[發明專利]一種高溫燃氣通道設計方法

有效

• 申請號: 202110849455.0
• 申請日: 2021-07-27
• 公開（公告）號: CN113357054B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 鄒建軍;吳繼平;王振國;趙玉新;肖禮;徐萬武;成鵬;張家奇;楊帆;劉斌
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: F02K9/96
• 分類號: F02K9/96;F02K9/64;F02K9/60;F02K9/42
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 趙小龍

本發明公開了一種高溫燃氣通道設計方法，具體包括：獲取高溫燃氣通道沿程各位置所需傳導的最小熱流密度；基于最小熱流密度確定高溫燃氣通道沿程各位置所需傳導的實際熱流密度的取值范圍；基于冷卻劑的流量對冷卻槽的數目、槽寬與槽高進行匹配設計，并得到冷卻結構的傳熱系數；基于高溫燃氣通道沿程各位置所需傳導的實際熱流密度、冷卻結構的傳熱系數得到通道壁的導熱熱阻；選取設計參數取值以適應通道壁的導熱熱阻，所述尺寸參數包括環腔的層數、各壁面的厚度、各環腔的高度、各環腔內相鄰支撐肋之間的間距長度。通過對通道壁的具體尺寸進行優化設計，實現了高溫流體通道在保證安全工作前提下耗費工質熱沉最小。

技術領域

本發明涉及高溫燃氣通道設計技術領域，具體是一種高溫燃氣通道設計方法。

背景技術

在高溫燃氣通道的應用過程中，考慮到通道壁材料的耐高溫強度，高溫燃氣通道壁面一般有一個工作溫度上限，當流體溫度超過可用的材料溫度上限時，必須采用合適的熱疏導方案使得通道內壁溫度工作在材料可用極限溫度以下。

通常采用的可以長時間工作的熱疏導方案一般為主動冷卻方案，具體為采用一種冷卻工質流過壁面內部合理設置的流動通道，將超出燃氣通道內壁安全工作承受范圍的熱及時帶走，保持通道內壁溫度低于極限工作溫度，在此過程中冷卻工質溫度增加。但是在實際的應用過程中，往往需要讓高溫燃氣通道內壁盡可能工作在較為均勻且略低于其極限工作溫度的條件下。這種情況下采用上述主動冷卻方案，當冷卻流量、允許溫升、面積等不足時、冷卻劑的冷卻能力不足，會導致燃氣通道內壁過熱、冷卻失敗。但若是增加冷卻工質質量、允許的溫升、冷卻面積等過大，則又會導致傳導出來的熱流過多、耗費了過多的工質熱沉，造成能源浪費。可見在這種背景條件下，高溫燃氣通道的主動冷卻方案需要經過優化設計，使高溫燃氣通道在冷卻劑熱沉消耗盡可能低的條件下即保證其可靠工作。

發明內容

針對上述現有技術中的不足，本發明提供一種高溫燃氣通道設計方法，實現了高溫燃氣通道在保證安全工作前提下耗費工質熱沉最小。

為實現上述目的，本發明提供一種高溫燃氣通道設計方法，所述高溫燃氣通道包括通道壁與冷卻結構，所述通道壁包括若干筒狀結構的壁面，各所述壁面逐層套設，其中，相鄰的兩個壁面之間具有筒狀結構的環腔，且每相鄰的兩個壁面之間通過支撐肋相連，相鄰環腔中的支撐肋相互錯開，所述冷卻結構為沿周向間隔設在最外層的壁面上的若干冷卻槽，且最內層壁面上具有隔熱涂層；

所述設計方法具體包括：

步驟1，獲取高溫燃氣通道沿程各位置所需傳導的最小熱流密度；

步驟2，基于最小熱流密度確定高溫燃氣通道沿程各位置所需傳導的實際熱流密度的取值范圍；

步驟3，基于冷卻劑的流量對冷卻槽的數目、槽寬與槽高進行匹配設計，并得到冷卻結構的傳熱系數；

步驟4，基于高溫燃氣通道沿程各位置所需傳導的實際熱流密度、冷卻結構的傳熱系數得到通道壁的導熱熱阻；

步驟5，選取設計參數取值以適應步驟4中通道壁的導熱熱阻，所述設計參數包括環腔的層數、各壁面的厚度、各環腔的高度、各環腔內相鄰支撐肋之間的間距長度；

步驟6，對步驟5中的設計結果進行有限元計算校核，如超出約束條件，則修改實際熱流密度的取值范圍，重復開展步驟3-5，直到滿足約束條件。

在其中一個實施例中，步驟1中，

考慮燃氣輻射的情況下，所述最小熱流密度的獲取過程為：

q_min＝h_wg(T_aw-T_mh)+q_r (1)