舰船燃气轮机排气红外抑制器性能的影响因素试验分析

徐仲方,陆振华,林文光,赵忠伟,谈立成

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)

舰船排气红外抑制器的作用是控制舰船排气系统的红外辐射,减小舰船被红外制导武器发现的几率,但是红外抑制器的安装引起的阻力损失也会导致燃气轮机输出功率的减少。本文以一种新型舰用燃气轮机排气红外抑制器为对象,通过冷态试验[1]分析风室负压、喷管出入口面积比以及喷管出口面与混合管入口面距离等因素对红外抑制器的引射比和阻力损失的影响,为进一步优化红外抑制装置的结构提供依据。

1 红外抑制器的结构和性能参数

红外抑制器由梅花形出口喷管与混合管、层叠的扩压环组成。Presz等人证明这种出口形状的喷管与相应的常规喷管相比,不仅尺寸短、质量轻,而且前者的引射流量几乎是后者的两倍以上[2]。如图1所示,在实际工作时,冷却空气从混合管入口处和各级扩压环的缝隙处被管内高温燃气引射,使排气管壁面与燃气隔离,以降低高温燃气与壁面的对流换热,从而降低壁面的温度,减少红外辐射。

引射比、阻力损失是评价红外抑制器性能的两个重要指标。其中引射系数(n)定义为被引射气体的质量流量(G2)和主流气体的质量流量(G1)之比, n值越大,表明引射能力越强[3],红外抑制效果越好。舰船排气系统加装红外抑制装置会增加排气阻力影响主机的出力,导致燃气轮机输出功率减少,以LM 2500舰用燃气轮机为例,排气系统阻力每增加980 Pa,燃气轮机功率相应减少107 kW[4];阻力损失(ΔP)定义为红外抑制装置入口与出口的总压之差,表征了红外抑制装置中的包括含气体流过引射喷管的摩擦损失、主气流引射空气所损耗的能量和混合管的流动损失等的整体阻力损失[5],ΔP越小表明系统的阻力损失越小。红外抑制装置的安装将影响对燃气轮机输出功率,因此设计要求n尽可能大,ΔP尽可能小。

图1 红外抑制装置结构图

2 试验方案

试验以GB/T 1236-2000为依据[6]设计和搭建试验台,试验在冷态情况下分四组进行,用冷空气引射冷空气。第一组试验的目的是观察风室负压对引射器性能的影响,试验通过改变风室进气口的组合调节风室负压。第二组试验的目的是观察喷管出入口面积比r对红外抑制器性能的影响,试验采用4个出口与入口面积之比r分别为0.75,0.80,0.85和0.90的直喷管,其中4个直喷管的形状类似,入口面积相同但是出口面积不同,见图2。第三组试验的目的是观察喷管和混合管的间距对红外抑制器流动损失的影响,寻找喷管出口面与混合管入口面距离L的最佳值。红外抑制装置混合管的直径D为335mm,根据经验设计,喷管和混合管的距离通常取混合管直径的一半,试验通过更换不同长度的直管段来调整喷管出口面与混合管入口面的距离,5个不同长度的直管段可以把L调0.500,0.625,0.750,0.875,1.000倍直径D的5个距离。第四组试验的目的是比较扭转喷管和直喷管性能,扭曲喷管用r为0.80的直喷管沿中心轴周向扭转15°制成。

试验装置如图3所示,试验系统包括一台供气离心风机、8个文丘里喷嘴流量管(其中6个进口直径为80 mm在风室侧壁上,2个直径为100 mm的在风室顶部)和1个矩形风室组成。风室气密性良好,主流空气由离心风机提供,通过管道进入风室内,主流通过喷管喷出引射风室中的空气使风室中形成负压,风室中空气通过文丘里喷嘴流量管从大气中补充,最后混合空气通过扩压混合管后排出。

试验采用DSA-3017扫描阀采集所有压力测点的压力值,并通过 Lab View数据处理系统的平台将扫描阀采集的数据导入计算机。主流流量G1由安装在风机进口的锥形流量管测得,引射流量G2由安装在风室上的文丘里喷嘴流量管[7]测得,整个红外抑制器系统的流动损失ΔP通过主流进入风室入口前管道的测点测得(图3中标号3处),风室负压由分布在风室上下左右四个壁面上的压力测点测得(如图3中标号8处)。

3 试验结果与分析

3.1 风室负压对引射器性能的影响

风室的负压与主流流量有关,表1给出了8种不同主流流量工况下风室的压力,可以看出,风室负压绝对值随主流流量增大而增大。

风室压力可以通过开关不同数目的进气口进行调节,试验采用了4种风室进气口组合,见表2。

表1 风室压力损失与主流流量关系

表2 风室进气口组合

图4是在相同的喷管与混合管距离(L取0.75D)和喷管出入口面积比(r取0.80)条件下,4种进气口情况的引射能力的试验结果;从图4可以看出,引射流量与主流流量之间近似成线性关系。

图4 引射流量比较

图5是4种进气条件和风室负压为0 Pa时(即不安装风室,被引射气流压力为大气压)系统流动损失ΔP的试验结果;从图4和图5中可以看到,随进气口数目的增多(即风室负压绝对值减小),引射流量增大,整个系统的流动损失ΔP也随之增大,风室负压为大气压时,系统流动损失最大。

图6是主流流量为1.6 kg/s工况下,引射比n和流动损失ΔP随风室压力变化的试验结果。

从图6中可以看到,随风室负压绝对值的减小,引射比n和流动损失ΔP都增大,引射比与流动损失随负压有相同的变化趋势。所以,在舰船燃气轮机排气能量不变的情况下,被引射气流环境负压绝对值越小,红外抑制效果就越好,但同时增大的流动损失也导致燃气轮机输出功率的减小。

图5 流动损失比较

图6 性能比较

3.2 喷管出入口面积比r的影响

在相同喷管混合管间距(0.5D)情况下当喷管出入口面积比r为0.75,0.80,0.85和0.90时,系统的引射比n和流动损失 ΔP的试验结果分别见图7和图8。从图7和图8可以看到,红外抑制装置的引射能力随着喷管出入口面积比的减小而增加,同时造成的燃气轮机排气流动损失也增加,当主流流量为1.6 kg/s时,不同喷管出入口面积比的引射系数n和流动损失ΔP的试验结果见图9。

从图9中可以看到,随着面积比r增大,系统的引射流量随之减小,流动损失ΔP也随之减小。这是因为喷管出口面积S1越小,引射速度越大,主流与被引射流体发生的动量交换越剧烈,被主流吸入的环境空气量愈多,所以引射比n也愈大;较小的出口面积也使得局部压力损失增大,同时动量交换愈大,系统的流动损失也随之增大。

3.3 喷管与混合管间距的影响

在主流流量为1.6 kg/s条件下,r为0.80的喷管和扭转管,流动损失ΔP随距离L变化的试验结果见图10。从图10(b)的拟合曲线走势可以看到,在L=210mm(0.625D)附近,两种喷管的流动损失ΔP都达到最大值,而在L=290mm(0.875D)附近都达到最小值,可以认为喷管的距离在0.75D～1.00D范围内存在一个损失最小值点Lop t。

图7 引射流量比较

图8 流动损失比较

图9 喷管出入口面积比r的影响

3.4 扭转喷管和直喷管性能比较

从图10(b)中还可以看到可以看到,r为0.80的直喷管和15°扭转喷管有相同的变化趋势,不过扭转喷管比直喷管的流动损失更大。图11是两种喷管的引射流量试验结果;从图中可以看到,扭转喷管的引射流量要大于直喷管。

扭转喷管之所以有较大的引射比和较大的流动损失,是因为扭转喷管中的气体有一个沿喷管轴线的旋转运动,喷管主流气体在粘性剪切力的作用下与被引射气体进行更剧烈的动量交换形成螺旋上升,与引射流的混流过程较长,传递的动量更大,因此在引射量增大同时流动损失也增大。从图11中还可以看到,在低速情况下扭转喷管和直喷管的引射流量差值不大,但随主流流量增大,差值变大。例如当主流流量为1.200 kg/s时,扭转喷管引射流量要比直喷管多0.016 kg/s;主流流量2.000 kg/s时,扭转喷管引射流量比直喷管多了0.054 kg/s,这表明在燃气轮机高速排气的情况下,扭转喷管有更好的红外抑制效果。

图10 喷管和混合管距离L对流动损失的影响

图11 引射流量比较

4 结论

根据本文的试验结果可以得到以下结论。

(1)风室负压的绝对值随主流流量的增大而增大。被引射气体环境压力对引射性能有较大影响,引射比随风室负压绝对值减小而增大,系统流动损失ΔP随风室负压绝对值减小而增大。

(2)引射比随喷管面积比r的减小而增大,流动损失ΔP随面积比r的减小而增大,在流动损失ΔP允许的条件下,尽量选择低的面积比r会有更好的引射效果。

(3)在相同的喷管条件下,存在一个最佳的喷管与混合管入口距离,在这个最佳点系统流动损失可达到最小。

(4)扭转15°喷管的引射能力比直喷管强,但流动阻力损失也大于直喷管。

[1] 马会民,陈汉平,苏明,等.风室压力损失对引射器流动的影响[J].上海交通大学学报,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] 李东明,王林.舰用燃气轮机排气引射器的数值模拟及试验研究[J].热能动力工程,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.舰用燃气轮机排气红外抑制方案探讨[J].船舶工程,1993(5).

[6] GB/T 1236-2000.工业通风机-用标准化风道进行性能试验[S].中国标准出版,2001.

[7] 罗次申.动力机械测试技术[M].上海:上海交通大学出版社,2001.