高温压力容器的内隔热设计在涡轮试验设备中的运用分析

张星 王斌 赵思 刘飞

摘要：高温压力容器的设计过程中，为了使承压的金属壳体不必同时承受高温，有时会采用内隔热的设计方式。这种设计理念现在被引入到涡轮试验设备中，并因此带来了一系列优势。然而，在带来优势的同时，需要关注内隔热设计衍生的问题，以保证试验设备的安全运行。

关键词：高温;压力容器;隔热层;涡轮;试验

1引言

高温压力容器的设计过程中，为了使耐压的壳体不必工作在高温下，有时会采用内隔热的设计方式，这种设计在化工领域已经广泛使用[1]，在航空试验领域运用相对较少。本文分析了使用该技术带来的优势，以及潜在的风险，技术解决途径，为后续进一步研究提供了方向性的建议。

2采用内隔热层的优势

高温压力容器（管道）采用内隔热层的设计在化工领域运用较多，该技术的使用可以使承压壳体的温度显著降低，给承压壳体的选材提供了更加广阔的空间，可以提高设备安全系数，降低成本。

航空发动机涡轮试验器主要用于测试航空发动机的涡轮部件气动性能[2]，其进排气蜗壳通常也是压力容器，用于分配和收集进出涡轮试验件的气流，在该设备上采用内隔热设计，除带来前文所述好处之外，还能有额外的优势，包括：

a） 减小了流动的温度附面层;

b） 减小了壳体的热变形量及热不对中现象;

c） 减小了壳体内部的温度梯度;

d） 缩短了设备达到热平衡的时间。

这些优势可以提高涡轮试验的效率和精度[3]，降低故障率，这些优势中，a），b），c）项相对容易理解，而d）项往往不被认识。为此，可以进行一个简单的数值模拟进行对比。数值模拟的物理模型如下，压力容器的材质为316不锈钢，隔热材料选用硅酸铝棉。压力容器内部的换热系数为100W/ （㎡ K）， 流体温度为527℃，压力容器外壁面与大气的对流换热系数选取为20W/ （㎡ K），大气温度20℃。图1 a）模拟的是压力容器处于的外隔热状态，而图1 b）中硅酸铝棉和316不锈钢的位置与图1a）相比刚好相反，模拟压力容器内隔热的状态。相关材料物性参数见表1。

利用商用软件进行换热分析，可以得到两种隔热方式下壳体和隔热层内的温度分布情况，如图2和图3所示。同时，按照初始温度场20℃进行瞬态计算，可以得到两种隔热方式下与流体接触的表面达到热平衡的时间，见图4和图5，可以看出，在内隔热方式下，压力容器与内部流体接触表面达到热平衡的时间要远远低于外隔热方式，对于涡轮试验这种高精度高耗能的试验，尽快达到热平衡意味着试验的精度可以提高，费用可以降低。

3采用内隔热层设计后的潜在影响

尽管增加内隔热层能够带来如此多的优势，但同时其也带来了额外的风险，主要包括：

a） 内部多余物的脱落风险;

b） 隔热层压板和壳体热膨胀不同带来的热应力超限风险;

c） 隔热层内气体泄压不及时对压板强度带来的风险;

d） 内隔热的壳体与非内隔热的管道连接处热应力风险;

e） 流阻大幅增加的风险。

其中，d）项很容易被忽视，图6为一个有内隔层的法兰与一个无内隔热层的法兰连接时的温度分布情况。可以看出，由于两边隔热状态的不同，产生了明显热梯度，随之也产生了相应的热应力（见图7），这种状态下法兰应力要比均匀温度下的法兰所受到的应力（见图8）要大得多，是设计者需要特别注意的。

4采用内隔热层设计后可能采用的技术方案

为了解决这些潜在的风险，设计者需要采取对应的设计措施，从前文的分析中也可以看出，这些措施主要包括：

a） 使用焊接、防松螺母等更加可靠的固定方式，确保设备工作中没有多余物进入流道;

b） 通过分析和恰当的设计，保证工作状态下，隔热层压板不会因为热膨胀而损坏;

c） 如果隔热层内存储有介质气体，在试验工况变化时，务必确保隔热层内的残余介质气体不会破坏隔热层的压板;

d） 通过分析和恰当的设计，确保接口的热应力在材料许用范围之内，例如可以对內隔热采用渐变设计，降低温度梯度，会明显改善法兰接口处的局部热应力;

e） 使用低流阻的结构，同时降低敷设内隔热层部位的介质流速。

具体实现这些设计目的的措施还很多，这就需要设计者在设计过程中进行详细的分析，以及不断的工程经验的积累。

参考文献：

[1] 宁志星. 新型金属薄内胆内隔热层式耐温高压容器及其快开密封设计和应用研究[D] 大连：大连理工大学， 2008.

[2] 张星. 国外典型航空发动机连续式涡轮试验器简介[R]内燃机与配件，2020.3

[3] 张星，程俊华，万明学，杨珺. 涡轮试验中不确定度分析与误差分析的比较[R]现代制造技术与装备，2020.4

作者简介：

张星（1987年11月—）男，汉族，四川省广安市，硕士，工程师。研究方向：涡轮试验研究。