高溫壓力容器的內(nèi)隔熱設(shè)計在渦輪試驗設(shè)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(shè)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(nèi)隔熱的設(shè)計方式。這種設(shè)計理念現(xiàn)在被引入到渦輪試驗設(shè)備中，并因此帶來了一系列優(yōu)勢。然而，在帶來優(yōu)勢的同時，需要關(guān)注內(nèi)隔熱設(shè)計衍生的問題，以保證試驗設(shè)備的安全運行。

關(guān)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(shè)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(nèi)隔熱的設(shè)計方式，這種設(shè)計在化工領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用[1]，在航空試驗領(lǐng)域運用相對較少。本文分析了使用該技術(shù)帶來的優(yōu)勢，以及潛在的風(fēng)險，技術(shù)解決途徑，為后續(xù)進一步研究提供了方向性的建議。

2采用內(nèi)隔熱層的優(yōu)勢

高溫壓力容器（管道）采用內(nèi)隔熱層的設(shè)計在化工領(lǐng)域運用較多，該技術(shù)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(shè)備安全系數(shù)，降低成本。

航空發(fā)動機渦輪試驗器主要用于測試航空發(fā)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(shè)備上采用內(nèi)隔熱設(shè)計，除帶來前文所述好處之外，還能有額外的優(yōu)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(xiàn)象;

c） 減小了殼體內(nèi)部的溫度梯度;

d） 縮短了設(shè)備達到熱平衡的時間。

這些優(yōu)勢可以提高渦輪試驗的效率和精度[3]，降低故障率，這些優(yōu)勢中，a），b），c）項相對容易理解，而d）項往往不被認(rèn)識。為此，可以進行一個簡單的數(shù)值模擬進行對比。數(shù)值模擬的物理模型如下，壓力容器的材質(zhì)為316不銹鋼，隔熱材料選用硅酸鋁棉。壓力容器內(nèi)部的換熱系數(shù)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(shù)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(tài)，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(nèi)隔熱的狀態(tài)。相關(guān)材料物性參數(shù)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(nèi)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(tài)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(nèi)隔熱方式下，壓力容器與內(nèi)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(nèi)隔熱層設(shè)計后的潛在影響

盡管增加內(nèi)隔熱層能夠帶來如此多的優(yōu)勢，但同時其也帶來了額外的風(fēng)險，主要包括：

a） 內(nèi)部多余物的脫落風(fēng)險;

b） 隔熱層壓板和殼體熱膨脹不同帶來的熱應(yīng)力超限風(fēng)險;

c） 隔熱層內(nèi)氣體泄壓不及時對壓板強度帶來的風(fēng)險;

d） 內(nèi)隔熱的殼體與非內(nèi)隔熱的管道連接處熱應(yīng)力風(fēng)險;

e） 流阻大幅增加的風(fēng)險。

其中，d）項很容易被忽視，圖6為一個有內(nèi)隔層的法蘭與一個無內(nèi)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(tài)的不同，產(chǎn)生了明顯熱梯度，隨之也產(chǎn)生了相應(yīng)的熱應(yīng)力（見圖7），這種狀態(tài)下法蘭應(yīng)力要比均勻溫度下的法蘭所受到的應(yīng)力（見圖8）要大得多，是設(shè)計者需要特別注意的。

4采用內(nèi)隔熱層設(shè)計后可能采用的技術(shù)方案

為了解決這些潛在的風(fēng)險，設(shè)計者需要采取對應(yīng)的設(shè)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(shè)備工作中沒有多余物進入流道;

b） 通過分析和恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計，保證工作狀態(tài)下，隔熱層壓板不會因為熱膨脹而損壞;

c） 如果隔熱層內(nèi)存儲有介質(zhì)氣體，在試驗工況變化時，務(wù)必確保隔熱層內(nèi)的殘余介質(zhì)氣體不會破壞隔熱層的壓板;

d） 通過分析和恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計，確保接口的熱應(yīng)力在材料許用范圍之內(nèi)，例如可以對內(nèi)隔熱采用漸變設(shè)計，降低溫度梯度，會明顯改善法蘭接口處的局部熱應(yīng)力;

e） 使用低流阻的結(jié)構(gòu)，同時降低敷設(shè)內(nèi)隔熱層部位的介質(zhì)流速。

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

參考文獻：

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

[2] 張星. 國外典型航空發(fā)動機連續(xù)式渦輪試驗器簡介[R]內(nèi)燃機與配件，2020.3

[3] 張星，程俊華，萬明學(xué)，楊珺. 渦輪試驗中不確定度分析與誤差分析的比較[R]現(xiàn)代制造技術(shù)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。