微型燃气轮机原表面回热器应力有限元分析
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作者简介 ： 桂小红 （９ ６一 ， ， １７ ） 男 安徽省安庆市人 ， 士 ， 博 助理研究员 ， 研究方 向为太 阳能发 电、 微燃气轮机 、 高温热管 、 多相 流及相变传 热。
第 １ 期
来自百度文库
微 型 燃 气 轮 机 原 表 面 回 热 器 应 力 有 限 元分 析
２ １
热应 力 问题 实 际上是 热 和应力 两 个物 理场 之 间 的耦 合 问题 ， 直接 法 和 间接 法 两 种 分 析 方 法 。直 有 接法 是指 直 接采 用具 有温 度 和位移 自由度 的耦 合单 元， 同时 得到 热 分 析 和结 构 应 力 分 析 的结 果 。 间接 法则 是 指先 进行 热 分 析 ， 后 把 求 得 的节 点温 度作 然
对 回热器的应力影响 。分析结果表明 ： 不考虑 热应力 ， 只计及 压力 时， 回热器 燃气 出 口侧最 大应力 和应 变高 于燃气进 口侧最大应力和应变 ； 与之相 反 ， 计及热应力时 ， 在压力 和温 度耦合作用下 ， 回热 器燃气进 口侧 最大 应力和应变高于燃气 出口侧最大应力和应变 ； 论是 计及 热应力还是 不考虑热应 力 ， 无 空气 通道 的波 谷处应力
第２ ５卷
第 １ 期
《 燃
气
轮
机
技
术》
Ｖ０．２ Ｎｏ １ ５ ．１ Ｍａ ．，２ ２ ｒ ０１
２１ ０ ２年 ３月
ＧＡＳ Ｔ ＵＲＢＩ ＮＥ ＴＥＣＨＮ０ＬｏＧＹ
微 型燃 气 轮 机 原 表 面 回热 器 应 力 有 限元分 析
桂 小红 闰润 生 程 言君 秦 志文 梁世 强 ， ， ， ，
（ ．中国科 学院工 程热 物理研 究所 ， １ 北京
摘
１ ０ ９ ； ．轻 工 业环境保 护研 究所 ， 京 ０ １０ ２ 北
１０８ ） ００９
要： 本文通过建立微 型燃 气轮机 Ｃ Ｃｏｓ ｖ ） Ｗ（ ｒ ｙ 原表面 回热器热 结构耦合有 限元 分析模型 ， 其在设 ｓ Ｗａ 对
计 工况下运行后的应力进行了有限元分析 ， 验证 了回热器 所选材料 的可靠 性 ， 并分析 了压 比和燃气入 口温度
一
一
电网 的 缺 陷 ， 应 当 今 电 力 工 业 深 化 变 革 的 需 适
回热 器 由若 干 换 热 单 元 组 成 ， 个 换 热 单 元 每
包 括 一 对 Ｃ 原 表 面 换 热 片 ， 接 在 一 起 构 成 空 Ｗ 焊
要， 为办 公 分 散化 、 产 规 模 小 型 化 提 供 了 安 全 可 生 靠 的动 力 和 能 源 ， 人 称 它 为 ２ 有 １世 纪 的 动 力 幻 想， 市场 前 景 广 阔 。 微 型燃 气轮 机主 要 由离心压 气机 、 向心透平 、 燃
气通道 ， 单元之间是燃气 通道。如图 １ 所示 ， 单元
的各 个 横 截 面 形 状 是 相 同 的 ， 气 通 道 和 燃 气 通 空
道 相 问排 列 ， 此 可 建 立 二 维 模 型 进 行 应 力 和 应 因 变计 算 。 换 热 片 材 料 选 用 ０ ｒ７ ｉ２ ２ Ｃ ｌ Ｎ ｌ Ｍｏ 。几 何 结 构 参 数为 ： 节距 Ｐ＝ ． ｍ， 度 Ｈ＝１ ８ｍｌ 燃 气 通道 １ ８ｍ 高 ． ｉ， ｌ
收 稿 日期 ：０ Ｉ ８ ０ 改 稿 日期 ：０ １ ０—１ ２ １ 一０ —１ ２ １ 一１ ３
直径 Ｗ ＝１１ｍ 空气 通道 直径 Ｗａ＝ ． ｍ， ｇ ． ｍ， ｉ ０７ｍ 壁
面厚 度 ０ １ｍ ． ｍ。
基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目（ ｏ５ ９ ６ １ ） Ｎ ：０７ １８ 。
烧室、 回热 器等 组成 。为 了使微 型燃机 效率 达到 ３ ％ ， 用 回热循 环 是 关 键 所 在 。 回热器 在 具 备 换 ０ 采
热 效率 高 、 压力损 失 低 、 形 尺 寸 小 、 量 轻 等 特点 外 重 的 同时 ， 还应 具 有 较 高 的运 行 可 靠 性 和 耐用 性 。在 高 温高 压 的工作 环 境 中 ， 回热器 通 道 内部 会 产 生较 大 应力 和应 变 ， 体通 道 发 生 变 形 ， 响 气 流流 通 ， 气 影
甚 至导致 换热 单元 片 的破 裂 和 回热 器 的报 废 ， 因此
分 析 回热 器应 力 、 应变 和形变 情况 十分 必要 。
１ 微 型 燃 气 轮 机 回热 器 应 力 、 变 和 应
形变 有 限元 分 析
１ １ 物 理模 型及 边界条 件 ．
燃料综合利 用率 ， 其综 合效益 不低 于甚 至高于统 电 网 用 电Ｅ 。微 型 燃 气 轮 机 的 出现 ， 避 免 统 为
最大 ， 且 应 力 沿波 谷 处 左 右对 称 分 布 ， 及 热应 力 后 ， 最 大 应力 增 长 较 大 ， 应 各处 增 幅 最 高达 到 并 计 其 对
３．％ ； ４ １ 回热器空气通道 向燃气通道侧变形 ， 空气 通道 变大 ， 燃气通道减小 ； 随着空气侧 和燃气侧压 比的增 加 ， 回热器通道 的最大应力也 随之增加 ， 当压 比增加到 ８４时， ． 已达到换热片材料的强度极 限 ； 当燃气与空气 出 口 温度不变 、 回热度减小 时 ， 随着燃气入 口温度增加 ， 最大 应力 随之 增加 ， 燃气入 口温度 每增加 ５ 回热器最 ０ Ｋ， 大应力增加约 ２ ３ＭＰ 。研究结果 为 回热 器的设计 提供 了一定的参考 依据 。 ． ａ
关 键 词： 回热 器 ； 力 ； 比 ； 度 应 压 温 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： ０ １ ９—２８ （０ ２ ０ — ００—０ ０ ８９２ １）１ ０２ ７
中 图分 类号 ：Ｋ ７ Ｔ ４２
燃气 轮 机 分 布 式 发 电装 置 简 便 、 动 灵 活 ， 机 不 仅 可提 供 不 同档 次 的 电 源 ， 用 担 心 统 一 电 网故 不 障 、 距 离输 送 带 来 的损 失 ， 且 还 是 很 好 的应 急 远 而 发 电设 备 。通 过 燃 气 余 热 利 用 ， 可 进 一 步 提 高 还
第 １ 期
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微 型 燃 气 轮 机 原 表 面 回 热 器 应 力 有 限 元分 析
２ １
热应 力 问题 实 际上是 热 和应力 两 个物 理场 之 间 的耦 合 问题 ， 直接 法 和 间接 法 两 种 分 析 方 法 。直 有 接法 是指 直 接采 用具 有温 度 和位移 自由度 的耦 合单 元， 同时 得到 热 分 析 和结 构 应 力 分 析 的结 果 。 间接 法则 是 指先 进行 热 分 析 ， 后 把 求 得 的节 点温 度作 然
对 回热器的应力影响 。分析结果表明 ： 不考虑 热应力 ， 只计及 压力 时， 回热器 燃气 出 口侧最 大应力 和应 变高 于燃气进 口侧最大应力和应变 ； 与之相 反 ， 计及热应力时 ， 在压力 和温 度耦合作用下 ， 回热 器燃气进 口侧 最大 应力和应变高于燃气 出口侧最大应力和应变 ； 论是 计及 热应力还是 不考虑热应 力 ， 无 空气 通道 的波 谷处应力
第２ ５卷
第 １ 期
《 燃
气
轮
机
技
术》
Ｖ０．２ Ｎｏ １ ５ ．１ Ｍａ ．，２ ２ ｒ ０１
２１ ０ ２年 ３月
ＧＡＳ Ｔ ＵＲＢＩ ＮＥ ＴＥＣＨＮ０ＬｏＧＹ
微 型燃 气 轮 机 原 表 面 回热 器 应 力 有 限元分 析
桂 小红 闰润 生 程 言君 秦 志文 梁世 强 ， ， ， ，
（ ．中国科 学院工 程热 物理研 究所 ， １ 北京
摘
１ ０ ９ ； ．轻 工 业环境保 护研 究所 ， 京 ０ １０ ２ 北
１０８ ） ００９
要： 本文通过建立微 型燃 气轮机 Ｃ Ｃｏｓ ｖ ） Ｗ（ ｒ ｙ 原表面 回热器热 结构耦合有 限元 分析模型 ， 其在设 ｓ Ｗａ 对
计 工况下运行后的应力进行了有限元分析 ， 验证 了回热器 所选材料 的可靠 性 ， 并分析 了压 比和燃气入 口温度
一
一
电网 的 缺 陷 ， 应 当 今 电 力 工 业 深 化 变 革 的 需 适
回热 器 由若 干 换 热 单 元 组 成 ， 个 换 热 单 元 每
包 括 一 对 Ｃ 原 表 面 换 热 片 ， 接 在 一 起 构 成 空 Ｗ 焊
要， 为办 公 分 散化 、 产 规 模 小 型 化 提 供 了 安 全 可 生 靠 的动 力 和 能 源 ， 人 称 它 为 ２ 有 １世 纪 的 动 力 幻 想， 市场 前 景 广 阔 。 微 型燃 气轮 机主 要 由离心压 气机 、 向心透平 、 燃
气通道 ， 单元之间是燃气 通道。如图 １ 所示 ， 单元
的各 个 横 截 面 形 状 是 相 同 的 ， 气 通 道 和 燃 气 通 空
道 相 问排 列 ， 此 可 建 立 二 维 模 型 进 行 应 力 和 应 因 变计 算 。 换 热 片 材 料 选 用 ０ ｒ７ ｉ２ ２ Ｃ ｌ Ｎ ｌ Ｍｏ 。几 何 结 构 参 数为 ： 节距 Ｐ＝ ． ｍ， 度 Ｈ＝１ ８ｍｌ 燃 气 通道 １ ８ｍ 高 ． ｉ， ｌ
收 稿 日期 ：０ Ｉ ８ ０ 改 稿 日期 ：０ １ ０—１ ２ １ 一０ —１ ２ １ 一１ ３
直径 Ｗ ＝１１ｍ 空气 通道 直径 Ｗａ＝ ． ｍ， ｇ ． ｍ， ｉ ０７ｍ 壁
面厚 度 ０ １ｍ ． ｍ。
基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目（ ｏ５ ９ ６ １ ） Ｎ ：０７ １８ 。
烧室、 回热 器等 组成 。为 了使微 型燃机 效率 达到 ３ ％ ， 用 回热循 环 是 关 键 所 在 。 回热器 在 具 备 换 ０ 采
热 效率 高 、 压力损 失 低 、 形 尺 寸 小 、 量 轻 等 特点 外 重 的 同时 ， 还应 具 有 较 高 的运 行 可 靠 性 和 耐用 性 。在 高 温高 压 的工作 环 境 中 ， 回热器 通 道 内部 会 产 生较 大 应力 和应 变 ， 体通 道 发 生 变 形 ， 响 气 流流 通 ， 气 影
甚 至导致 换热 单元 片 的破 裂 和 回热 器 的报 废 ， 因此
分 析 回热 器应 力 、 应变 和形变 情况 十分 必要 。
１ 微 型 燃 气 轮 机 回热 器 应 力 、 变 和 应
形变 有 限元 分 析
１ １ 物 理模 型及 边界条 件 ．
燃料综合利 用率 ， 其综 合效益 不低 于甚 至高于统 电 网 用 电Ｅ 。微 型 燃 气 轮 机 的 出现 ， 避 免 统 为
最大 ， 且 应 力 沿波 谷 处 左 右对 称 分 布 ， 及 热应 力 后 ， 最 大 应力 增 长 较 大 ， 应 各处 增 幅 最 高达 到 并 计 其 对
３．％ ； ４ １ 回热器空气通道 向燃气通道侧变形 ， 空气 通道 变大 ， 燃气通道减小 ； 随着空气侧 和燃气侧压 比的增 加 ， 回热器通道 的最大应力也 随之增加 ， 当压 比增加到 ８４时， ． 已达到换热片材料的强度极 限 ； 当燃气与空气 出 口 温度不变 、 回热度减小 时 ， 随着燃气入 口温度增加 ， 最大 应力 随之 增加 ， 燃气入 口温度 每增加 ５ 回热器最 ０ Ｋ， 大应力增加约 ２ ３ＭＰ 。研究结果 为 回热 器的设计 提供 了一定的参考 依据 。 ． ａ
关 键 词： 回热 器 ； 力 ； 比 ； 度 应 压 温 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： ０ １ ９—２８ （０ ２ ０ — ００—０ ０ ８９２ １）１ ０２ ７
中 图分 类号 ：Ｋ ７ Ｔ ４２
燃气 轮 机 分 布 式 发 电装 置 简 便 、 动 灵 活 ， 机 不 仅 可提 供 不 同档 次 的 电 源 ， 用 担 心 统 一 电 网故 不 障 、 距 离输 送 带 来 的损 失 ， 且 还 是 很 好 的应 急 远 而 发 电设 备 。通 过 燃 气 余 热 利 用 ， 可 进 一 步 提 高 还