艦船燃氣輪機排氣紅外抑制器性能的影響因素試驗分析

徐仲方,陸振華,林文光,趙忠偉,談立成

(上海交通大學機械與動力工程學院,上海200240)

艦船排氣紅外抑制器的作用是控制艦船排氣系統的紅外輻射,減小艦船被紅外制導武器發現的幾率,但是紅外抑制器的安裝引起的阻力損失也會導致燃氣輪機輸出功率的減少。本文以一種新型艦用燃氣輪機排氣紅外抑制器為對象,通過冷態試驗[1]分析風室負壓、噴管出入口面積比以及噴管出口面與混合管入口面距離等因素對紅外抑制器的引射比和阻力損失的影響,為進一步優化紅外抑制裝置的結構提供依據。

1 紅外抑制器的結構和性能參數

紅外抑制器由梅花形出口噴管與混合管、層疊的擴壓環組成。Presz等人證明這種出口形狀的噴管與相應的常規噴管相比,不僅尺寸短、質量輕,而且前者的引射流量幾乎是后者的兩倍以上[2]。如圖1所示,在實際工作時,冷卻空氣從混合管入口處和各級擴壓環的縫隙處被管內高溫燃氣引射,使排氣管壁面與燃氣隔離,以降低高溫燃氣與壁面的對流換熱,從而降低壁面的溫度,減少紅外輻射。

引射比、阻力損失是評價紅外抑制器性能的兩個重要指標。其中引射系數(n)定義為被引射氣體的質量流量(G2)和主流氣體的質量流量(G1)之比, n值越大,表明引射能力越強[3],紅外抑制效果越好。艦船排氣系統加裝紅外抑制裝置會增加排氣阻力影響主機的出力,導致燃氣輪機輸出功率減少,以LM 2500艦用燃氣輪機為例,排氣系統阻力每增加980 Pa,燃氣輪機功率相應減少107 kW[4];阻力損失(ΔP)定義為紅外抑制裝置入口與出口的總壓之差,表征了紅外抑制裝置中的包括含氣體流過引射噴管的摩擦損失、主氣流引射空氣所損耗的能量和混合管的流動損失等的整體阻力損失[5],ΔP越小表明系統的阻力損失越小。紅外抑制裝置的安裝將影響對燃氣輪機輸出功率,因此設計要求n盡可能大,ΔP盡可能小。

圖1 紅外抑制裝置結構圖

2 試驗方案

試驗以GB/T 1236-2000為依據[6]設計和搭建試驗臺,試驗在冷態情況下分四組進行,用冷空氣引射冷空氣。第一組試驗的目的是觀察風室負壓對引射器性能的影響,試驗通過改變風室進氣口的組合調節風室負壓。第二組試驗的目的是觀察噴管出入口面積比r對紅外抑制器性能的影響,試驗采用4個出口與入口面積之比r分別為0.75,0.80,0.85和0.90的直噴管,其中4個直噴管的形狀類似,入口面積相同但是出口面積不同,見圖2。第三組試驗的目的是觀察噴管和混合管的間距對紅外抑制器流動損失的影響,尋找噴管出口面與混合管入口面距離L的最佳值。紅外抑制裝置混合管的直徑D為335mm,根據經驗設計,噴管和混合管的距離通常取混合管直徑的一半,試驗通過更換不同長度的直管段來調整噴管出口面與混合管入口面的距離,5個不同長度的直管段可以把L調0.500,0.625,0.750,0.875,1.000倍直徑D的5個距離。第四組試驗的目的是比較扭轉噴管和直噴管性能,扭曲噴管用r為0.80的直噴管沿中心軸周向扭轉15°制成。

試驗裝置如圖3所示,試驗系統包括一臺供氣離心風機、8個文丘里噴嘴流量管(其中6個進口直徑為80 mm在風室側壁上,2個直徑為100 mm的在風室頂部)和1個矩形風室組成。風室氣密性良好,主流空氣由離心風機提供,通過管道進入風室內,主流通過噴管噴出引射風室中的空氣使風室中形成負壓,風室中空氣通過文丘里噴嘴流量管從大氣中補充,最后混合空氣通過擴壓混合管后排出。

試驗采用DSA-3017掃描閥采集所有壓力測點的壓力值,并通過 Lab View數據處理系統的平臺將掃描閥采集的數據導入計算機。主流流量G1由安裝在風機進口的錐形流量管測得,引射流量G2由安裝在風室上的文丘里噴嘴流量管[7]測得,整個紅外抑制器系統的流動損失ΔP通過主流進入風室入口前管道的測點測得(圖3中標號3處),風室負壓由分布在風室上下左右四個壁面上的壓力測點測得(如圖3中標號8處)。

3 試驗結果與分析

3.1 風室負壓對引射器性能的影響

風室的負壓與主流流量有關,表1給出了8種不同主流流量工況下風室的壓力,可以看出,風室負壓絕對值隨主流流量增大而增大。

風室壓力可以通過開關不同數目的進氣口進行調節,試驗采用了4種風室進氣口組合,見表2。

表1 風室壓力損失與主流流量關系

表2 風室進氣口組合

圖4是在相同的噴管與混合管距離(L取0.75D)和噴管出入口面積比(r取0.80)條件下,4種進氣口情況的引射能力的試驗結果;從圖4可以看出,引射流量與主流流量之間近似成線性關系。

圖4 引射流量比較

圖5是4種進氣條件和風室負壓為0 Pa時(即不安裝風室,被引射氣流壓力為大氣壓)系統流動損失ΔP的試驗結果;從圖4和圖5中可以看到,隨進氣口數目的增多(即風室負壓絕對值減小),引射流量增大,整個系統的流動損失ΔP也隨之增大,風室負壓為大氣壓時,系統流動損失最大。

圖6是主流流量為1.6 kg/s工況下,引射比n和流動損失ΔP隨風室壓力變化的試驗結果。

從圖6中可以看到,隨風室負壓絕對值的減小,引射比n和流動損失ΔP都增大,引射比與流動損失隨負壓有相同的變化趨勢。所以,在艦船燃氣輪機排氣能量不變的情況下,被引射氣流環境負壓絕對值越小,紅外抑制效果就越好,但同時增大的流動損失也導致燃氣輪機輸出功率的減小。

圖5 流動損失比較

圖6 性能比較

3.2 噴管出入口面積比r的影響

在相同噴管混合管間距(0.5D)情況下當噴管出入口面積比r為0.75,0.80,0.85和0.90時,系統的引射比n和流動損失 ΔP的試驗結果分別見圖7和圖8。從圖7和圖8可以看到,紅外抑制裝置的引射能力隨著噴管出入口面積比的減小而增加,同時造成的燃氣輪機排氣流動損失也增加,當主流流量為1.6 kg/s時,不同噴管出入口面積比的引射系數n和流動損失ΔP的試驗結果見圖9。

從圖9中可以看到,隨著面積比r增大,系統的引射流量隨之減小,流動損失ΔP也隨之減小。這是因為噴管出口面積S1越小,引射速度越大,主流與被引射流體發生的動量交換越劇烈,被主流吸入的環境空氣量愈多,所以引射比n也愈大;較小的出口面積也使得局部壓力損失增大,同時動量交換愈大,系統的流動損失也隨之增大。

3.3 噴管與混合管間距的影響

在主流流量為1.6 kg/s條件下,r為0.80的噴管和扭轉管,流動損失ΔP隨距離L變化的試驗結果見圖10。從圖10(b)的擬合曲線走勢可以看到,在L=210mm(0.625D)附近,兩種噴管的流動損失ΔP都達到最大值,而在L=290mm(0.875D)附近都達到最小值,可以認為噴管的距離在0.75D～1.00D范圍內存在一個損失最小值點Lop t。

圖7 引射流量比較

圖8 流動損失比較

圖9 噴管出入口面積比r的影響

3.4 扭轉噴管和直噴管性能比較

從圖10(b)中還可以看到可以看到,r為0.80的直噴管和15°扭轉噴管有相同的變化趨勢,不過扭轉噴管比直噴管的流動損失更大。圖11是兩種噴管的引射流量試驗結果;從圖中可以看到,扭轉噴管的引射流量要大于直噴管。

扭轉噴管之所以有較大的引射比和較大的流動損失,是因為扭轉噴管中的氣體有一個沿噴管軸線的旋轉運動,噴管主流氣體在粘性剪切力的作用下與被引射氣體進行更劇烈的動量交換形成螺旋上升,與引射流的混流過程較長,傳遞的動量更大,因此在引射量增大同時流動損失也增大。從圖11中還可以看到,在低速情況下扭轉噴管和直噴管的引射流量差值不大,但隨主流流量增大,差值變大。例如當主流流量為1.200 kg/s時,扭轉噴管引射流量要比直噴管多0.016 kg/s;主流流量2.000 kg/s時,扭轉噴管引射流量比直噴管多了0.054 kg/s,這表明在燃氣輪機高速排氣的情況下,扭轉噴管有更好的紅外抑制效果。

圖10 噴管和混合管距離L對流動損失的影響

圖11 引射流量比較

4 結論

根據本文的試驗結果可以得到以下結論。

(1)風室負壓的絕對值隨主流流量的增大而增大。被引射氣體環境壓力對引射性能有較大影響,引射比隨風室負壓絕對值減小而增大,系統流動損失ΔP隨風室負壓絕對值減小而增大。

(2)引射比隨噴管面積比r的減小而增大,流動損失ΔP隨面積比r的減小而增大,在流動損失ΔP允許的條件下,盡量選擇低的面積比r會有更好的引射效果。

(3)在相同的噴管條件下,存在一個最佳的噴管與混合管入口距離,在這個最佳點系統流動損失可達到最小。

(4)扭轉15°噴管的引射能力比直噴管強,但流動阻力損失也大于直噴管。

[1] 馬會民,陳漢平,蘇明,等.風室壓力損失對引射器流動的影響[J].上海交通大學學報,2005,39(2):173-176.

[2] PRESZ W M,MORIN B L,GOUSY R G.Forced M ixer Lobes in Ejector Design[R]//A IAA,Paper, 1986:86-1614.

[3] 李東明,王林.艦用燃氣輪機排氣引射器的數值模擬及試驗研究[J].熱能動力工程,2002,17(3):226-231.

[4] BRIK A B.Supp ressing the Infrared of M arine Gas turbines[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbine&Power,1989,111:123-129.

[5] 林文光.艦用燃氣輪機排氣紅外抑制方案探討[J].船舶工程,1993(5).

[6] GB/T 1236-2000.工業通風機-用標準化風道進行性能試驗[S].中國標準出版,2001.

[7] 羅次申.動力機械測試技術[M].上海:上海交通大學出版社,2001.