船用汽輪機滑油系統雙注油器設計與試驗研究

李少軍，張鯤羽，王景勝，龔存忠

(中國艦船重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031)

0 引 言

汽輪機供油系統是汽輪發電機組重要的系統之一，主要承擔向汽輪發電機組各軸承提供潤滑油、向調節系統提供壓力油、在啟動及停機過程時向盤車裝置及汽封壓力調整器等設備提供壓力油，保證機組正常安全穩定運行。供油系統一般包括主油泵、注油器等設備，主油泵出口高壓油通過注油器噴嘴后，速度增加，壓力降低，從而卷吸周圍的潤滑油在混合室進行摻混后，隨著高速液流進入擴散器擴壓室進行擴壓，實現高壓油向大流量低壓油的能量轉換[1–2]。

眾多學者開展了噴射泵的研究[3～7]，但基本基于以水為介質進行研究，對滑油系統注油器的研究相對較少。目前國內船用汽輪發電機組多采用單注油器系統，即通過注油器向主油泵供油，通過主油泵的運轉，實現低壓油增壓為高壓油，高壓油一部分直接通往調節系統作為控制動力油，另一路通過節流孔板，將高壓油轉化成為低壓油作為潤滑用油，在實際運行過程中，通常需要將1.0～1.5 MPa的高壓油通過節流孔板轉化為0.25～0.35 MPa的低壓潤滑油，所需的節流孔板通?？讖捷^小，由此引起極大的管路損失及流體噪音。

本文針對某船用汽輪發電機組滑油系統，首次采用雙注油器設計，即潤滑油系統由節流孔板節流降壓更改為注油器，并對雙注油器進行設計計算，采用計算流體力學軟件對注油器內部流動進行數值計算，并搭建專用的雙注油器試驗平臺，對注油器的設計進行試驗驗證，后續在設計機組上對注油器系統進行試驗驗證。

1 供油系統雙注油器設計計算

1.1 汽輪機滑油系統設計

雙注油器系統采用2個注油器，其中注油器Ⅰ主要供給主油泵進口，出口壓力0.15 MPa，流量約1 080 L/min；注油器Ⅱ主要供給潤滑總管，出口壓力0.3 MPa，油量約607 L/min；兩路注油器的進口用油均由主油泵出口供給，主油泵出口設計壓力1.35 MPa。圖1為汽輪發電機組滑油系統原理簡圖。注油器進口設置換向閥，并安裝不同通徑的節流孔板，在機組啟停過程中，當主油泵未正常工作前，由電動油泵提供注油器進口高壓油。

圖 1 汽輪機供油系統原理簡圖Fig. 1 The principle system diagram of double oil ejector

在單注油器潤滑系統中，機組啟動及停止過程中的潤滑油來自電動油泵出口高壓油，通過調整，該油壓穩定在0.8～0.9 MPa，通過節流孔板，保證潤滑總管油壓0.25～0.35 MPa。在雙注油器潤滑系統中，滑潤油通過注油器Ⅱ供給，在機組啟停過程中，由電動油泵提供注油器進口高壓油，但電動油泵出口油壓及油量遠小于主油泵出口油壓及油量，有可能導致在機組啟停過程中，潤滑油壓偏低而無法開機的情況。

因此，雙注油器設計的難點主要在于注油器系統按設計工況設計完成后，需要考慮機組在啟停過程中，注油器出口油壓及流量是否滿足機組潤滑系統需要。

1.2 注油器設計計算

針對注油器的計算，國內尚無統一的計算公式，大部分注油器設計計算均采用基于試驗基礎上的經驗公式進行，本次注油器設計計算采用文獻[3 – 4]提供的計算公式進行計算，雙注油器的設計計算結果如表1所示。

2 雙注油器流動數值計算

2.1 問題描述與數值方法

數值計算采用CFX計算流體力學軟件，計算網格采用ICEM軟件生成六面體結構化網格，網格總數為73.2萬，其中噴嘴網格總數為11.4萬，擴散器為61.8萬，圖2為注油器內噴嘴與擴散器的計算網格圖。根據機組實際運行情況，在CFX中定義了新的工質，其特性參照68號汽輪機透平油。

表 1 雙注油器設計計算結果Tab. 1 Design compute result of the oil ejector

圖 2 噴嘴與擴散器計算網格圖Fig. 2 Simulation mesh model of the oil ejector

邊界條件定義噴嘴進口總壓1.35 MPa，擴散器出口給定流量，對于注油器Ⅰ，出口給定流量為15.7 g/s，對于注油器Ⅱ，出口給定流量為8.73 kg/s，在潤滑油吸油進口，給定opening邊界條件，參考壓力設置為0.01 MPa，Entrainment條件。

湍流模型采用標準的k-ε模型，該模型為兩方程模型，能夠適應絕大部分的工程計算，采用基于有限元的有限容積法離散上述控制方程，同時應用高分辨率格式（High Resolution Scheme）離散對流項，壓力和速度耦合方式選擇壓力-速度隱式修正的Simple算法，收斂殘差設為10 E-6。

2.2 計算結果分析

根據給定的邊界條件，對雙注油器噴嘴的進口流量，擴散器出口壓力，吸油量等相關參數進行計算，計算結果如表2所示。通過比較表1與表2的數據可知，數值計算與理論計算最大差別在與注油器Ⅰ，噴油量與吸油量差別約30 L/min，但基本可以滿足工程計算需求。

表 2 雙注油器數值計算結果Tab. 2 Numerical simulation result of the oil ejector

圖3為注油器Ⅰ內中分面的速度分布圖，圖5為注油器Ⅱ內中分面的速度分布圖，從圖中可以看出，高壓油經過噴嘴后，速度最高為54 m/s，且2個噴嘴出口速度基本一致。高速低壓潤滑油從而卷吸周圍大量的潤滑油進入混合室，從云圖中能明顯看出，潤滑油的混合階段基本集中在擴散器的混合室中，且擴散器出口速度與壓力基本已均勻。

圖 3 注油器Ⅰ中分面速度云圖Fig. 3 Contours of velocity of the oil ejector Ⅰ

圖 4 注油器Ⅰ中分面壓力降云圖Fig. 4 Contours of pressure of the oil ejector Ⅰ

圖 5 注油器Ⅱ中分面速度云圖Fig. 5 Contours of velocity of the oil ejector Ⅱ

圖 6 注油器Ⅱ中分面壓力降云圖Fig. 6 Contours of pressure of the oil ejector Ⅱ

圖4和圖6為注油器內壓力云圖，從2張云圖中可以看出，高速流體在擴壓管內實現了比較好的擴壓，在整個擴壓室中末端，潤滑油的壓力基本保持不變，這樣可以極大地降低出口潤滑油的紊流狀態，實現出口流速的均勻分布，有利于降低管路振動噪聲。

3 供油系統雙注油器試驗研究

3.1 雙注油器系統試驗臺試驗

本供油系統雙注油器在專用試驗臺位上進行試驗，試驗系統如圖7所示。試驗采用真實主油泵模擬汽輪機轉子主油泵，電動油泵額定出口油壓1.0 MPa，流量600 L/min，通過調整油壓調節閥調整注油器進口油壓～1.35 MPa，通過調整截止閥模擬機組真實管路中的阻力，試驗當出口壓力分別為0.3±0.05 MPa和0.15±0.05 MPa時，各注油器進出口流量是否達到設計要求。同時，通過安裝在換向閥的節流孔板，模擬機組啟停過程中雙注油器潤滑油流量分配。

試驗過程中，模擬機組實際的工作狀態，油箱油溫設置為55 ℃，同時調整電動油泵出口壓力～1.35 MPa，對各注油器單獨進行試驗，通過調節各注油器出口的截止閥，調整注油器出口壓力，試驗結果如表3所示。通過試驗數據與表2進行對比可知，試驗數據與數值計算誤差較小，基本符合設計要求。其中雙注油器噴油總量～726 L/min，主油泵出口流量～1 022 L/min，因此供電液調速器的潤滑油～296 L/min，基本滿足電液調速器對潤滑油量的需求。

圖 7 雙注油器試驗系統圖Fig. 7 The test system diagram of the double oil ejector

表 3 雙注油器試驗數據結果Tab. 3 Test result of the double oil ejector

模擬汽輪機在啟動及停止的實際工作狀態，潤滑油溫設置為45 ℃，同時調整電動油泵出口壓力～1.0 MPa，對雙注油器進行試驗，試驗時，注油器Ⅰ設置節流孔板尺寸為φ30，注油器Ⅱ設置節流孔板為φ40，通過調節各注油器出口的截止閥，調整注油器出口壓力，試驗結果如表4所示。通過數據可知，在機組啟動及停機過程中，雙注油器噴油總量～639 L/min，各注油器的流量分配基本滿足機組的運行條件。

表 4 雙注油器試驗數據結果Tab. 4 Test result of the double oil ejector

3.2 雙注油器系統實際機組試驗

由于試驗臺系統與真實機組的管路系統阻力存在差異，雙注油器滑油系統實際配機試驗后，對注油器出口壓力進行監測，試驗在開機過程及正常運行狀態下進行試驗，對機組各軸承及單向閥前節流孔板進行調整，由于電動油泵單獨工作時，流量僅為667 L/min，試驗時，注油器Ⅱ出口油壓較低，通過不斷減少注油器Ⅰ進口節流孔板，期望進一步提高注油器Ⅱ出口油壓，最終設置注油器Ⅰ設置節流孔板尺寸為φ10，注油器Ⅱ不設置節流孔板，在汽輪機轉速為0 r/min時，試驗結果如表5所示。其中進出口壓力單位為MPa。

表 5 雙注油器靜態試驗數據結果Tab. 5 Static test result of the double oil ejector

主油泵工作時，注油器Ⅰ設置節流孔板尺寸為φ40，注油器Ⅱ設置節流孔板為φ35，在汽輪機轉速為6 692 r/min時，試驗結果如表6所示。其中進出口壓力單位為MPa。

試驗過程中，對潤滑總管油溫油壓、各軸承回油溫度等進行監測，并進行了8 h滿載連續試驗，試驗結果如表7所示。由表2可以看出，各軸承回油溫度均≤75 ℃。滿足技術要求規定值。

表 6 雙注油器動態試驗數據結果Tab. 6 Dynamic test result of the double oil ejector

4 結 語

針對某船用汽輪發電機組在實際運行過程中對潤滑油的使用需求，設計了汽輪機滑油系統及雙注油器，并對雙注油器采用流體力學軟件進行了三維黏性數值計算，搭建了供油系統注油器專用試驗平臺，針對機組正常運行及啟停工況對供油系統進行試驗，并進行配機試驗，試驗結果表明雙注油器系統可以滿足機組的實際使用需求，設計及試驗小結如下：

1）雙注油器系統試驗臺對注油器進行模擬試驗，由于管路系統阻力存在差異，試驗臺系統在滿足進出口壓力的試驗條件下，如注油器流量滿足設計值，該注油器實際配機試驗基本滿足使用要求。

2）雙注油器系統需要考慮機組在啟動及停機過程中潤滑系統油壓的變化，在允許的條件下，可以通過提高電動油泵的流量來實現潤滑總管油壓的提升。