艦船燃?xì)廨啓C(jī)排氣紅外抑制器性能的影響因素試驗(yàn)分析

徐仲方,陸振華,林文光,趙忠偉,談立成

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)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(tǒng)的紅外輻射,減小艦船被紅外制導(dǎo)武器發(fā)現(xiàn)的幾率,但是紅外抑制器的安裝引起的阻力損失也會導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的減少。本文以一種新型艦用燃?xì)廨啓C(jī)排氣紅外抑制器為對象,通過冷態(tài)試驗(yàn)[1]分析風(fēng)室負(fù)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(jìn)一步優(yōu)化紅外抑制裝置的結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 紅外抑制器的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)

紅外抑制器由梅花形出口噴管與混合管、層疊的擴(kuò)壓環(huán)組成。Presz等人證明這種出口形狀的噴管與相應(yīng)的常規(guī)噴管相比,不僅尺寸短、質(zhì)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(shí)際工作時(shí),冷卻空氣從混合管入口處和各級擴(kuò)壓環(huán)的縫隙處被管內(nèi)高溫燃?xì)庖?使排氣管壁面與燃?xì)飧綦x,以降低高溫燃?xì)馀c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(jià)紅外抑制器性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。其中引射系數(shù)(n)定義為被引射氣體的質(zhì)量流量(G2)和主流氣體的質(zhì)量流量(G1)之比, n值越大,表明引射能力越強(qiáng)[3],紅外抑制效果越好。艦船排氣系統(tǒng)加裝紅外抑制裝置會增加排氣阻力影響主機(jī)的出力,導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率減少,以LM 2500艦用燃?xì)廨啓C(jī)為例,排氣系統(tǒng)阻力每增加980 Pa,燃?xì)廨啓C(jī)功率相應(yīng)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(tǒng)的阻力損失越小。紅外抑制裝置的安裝將影響對燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率,因此設(shè)計(jì)要求n盡可能大,ΔP盡可能小。

圖1 紅外抑制裝置結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以GB/T 1236-2000為依據(jù)[6]設(shè)計(jì)和搭建試驗(yàn)臺,試驗(yàn)在冷態(tài)情況下分四組進(jìn)行,用冷空氣引射冷空氣。第一組試驗(yàn)的目的是觀察風(fēng)室負(fù)壓對引射器性能的影響,試驗(yàn)通過改變風(fēng)室進(jìn)氣口的組合調(diào)節(jié)風(fēng)室負(fù)壓。第二組試驗(yàn)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(yàn)采用4個(gè)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(gè)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(yàn)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(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),噴管和混合管的距離通常取混合管直徑的一半,試驗(yàn)通過更換不同長度的直管段來調(diào)整噴管出口面與混合管入口面的距離,5個(gè)不同長度的直管段可以把L調(diào)0.500,0.625,0.750,0.875,1.000倍直徑D的5個(gè)距離。第四組試驗(yàn)的目的是比較扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)15°制成。

試驗(yàn)裝置如圖3所示,試驗(yàn)系統(tǒng)包括一臺供氣離心風(fēng)機(jī)、8個(gè)文丘里噴嘴流量管(其中6個(gè)進(jìn)口直徑為80 mm在風(fēng)室側(cè)壁上,2個(gè)直徑為100 mm的在風(fēng)室頂部)和1個(gè)矩形風(fēng)室組成。風(fēng)室氣密性良好,主流空氣由離心風(fēng)機(jī)提供,通過管道進(jìn)入風(fēng)室內(nèi),主流通過噴管噴出引射風(fēng)室中的空氣使風(fēng)室中形成負(fù)壓,風(fēng)室中空氣通過文丘里噴嘴流量管從大氣中補(bǔ)充,最后混合空氣通過擴(kuò)壓混合管后排出。

試驗(yàn)采用DSA-3017掃描閥采集所有壓力測點(diǎn)的壓力值,并通過 Lab View數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的平臺將掃描閥采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。主流流量G1由安裝在風(fēng)機(jī)進(jìn)口的錐形流量管測得,引射流量G2由安裝在風(fēng)室上的文丘里噴嘴流量管[7]測得,整個(gè)紅外抑制器系統(tǒng)的流動損失ΔP通過主流進(jìn)入風(fēng)室入口前管道的測點(diǎn)測得(圖3中標(biāo)號3處),風(fēng)室負(fù)壓由分布在風(fēng)室上下左右四個(gè)壁面上的壓力測點(diǎn)測得(如圖3中標(biāo)號8處)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)室負(fù)壓對引射器性能的影響

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

風(fēng)室壓力可以通過開關(guān)不同數(shù)目的進(jìn)氣口進(jìn)行調(diào)節(jié),試驗(yàn)采用了4種風(fēng)室進(jìn)氣口組合,見表2。

表1 風(fēng)室壓力損失與主流流量關(guān)系

表2 風(fēng)室進(jìn)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(jìn)氣口情況的引射能力的試驗(yàn)結(jié)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(guān)系。

圖4 引射流量比較

圖5是4種進(jìn)氣條件和風(fēng)室負(fù)壓為0 Pa時(shí)(即不安裝風(fēng)室,被引射氣流壓力為大氣壓)系統(tǒng)流動損失ΔP的試驗(yàn)結(jié)果;從圖4和圖5中可以看到,隨進(jìn)氣口數(shù)目的增多(即風(fēng)室負(fù)壓絕對值減小),引射流量增大,整個(gè)系統(tǒng)的流動損失ΔP也隨之增大,風(fēng)室負(fù)壓為大氣壓時(shí),系統(tǒng)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(fēng)室壓力變化的試驗(yàn)結(jié)果。

從圖6中可以看到,隨風(fēng)室負(fù)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(fù)壓有相同的變化趨勢。所以,在艦船燃?xì)廨啓C(jī)排氣能量不變的情況下,被引射氣流環(huán)境負(fù)壓絕對值越小,紅外抑制效果就越好,但同時(shí)增大的流動損失也導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)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(dāng)噴管出入口面積比r為0.75,0.80,0.85和0.90時(shí),系統(tǒng)的引射比n和流動損失 ΔP的試驗(yàn)結(jié)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(shí)造成的燃?xì)廨啓C(jī)排氣流動損失也增加,當(dāng)主流流量為1.6 kg/s時(shí),不同噴管出入口面積比的引射系數(shù)n和流動損失ΔP的試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

從圖9中可以看到,隨著面積比r增大,系統(tǒng)的引射流量隨之減小,流動損失ΔP也隨之減小。這是因?yàn)閲姽艹隹诿娣eS1越小,引射速度越大,主流與被引射流體發(fā)生的動量交換越劇烈,被主流吸入的環(huán)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(shí)動量交換愈大,系統(tǒng)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(zhuǎn)管,流動損失ΔP隨距離L變化的試驗(yàn)結(jié)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(dá)到最大值,而在L=290mm(0.875D)附近都達(dá)到最小值,可以認(rèn)為噴管的距離在0.75D～1.00D范圍內(nèi)存在一個(gè)損失最小值點(diǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)噴管有相同的變化趨勢,不過扭轉(zhuǎn)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(yàn)結(jié)果;從圖中可以看到,扭轉(zhuǎn)噴管的引射流量要大于直噴管。

扭轉(zhuǎn)噴管之所以有較大的引射比和較大的流動損失,是因?yàn)榕まD(zhuǎn)噴管中的氣體有一個(gè)沿噴管軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,噴管主流氣體在粘性剪切力的作用下與被引射氣體進(jìn)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(shí)流動損失也增大。從圖11中還可以看到,在低速情況下扭轉(zhuǎn)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(dāng)主流流量為1.200 kg/s時(shí),扭轉(zhuǎn)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(shí),扭轉(zhuǎn)噴管引射流量比直噴管多了0.054 kg/s,這表明在燃?xì)廨啓C(jī)高速排氣的情況下,扭轉(zhuǎn)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(jié)論

根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論。

(1)風(fēng)室負(fù)壓的絕對值隨主流流量的增大而增大。被引射氣體環(huán)境壓力對引射性能有較大影響,引射比隨風(fēng)室負(fù)壓絕對值減小而增大,系統(tǒng)流動損失ΔP隨風(fēng)室負(fù)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(gè)最佳的噴管與混合管入口距離,在這個(gè)最佳點(diǎn)系統(tǒng)流動損失可達(dá)到最小。

(4)扭轉(zhuǎn)15°噴管的引射能力比直噴管強(qiáng),但流動阻力損失也大于直噴管。

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

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[3] 李東明,王林.艦用燃?xì)廨啓C(jī)排氣引射器的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J].熱能動力工程,2002,17(3):226-231.

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