某重型燃機(jī)旋流器的熱應(yīng)力分析

陳貝貝，趙仕志，劉維兵

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

某重型燃機(jī)旋流器的熱應(yīng)力分析

陳貝貝，趙仕志，劉維兵

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

文章首先對(duì)某重型燃機(jī)旋流器在穩(wěn)定工況下的熱應(yīng)力分析，校核了旋流器以及螺釘?shù)膹?qiáng)度，并對(duì)所選取的預(yù)緊力和材料進(jìn)行了分析。其次，計(jì)算了旋流器在啟停機(jī)階段下的熱應(yīng)力。最后，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出一種強(qiáng)度評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)旋流器在啟停機(jī)過(guò)程中的二次應(yīng)力進(jìn)行評(píng)判。

旋流器，熱應(yīng)力，啟停機(jī)，評(píng)判

0 引言

旋流器位于火焰筒的頭部，中間有燃料噴嘴通過(guò)，在火焰筒的頭部產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)射流形成低壓區(qū)，進(jìn)而造成熱回流區(qū)使燃燒保持穩(wěn)定。此外，這種高速旋轉(zhuǎn)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?xì)廨啓C(jī)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(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)旋流器的功用及其對(duì)燃燒室燃燒性能的影響做了大量研究，Woo等[1]對(duì)同向和反向旋轉(zhuǎn)的雙級(jí)徑向旋流器的流場(chǎng)和燃油霧化進(jìn)行了研究。李超等[2]對(duì)旋流器葉片安裝角與燃燒室性能的關(guān)系進(jìn)行了研究。王志斌等[3]主要對(duì)旋流器所產(chǎn)生的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和流場(chǎng)特性分析。雖然對(duì)旋流器的研究很多，但是對(duì)旋流器的強(qiáng)度進(jìn)行的研究還比較少見(jiàn)。因此，本文分別研究了旋流器在穩(wěn)定工況和啟停機(jī)工況下的熱應(yīng)力大小，并嘗試對(duì)旋流器在啟停機(jī)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)判。

1 旋流器結(jié)構(gòu)

在圖1中，以某重型燃機(jī)筒型燃燒室為例，說(shuō)明了旋流器在燃燒室中的位置。整個(gè)計(jì)算模型由螺釘、上游旋流器、下游旋流器和端蓋構(gòu)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(guò)端蓋和上游旋流器插入下游旋流器。

圖1 某重型燃機(jī)筒型燃燒室和旋流器模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)旋流器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取其八分之一作為研究對(duì)象，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化旋流器模型

在穩(wěn)態(tài)工況下，螺釘在預(yù)緊力作用下對(duì)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(duì)螺釘以及旋流器進(jìn)行強(qiáng)度校核。而在燃?xì)廨啓C(jī)的啟停機(jī)階段，冷熱轉(zhuǎn)換較快，容易產(chǎn)生大的應(yīng)力，也需要對(duì)旋流器的啟停機(jī)過(guò)程中的熱應(yīng)力進(jìn)行校核。但由于缺少相關(guān)的評(píng)判準(zhǔn)則，借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本文嘗試建立一種評(píng)判旋流器應(yīng)力水平的準(zhǔn)則，并期望下一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 模型材料和邊界條件

本文計(jì)算模型所選取的材料以及旋流器的傳熱邊界條件見(jiàn)表1～2。

表1 各部件材料

表2 旋流器的傳熱邊界條件

對(duì)稱面上施加循環(huán)對(duì)稱邊界條件，上游與下游、端蓋與上游均采用接觸設(shè)置。對(duì)于螺釘，施加預(yù)緊力F=30 000 N?？紤]到端蓋的熱脹，根據(jù)估算給定2.1 mm徑向位移。

3 旋流器的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算

3.1 旋流器的穩(wěn)態(tài)分析

在燃燒器穩(wěn)定工作的情況下，對(duì)旋流器、螺釘?shù)氖芰M(jìn)行了研究。根據(jù)表2進(jìn)行傳熱計(jì)算之后，再進(jìn)行靜力計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 旋流器和螺釘應(yīng)力云圖

根據(jù)材料手冊(cè)和有限元計(jì)算后的結(jié)果，螺釘受到的最大應(yīng)力約為屈服強(qiáng)度的0.5倍，上游旋流器受到的最大應(yīng)力約為其屈服強(qiáng)度的0.7倍，兩者均能滿足所需的屈服強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為預(yù)緊力過(guò)大可能導(dǎo)致旋流器受到的應(yīng)力過(guò)大。在實(shí)際工況下，可以考慮適當(dāng)減小施加的預(yù)緊力。

3.2 旋流器的啟停機(jī)瞬態(tài)分析

在傳統(tǒng)的對(duì)旋流器強(qiáng)度的評(píng)判中，一般只進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析即可，然而在燃機(jī)的啟停機(jī)過(guò)程中，由于受到冷熱轉(zhuǎn)換的影響，所以熱應(yīng)力波動(dòng)較大，因此考慮對(duì)啟停機(jī)過(guò)程中的旋流器進(jìn)行強(qiáng)度校核。但由于缺少相關(guān)的評(píng)判準(zhǔn)則，根據(jù)對(duì)其他熱部件分析的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)旋流器進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)判。為此，引入啟停機(jī)曲線 （如圖4所示），其中AB為啟動(dòng)階段，BC為穩(wěn)定運(yùn)行階段，CD為停機(jī)階段，圖中縱坐標(biāo)比例系數(shù)表示為載荷。

圖4 載荷隨時(shí)間變化的曲線

考慮旋流器承受二次應(yīng)力 （主要是熱應(yīng)力），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為Δσmises<1.5σs，即表明材料滿足強(qiáng)度。旋流器的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖 5所示，為了對(duì)旋流器進(jìn)行評(píng)判，選取點(diǎn)UP1、UP2為評(píng)判點(diǎn)，其分別是旋流器在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的最大應(yīng)力位置。根據(jù)旋流器對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度，相應(yīng)的應(yīng)力評(píng)判見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)力評(píng)判結(jié)果

圖5 旋流器瞬態(tài)應(yīng)力云圖

在表3中，σmisespk為在啟停機(jī)過(guò)程中最大溫度對(duì)應(yīng)的Mises應(yīng)力， Tmax為啟停機(jī)過(guò)程最大溫度，2點(diǎn)位置的σmisespk均比Δσmises要小。根據(jù)評(píng)判準(zhǔn)則，表中Δσmises/1.5σs<1即為安全，可以看出，在這種評(píng)判準(zhǔn)則下，旋流器處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文對(duì)旋流器在穩(wěn)定工況以及啟停機(jī)工況下的熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，校核了旋流器的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度，其次，計(jì)算了旋流器在啟停機(jī)階段下的熱應(yīng)力，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出一種評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)旋流器在啟停機(jī)過(guò)程中的二次應(yīng)力進(jìn)行評(píng)判。綜合以上對(duì)旋流器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的研究，均表明旋流器的強(qiáng)度能夠滿足要求，進(jìn)而說(shuō)明可以應(yīng)用這種評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)旋流器進(jìn)行評(píng)判。由于缺乏旋流器的啟停機(jī)熱應(yīng)力評(píng)判經(jīng)驗(yàn)，希望能夠在以后的工作中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種瞬態(tài)啟停機(jī)評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)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(jí)徑向旋流器燃燒性能的數(shù)值研究[J].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2012,1(29):34-37

[3]王志斌,陳文梅,褚良銀,等.旋流器流場(chǎng)的數(shù)值模擬及對(duì)流場(chǎng)特性的分析 [J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)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(yè)于南京航空航天大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，從事燃機(jī)強(qiáng)度方面的研究工作。