基于場協同原理的燃氣主機箱體散熱分析及優化

摘要：為保證燃氣透平機組安全穩定運行，掌握主機箱體通風系統的換熱機制，開展了燃氣透平機組主機箱體通風散熱研究。基于場協同原理，對主機箱體內部流場、溫度場和關鍵設備的散熱性能進行分析，并提出加裝導流裝置的優化方案。結果表明，主機箱體內高溫區域體積占比達到7.6%，主要集中在燃氣輪機軸部件附近，該部件為主機箱體內主要熱源，外表面平均溫度高達86.94 ℃；加裝50°導流裝置后，主機箱體高溫區域體積占比減至5.1%，燃氣輪機軸外表面平均溫度降至81.98 ℃，散熱效果得到顯著提升。

關鍵詞：燃氣透平機組；通風散熱；數值模擬；場協同原理；優化設計

中圖分類號：TK474. 7 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 017

0 引言

主機箱體通風系統是燃氣透平機組通風散熱的重要部件。夏季高溫天氣，外界極端溫度達到40 ℃，燃氣透平機組運行時產生大量熱量聚集在主機箱體內部無法排出，整個機組處于“外烤內悶”環境中，導致主機箱體內部溫度驟升［1］。若箱體內部長期處于高溫狀態，燃氣輪機軸、進氣蝸殼及管線等關鍵設備溫度持續升高易使機組高溫報警停機，嚴重影響透平機組的工作效率與操作人員的安全［2］。

國內外學者對室內環境的通風散熱問題進行了諸多研究，研究方向主要集中于通過仿真軟件對密閉箱體和工業廠房通風散熱問題的模擬分析與優化［3-5］。例如，OU 等［6］通過仿真軟件研究液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas， LPG）汽車發動機艙的散熱性能，并從溫度場和流場相互作用角度闡釋發動機艙內局部高溫產生的機制，同時提出更改發動機內部部件布局，以提高其散熱效果。ZHAN 等［7］通過試驗研究了封閉腔體內部的散熱情況，發現熱源數量和間距都會影響腔內流動和傳熱。張馳宇等［8］通過多場耦合方法研究封閉腔體內器件的散熱問題，對比分析了通風口位置和腔體結構對散熱效果的影響，提出了在腔體內增加擋板來提高通風散熱效率。黃志強等［9］通過試驗和仿真研究了頁巖氣壓縮機撬裝模塊系統的散熱性能，并提出了進排風口布局優化方案來提升散熱效果。ABANTO等［10］研究了室內多熱源情況下的散熱效果，并提出熱源位置合理布置方法以強化散熱。

對流換熱是影響設備散熱的關鍵因素。過增元［11］首次提出了場協同原理，通過場協同角評價對流換熱的強弱。之后，越來越多的學者使用場協同角研究機械設備的散熱問題。LIU等［12］研究了超臨界CO2在塔式太陽能接收器中的流動與傳熱情況，并基于場協同原理設計了三角形肋接收管結構，以增強其對流換熱能力。朱兵國等［13］以場協同角為評價指標研究了超臨界CO2在漸縮管和漸擴管內的傳熱特性，并從類冷凝和湍流場分布角度闡釋了傳熱強化的物理機制。

目前，針對海上平臺燃氣透平機組主機箱體散熱問題的研究相對較少，并且少有學者注意大型設備內部高溫部件的散熱情況。因此，本文采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法，研究海上平臺QDR20B 型燃氣透平機組主機箱體內部流場和溫度場的分布規律，同時基于場協同原理分析主機箱體內關鍵設備的散熱效果，通過加裝導流裝置以強化高溫部件的對流換熱，并對比加裝角度下主機箱體內的溫度分布和高溫部件的場協同角大小，選出最佳角度，為工程設計提供參考。

1 燃氣透平機組主機箱體幾何結構

1. 1 幾何模型

本文研究對象為某2 MW海上平臺燃氣透平機組，該機組主機箱體通風系統主要由進氣系統、主機箱體、排氣系統、進氣蝸殼及燃氣輪機軸等組成，如圖1 所示。當機組工作時，排氣系統內的軸流風機先在主機箱體內產生負壓，使冷空氣從入口進入主機箱體，并與進氣蝸殼和燃氣輪機軸等部件進行對流換熱，最后通過出口排出主機箱體，從而達到散熱效果。