某型氣體發動機排氣管爆炸模擬及強度分析

汪 行，劉 鋒

（武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢430050）

0 前言

氣體發動機在正常運行工況下，天然氣和空氣在氣缸里完全燃燒并排放至排氣管，排氣負荷較低，由于氣體發動機采用高強度的柴油機零部件結構，可靠性很高[1]；但在某氣缸點火失敗的情況下，空氣和天然氣的混合氣體就會被排放到排氣管，會在排氣管被點燃劇烈燃燒，形成爆炸壓力，所以排氣管能否承受爆炸壓力，需要做應力分析進行風險評估。

目前排氣管的應力分析多見于傳統燃油柴油機的耐久試驗，測試高溫廢氣對排氣管壁的沖擊和破壞或者進行有限元分析，以評估排氣管的性能和可靠性[2]。對于可燃混合氣體在排氣管內爆燃所產生的爆炸壓力對排氣管的影響研究比較少，一般很少做耐久性試驗，常常采用模擬仿真，先進行排氣管爆炸事故幾率風險評估，然后用有限方法計算最大應力，驗證該型氣體發動機的結構強度是否能夠滿足要求?；谀M計算的排氣管風險評估流程如圖1所示，排氣管爆炸分析流程如圖2所示。

圖1 風險評估流程

圖2 爆炸分析流程

本文在該流程下，通過模擬計算分析，驗證了某型氣體發動機排氣管滿足結構安全要求，能夠獲得中國船級社認可，可以投入生產。

1 氣體發動機排氣管簡介

某型氣體發動機額定功率為125 kW，額定轉速為1 500 r/min，額定工況下排氣溫度697℃，額定工況下排氣壓力為132.5 kPa.天然氣的消耗量為26.5 kg/h，空氣的消耗量為550.1 kg/h.排氣管的外形如圖3所示，排氣管的型號為HT250，抗拉強度為250～350 N/mm2，屈服強度為165～228 N/mm2.

圖3 排氣管外形圖

所需參數：空氣中氧氣的含量為21%，氮氣的含量為79%，空氣的密度為1.293 g/L.單缸每循環燃氣流量0.589g/沖程；單缸每循環空氣流量 12.224 g/沖程。

2 C F D仿真計算

該排氣管采用灰鑄鐵HT250，其屈服強度為165～228 MPa，抗拉強度為250～350 MPa.假定排氣管可能發生的最惡劣情況。

計算設定邊界條件，分析工況為柴油機的額定工況125 kW：在排氣管進氣口設定氣體流量12.813g/沖程和溫度697℃；出口設定靜壓132.5 kPa；排氣管內壁為壁面邊界條件，傳熱采用第三類邊界條件，規定表面傳熱系數和流體溫度；計算模型如圖4所示。

圖4 C F D計算模型

為了模擬仿真最壞工況，仿真場景為兩種：（1）單缸點火失敗，該氣缸內的天然氣和空氣的混合氣體全部泄露進排氣管，假定出現該故障后，1 s后切斷，此時間段內的混合氣體全部泄露進排氣管內，并在排氣管內被點燃；（2）假定排氣管內只存在天然氣和氧氣，且天然氣和氧氣完全燃燒（摩爾比1∶2），此時產生的爆炸壓力為理論最高值。根據排氣管的三維模型進行CFD仿真計算，危險場景1的計算結果最大壓力如圖5所示，最高溫度如圖6所示。

圖5 爆炸壓力分布（最大壓力）

圖6 爆炸溫度分布（最高溫度）

場景2的工況在實際中不可能發生，故只做假設，作為最高臨界值，并進行計算模擬，限于篇幅CFD計算不給結果及圖形。

CFD的計算結果應該在此處給出。根據以上CFD計算分析，由圖5可知場景1的最大壓力為0.4983 MPa，圖6可知最高溫度為2 140 K；場景2最大壓力為0.9464 MPa，最大溫度為2602.9 K.

3 A N S Y S應力計算分析

根據CFD的計算結果（最高壓力0.9464 MPa）加載載荷輸入到ANSYS有限元分析軟件中，進行應力分析，校核結構強度[3-5]。

ANSYS應力計算模型如圖7所示。

圖7 A N S Y S計算模型

場景1下將CFD計算工況最大壓力0.4983 MPa加載到排氣管計算模型，得到計算結果如圖8所示。由于爆炸排氣管內腔壓力升高，排氣管發生鼓脹，但從計算結果可以看出變形位移值非常小，最大變形位移在出口位置，不會損壞機械結構和影響功能。

圖8 最大壓力下排氣管變形位移

場景1下將CFD計算工況最大壓力加載到排氣管計算模型，計算出的應力分布如圖9所示?？梢钥闯?，排氣管的最大應力分布在出口處為2.278 MPa.

圖9 排氣管應力分布圖

場景2下將CFD計算工況最大壓力0.9646 MPa加載到排氣管計算模型，但從計算結果可以看出變形位移值非常小，最大變形位移在出口位置，不會損壞機械結構和影響功能。同時可以看出，排氣管的最大應力分布在出口處，約為場景1的應力的兩倍為4.411 2 MPa，滿足要求。

4 結論

本分析方法采用CFD和ANSYS相結合的方法，利用CFD的計算結果加載到ANSYS里計算應力分布，并計算出最大變形位移。從場景1、場景2的計算結果可以看出，氣體發動機的排氣管可承受最大爆炸工況下的壓力，排氣管的最大應力都遠沒有達到其設定屈服極限126.9 MPa（材料屈服極限為165 MPa，安全系數為1.3），所以為126.9 MPa，可以滿足排氣管的結構安全要求。該型氣體柴油機排氣管在實際使用中，未見應力破壞，說明本文采用的風險評估流程和仿真分析方法可靠性很高，可以作為后續型號氣體柴油機排氣管強度分析及評估的主要方法。