船用燃气轮机进气系统气动性能数值模拟

陈昌荣， 关国伟， 甘作为

(渤海装备公司研究院 海工装备分院， 辽宁 盘锦 124010)



船用燃气轮机进气系统气动性能数值模拟

陈昌荣， 关国伟， 甘作为

(渤海装备公司研究院 海工装备分院， 辽宁 盘锦 124010)

为了保证燃气轮机运行过程中流经进气稳压室的气流应尽量均匀，以免造成压气机的喘振和整个动力装置性能的不稳定，建立三种不同模型，分别对其进行数值模拟，从阻力特性和速度均匀性两方面分析是否影响进气系统的流场。结果表明：速度随进气的推进呈现逐渐增大的趋势。滤器的布置对进气系统的阻力特性有较大影响。

数值模拟 燃气轮机 稳压室

0 引言

在现代军舰动力方案的选择上，燃气轮机的主要竞争对手是舰用柴油机和舰用蒸汽轮机，但由于燃气轮机与军舰动力系统性能要求更为吻合，故成为了各个军舰动力系统发展的唯一选择。燃气轮机的功率密度极大、启动速度快、噪声低频分量很低，这就使得燃气轮机使用范围日益扩大。

但高性能船舶燃气轮机进气流量较大。假如进气流场中的气流流场发生突变会使压气机效率降低，并且喘振裕度会一定程度地影响到燃机的稳定工作，所以大多数燃机对进气气流的均匀度要求会很严格。通常情况下需在燃机进气口前端加装进气稳压室，对其中进气流场中的气流进行疏通和组织，从而使燃机能在任何工况下都可以稳定地工作。可船舶甲板布局会对其产生限制，进气稳压室的稳压空间会很有限。为了在有限的空间中让进气系统能够拥有良好的气动性能，必须进行进气流场的数值模拟计算以及优化的设计和研究，从而为船舶的设计提供理论依据。

1 数学模型与边界条件

1.1 可压缩粘性流动的Navier-Stokes方程

守恒型的质量、动量和能量方程为

-

1.2 湍流模型

标准k-ε模型。在标准k-ε方程中，k和ε是两个基本未知量，与之相对应的运输方程为[11]

式中：Gk为湍动能k生成的项；Gb为湍动能k生成的项；YM为可压湍流脉动扩张进行的贡献；C1ε、C2ε和C3ε为经验常数；σk和σε分别为与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；Sk和Sε为用户自己定义的原项。

1.3 控制方程离散

有限体积法关键的方法就是将控制微分方程式在控制容积内进行积分，即

关于瞬间变化状态的问题，我们需要对时间间隔△t进行积分，以表明从此刻t到时刻(t+△t)的时间段内φ仍保持其守恒性。

2 计算结果与讨论

稳压室的外形设计应该符合流体动力学要求。此外，整个进气系统稳压室是其源头部分，是动力装置的关键部件，为其设计外形还要考虑到整船的协调性。动力装置对稳压室的要求是保证其有足够稳定的气流。下游进气道部位设计的也比较大，这样通过稳压室的气流流速不会太高，有利于降低压力损失。装置的几何尺寸如下。

稳压室主体长×宽×高：5 000 mm×6 000 mm×3 000 mm；

进气竖井长×宽×高：6 000 mm×1 500 mm×1 500 mm；

进气竖井横放部分长×宽×高：3 000 mm×1 500 mm×1 500 mm。

设计了用于模拟试验的三个模型，每个模型对应一个方案，每个方案根据稳压室中滤器位置的不同布置进行区分。具体如图1～图3所示。

图1 方案一模型

图2 方案二模型

图3 方案三模型

方案一在进气面附有滤器，气流经过百叶窗后通过滤器直接进入稳压室，最后经过进气竖井折转进入压气机；方案二则是在方案一的基础上增加稳压室的侧向进气，气流经过正面百叶窗后流向稳压室，另一部分的气流从侧向流入，这样增加了进气面积，同时两股气流交汇可以达到一定的稳压和降速作用；方案三则采用对称式弯曲进气，这样改造后，增加了进气面积，改变了气流进气方向，通过这样的改变观察进气面积对气流的影响。以上三种方案意在从改变进气面积和气流方向两个因素来观察其对进气系统阻力特性的影响。

2.1 方案一结果分析

方案一速度流线图和速度分布等值线图分别如图4、图5所示。其通过不同的方向来展示流场速度分布状况。以上的各个图按速度大致可以将流场分为三个部分：第一部分为低速区，进气稳压室还有经过百叶窗之后的通流部分，这部分气流速度较慢是因为进口面积比较大，即进气滤清器的面积较大，而且没有存在较大折转；第二部分为高速区，即进气道和压气机部分，这是由于气体进入通道瞬间通道面积变小，压气机部分进气口面积较之更小；第三部分为过渡区，由高速区向低速区过渡的部分，也可以称之为导流段。在过渡段中，这一部分截面面积会减小，所以气流速度逐渐增大。在整个计算域流场中，出现这种分布规律的原因在前面已经分析过，是由于从进气稳压室截面到压气机进口截面面积急剧减小，但气流的密度变化不大，根据连续方程为常数，我们可以知道，气流的速度必然会增大，这相当于渐缩喷管的作用。

图4 方案一速度流线图

图5 方案一速度分布等值线图

图6为方案一的计算流体区域中间截面总压分布示意图。由图可知，总压在进口稳压室分布较不均匀，进入进气道后部分压力有所降低。从压力分布上我们还可以看到经过滤器部分压力会骤降，这和所设置的多孔介质边界条件有关，经过滤器压力会有所损耗。当流体经过进气道折转时也会产生压降，这是由于经过折转会产生压损及二次流等损失使压力降低。从图6中可以得出其他计算区域总压分布更不均匀，在过渡段和压气机段其分布规律是沿径向由内环到外环逐渐减小，而且在靠近滤清器一侧和下侧总压要比相对应的两侧小。

图6 方案一中间截面总压分布图

2.2 方案二结果分析

模型二与模型一相比进气部分有一定改动，因此进气流场会发生一定的变化。气体经过百叶窗后，部分气体没有直接从稳压室正面流入，而是经过一定折转从稳压室侧向进入，两部分气体经过滤器后在稳压室部分进行汇合。从速度流线的分布可以明确地看出同样整个流体区域可以大致分为三个部分：低速区、高速去、过渡区。气体经滤器进入稳压室速度大小较为均匀，没有较大改变，而在压气机进口部分速度较大，这在之前的模型中也分析过。当气体在稳压室以及管道之间时，则会处于过渡状态。从侧向进入的气体在与正面进入气流交汇时，会使气流产生一定的减速作用，这也是模型二不同于模型一对气流的影响作用。方案二流线图和中间截面速度等值线图分别如图7、图8所示。

图7 方案二流线图

图8 方案二中间截面速度等值线图

图9为方案二计算流体区域中间截面总压分布示意图。由图9可知，总压在进口稳压室分布均匀，进入进气道后部分压力有降低。同样经过滤器部分压力会骤降，这和所设置的多孔介质边界条件有关，经过滤器压力会有所损耗。从图9中可以得出所有计算区域总压分布均匀，在过渡段和压气机段其分布变化规律也较为均匀，仅在外环处有少许压力降，总体来说此方案压力分布均匀合理。

图9 方案二中间截面总压分布图

2.3 方案三结果分析

方案三模型较方案一、方案二有较大改变，流体进入稳压室的方式和方向有别于前两种方案。气流沿着三个不同方向进入稳压室进行交汇，然后经整流进入进气道，最后经折转进入压气机。同样根据速度的分布以及大小可以将流体区域分为三个部分，即高速区、低速区、过渡区。同样也是由于流体在不均匀管径的的作用下，速度发生相应的变化。方案三速度流线和中间截面速度等值线图分别如图10、图11所示。

图10 方案三速度流线

图11 方案三中间截面速度等值线图

图12为方案三流体区域中间截面的总压分布图。由图12可知，压力在进口部分和稳压室部分分布最为均匀，进入通道由于突缩突转的原因会使压力产生一定的损失，同时气流经过滤器以及百叶会使压力有所降低。从图12中可以得出，其他计算区域总压分布较方案一更为均匀，但比方案二均匀性差一些。在过渡段和压气机段其总压分布变化规律整体较为均匀，仅在外环处有明显的压力降低。总体来说较此方案压力分布比方案一好，但比方案二还差些。

图12 方案三中间截面总压分布图

2.4 压气机进口面阻力特性

通过改变出口的压力来控制整个计算流场的流量。采用这种方法，对每种方案都模拟了七组工况，然后得出每组工况下压气机进口考察面上的流量和压力损失，给出了三种方案压气机进口考察面在不同工况下压力损失的计算结果，同时给出了两种方案压气机进口考察面阻力特性的二次曲线，并通过最终得到的阻力特性曲线来分析各个模型不同的进气滤清器的摆设对进气系统阻力特性的影响。

图13表示了各模型流量与压损的关系。从曲线图上我们可以清晰地看到三个模型的流量压损关系存在较大的差异，这些都是由于模型的滤器摆放位置以及通流面积不同所造成的。在通道结构相同的情况下，改变滤器的摆放位置可以很大程度地影响流体流动，从而导致整个流体区域的气动性能发生较大改变。模型一在相同流量下压力损失最大，其次为模型三，模型二最小。首先对比模型一和模型二两模型的不同之处在于模型二增加了稳压室的侧向进气，气流从不同方向进入稳压室，一定程度地降低了气流的速度，这对于稳压来说有较好的意义；另一方面增加了进气面积分担了一部分气流同样会降低速度，从而减小压损。而对于模型一和模型三，模型三改变了进气方向和面积采用了弯曲对称的过滤面，改变了进气方向使气流从三个方向上进入。相对于模型一，模型三对气流进入压气机起到一定的分流作用。从模型的模拟上来看模型三的速度流线较模型一的速度流线更为平缓，因而压损稍小。

图13 各模型流量压损关系

2.5 压气机进口速度均匀性考察

速度均匀性是考量压气机进口速度畸变的一个重要性质。对速度的均匀性考察可以首先从各模型出口速度的矢量图来进行观察，这可以在一定程度上定性地分析出其速度均匀性。

图14～图16分别为各模型出口界面速度矢量图。气流在出口截面速度的方向较为均匀，但是方案一与方案三在速度快慢方面存在比较大的差异，是不理想的方案，而方案二速度快慢的变化幅度较小，比较理想。方案一与方案三究其原因是：(1) 在稳压室进入进气通道时气流经过较大的折转，这时速度方向以及快慢会发生较大改变。气流在进气道部分就已经不是十分均匀，从而导致在进入压气机进口时速度仍然不均匀，这一点由模型的速度流线图也可容易观察到。(2) 面积骤然减小。根据流体的连续性可知，这会使速度发生骤变。从而影响到后来进入压气机的速度变化，这些原因都成为阻碍其速度均匀的原因。

图14 模型一出口面速度

图15 模型二出口面速度

图16 模型三出口面速度

方案二由于增加了侧向的进气口，增大了进气面积，对速度的变化影响降到了最低。同时在稳压器备份不变的情况下，延长气流流动距离，而后又进入加长的箱状体，目的是延长其流动的距离以求稳定。因此本方案基本达到了速度均匀性质量的要求。

3 结论

通过以上的分析可以得出，方案二是最终的优选方案。

在方案二的基础上主要的改进思路为：(1) 对压气机箱状体的体积进行改进，目的使箱状体的空间增大，从而达到一定的稳定气流的作用；(2) 对进气箱状体纵向的长度进行延长，增大气流的流动长度使气流速度渐渐均匀；(3) 改进进气弯道的弯度，减小气流因突然折转而产生的速度变化。

通过数值模拟得出了计算域流场中速度、压力等物理参数的分布情况，并对其分布规律加以总结。本文的研究可以为燃气轮机进气稳压室的设计提供技术支持。

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Numerical Simulation of the Aerodynamic Performance of Marine Gas Turbine Intake System

CHEN Chang-rong, GUAN Guo-wei， Gan Zuo-wei

(Ocean Engineering Equipment Branch, Bohai Equipment Research Institute，Panjin Liaoning 124010, China)

In order to ensure the air flows through the intake plenum chamber as uniform as possible during running process of the gas turbine, and to avoid the instability of compressor surge and the dynamic performance of the device, three kinds of different models were established, and the numerical simulation was carried out. The flow field in the inlet system was analyzed from two aspects of the resistance characteristic and the velocity uniformity. The results show that the velocity increases with the air intake. The arrangement of the filter has a great influence on the resistance characteristic of the intake system.

Numerical simulation Gas turbine Intake plenum

陈昌荣(1986-)，男，工程师，主要从事船舶与海洋工程总体设计研究。

U664

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