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CN102661972B - 燃气轮机隔热罩隔热性能的测定方法 - Google Patents

燃气轮机隔热罩隔热性能的测定方法 Download PDF

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CN102661972B
CN102661972B CN201210151139.7A CN201210151139A CN102661972B CN 102661972 B CN102661972 B CN 102661972B CN 201210151139 A CN201210151139 A CN 201210151139A CN 102661972 B CN102661972 B CN 102661972B
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佟玉康
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China Hangfa gas turbine Co.,Ltd.
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SHENYANG LIMING GAS TURBINE BRANCH BEIJING LIMING AERO-ENGINE POWER SCIENCE AND TECHNOLOGY CO LTD
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Abstract

本发明创造提供一种燃气轮机隔热罩，采用保温层结构，燃气轮机隔热罩从外至隔热罩内依次为不锈钢板、红外线反射板、高硅铝布、保温陶瓷棉、保温锆铝布和穿孔板。所述不锈钢板的厚度为2mm，红外线反射板的厚度为1mm，高硅铝布的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉的厚度为100mm，保温锆铝布的厚度为0.8mm，穿孔板的厚度为1.2mm。燃气轮机隔热性能的测定方法，以单层平壁稳定导热原理为基础，通过改变保温材料的材质和改变保温材料的厚度，以及改变隔热罩内部温度场，来测试在各种条件下能达到理想保温效果的保温材料及其保温层厚度。燃气轮机隔热罩具有良好的隔热效果，能够使燃气轮机平稳运行，并通过隔热性能的测定方法对燃气轮机隔热罩的可靠性进行充分验证。

Description

燃气轮机隔热罩隔热性能的测定方法
技术领域
本发明创造涉及一种燃气轮机隔热罩及其隔热性能的测定方法，燃气轮机隔热罩用于对燃气轮机进行隔热，其隔热性能的测定方法用于对其隔热效果进行验证。 
背景技术
近年来，燃气轮机在各个领域的应用越来越多，但由于燃气轮机的燃烧室部位和动力涡轮部位散热较集中，致使这个部位空间温度过高。长时间过高的温度会影响燃气轮机的正常工作，严重时甚至损坏燃气轮机，这样就造成了很大的经济损失。 
传统的，保温材料的导热系数采用专业的导热系数测定仪来精确测定，但是这种测定方法比较适用于条件较好的从事保温材料专业工作的科研、设计、生产单位等。 
发明内容
本发明创造的目的是提供一种燃气轮机隔热罩及其隔热性能的测定方法，燃气轮机隔热罩具有良好的隔热效果，能够使燃气轮机平稳运行，并通过隔热性能的测定方法对燃气轮机隔热罩的可靠性进行充分验证。 
本发明创造的技术方案：燃气轮机隔热罩采用保温层结构，燃气轮机隔热罩从外至隔热罩内依次为不锈钢板、红外线反射板、高硅铝布、保温陶瓷棉、保温锆铝布和穿孔板。 
不锈钢板的材质为304钢板，红外线反射板的材质为铝，穿孔板的材质为钢。 
所述不锈钢板的厚度为1-3mm，红外线反射板的厚度为0.5-1.5mm，高硅铝布的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉的厚度为50-100mm，保温锆铝布的厚度为0.8mm，穿孔板的厚度为1-2mm。 
所述不锈钢板的厚度为2mm，红外线反射板的厚度为1mm，高硅铝布的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉的厚度为100mm，保温锆铝布的厚度为0.8mm，穿孔板的厚度为1.2mm。 
燃气轮机隔热罩的隔热性能的测定方法，具体方法如下： 
1）制作保温筒体和保温堵板，保温筒体和保温堵板构成密闭腔室；
2）在保温筒体上安装两对电偶插座，每对电偶插座分别置于保温筒体的内外两侧且位置对应，电偶插座上放有电偶，一对电偶通过导线与一个数显式多点测温仪连接；
3）密闭腔室内放有电热炉，电热炉通过导线与密闭腔室内外的加热装置连接；
4）本测定方法以单层平壁稳定导热原理为基础，单层平壁保温层传导的热量Q：Q= ，
保温层外壁散热量Qs：Qs= ，
由于稳定导热，Q=Qs，即= ，
可得： /(m.k) ，
其中，Q-保温层传导热量，W；
Qs-保温层外壁散热量，W；
λ-保温材料导热系数，/(m.k)；
δ-保温层厚度，m；
F-垂直于热流方向的表面积，m2；
Fwb-保温层外壁面积，m2；
twa-保温层内壁温度，℃；
twb-保温层外壁温度，℃；
t0-环境温度，℃；
-保温层外壁向外界传热的综合换热系数，W/（m2.k）；
5）通过改变保温材料的材质和改变保温材料的厚度，以及改变隔热罩内部温度场，来测试在各种条件下能达到理想保温效果的保温材料及其保温层厚度；
6)分别记录以上各种条件下的保温数据并进行对比，得到保温效果最好且能满足温度要求的保温材料及在不同温度场下的最好的保温厚度。
本发明创造的有益效果：不锈钢板起到支撑整个隔热罩的作用，红外线反射板将向外辐射的热量折回到隔热罩内部，减少向外辐射的热量，高硅铝布对保温陶瓷棉起到保温作用，保温陶瓷棉具有良好的隔热效果，保温锆铝布起到对保温陶瓷棉整体的外层支撑作用,防止保温陶瓷棉的焦化，穿孔板用于传递热量；隔热罩中，不锈钢板的厚度为2mm，红外线反射板的厚度为1mm，高硅铝布的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉的厚度为100mm，保温锆铝布的厚度为0.8mm，穿孔板的厚度为1.2mm，使得隔热罩具有良好的隔热效果，且能够保证燃气轮机的整体运行，延长了燃气轮机的使用寿命；以单层平壁稳定导热原理为基础采用的隔热性能的测定方法，充分且准确的验证了隔热罩的隔热效果。 
附图说明
图1 为燃气轮机隔热罩的结构示意图。 
图2为燃气轮机隔热罩隔热性能的测定装置示意图。 
图3为图2的侧视图。 
图4为保温层的结构示意图。 
具体实施方式
如图1和图4所示，燃气轮机隔热罩，燃气轮机隔热罩从外至隔热罩内依次为不锈钢板（6）、红外线反射板（7）、高硅铝布（8）、保温陶瓷棉（9）、保温锆铝布（10）和穿孔板（11）。 
不锈钢板（6）的材质为304钢板，红外线反射板（7）的材质为铝，穿孔板（11）的材质为钢。 
所述不锈钢板（6）的厚度为1-3mm，红外线反射板（7）的厚度为0.5-1.5mm，高硅铝布（8）的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉（9）的厚度为50-100mm，保温锆铝布（10）的厚度为0.8mm，穿孔板（11）的厚度为1-2mm。 
所述不锈钢板（6）的厚度为2mm，红外线反射板（7）的厚度为1mm，高硅铝布（8）的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉（9）的厚度为100mm，保温锆铝布（10）的厚度为0.8mm，穿孔板（11）的厚度为1.2mm。 
如图2和图3所示，燃气轮机隔热罩隔热性能的测定方法，具体方法如下： 
1）制作保温筒体（1）和保温堵板（2），保温筒体（1）和保温堵板（2）构成密闭腔室；
2）在保温筒体（1）上安装两对电偶插座（3），每对电偶插座（3）分别置于保温筒体（1）的内外两侧且位置对应，电偶插座（3）上放有电偶，一对电偶通过导线与一个数显式多点测温仪（4）连接；
3）密闭腔室内放有电热炉，电热炉通过导线与密闭腔室内外的加热装置（5）连接；
4）本测定方法以单层平壁稳定导热原理为基础，单层平壁保温层传导的热量Q：Q=，
保温层外壁散热量Qs：Qs= ，
由于稳定导热，Q=Qs，即= ，
可得： /(m.k)，见表1；
其中，Q-保温层传导热量，W；
Qs-保温层外壁散热量，W；
λ-保温材料导热系数，/(m.k)；
δ-保温层厚度，m；
F-垂直于热流方向的表面积，m2；
Fwb-保温层外壁面积，m2；
twa-保温层内壁温度，℃；
twb-保温层外壁温度，℃；
t0-环境温度，℃；
-保温层外壁向外界传热的综合换热系数，W/（m2.k）；
5）通过改变保温材料的材质和改变保温材料的厚度，以及改变隔热罩内部温度场，来测试在各种条件下能达到理想保温效果的保温材料及其保温层厚度；
6)分别记录以上各种条件下的保温数据并进行对比，得到保温效果最好且能满足温度要求的保温材料及在不同温度场下的最好的保温厚度。
表1 
 上述试验中发现，304不锈钢板在低于2mm时焊接易产生变形，不能够达到隔热罩整体要求。因此，不锈钢板6（304钢板）的厚度选择为2mm。
由于隔热罩的使用空间受限，因此，隔热罩的最大厚度为100mm。 
实施例一：不锈钢板（6）的厚度为2mm，耐高温铝布的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉（9）的厚度为100mm，保温锆铝布（10）的厚度为0.8mm，穿孔板（11）的厚度为2mm，总厚度为105.7mm，然后将隔热罩整体厚度压缩到100mm，测试隔热罩内部温度场分别300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃时隔热罩的隔热效果及其各保温层的导热系数，参见表2。 
表2 
项目 单位 数据来源 测点面积 保温结构厚度 热源温度 炉膛测点A温度 外壁测点A温度 炉膛测点B温度 外壁测点B温度 环境温度
保温测试 cm 实测 5*10 10 300℃ 300℃ 48℃ 300℃ 47℃ 17℃
保温测试 cm 实测 5*10 10 350℃ 350℃ 62℃ 350℃ 60℃ 16℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 400℃ 400℃ 79℃ 400℃ 77℃ 16℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 450℃ 450℃ 91℃ 450℃ 90℃ 18℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 500℃ 500℃ 101℃ 500℃ 98℃ 17℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 550℃ 550℃ 150℃ 550℃ 148℃ 19℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 600℃ 600℃ 198℃ 600℃ 195℃ 17℃
由表1可以看出：当实验进行到600摄氏度时,隔热罩外壁温度已经达到195℃,由于温度过高,已经没有继续试验的必要，因此，终止了此次试验， 进行了保温罩的重新设计工作。
实施例二：在实施例一的基础上增加了红外线反射板（7），红外线反射板（7）的厚度为1.5mm，然后将隔热罩整体厚度压缩到100mm，测试隔热罩内部温度场分别300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃时隔热罩的隔热效果，参见表3。 
表3   
项目 单位 数据来源 测点面积 保温结构厚度 热源温度 炉膛测点A温度 外壁测点A温度 炉膛测点B温度 外壁测点B温度 环境温度
保温测试 cm 实测 5*10 10 300℃ 300℃ 25℃ 300℃ 24℃ 12℃
保温测试 cm 实测 5*10 10 350℃ 350℃ 29℃ 350℃ 29℃ 12℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 400℃ 400℃ 31℃ 400℃ 30℃ 11℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 450℃ 450℃ 36℃ 450℃ 34℃ 11℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 500℃ 500℃ 42℃ 500℃ 40℃ 13℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 550℃ 550℃ 48℃ 550℃ 47℃ 13℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 600℃ 600℃ 53℃ 600℃ 51℃ 14℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 650℃ 650℃ 60℃ 647℃ 61℃ 14℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 700℃ 700℃ 66℃ 700℃ 65℃ 10℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 750℃ 750℃ 72℃ 750℃ 72℃ 11℃
保温测试 cm 实测 5*10  10 800℃ 800℃ 78℃ 800℃ 77℃ 12℃
保温测试 cm 实测 5*10  10  850℃ 850℃ 95℃ 850℃ 94℃ 12℃
由表3可以看出，虽然此次试验的试验结果令人满意，但是出现了两个非常严重的问题：
1．发现对保温陶瓷棉起到保护作用的耐高温铝布出现焦化严重的现象。已经不能对保温陶瓷棉起到保护的作用。如在燃气轮机上长期运行，必然会对保温陶瓷棉产生严重伤害，使保温罩没有耐久性，因此将耐高温铝布改为耐高温硅铝布；
2.  保温罩在安装在燃气轮机时，由于添加了红外线反射板后，整体重量增加，使整体燃气轮机负荷过重，产生喘振。燃气轮机如发生喘振将对燃气轮机的整体平稳运行与使用寿命造成严重伤害。而红外线反射板低于1mm时红外线反射效果将大大降低。因此在重新对隔热罩进行了新设计时，将红外线反射板的厚度选择为1mm，以达到燃气轮机减负的目的。
实施例三：不锈钢板（6）的厚度为2mm，红外线反射板（7）的厚度为1mm，高硅铝布（8）的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉（9）的厚度为100mm，保温锆铝布（10）的厚度为0.8mm，穿孔板（11）的厚度为2mm，总厚度为105.7mm，然后将隔热罩整体厚度压缩到100mm，测试隔热罩内部温度场分别300℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃时隔热罩的隔热效果及散热率，并通过保温罩平均导热系数 /(m.k)计算导热系数，参见表4。 
表4 
项目 单位 数据来源 测点面积 保温结构厚度 热源温度 炉膛测点A温度 外壁测点A温度 炉膛测点B温度 外壁测点B温度 环境温度 散热率
保温测试 cm 实测 5*10 10 300 ℃ 300 ℃ 26℃ 300 ℃ 23℃ 12℃ 95.14%
保温测试 cm 实测 5*10 10 350℃ 350℃ 30℃ 350 29℃ 12℃ 94.7%
保温测试 cm 实测 5*10  10 400℃ 400℃ 33℃ 400℃ 29℃ 11℃ 94.34%
保温测试 cm 实测 5*10  10 450℃ 450℃ 37℃ 450℃ 33℃ 11℃ 94.03%
保温测试 cm 实测 5*10  10 500℃ 500℃ 43℃ 500℃ 40℃ 13℃ 93.84%
保温测试 cm 实测 5*10  10 550℃ 550℃ 50℃ 550℃ 48℃ 13℃ 93.1%
保温测试 cm 实测 5*10  10 600℃ 600℃ 55℃ 600℃ 53℃ 14℃ 93%
保温测试 cm 实测 5*10  10 650℃ 650℃ 62℃ 647℃ 61℃ 14℃ 92.34%
保温测试 cm 实测 5*10  10 700℃ 700℃ 66℃ 700℃ 65℃ 10℃ 91.88%
保温测试 cm 实测 5*10  10 750℃ 750℃ 74℃ 750℃ 73℃ 11℃ 91.34%
保温测试 cm 实测 5*10  10 800℃ 800℃ 82℃ 800℃ 81℃ 12℃ 91.12%
保温测试 cm 实测 5*10  10  850℃ 850℃ 98℃ 850℃ 97℃ 12℃ 89.54%
实施例四：不锈钢板（6）的厚度为2mm，红外线反射板（7）的厚度为1mm，高硅铝布（8）的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉（9）的厚度为70mm，保温锆铝布（10）的厚度为0.8mm，穿孔板（11）的厚度为2mm，总厚度为75.7mm，然后将隔热罩整体厚度压缩到70mm，测试隔热罩内部温度场分别300℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃时隔热罩的隔热效果及其散热率，并通过保温罩平均导热系数 /(m.k)计算导热系数，参见表5。
表5 
项目 单位 数据来源 测点面积 保温结构厚度 热源温度 炉膛测点A温度 外壁测点A温度 炉膛测点B温度 外壁测点B温度 环境温度 散热率
保温测试 cm 实测 5*10  7 300℃ 300℃ 37℃ 300℃ 36℃ 11℃ 91.24%
保温测试 cm 实测 5*10  7 400℃ 400℃ 48℃ 400℃ 47℃ 11℃ 90.87%
保温测试 cm 实测 5*10  7 450℃ 450℃ 56℃ 450℃ 55℃ 11℃ 90.52%
保温测试 cm 实测 5*10  7 500℃ 500℃ 64℃ 500℃ 64℃ 10℃ 90.13%
保温测试 cm 实测 5*10  7 550℃ 550℃ 70 550℃ 69℃ 12℃ 89.46%
保温测试 cm 实测 5*10  7 600℃ 600℃ 77℃ 600℃ 76℃ 12℃ 89.01%
保温测试 cm 实测 5*10  7 650℃ 650℃ 86℃ 650℃ 85℃ 10℃ 88.59%
保温测试 cm 实测 5*10  7 700℃ 700℃ 96℃ 700℃ 95℃ 10℃ 88.07%
保温测试 cm 实测 5*10  7 750℃ 750℃ 107 750℃ 107℃ 10℃ 87.71%
保温测试 cm 实测 5*10  7 800℃ 800℃ 123℃ 800℃ 122℃ 10℃ 87.06%
保温测试 cm 实测 5*10  7 850℃ 850℃ 136℃ 850℃ 135℃ 13℃ 86.49%
实施例五：不锈钢板（6）的厚度为2mm，红外线反射板（7）的厚度为1mm，高硅铝布（8）的厚度为0.7mm，保温陶瓷棉（9）的厚度为50mm，保温锆铝布（10）的厚度为0.8mm，穿孔板（11）的厚度为2mm，总厚度为55.7mm，然后将隔热罩整体厚度压缩到50mm，测试隔热罩内部温度场分别300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃时隔热罩的隔热效果及散热率，并通过保温罩平均导热系数 计算导热系数，参见表6。
表6 
项目 单位 数据来源 测点面积 保温结构厚度 热源温度 炉膛测点A温度 外壁测点A温度 炉膛测点B温度 外壁测点B温度 环境温度 散热率
保温测试 cm 实测 5*10  5 300℃ 300℃ 47℃ 300℃ 46℃ 13℃ 88.04%
保温测试 cm 实测 5*10  5 400℃ 400℃ 65℃ 400℃ 64℃ 13℃ 87.14%
保温测试 cm 实测 5*10  5 450℃ 450℃ 75℃ 450℃ 74℃ 13℃ 86.09%
保温测试 cm 实测 5*10  5 500℃ 500℃ 85℃ 500℃ 84℃ 13℃ 84.66%
保温测试 cm 实测 5*10  5 550℃ 550℃ 94℃ 550℃ 93℃ 13℃ 83.98%
保温测试 cm 实测 5*10  5 600℃ 600℃ 105℃ 600℃ 104℃ 12℃ 81.27%
总结：保温材料的保温效果主要取决于保温材料导热系数和保温材料敷设的厚度，即保温层厚度。散热损失随保温层厚度增加而减少，但实际使用时保温层不宜过厚，需要综合考虑在不同温度下所对应的导热系数。因此，从表4-表6对比可以得出：表7为最优选择，此结构具有最好的隔热效果及散热效果，使燃气轮机平稳运行。
表7 
材质名称 材质厚度 材质密度 导热系数 散热率
穿孔板 1.2mm 钢板 21.49 0
保温锆铝布 0.8mm 0.42cm3 19.17 7.3%
保温陶瓷棉 100mm   0.80 62.7%
高硅铝布 0.7mm 0.33cm3 12 9.6%
铝板 1mm 铝板 0 14%
不锈钢板 2mm 304钢板 0 0

Claims (1)

1.一种燃气轮机隔热罩的隔热性能的测定方法，所述燃气轮机隔热罩采用保温层结构，燃气轮机隔热罩从外至隔热罩内依次为不锈钢板（6）、红外线反射板（7）、高硅铝布（8）、保温陶瓷棉（9）、保温锆铝布（10）和穿孔板（11），其隔热性能的测定方法具体如下：
1）制作保温筒体（1）和保温堵板（2），保温筒体（1）和保温堵板（2）构成密闭腔室，即形成燃气轮机隔热罩；
2）在保温筒体（1）上安装两对电偶插座（3），每对电偶插座（3）分别置于保温筒体（1）的内外两侧且位置对应，电偶插座（3）上放有电偶，一对电偶通过导线与一个数显式多点测温仪（4）连接；
3）密闭腔室内放有电热炉，电热炉通过导线与密闭腔室内外的加热装置（5）连接；
4）本测定方法以单层平壁稳定导热原理为基础，单层平壁保温层传导的热量Q：
其中，Q-保温层传导热量，W；
Qs-保温层外壁散热量，W；
λ-保温材料导热系数，/(m.k)；
δ-保温层厚度，m；
F-垂直于热流方向的表面积，m2；
Fwb-保温层外壁面积，m2；
twa-保温层内壁温度，℃；
twb-保温层外壁温度，℃；
t0-环境温度，℃；
-保温层外壁向外界传热的综合换热系数，W/（m2.k）；
5）通过改变保温材料的材质和改变保温材料的厚度，以及改变隔热罩内部温度场，来测试在各种条件下能达到理想保温效果的保温材料及其保温层厚度；
6)分别记录以上各种条件下的保温数据并进行对比，得到保温效果最好且能满足温度要求的保温材料及在不同温度场下的最好的保温厚度。
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