不銹鋼的位置與圖1a）相比剛好相反，模擬壓力容器內隔熱的狀態。相關材料物性參數見表1。

利用商用軟件進行換熱分析，可以得到兩種隔熱方式下殼體和隔熱層內的溫度分布情況，如圖2和圖3所示。同時，按照初始溫度場20℃進行瞬態計算，可以得到兩種隔熱方式下與流體接觸的表面達到熱平衡的時間，見圖4和圖5，可以看出，在內隔熱方式下，壓力容器與內部流體接觸表面達到熱平衡的時間要遠遠低于外隔熱方式，對于渦輪試驗這種高精度高耗能的試驗，盡快達到熱平衡意味著試驗的精度可以提高，費用可以降低。

3采用內隔熱層設計后的潛在影響

盡管增加內隔熱層能夠帶來如此多的優勢，但同時其也帶來了額外的風險，主要包括：

a） 內部多余物的脫落風險;

b） 隔熱層壓板和殼體熱膨脹不同帶來的熱應力超限風險;

c） 隔熱層內氣體泄壓不及時對壓板強度帶來的風險;

d） 內隔熱的殼體與非內隔熱的管道連接處熱應力風險;

e） 流阻大幅增加的風險。

其中，d）項很容易被忽視，圖6為一個有內隔層的法蘭與一個無內隔熱層的法蘭連接時的溫度分布情況。可以看出，由于兩邊隔熱狀態的不同，產生了明顯熱梯度，隨之也產生了相應的熱應力（見圖7），這種狀態下法蘭應力要比均勻溫度下的法蘭所受到的應力（見圖8）要大得多，是設計者需要特別注意的。

4采用內隔熱層設計后可能采用的技術方案

為了解決這些潛在的風險，設計者需要采取對應的設計措施，從前文的分析中也可以看出，這些措施主要包括：

a） 使用焊接、防松螺母等更加可靠的固定方式，確保設備工作中沒有多余物進入流道;

b） 通過分析和恰當的設計，保證工作狀態下，隔熱層壓板不會因為熱膨脹而損壞;

c） 如果隔熱層內存儲有介質氣體，在試驗工況變化時，務必確保隔熱層內的殘余介質氣體不會破壞隔熱層的壓板;

d） 通過分析和恰當的設計，確保接口的熱應力在材料許用范圍之內，例如可以對內隔熱采用漸變設計，降低溫度梯度，會明顯改善法蘭接口處的局部熱應力;

e） 使用低流阻的結構，同時降低敷設內隔熱層部位的介質流速。

具體實現這些設計目的的措施還很多，這就需要設計者在設計過程中進行詳細的分析，以及不斷的工程經驗的積累。

參考文獻：

[1] 寧志星. 新型金屬薄內膽內隔熱層式耐溫高壓容器及其快開密封設計和應用研究[D] 大連：大連理工大學， 2008.

[2] 張星. 國外典型航空發動機連續式渦輪試驗器簡介[R]內燃機與配件，2020.3

[3] 張星，程俊華，萬明學，楊珺. 渦輪試驗中不確定度分析與誤差分析的比較[R]現代制造技術與裝備，2020.4

作者簡介：

張星（1987年11月—）男，漢族，四川省廣安市，碩士，工程師。研究方向：渦輪試驗研究。