基于場協(xié)同原理的燃?xì)庵鳈C(jī)箱體散熱分析及優(yōu)化

摘要：為保證燃?xì)馔钙綑C(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，掌握主機(jī)箱體通風(fēng)系統(tǒng)的換熱機(jī)制，開展了燃?xì)馔钙綑C(jī)組主機(jī)箱體通風(fēng)散熱研究?；趫鰠f(xié)同原理，對主機(jī)箱體內(nèi)部流場、溫度場和關(guān)鍵設(shè)備的散熱性能進(jìn)行分析，并提出加裝導(dǎo)流裝置的優(yōu)化方案。結(jié)果表明，主機(jī)箱體內(nèi)高溫區(qū)域體積占比達(dá)到7.6%，主要集中在燃?xì)廨啓C(jī)軸部件附近，該部件為主機(jī)箱體內(nèi)主要熱源，外表面平均溫度高達(dá)86.94 ℃；加裝50°導(dǎo)流裝置后，主機(jī)箱體高溫區(qū)域體積占比減至5.1%，燃?xì)廨啓C(jī)軸外表面平均溫度降至81.98 ℃，散熱效果得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：燃?xì)馔钙綑C(jī)組；通風(fēng)散熱；數(shù)值模擬；場協(xié)同原理；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TK474. 7 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 017

0 引言

主機(jī)箱體通風(fēng)系統(tǒng)是燃?xì)馔钙綑C(jī)組通風(fēng)散熱的重要部件。夏季高溫天氣，外界極端溫度達(dá)到40 ℃，燃?xì)馔钙綑C(jī)組運(yùn)行時產(chǎn)生大量熱量聚集在主機(jī)箱體內(nèi)部無法排出，整個機(jī)組處于“外烤內(nèi)悶”環(huán)境中，導(dǎo)致主機(jī)箱體內(nèi)部溫度驟升［1］。若箱體內(nèi)部長期處于高溫狀態(tài)，燃?xì)廨啓C(jī)軸、進(jìn)氣蝸殼及管線等關(guān)鍵設(shè)備溫度持續(xù)升高易使機(jī)組高溫報警停機(jī)，嚴(yán)重影響透平機(jī)組的工作效率與操作人員的安全［2］。

國內(nèi)外學(xué)者對室內(nèi)環(huán)境的通風(fēng)散熱問題進(jìn)行了諸多研究，研究方向主要集中于通過仿真軟件對密閉箱體和工業(yè)廠房通風(fēng)散熱問題的模擬分析與優(yōu)化［3-5］。例如，OU 等［6］通過仿真軟件研究液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas， LPG）汽車發(fā)動機(jī)艙的散熱性能，并從溫度場和流場相互作用角度闡釋發(fā)動機(jī)艙內(nèi)局部高溫產(chǎn)生的機(jī)制，同時提出更改發(fā)動機(jī)內(nèi)部部件布局，以提高其散熱效果。ZHAN 等［7］通過試驗研究了封閉腔體內(nèi)部的散熱情況，發(fā)現(xiàn)熱源數(shù)量和間距都會影響腔內(nèi)流動和傳熱。張馳宇等［8］通過多場耦合方法研究封閉腔體內(nèi)器件的散熱問題，對比分析了通風(fēng)口位置和腔體結(jié)構(gòu)對散熱效果的影響，提出了在腔體內(nèi)增加擋板來提高通風(fēng)散熱效率。黃志強(qiáng)等［9］通過試驗和仿真研究了頁巖氣壓縮機(jī)撬裝模塊系統(tǒng)的散熱性能，并提出了進(jìn)排風(fēng)口布局優(yōu)化方案來提升散熱效果。ABANTO等［10］研究了室內(nèi)多熱源情況下的散熱效果，并提出熱源位置合理布置方法以強(qiáng)化散熱。

對流換熱是影響設(shè)備散熱的關(guān)鍵因素。過增元［11］首次提出了場協(xié)同原理，通過場協(xié)同角評價對流換熱的強(qiáng)弱。之后，越來越多的學(xué)者使用場協(xié)同角研究機(jī)械設(shè)備的散熱問題。LIU等［12］研究了超臨界CO2在塔式太陽能接收器中的流動與傳熱情況，并基于場協(xié)同原理設(shè)計了三角形肋接收管結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其對流換熱能力。朱兵國等［13］以場協(xié)同角為評價指標(biāo)研究了超臨界CO2在漸縮管和漸擴(kuò)管內(nèi)的傳熱特性，并從類冷凝和湍流場分布角度闡釋了傳熱強(qiáng)化的物理機(jī)制。

目前，針對海上平臺燃?xì)馔钙綑C(jī)組主機(jī)箱體散熱問題的研究相對較少，并且少有學(xué)者注意大型設(shè)備內(nèi)部高溫部件的散熱情況。因此，本文采用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法，研究海上平臺QDR20B 型燃?xì)馔钙綑C(jī)組主機(jī)箱體內(nèi)部流場和溫度場的分布規(guī)律，同時基于場協(xié)同原理分析主機(jī)箱體內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的散熱效果，通過加裝導(dǎo)流裝置以強(qiáng)化高溫部件的對流換熱，并對比加裝角度下主機(jī)箱體內(nèi)的溫度分布和高溫部件的場協(xié)同角大小，選出最佳角度，為工程設(shè)計提供參考。

1 燃?xì)馔钙綑C(jī)組主機(jī)箱體幾何結(jié)構(gòu)

1. 1 幾何模型

本文研究對象為某2 MW海上平臺燃?xì)馔钙綑C(jī)組，該機(jī)組主機(jī)箱體通風(fēng)系統(tǒng)主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、主機(jī)箱體、排氣系統(tǒng)、進(jìn)氣蝸殼及燃?xì)廨啓C(jī)軸等組成，如圖1 所示。當(dāng)機(jī)組工作時，排氣系統(tǒng)內(nèi)的軸流風(fēng)機(jī)先在主機(jī)箱體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，使冷空氣從入口進(jìn)入主機(jī)箱體，并與進(jìn)氣蝸殼和燃?xì)廨啓C(jī)軸等部件進(jìn)行對流換熱，最后通過出口排出主機(jī)箱體，從而達(dá)到散熱效果。