燃氣輪機排氣系統整機環境部件特性修正方法

劉美伊 ，孫 濤 ，劉家興 ，沈啟航 ，李中柱

（哈爾濱工程大學南安普頓海洋工程聯合學院1，動力與能源工程學院2：哈爾濱 150001；3.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

在對船舶燃氣輪機進行試驗或仿真分析時，很難真正還原實際整機模型，往往是對單獨的試驗部件進行分析，進而推斷整機特性，這就需要對部件試驗和整機試驗的差異進行修正。二者之間的差異通常體現在以下幾個方面。首先，會對實際模型進行成比例的縮小來進行試驗分析。然后，由于實際試驗很難達到實際的高溫條件，通常進行冷態試驗，通過相似準則設計試驗條件。另外，排氣系統在工作時，渦輪出口截面工質的物性、流動不均勻性，排氣系統外界環境的風、溫度場、鹽霧等也會影響排氣系統的工作特性。

國內外關于排氣系統的研究主要關注船舶排氣系統內紅外抑制器的結構與紅外抑制特性，采用試驗與數值計算做了大量關于引射器內流場、結構與引射性能的基礎性研究。杜朝輝等[1]根據搭建的排氣試驗臺，提出由試驗結果到實物需要經過?；刃拚椒?；周紹榮等[2]則通過試驗測定了各級擴壓環引射入口沿主流方向的時均速度分量隨不同工況的變化規律；張元等[3]對不同結構和邊界條件主流傾斜的引射器進行試驗研究；李東明等[4]對船舶燃氣輪機排氣引射器進行了數值模擬和試驗研究確定引射器結構對引射系數的影響，引射器內部的氣流參數分布；肖新鷹等[5]提出了一種新型節能環保的帶噴射泵的排氣引射器方案，該方案提高了引射系數，并且可實現無污染排放；張保成等[6]為重載車輛優選設計了一種排氣抽塵引射器；曹學偉等[7]提出了針對直升機動力艙冷卻用的排氣引射混合管設計的改進方法—修正系數法；方浩百等[8]對航空發動機試車臺排氣引射器性能進行了數值模擬，研究了地面試車間內噴管-引射器流動規律；林仁磊[9]對新型船用燃氣輪機排氣引射器進行了研究，提出了兩大結構創新點噴管結構從圓形過渡到矩形和擴壓管采用多級結構；文彬等[10]對航空發動機排氣引射器推力性能進行了研究，給出了各波瓣引射器相對于引射器的推力損失情況；孫起超[11]、于云亮等[12]對不同構型的排氣引射器進行了研究；龔偉[13]則對復合型紅外抑制裝置進行了試驗研究；李波[14]搭建試驗臺模擬船舶排氣煙囪內部流動情況，測定不同百葉窗參數對排氣系統引射能力的影響；李強[15]完成了進排氣系統阻力模擬裝置自身流動損失特性的試驗研究；Maqsood 等[16]通過試驗以及數值仿真研究了混合管的彎曲角度對引射器性能的影響以及進口氣流旋轉對引射器性能的影響；Bottenheim 等[17]在對2 種特殊形狀的引射器排氣外殼進行了試驗研究，考察進氣旋轉對2 種引射器性能的影響；Qi 等[18]通過試驗和數值模擬對帶有4 級擴壓器的圓形直管排氣引射器進行了研究，得到了進氣旋轉和流體溫度對引射器性能的影響；Moss[19]和Harrell[20]研究了噴嘴出口與混合管進口間距對引射效果的影響；Ross[21]和Welch[22]對排氣引射系統進行了熱態研究，驗證了Moss 和Harrell 在冷態條件下得到的結論；Eick[23]和Kavalis[24]對帶有多重屏蔽罩的排氣引射器進行了熱態試驗，得到了引射系數、混合管靜壓、出口速度等性能參數；Staples[25]研究了紊態橫向流動對引射器工作性能的影響規律；White[26]在熱態試驗中首次使用了計算機自動數據采集系統；Davis[27]研究了噴嘴的傾斜扭轉及短混合管對引射能力的影響。

針對研究船用燃機排氣系統部件單獨試驗條件下與整機運行環境下流場工作特性的差別問題，采用數值仿真的方法，研究由于燃機渦輪出口排氣溫度、工質組分等造成的排氣系統中流動狀態的改變，研究在不同外界風速風向條件下排氣系統中內部流動狀態，獲取引射器阻力特性變化，分析外界不同大氣條件對于排氣系統各組成部件工作特性的影響機制。結合整機運行的不同工況，研究排氣系統部件特性包括阻力特性、渦輪出口壓力分布等變化規律。針對船用燃機排氣系統部件特性試驗提出考慮不同工作環境的全工況修正方法。

1 數值仿真方法

1.1 物理模型介紹

本文以大型船用排氣系統為研究對象，考察不同外界邊界條件下排氣系統特性變化。研究中所采用的部件仿真模型為進排氣整機模型中的一部分，結構形狀及尺寸保持一致。進排氣系統如圖1 所示，船用整體的模型如圖2所示。

圖1 進排氣系統

圖2 大環境整體模型

1.2 網格劃分

由于系統模型比較大，為了較真實地反映系統內部流場特性，使用ICEM CFD 網格劃分工具對計算域網格進行劃分。由于模型結構較為復雜，難以進行結構化劃分，因此采用非結構網格劃分，并在重點考察部分及結構尺寸較小的部分進行了網格加密處理，網格總數為2440 萬，如圖3、4所示，網格質量在0.31以上。

圖3 進排氣系統網格

圖4 船體系統網格

1.3 邊界條件設置

對于排氣系統整機仿真模擬，進口邊界條件：燃氣發生器出口，設定為質量流量進口，溫度為燃氣溫度，法向進氣方向，通過改變不同流量和溫度來模擬不同工況，由于未提供燃氣輪機在不同工況下的耗油量，故燃氣輪機燃氣發生器出口的質量流量數值與燃氣輪機壓氣機進口的質量流量相同；出口邊界條件：針對不同風速、風向條件則需要在外界大環境給定大氣速度進口，與相應的壓力出口，以模擬環境因素影響。固壁給定絕熱、速度無滑移。湍流模型選擇標準k-ε模型。

對于排氣系統部件的仿真模擬，進口給定和整機仿真一致的質量流量和總溫，出口給定壓力出口邊界。

對于整機仿真的百葉窗、濾清器及消音器均給定體的多孔介質條件，相關參數給定為：03 甲板上面的百葉窗給定：α=7.38×10-6m2，C2=19.25（1/m）；排氣百葉窗：α=5.20×10-6m2，C2=27.33（1/m）；燃燒空氣濾清器：α=4.04×10-7m2，C2=27.88（1/m）；冷卻空氣濾清器：α=2.60×10-6m2，C2=26.04（1/m）；消音器：α=1.12×10-4m2，C2=1.04（1/m）。

船舶在不同海況以及不同需求下需要燃機在變工況下運行，燃機在不同工況下的排氣引射性能也會有相應的變化。為模擬實船進、排氣系統在工作環境下的性能指標，在給定邊界條件賦予不同的風向風速條件。

2 邊界條件對排氣部件特性影響機理分析

排氣系統的整體性能以及排氣系統中各個部件的性能會隨著外界環境以及發動機工況的變化而發生一定的波動。外界環境的影響因素主要包括環境中的風速以及風向，而當發動機固定后，排氣系統主要受到發動機的出口流量的影響，本節內容分別分析外界的風速、風向和流量對排氣系統造成的影響。

2.1 流量對排氣系統特性影響分析

3 種燃機流量下排氣系統各關鍵位置的總壓以及溫度等參數見表2~4。結合數據可以發現，隨著發動機的流量的降低，排氣系統入口（發動機出口）的總壓以及溫度值都隨之降低。

表2 燃機流量為82.5 kg/s下無風排氣系統各截面參數

表3 燃機流量為80.0 kg/s下無風排氣系統各截面參數

表4 燃機流量為75.0 kg/s下無風排氣系統各截面參數

2.1.1 流量對排氣系統總壓損失影響

總壓損失定義為經過某結構之后進口截面上總壓減去出口截面總壓之差。

為了評價在不同流量下排氣系統的性能變化，需要對各參數進行處理。首先將總壓值轉化為經過各位置后的總壓損失數據見表5。不同流量下排氣系統各部件的阻力損失值如圖5 所示，從圖5 中可以比較清晰地發現隨著流量的降低，排氣系統各部件整體的總壓損失也呈下降的趨勢，并且下降值與流量的變化值呈正相關。不同流量條件下，排氣系統的主要總壓損失都位于一分四管道位置，而多級引射器的總壓損失值最低。同時也發現，多級引射器的總壓損失受到發動機流量變化的影響最小。

表5 不同流量下排氣系統各部件總壓損失情況

圖5 不同流量下排氣系統各部件的阻力損失值

2.1.2 流量對排氣系統溫度分布影響

排氣系統需要將各位置的排氣溫度控制在可接受的范圍內，所以各部件的溫度值也是衡量排氣系統性能最重要的指標，尤其是紅外抑制器（多級引射部分），其作用即為降低排氣溫度。為了綜合衡量不同流量下排氣系統各部件的溫度降低情況，需要對溫度變化值進行無量綱化處理，得到不同流量下各位置的相對溫度變化見表6。從表中可見，排氣系統各部件位置的降溫能力隨著排氣流量的增加表現為不同的趨勢。其中箱裝體引射器和一分四管道的相對溫度變化隨著流量的降低而降低，但是多級引射器的相對溫度變化隨著流量的降低反而有小幅增加。

表6 不同流量下排氣系統各位置相對溫度變化

2.1.3 流量對排氣系統引射性能影響

排氣溫度的變化主要受排氣系統的形式結構以及參與摻混的冷卻氣的量來決定，為了分析造成排氣系統溫度變化的原因，需要對排氣系統中各位置的引射流量進行分析。無風條件下排氣引射量見表7。從表中可見，隨著燃機流量的減少，排氣系統的引射系數反而呈增大趨勢。不同排氣流量條件下排氣系統引射器各位置的總壓值見表8~10。

表7 無風條件下排氣引射量

表8 流量為82.5 kg/s下排氣系統引射器各位置總壓值

表9 流量為80.0 kg/s下排氣系統引射器各位置總壓值

表10 流量為75.0 kg/s下排氣系統引射器各位置總壓值

2.2 風速對排氣系統特性影響分析

風速的對于船舶排氣系統也存在著一定的影響，研究選用無風和較高的風速（35 m/s）2 種情況下船舶排氣系統的性能變化。為了能夠代表較多的工況條件，選用靠中間的流量條件按來進行研究，分析流量為80.0 kg/s條件下不同風速對排氣系統的影響分析。無風和風速為35 m/s下排氣系統性能參數見表11、12。

表11 無風條件下排氣系統性能參數

表12 風速為35 m/s條件下排氣系統性能參數

2.2.1 風速對排氣系統總壓損失影響

在0 ℃、不同風速條件下排氣系統各位置總壓損失值計算值見表13，并如圖6 所示。從表中可見，高風速條件下一分四管道的總壓損失急劇升高，多級引射器的總壓損失略微升高，但是排氣系統的其他部分的總壓損失卻略有降低，對于排氣系統的整體損失數據，無風情況下，排氣系統的總體總壓損失為4132 Pa，而35 m/s 的高風速條件下，排氣系統整體的總壓損失降低為4073 Pa，約降低60 Pa。

表13 在0 °C、不同風速條件下排氣系統各位置總壓損失計算值 Pa

圖6 不同風速下排氣系統部件總壓損失

2.2.2 風速對排氣系統溫度分布影響

在不同風速下排氣系統各部件的平均溫度和最高溫度見表14。

表14 在不同風速下排氣系統各部件平均溫度和最高溫度K

在高風速條件下，排氣系統的平均溫度溫降能力有所提升，但是最高溫度的溫降能力稍有下降。

2.2.3 風速對排氣系統引射性能影響

當外界具有較高風速時，排氣系統的引射能力大幅降低，從10.33%降低為9.88%。同時排氣系統引射器的各截面的總壓值也大幅降低，從而降低了排氣系統的引射能力。2 種條件下排氣系統的引射能力以及引射器各位置的總壓分布見表15~17。

表15 不同風速下排氣系統引射能力 kg/s

3 無風條件下部件試驗與整機環境的工作特性修正

分別對無風條件下的排氣系統部件和排氣系統整體進行數值模擬計算，對計算結果進行對比修正，最終得到相關修正方法。

3.1 無風條件下的排氣阻力特性修正

將排氣系統按子部件結構分解來看，排氣系統中主要包含了排氣蝸殼、排氣管路、一分四引射、多級引射器4 個子部件。分別對排氣系統各部分的阻力特性進行修正從而得到整個進氣系統修正特性。排氣系統的阻力特性如圖7所示。

圖7 排氣系統各部件的阻力特性

從圖中可見，在排氣蝸殼中，整機仿真與部件仿真的排氣阻力特性在7 種流量工況下幾乎保持一致，其他部件整機仿真和部件仿真的阻力特性都存在差距。這是由于從排氣蝸殼往后的部件都會從外界引射冷空氣來降低排氣出口的溫度，使得在箱裝體出口、一分四以及多級引射器部分會有冷、熱氣流的摻混，造成在部件仿真和整機仿真中不同子部件的阻力損失不同。

由于在排氣系統中存在箱裝體引射、一分四以及多級引射等多個引射結構，每個引射結構的引射過程較復雜，對于修正模型的建立不容易實現。所以，在排氣系統的修正中，由于排氣蝸殼出口的狀態參數相似，以最終排氣煙囪出口的參數建立修正模型。

將所有影響因素考慮在內，排氣系統整體阻力特性修正模型為

式中：K1=0.0185；P為修正后的阻力特性；Ps為試驗環境下部件仿真的阻力特性；ΔPcor，1為修正的阻力特性；ρs為試驗環境下部件仿真的流體密度；ms為試驗環境下部件仿真的流體流量；Ss為試驗環境下部件仿真的排氣蝸殼面積；ls為試驗環境下部件仿真的排氣蝸殼得當量直徑；mt為整機仿真排氣蝸殼出口流量；St為整機仿真排氣蝸殼出口面積；lt為整機仿真排氣蝸殼出口當量直徑，其中整機與試驗排氣蝸殼出口的當量直徑之比即為縮比4。

修正后的排氣系統阻力特性如圖8 所示，修正的誤差見表16，通過修正模型得到的修正值與整機仿真具有較好的吻合效果。

表16 排氣系統阻力特性修正誤差

圖8 排氣系統阻力特性修正

3.2 無風條件下的排氣引射特性修正

排氣系統部件仿真與整機仿真之間各子部件的引射特性基本相似，各部件在不同工況下的引射系數相差都低于1%，所以無風條件下的排氣引射特性不需要修正。各結構的引射特性對比如圖9所示。

圖9 排氣系統各部件引射特性

4 結論

（1）隨著發動機流量的減少，排氣系統入口（發動機出口）的總壓以及溫度值都隨之降低，但排氣系統的引射系數反而呈增大趨勢。

（2）排氣系統的阻力特性與風速、風向無關，進行排氣系統阻力特性修正時只需要修正部件仿真與整機無風時的阻力特性即可。

（3）高風速條件下一分四管道的總壓損失急劇增大，多級引射器的總壓損失略微增大，但是排氣系統的其他部分的總壓損失卻略有減小。當外界具有較高風速時，排氣系統的引射能力大幅降低，同時排氣系統引射器的各截面的總壓值也大幅降低，從而降低了排氣系統的引射能力。

（4）排氣系統部件仿真與整機仿真之間各子部件的引射特性基本相似，各部件在不同工況下的引射系數相差都低于1%，所以無風條件下的排氣引射特性不需要修正。