某重型燃机旋流器的热应力分析

陈贝贝，赵仕志，刘维兵

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

某重型燃机旋流器的热应力分析

陈贝贝，赵仕志，刘维兵

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章首先对某重型燃机旋流器在稳定工况下的热应力分析，校核了旋流器以及螺钉的强度，并对所选取的预紧力和材料进行了分析。其次，计算了旋流器在启停机阶段下的热应力。最后，根据相关经验，提出一种强度评判准则对旋流器在启停机过程中的二次应力进行评判。

旋流器，热应力，启停机，评判

0 引言

旋流器位于火焰筒的头部，中间有燃料喷嘴通过，在火焰筒的头部产生高速旋转射流形成低压区，进而造成热回流区使燃烧保持稳定。此外，这种高速旋转的气流，还使空气与从燃料喷嘴喷出的燃料相互掺混，有利于完全燃烧。旋流器作为燃气轮机燃烧室的重要部件，其工作性能的好坏将直接影响燃烧室的综合性能。

目前，国内外不少学者对旋流器的功用及其对燃烧室燃烧性能的影响做了大量研究，Woo等[1]对同向和反向旋转的双级径向旋流器的流场和燃油雾化进行了研究。李超等[2]对旋流器叶片安装角与燃烧室性能的关系进行了研究。王志斌等[3]主要对旋流器所产生的流场进行了数值模拟和流场特性分析。虽然对旋流器的研究很多，但是对旋流器的强度进行的研究还比较少见。因此，本文分别研究了旋流器在稳定工况和启停机工况下的热应力大小，并尝试对旋流器在启停机工况下的应力强度进行评判。

1 旋流器结构

在图1中，以某重型燃机筒型燃烧室为例，说明了旋流器在燃烧室中的位置。整个计算模型由螺钉、上游旋流器、下游旋流器和端盖构成。端盖、上游旋流器与下游旋流器顺次焊接在一起，其中，螺钉穿过端盖和上游旋流器插入下游旋流器。

图1 某重型燃机筒型燃烧室和旋流器模型

为了简化计算，根据旋流器的对称结构，取其八分之一作为研究对象，如图2所示。

图2 简化旋流器模型

在稳态工况下，螺钉在预紧力作用下对旋流器起固定作用，旋流器主要受到热边界条件的影响，因此要对螺钉以及旋流器进行强度校核。而在燃气轮机的启停机阶段，冷热转换较快，容易产生大的应力，也需要对旋流器的启停机过程中的热应力进行校核。但由于缺少相关的评判准则，借鉴相关经验，本文尝试建立一种评判旋流器应力水平的准则，并期望下一步通过实验进行验证。

2 模型材料和边界条件

本文计算模型所选取的材料以及旋流器的传热边界条件见表1～2。

表1 各部件材料

表2 旋流器的传热边界条件

对称面上施加循环对称边界条件，上游与下游、端盖与上游均采用接触设置。对于螺钉，施加预紧力F=30 000 N。考虑到端盖的热胀，根据估算给定2.1 mm径向位移。

3 旋流器的稳态和瞬态计算

3.1 旋流器的稳态分析

在燃烧器稳定工作的情况下，对旋流器、螺钉的受力进行了研究。根据表2进行传热计算之后，再进行静力计算，结果如图3所示。

图3 旋流器和螺钉应力云图

根据材料手册和有限元计算后的结果，螺钉受到的最大应力约为屈服强度的0.5倍，上游旋流器受到的最大应力约为其屈服强度的0.7倍，两者均能满足所需的屈服强度。经过分析，认为预紧力过大可能导致旋流器受到的应力过大。在实际工况下，可以考虑适当减小施加的预紧力。

3.2 旋流器的启停机瞬态分析

在传统的对旋流器强度的评判中，一般只进行稳态分析即可，然而在燃机的启停机过程中，由于受到冷热转换的影响，所以热应力波动较大，因此考虑对启停机过程中的旋流器进行强度校核。但由于缺少相关的评判准则，根据对其他热部件分析的经验，对旋流器进行强度评判。为此，引入启停机曲线 （如图4所示），其中AB为启动阶段，BC为稳定运行阶段，CD为停机阶段，图中纵坐标比例系数表示为载荷。

图4 载荷随时间变化的曲线

考虑旋流器承受二次应力 （主要是热应力），根据经验，一般认为Δσmises<1.5σs，即表明材料满足强度。旋流器的瞬态计算结果如图 5所示，为了对旋流器进行评判，选取点UP1、UP2为评判点，其分别是旋流器在瞬态和稳态工作时的最大应力位置。根据旋流器对应的屈服强度，相应的应力评判见表3。

表3 应力评判结果

图5 旋流器瞬态应力云图

在表3中，σmisespk为在启停机过程中最大温度对应的Mises应力， Tmax为启停机过程最大温度，2点位置的σmisespk均比Δσmises要小。根据评判准则，表中Δσmises/1.5σs<1即为安全，可以看出，在这种评判准则下，旋流器处于安全状态。

4 结论

本文对旋流器在稳定工况以及启停机工况下的热应力进行了分析，校核了旋流器的稳态强度，其次，计算了旋流器在启停机阶段下的热应力，根据相关经验，提出一种评判准则对旋流器在启停机过程中的二次应力进行评判。综合以上对旋流器稳态和瞬态的研究，均表明旋流器的强度能够满足要求，进而说明可以应用这种评判准则对旋流器进行评判。由于缺乏旋流器的启停机热应力评判经验，希望能够在以后的工作中，通过实验验证这种瞬态启停机评判准则对于旋流器的适用性。

[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,王成军,张群杰.双级径向旋流器燃烧性能的数值研究[J].沈阳航空航天大学学报,2012,1(29):34-37

[3]王志斌,陈文梅,褚良银,等.旋流器流场的数值模拟及对流场特性的分析 [J].四川大学学报:工程科学版,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

陈贝贝 （1985-），男，硕士，2013年毕业于南京航空航天大学工程力学专业，从事燃机强度方面的研究工作。