防冰裝置工作特性對壓氣機(jī)進(jìn)口溫度場的影響

姜 濤，易 一，周少偉，黃濟(jì)峰

（1.海裝重大專項裝備項目管理中心，北京 100071；2.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430063；4.北京航空航天大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

艦船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度較低、空氣濕度較大時，在進(jìn)氣道內(nèi)部、壓氣機(jī)入口和前幾級導(dǎo)葉和動葉上可能出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，結(jié)冰會給船用燃?xì)廨啓C(jī)的運行帶來很大危害，進(jìn)氣系統(tǒng)各部件結(jié)冰會導(dǎo)致速度場產(chǎn)生畸變、氣流產(chǎn)生局部分離、甚至有可能會引起壓氣機(jī)葉片的振動[1-3]。壓氣機(jī)進(jìn)口結(jié)冰，則減小了其通流面積和燃?xì)廨啓C(jī)的空氣流量減小，從而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的功率下降[4-5]。當(dāng)進(jìn)氣系統(tǒng)中結(jié)冰部位的冰層脫落，掉落下來的碎冰會隨著氣流吸入壓氣機(jī)內(nèi)部，像硬質(zhì)顆粒物一樣沖擊壓氣機(jī)導(dǎo)葉和具有很大轉(zhuǎn)速的動葉，造成葉片損傷甚至斷裂。因此，行之有效的艦船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣防冰裝置研究十分緊迫。PAPADAKIS[6]對不同攻角、空氣流速、短笛孔形狀、前緣蒙皮絕緣材料和外部流動的濕度等條件對機(jī)翼表面溫度分布的影響進(jìn)行了試驗研究。SAMMAK[7]對燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)冰機(jī)理、冰的基本物理性質(zhì)以及在燃?xì)廨啓C(jī)中可能形成的冰的類型進(jìn)行了較為全面的描述，并研究燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)不同風(fēng)速和不同環(huán)境條件下的結(jié)冰情況。務(wù)衛(wèi)濤等[8]采用理論分析和數(shù)值模擬等手段，發(fā)現(xiàn)引氣防冰裝置噴嘴的噴射角度越大、引氣壓力越大時，摻混后出口溫度和濕度分布更好。陳仁貴等[9]分析了國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)防冰技術(shù)的差異，認(rèn)為將防冰加熱裝置設(shè)置在濾芯前更好，可以同時起到濾清器、消音器和壓氣機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)葉3個部位的防冰作用。

前人的研究主要針對進(jìn)氣系統(tǒng)某個部件（如濾清器、進(jìn)口導(dǎo)葉等單個部件）進(jìn)行局部防除冰仿真，而本文對進(jìn)氣系統(tǒng)整體流場溫度場進(jìn)行了數(shù)值仿真，比較了2種防冰裝置的性能。本文針對某型號進(jìn)氣裝置結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模擬方法，在最大可持續(xù)功率（MCP）工況下對熱氣摻混和熱源加熱2種防冰裝置下的進(jìn)氣系統(tǒng)溫度場展開研究，通過分析壓氣機(jī)入口和濾清器入口平均溫度和溫度均方差，對比分析了2種防冰裝置的防冰性能以及兩種防冰裝置對進(jìn)氣道性能的影響。

1 進(jìn)氣道模型和防冰裝置模型

1.1 進(jìn)氣道模型

燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣道幾何模型包括：進(jìn)氣艙室、甲板百葉窗、進(jìn)氣百葉窗、進(jìn)氣濾清艙室、燃燒空氣濾清器、冷卻空氣濾清器、冷卻空氣出口、消音器、豎井、穩(wěn)壓室和壓氣機(jī)進(jìn)氣口。物理模型示意圖如圖1所示，局部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 進(jìn)氣道幾何模型

圖2 進(jìn)氣道局部結(jié)構(gòu)

1.2 防冰裝置模型

2種防冰裝置均設(shè)置在百葉窗后、濾清器前。船舶在海洋航行時，常有海水飛濺到進(jìn)氣系統(tǒng)入口處，經(jīng)過百葉窗的過濾可以除去大部分海水，防止海水腐蝕防冰裝置。放置在濾清器前，可以避免防冰裝置影響壓氣機(jī)入口處的流場，并能起到對濾清器、消音器、壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉3個部位的防冰作用。

1.2.1 熱氣摻混式防冰裝置

熱氣摻混式防冰裝置如圖3所示，從低壓壓氣機(jī)出口及進(jìn)氣艙內(nèi)通過管道引出熱空氣，均勻流入3根形狀相同但方向不同的熱氣分管，并在3個濾清器軸對稱線處朝著濾清器噴出（忽略進(jìn)氣道外部的管路設(shè)計）。其具體幾何尺寸為：熱氣分管距離濾清器200 mm，熱氣分管直徑為400 mm；每個熱氣分管均勻布置10組噴射孔，每4個噴射孔為1組，每2個噴射孔關(guān)于主流方向中心對稱。其中2排噴射孔噴射方向與濾清器進(jìn)氣方向垂直，另外2排噴射孔方向與濾清器進(jìn)氣方向呈±45°角，噴射孔直徑為30 mm，該防冰裝置共有120個射流孔。給定邊界條件為質(zhì)量入口，射流孔采用該分布有利于冷熱氣流摻混更均勻。

圖3 熱氣摻混式防冰裝置局部圖

1.2.2 熱源加熱式防冰裝置

圖4和圖5所示為熱源加熱式防冰裝置示意圖，該裝置管束管徑為60 mm，在濾清器入口有4排并行排列的換熱管，每排各有21根換熱管。每根管間間距S1＝100 mm，每排換熱管之間距離為S2＝80 mm，第1排管束距離濾清器60 mm。

圖4 熱源加熱式防冰裝置整體圖

圖5 熱源加熱式防冰裝置局部圖

2 理論計算

2.1 熱氣摻混理論計算

熱氣摻混過程可以近似為絕熱等壓過程，在不考慮熱損失的情況下，根據(jù)質(zhì)量和能量守恒，有

式中：qout為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量流量；qin為進(jìn)氣道入口空氣流量；qhot為引入熱氣流量；hout為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的比焓；hin為進(jìn)氣道入口空氣的比焓；hhot為引入熱氣的比焓。

由式（1）和式（2）聯(lián)立得

在溫度變化范圍不大的情況下，cp可近似為常數(shù)。則可寫為

壓氣機(jī)進(jìn)氣流量在MCP工況下為82.5 kg/s，即qout＝82.5 kg/s，且根據(jù)防冰要求，摻混后使得進(jìn)入濾清器的溫度達(dá)到278 K，即Tout＝278 K。分別取環(huán)境溫度為253 K、258 K、263 K、268 K、273 K和278 K，得到所需熱氣流量如表1所示。

表1 不同環(huán)境溫度下引氣所需流量

2.2 熱源加熱理論計算

本文所采用的換熱器為橫掠管束，可根據(jù)茹卡烏斯卡斯經(jīng)驗關(guān)系式，求解獲得換熱管管束表面所需溫度。在設(shè)計工況下，換熱管管束間最小流動截面處流速為

式中：q為標(biāo)準(zhǔn)工況流量，即q＝82.5 kg/s；ρ為密度，取定性溫度下空氣密度；A為換熱器中氣體最小流動截面，A＝3.36 m2。

經(jīng)計算得出：Re數(shù)在1×103～2×105范圍內(nèi)，叉排管束修正系數(shù)取0.897，最終得到對流換熱系數(shù)h的表達(dá)式

換熱器壁面溫度可表示為

式中：h為平均表面換熱系數(shù)；A為換熱面積；q為空氣流量；Cp為空氣的定壓比熱；Th為加熱后氣體平均溫度；Tw為壁面溫度；T0為環(huán)境溫度。

表2 熱源加熱式防冰裝置的計算參數(shù)

2.3 性能指標(biāo)

在對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬前，先給出性能指標(biāo)定義。在考查進(jìn)氣系統(tǒng)性能時，影響其性能的主要因素之一為壓氣機(jī)進(jìn)口速度均勻性，需要考核壓氣機(jī)進(jìn)口通流截面速度場均勻度問題，壓氣機(jī)進(jìn)氣速度均勻度包括平均不均勻度和局部面積最大不均勻度2個指標(biāo)。

平均不均勻度一般定義為當(dāng)?shù)厮俣扰c該截面流量平均速度之差與流量平均速度之比。

局部面積最大不均勻度為5%局部面積最大不均勻度，具體形式如下：

總壓損失為壓氣機(jī)入口處總壓與百葉窗進(jìn)口處總壓差。

3 數(shù)值模擬

本文采用商業(yè)軟件FLUENT對整個換熱過程進(jìn)行全三維求解，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用有限體積法對整個計算域進(jìn)行空間離散，差分格式為一階迎風(fēng)格式。對該模型進(jìn)行數(shù)值仿真時，一階迎風(fēng)格式和二階迎風(fēng)格式仿真結(jié)果一致，而一階迎風(fēng)格式計算速度較快，故采用一階迎風(fēng)格式。采用SIMPLE算法進(jìn)行求解，設(shè)定殘差下降4個量級即可認(rèn)為整個計算達(dá)到收斂。

3.1 熱氣摻混式防冰裝置邊界條件

本文計算域為百葉窗入口到延長段出口和冷卻空氣濾清器出口。進(jìn)口邊界條件：給定壓力進(jìn)口條件，相對參考壓力0 Pa，總溫設(shè)定為278 K。

熱氣進(jìn)口邊界條件：給定質(zhì)量入口條件，流量分別設(shè)定為0 kg/s、2.063 kg/s、4.024 kg/s、5.893 kg/s、7.674 kg/s和9.375 kg/s，熱氣溫度設(shè)定為473 K。

出口邊界條件：給定壓力出口條件，給定燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)流量82.5 kg/s（MCP工況）和冷卻空氣出口目標(biāo)流量8.5 kg/s。

多孔介質(zhì)邊界條件：百葉窗、濾清器及消音器均給定體的多孔介質(zhì)條件。

固壁邊界條件：絕熱，速度滿足壁面無滑移條件。

3.2 熱源加熱式防冰裝置邊界條件

進(jìn)口邊界條件：給定壓力進(jìn)口條件，相對參考壓力0 Pa，總溫分別設(shè)定為278 K、273 K、268 K、263 K、258 K和253 K。

換熱器壁面溫度：給定壁面恒溫，壁面溫度對應(yīng)設(shè)定為278.000 K、329.565 K、380.796 K、431.841 K、482.633 K、482.633 K和533.156 K。

出口邊界條件、多孔介質(zhì)邊界條件、固壁邊界條件和湍流模型與之前相同。

4 防冰裝置工作特性

4.1 熱氣摻混式數(shù)值模擬結(jié)果

熱氣摻混式防冰裝置的防冰效果體現(xiàn)在濾清器進(jìn)口和壓氣機(jī)進(jìn)口截面的溫度分布。表3給出了對應(yīng)在不同環(huán)境溫度278 K、273 K、268 K、263 K、258 K和253 K下防冰裝置工作時，濾清器入口和壓氣機(jī)入口平均溫度。

表 3 不同環(huán)境溫度下熱源加熱式防冰裝置工作時壓氣機(jī)的入口平均溫度

濾清器平均溫度在278 K附近，而壓氣機(jī)入口平均溫度約為274.5 K（＞273 K）。由此說明：濾清器和壓氣機(jī)入口平均溫度均達(dá)到了設(shè)計目的，符合預(yù)期結(jié)果。

從圖6可以看出，壓氣機(jī)入口處的溫度基本呈軸對稱分布。低溫區(qū)主要集中在通道中心處，這是由于通道中心處氣流速度較大，其溫度分布形式受流場結(jié)構(gòu)的影響。

圖6 環(huán)境溫度為253 K 時壓氣機(jī)入口溫度分布圖

圖7給出環(huán)境溫度為253 K時，3個濾清器的入口溫度分布等值線圖。從圖7可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為253 K時，引氣摻混式防冰裝置運行，濾清器入口溫度分布與熱氣分管排列密切相關(guān)，方向相同，分管兩側(cè)；較近和較遠(yuǎn)處分別出現(xiàn)2部分高溫區(qū)域，且近處高溫區(qū)域集中，溫度較高；遠(yuǎn)處高溫區(qū)域較為分散，且溫度較低。

圖7 環(huán)境溫度為253 K 時濾清器入口溫度分布圖

這是由熱氣摻混式防冰裝置的結(jié)構(gòu)形式造成的：高溫區(qū)域是由±45°和±90°噴射孔噴出的熱氣造成的；由于熱氣噴出，無法迅速與來流冷空氣混合均勻，所以造成局部高溫；±45°噴射孔噴出的熱氣，可較快抵達(dá)濾清器入口，所以近處高溫區(qū)域集中，溫度高，而±90°噴射孔噴出的氣體與來流空氣接觸時間更長，較晚抵達(dá)濾清器入口，所以遠(yuǎn)處高溫區(qū)域較為分散，溫度低。

4.2 熱源加熱式數(shù)值模擬結(jié)果

表4給出了對應(yīng)不同環(huán)境溫度278 K、273 K、268 K、263 K、258 K和253 K下熱源加熱式防冰裝置工作時，濾清器入口和壓氣機(jī)入口平均溫度。從表4可以看出：采用熱源加熱式防冰裝置時，濾清器和壓氣機(jī)入口處的氣流溫度與摻混式防冰裝置所得的數(shù)值模擬結(jié)果大致相同，說明這2種防冰裝置對氣流的加熱效果基本相同，都能夠達(dá)到預(yù)防氣流結(jié)冰的目的。

表4 不同環(huán)境溫度下熱源加熱式防冰裝置工作時壓氣機(jī)的入口平均溫度

從圖8可以看出：加裝熱源加熱式冰裝置后，隨著環(huán)境溫度的降低，壓氣機(jī)進(jìn)口截面在左下角逐漸形成低溫區(qū)域，往外溫度逐漸上升。最高溫和最低溫之差從2.2 K逐漸增大到4.4 K，都在273～278 K。分析原因：壓氣機(jī)進(jìn)口截面溫度分布主要是因為換熱器布置在2號濾清器處與1號和3號濾清器不同，2號濾清器前換熱器不是直排而是直角布置，對氣流的加熱和擾動與1號和3號濾清器前不相同，并且3個濾清器前氣流的流動情況也不相同，導(dǎo)致加熱不是完全均勻。最后，再經(jīng)過消音器、豎井和穩(wěn)壓室整流形成最后的溫度分布。

圖8 環(huán)境溫度為253 K 時壓氣機(jī)入口處溫度分布圖

從圖9可以看出：環(huán)境溫度為253 K時，與環(huán)境溫度278 K時不同，3個濾清器進(jìn)口面溫度分布均和換熱器形式吻合，呈條紋狀。每個濾清器進(jìn)口截面處高溫低溫條紋區(qū)域間隔分布，高溫條紋約為285 K，低溫條紋約為275 K，局部有高溫區(qū)域可以達(dá)到310 K。

圖9 環(huán)境溫度為253 K 時濾清器入口溫度分布圖

分析原因：環(huán)境溫度較低時，對應(yīng)的換熱器壁面溫度設(shè)置較高，雖然2號濾清器右下部分和3號濾清器進(jìn)氣比較不均勻，但是通過換熱器加熱后，由于換熱溫差較比環(huán)境溫度為278 K時大許多，而熱交換時間相差不大，不足以使高低溫氣體換熱完全，進(jìn)入濾清器時仍然存在一定溫差。因此，進(jìn)入濾清器的空氣溫度分布仍然和換熱器形式一致，不會有溫度融合區(qū)域。

5 2 種防冰裝置氣動特性對比

防冰裝置會對整個進(jìn)氣系統(tǒng)的工作性能產(chǎn)生一定影響，使得整個進(jìn)氣系統(tǒng)的總壓損失上升，此外，由于防冰裝置對進(jìn)氣氣流的擾動，對流場的不均勻度也會產(chǎn)生一定的影響，從而對壓氣機(jī)的工作性能產(chǎn)生影響，為了分析防冰裝置對進(jìn)氣系統(tǒng)氣動特性的影響，對不同環(huán)境溫度下2種不同防冰裝置進(jìn)氣系統(tǒng)的總壓損失以及壓氣機(jī)入口處的不均勻度進(jìn)行分析。

如圖10所示：隨著環(huán)境溫度的降低，安裝2種形式防冰裝置的進(jìn)氣道總壓損失都降低，但總體來看，安裝熱氣摻混式防冰裝置的進(jìn)氣道總壓損失低于安裝熱源加熱式防冰裝置的進(jìn)氣道總壓損失。分析原因：熱氣摻混式防冰裝置相對于熱源加熱式防冰裝置結(jié)構(gòu)簡單，只有3根熱氣分管，而換熱器的叉排管束對來流氣體的擾動較大，對進(jìn)氣道中濾清器入口前面的空氣流動阻力較大，導(dǎo)致總壓損失大。

圖10 進(jìn)氣道總壓損失隨環(huán)境溫度變化圖

從圖11可以看出，安裝2種防冰裝置對壓氣機(jī)進(jìn)口平均不均勻度和5%局部面積最大不均勻度的影響區(qū)別不大，都相對于原進(jìn)氣道增大，都增加了進(jìn)氣道流動不均勻性，并且隨環(huán)境溫度變化沒有明顯規(guī)律。

圖11 不同環(huán)境溫度下的壓氣機(jī)進(jìn)口不均勻度

6 結(jié)論

本文以某型艦船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)作為研究對象，針對進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰現(xiàn)象，設(shè)計2種防冰裝置，分別為熱氣摻混和熱源加熱。針對所設(shè)計的進(jìn)氣防冰裝置，分別進(jìn)行了一維和三維計算，對比分析了2種防冰裝置的除冰效果及其對進(jìn)氣道性能的影響。該模型為現(xiàn)有實船進(jìn)氣系統(tǒng)，現(xiàn)有條件無法進(jìn)行試驗，本文是對該進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行防冰計算，為我國艦船防冰設(shè)計提供思路。本文主要結(jié)論如下：

1）2種型式的除冰裝置均能達(dá)到除冰效果，其中熱源加熱式防冰裝置的防冰效果更好。

2）與熱源加熱式相比，熱氣摻混防冰裝置對進(jìn)氣系統(tǒng)的性能影響最小，其中總壓損失減小0.7%，進(jìn)氣不均勻度較小1.77%。