船用燃?xì)廨啓C進氣系統(tǒng)氣動性能數(shù)值模擬

陳昌榮， 關(guān)國偉， 甘作為

(渤海裝備公司研究院 海工裝備分院， 遼寧 盤錦 124010)

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船用燃?xì)廨啓C進氣系統(tǒng)氣動性能數(shù)值模擬

陳昌榮， 關(guān)國偉， 甘作為

(渤海裝備公司研究院 海工裝備分院， 遼寧 盤錦 124010)

為了保證燃?xì)廨啓C運行過程中流經(jīng)進氣穩(wěn)壓室的氣流應(yīng)盡量均勻，以免造成壓氣機的喘振和整個動力裝置性能的不穩(wěn)定，建立三種不同模型，分別對其進行數(shù)值模擬，從阻力特性和速度均勻性兩方面分析是否影響進氣系統(tǒng)的流場。結(jié)果表明：速度隨進氣的推進呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。濾器的布置對進氣系統(tǒng)的阻力特性有較大影響。

數(shù)值模擬 燃?xì)廨啓C 穩(wěn)壓室

0 引言

在現(xiàn)代軍艦動力方案的選擇上，燃?xì)廨啓C的主要競爭對手是艦用柴油機和艦用蒸汽輪機，但由于燃?xì)廨啓C與軍艦動力系統(tǒng)性能要求更為吻合，故成為了各個軍艦動力系統(tǒng)發(fā)展的唯一選擇。燃?xì)廨啓C的功率密度極大、啟動速度快、噪聲低頻分量很低，這就使得燃?xì)廨啓C使用范圍日益擴大。

但高性能船舶燃?xì)廨啓C進氣流量較大。假如進氣流場中的氣流流場發(fā)生突變會使壓氣機效率降低，并且喘振裕度會一定程度地影響到燃機的穩(wěn)定工作，所以大多數(shù)燃機對進氣氣流的均勻度要求會很嚴(yán)格。通常情況下需在燃機進氣口前端加裝進氣穩(wěn)壓室，對其中進氣流場中的氣流進行疏通和組織，從而使燃機能在任何工況下都可以穩(wěn)定地工作。可船舶甲板布局會對其產(chǎn)生限制，進氣穩(wěn)壓室的穩(wěn)壓空間會很有限。為了在有限的空間中讓進氣系統(tǒng)能夠擁有良好的氣動性能，必須進行進氣流場的數(shù)值模擬計算以及優(yōu)化的設(shè)計和研究，從而為船舶的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

1.1 可壓縮粘性流動的Navier-Stokes方程

守恒型的質(zhì)量、動量和能量方程為

-

1.2 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程中，k和ε是兩個基本未知量，與之相對應(yīng)的運輸方程為[11]

式中：Gk為湍動能k生成的項；Gb為湍動能k生成的項；YM為可壓湍流脈動擴張進行的貢獻；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗常數(shù)；σk和σε分別為與湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε為用戶自己定義的原項。

1.3 控制方程離散

有限體積法關(guān)鍵的方法就是將控制微分方程式在控制容積內(nèi)進行積分，即

關(guān)于瞬間變化狀態(tài)的問題，我們需要對時間間隔△t進行積分，以表明從此刻t到時刻(t+△t)的時間段內(nèi)φ仍保持其守恒性。

2 計算結(jié)果與討論

穩(wěn)壓室的外形設(shè)計應(yīng)該符合流體動力學(xué)要求。此外，整個進氣系統(tǒng)穩(wěn)壓室是其源頭部分，是動力裝置的關(guān)鍵部件，為其設(shè)計外形還要考慮到整船的協(xié)調(diào)性。動力裝置對穩(wěn)壓室的要求是保證其有足夠穩(wěn)定的氣流。下游進氣道部位設(shè)計的也比較大，這樣通過穩(wěn)壓室的氣流流速不會太高，有利于降低壓力損失。裝置的幾何尺寸如下。

穩(wěn)壓室主體長×寬×高：5 000 mm×6 000 mm×3 000 mm；

進氣豎井長×寬×高：6 000 mm×1 500 mm×1 500 mm；

進氣豎井橫放部分長×寬×高：3 000 mm×1 500 mm×1 500 mm。

設(shè)計了用于模擬試驗的三個模型，每個模型對應(yīng)一個方案，每個方案根據(jù)穩(wěn)壓室中濾器位置的不同布置進行區(qū)分。具體如圖1～圖3所示。

圖1 方案一模型

圖2 方案二模型

圖3 方案三模型

方案一在進氣面附有濾器，氣流經(jīng)過百葉窗后通過濾器直接進入穩(wěn)壓室，最后經(jīng)過進氣豎井折轉(zhuǎn)進入壓氣機；方案二則是在方案一的基礎(chǔ)上增加穩(wěn)壓室的側(cè)向進氣，氣流經(jīng)過正面百葉窗后流向穩(wěn)壓室，另一部分的氣流從側(cè)向流入，這樣增加了進氣面積，同時兩股氣流交匯可以達到一定的穩(wěn)壓和降速作用；方案三則采用對稱式彎曲進氣，這樣改造后，增加了進氣面積，改變了氣流進氣方向，通過這樣的改變觀察進氣面積對氣流的影響。以上三種方案意在從改變進氣面積和氣流方向兩個因素來觀察其對進氣系統(tǒng)阻力特性的影響。

2.1 方案一結(jié)果分析

方案一速度流線圖和速度分布等值線圖分別如圖4、圖5所示。其通過不同的方向來展示流場速度分布狀況。以上的各個圖按速度大致可以將流場分為三個部分：第一部分為低速區(qū)，進氣穩(wěn)壓室還有經(jīng)過百葉窗之后的通流部分，這部分氣流速度較慢是因為進口面積比較大，即進氣濾清器的面積較大，而且沒有存在較大折轉(zhuǎn)；第二部分為高速區(qū)，即進氣道和壓氣機部分，這是由于氣體進入通道瞬間通道面積變小，壓氣機部分進氣口面積較之更?。坏谌糠譃檫^渡區(qū)，由高速區(qū)向低速區(qū)過渡的部分，也可以稱之為導(dǎo)流段。在過渡段中，這一部分截面面積會減小，所以氣流速度逐漸增大。在整個計算域流場中，出現(xiàn)這種分布規(guī)律的原因在前面已經(jīng)分析過，是由于從進氣穩(wěn)壓室截面到壓氣機進口截面面積急劇減小，但氣流的密度變化不大，根據(jù)連續(xù)方程為常數(shù)，我們可以知道，氣流的速度必然會增大，這相當(dāng)于漸縮噴管的作用。

圖4 方案一速度流線圖

圖5 方案一速度分布等值線圖

圖6為方案一的計算流體區(qū)域中間截面總壓分布示意圖。由圖可知，總壓在進口穩(wěn)壓室分布較不均勻，進入進氣道后部分壓力有所降低。從壓力分布上我們還可以看到經(jīng)過濾器部分壓力會驟降，這和所設(shè)置的多孔介質(zhì)邊界條件有關(guān)，經(jīng)過濾器壓力會有所損耗。當(dāng)流體經(jīng)過進氣道折轉(zhuǎn)時也會產(chǎn)生壓降，這是由于經(jīng)過折轉(zhuǎn)會產(chǎn)生壓損及二次流等損失使壓力降低。從圖6中可以得出其他計算區(qū)域總壓分布更不均勻，在過渡段和壓氣機段其分布規(guī)律是沿徑向由內(nèi)環(huán)到外環(huán)逐漸減小，而且在靠近濾清器一側(cè)和下側(cè)總壓要比相對應(yīng)的兩側(cè)小。

圖6 方案一中間截面總壓分布圖

2.2 方案二結(jié)果分析

模型二與模型一相比進氣部分有一定改動，因此進氣流場會發(fā)生一定的變化。氣體經(jīng)過百葉窗后，部分氣體沒有直接從穩(wěn)壓室正面流入，而是經(jīng)過一定折轉(zhuǎn)從穩(wěn)壓室側(cè)向進入，兩部分氣體經(jīng)過濾器后在穩(wěn)壓室部分進行匯合。從速度流線的分布可以明確地看出同樣整個流體區(qū)域可以大致分為三個部分：低速區(qū)、高速去、過渡區(qū)。氣體經(jīng)濾器進入穩(wěn)壓室速度大小較為均勻，沒有較大改變，而在壓氣機進口部分速度較大，這在之前的模型中也分析過。當(dāng)氣體在穩(wěn)壓室以及管道之間時，則會處于過渡狀態(tài)。從側(cè)向進入的氣體在與正面進入氣流交匯時，會使氣流產(chǎn)生一定的減速作用，這也是模型二不同于模型一對氣流的影響作用。方案二流線圖和中間截面速度等值線圖分別如圖7、圖8所示。

圖7 方案二流線圖

圖8 方案二中間截面速度等值線圖

圖9為方案二計算流體區(qū)域中間截面總壓分布示意圖。由圖9可知，總壓在進口穩(wěn)壓室分布均勻，進入進氣道后部分壓力有降低。同樣經(jīng)過濾器部分壓力會驟降，這和所設(shè)置的多孔介質(zhì)邊界條件有關(guān)，經(jīng)過濾器壓力會有所損耗。從圖9中可以得出所有計算區(qū)域總壓分布均勻，在過渡段和壓氣機段其分布變化規(guī)律也較為均勻，僅在外環(huán)處有少許壓力降，總體來說此方案壓力分布均勻合理。

圖9 方案二中間截面總壓分布圖

2.3 方案三結(jié)果分析

方案三模型較方案一、方案二有較大改變，流體進入穩(wěn)壓室的方式和方向有別于前兩種方案。氣流沿著三個不同方向進入穩(wěn)壓室進行交匯，然后經(jīng)整流進入進氣道，最后經(jīng)折轉(zhuǎn)進入壓氣機。同樣根據(jù)速度的分布以及大小可以將流體區(qū)域分為三個部分，即高速區(qū)、低速區(qū)、過渡區(qū)。同樣也是由于流體在不均勻管徑的的作用下，速度發(fā)生相應(yīng)的變化。方案三速度流線和中間截面速度等值線圖分別如圖10、圖11所示。

圖10 方案三速度流線

圖11 方案三中間截面速度等值線圖

圖12為方案三流體區(qū)域中間截面的總壓分布圖。由圖12可知，壓力在進口部分和穩(wěn)壓室部分分布最為均勻，進入通道由于突縮突轉(zhuǎn)的原因會使壓力產(chǎn)生一定的損失，同時氣流經(jīng)過濾器以及百葉會使壓力有所降低。從圖12中可以得出，其他計算區(qū)域總壓分布較方案一更為均勻，但比方案二均勻性差一些。在過渡段和壓氣機段其總壓分布變化規(guī)律整體較為均勻，僅在外環(huán)處有明顯的壓力降低?？傮w來說較此方案壓力分布比方案一好，但比方案二還差些。

圖12 方案三中間截面總壓分布圖

2.4 壓氣機進口面阻力特性

通過改變出口的壓力來控制整個計算流場的流量。采用這種方法，對每種方案都模擬了七組工況，然后得出每組工況下壓氣機進口考察面上的流量和壓力損失，給出了三種方案壓氣機進口考察面在不同工況下壓力損失的計算結(jié)果，同時給出了兩種方案壓氣機進口考察面阻力特性的二次曲線，并通過最終得到的阻力特性曲線來分析各個模型不同的進氣濾清器的擺設(shè)對進氣系統(tǒng)阻力特性的影響。

圖13表示了各模型流量與壓損的關(guān)系。從曲線圖上我們可以清晰地看到三個模型的流量壓損關(guān)系存在較大的差異，這些都是由于模型的濾器擺放位置以及通流面積不同所造成的。在通道結(jié)構(gòu)相同的情況下，改變?yōu)V器的擺放位置可以很大程度地影響流體流動，從而導(dǎo)致整個流體區(qū)域的氣動性能發(fā)生較大改變。模型一在相同流量下壓力損失最大，其次為模型三，模型二最小。首先對比模型一和模型二兩模型的不同之處在于模型二增加了穩(wěn)壓室的側(cè)向進氣，氣流從不同方向進入穩(wěn)壓室，一定程度地降低了氣流的速度，這對于穩(wěn)壓來說有較好的意義；另一方面增加了進氣面積分擔(dān)了一部分氣流同樣會降低速度，從而減小壓損。而對于模型一和模型三，模型三改變了進氣方向和面積采用了彎曲對稱的過濾面，改變了進氣方向使氣流從三個方向上進入。相對于模型一，模型三對氣流進入壓氣機起到一定的分流作用。從模型的模擬上來看模型三的速度流線較模型一的速度流線更為平緩，因而壓損稍小。

圖13 各模型流量壓損關(guān)系

2.5 壓氣機進口速度均勻性考察

速度均勻性是考量壓氣機進口速度畸變的一個重要性質(zhì)。對速度的均勻性考察可以首先從各模型出口速度的矢量圖來進行觀察，這可以在一定程度上定性地分析出其速度均勻性。

圖14～圖16分別為各模型出口界面速度矢量圖。氣流在出口截面速度的方向較為均勻，但是方案一與方案三在速度快慢方面存在比較大的差異，是不理想的方案，而方案二速度快慢的變化幅度較小，比較理想。方案一與方案三究其原因是：(1) 在穩(wěn)壓室進入進氣通道時氣流經(jīng)過較大的折轉(zhuǎn)，這時速度方向以及快慢會發(fā)生較大改變。氣流在進氣道部分就已經(jīng)不是十分均勻，從而導(dǎo)致在進入壓氣機進口時速度仍然不均勻，這一點由模型的速度流線圖也可容易觀察到。(2) 面積驟然減小。根據(jù)流體的連續(xù)性可知，這會使速度發(fā)生驟變。從而影響到后來進入壓氣機的速度變化，這些原因都成為阻礙其速度均勻的原因。

圖14 模型一出口面速度

圖15 模型二出口面速度

圖16 模型三出口面速度

方案二由于增加了側(cè)向的進氣口，增大了進氣面積，對速度的變化影響降到了最低。同時在穩(wěn)壓器備份不變的情況下，延長氣流流動距離，而后又進入加長的箱狀體，目的是延長其流動的距離以求穩(wěn)定。因此本方案基本達到了速度均勻性質(zhì)量的要求。

3 結(jié)論

通過以上的分析可以得出，方案二是最終的優(yōu)選方案。

在方案二的基礎(chǔ)上主要的改進思路為：(1) 對壓氣機箱狀體的體積進行改進，目的使箱狀體的空間增大，從而達到一定的穩(wěn)定氣流的作用；(2) 對進氣箱狀體縱向的長度進行延長，增大氣流的流動長度使氣流速度漸漸均勻；(3) 改進進氣彎道的彎度，減小氣流因突然折轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的速度變化。

通過數(shù)值模擬得出了計算域流場中速度、壓力等物理參數(shù)的分布情況，并對其分布規(guī)律加以總結(jié)。本文的研究可以為燃?xì)廨啓C進氣穩(wěn)壓室的設(shè)計提供技術(shù)支持。

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Numerical Simulation of the Aerodynamic Performance of Marine Gas Turbine Intake System

CHEN Chang-rong, GUAN Guo-wei， Gan Zuo-wei

(Ocean Engineering Equipment Branch, Bohai Equipment Research Institute，Panjin Liaoning 124010, China)

In order to ensure the air flows through the intake plenum chamber as uniform as possible during running process of the gas turbine, and to avoid the instability of compressor surge and the dynamic performance of the device, three kinds of different models were established, and the numerical simulation was carried out. The flow field in the inlet system was analyzed from two aspects of the resistance characteristic and the velocity uniformity. The results show that the velocity increases with the air intake. The arrangement of the filter has a great influence on the resistance characteristic of the intake system.

Numerical simulation Gas turbine Intake plenum

陳昌榮(1986-)，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程總體設(shè)計研究。

U664

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