舰用燃气轮机进排气系统指标体系及试验方法

钟 毅，刘国栋

(海军驻上海地区舰炮系统军事代表室，上海 200135)

燃气轮机与其它动力装置相比，具有功率大、尺寸小、重量轻、机动性强、采用箱装体结构可快速更换等优点，深受各国海军青睐。为满足舰用燃气轮机和舰用柴油机对燃烧和冷却空气的品质要求，以保障舰用动力系统的可靠工作，进排气装置是装船技术中不可缺少的重要设备[1]。于洋等[2]采用三维数值模拟方法结合标准k-ω模型对侧向进气装置内外流场进行了一体化数值研究，陈昌荣等[3]建立了3种不同模型，分别对其进行了数值模拟，分析了阻力特性和速度均匀性是否影响进气系统的流场。闫欣等[4]应用计算流体动力学和声学有限元法分别对燃气轮机进气空气滤清器和进气消声器的流动阻力和消声特性进行计算和分析，薛晶[5]基于某6FA燃气轮机项目进气喷嘴校准装置的设计过程，通过建立进气道模型，选择安装流量喷嘴、测压耙与扫描阀的方案，说明了安装进气流量校准系统的作用与安装校准装置对进气流量喷嘴空气流场的影响，林丹等[1]从舰用进气装置动力特性的研究需要出发，论述了动力特性分析的理论基础，以某大型进气装置为对象，针对激励环境、固有特性及动力响应进行了试验研究。

本文将从舰用燃气轮机进排气系统的工作原理出发，提出进排气系统的指标评价体系和试验方法。

1 工作原理

舰用燃气轮机工作时，需要大量的空气，经压缩、燃烧和膨胀而做功，做功后的废气需排出。进排气装置的作用就是吸进干净空气和排出废气。同时，燃气轮机工作时产生强烈的噪声也要经过进排气装置再传出，起到降噪的作用。因而，进排气系统是舰艇燃气轮机的重要组成部分。进气系统由水过滤分离器、消声器、过滤段和进气室等组成。排气装置由排气蜗壳、消声器、排气管和引射管等组成，如图1所示。

图1 进排气系统工作原理示意图

2 指标体系

2.1 进气系统

进气装置一般应满足下列要求。

1)压力损失小。大量空气经过进气系统流到压气机进口截面，由于存在各种损失，如进气道壁面的摩擦阻力损失、进气口和转弯处的流动损失、水过滤分离器和消声器中的阻力损失、压气机进口及防护网引起的流动损失等，使压气机进口的空气压力降低，将使功率和效率降低。根据国外舰艇燃气轮机的使用经验，当压力损失每增加1%时，额定功率损失约2.2%，油耗增加1.2%。

2)压气机进口速度场要均匀。

3)防止吸入海水、烟气、灰尘及杂物。

4)传出噪声小。

5)结构简单，重量轻，尺寸小，并能承受一定的冲击力。

2.2 排气系统

根据其工作条件，排气装置应满足下列基本要求。

1)压力损失小。目前使用标准一般在1.47×10-3～2.45×10-3MPa。

2)涡轮出口截面的燃气速度场要均匀。

3)排气管道壁面温度和排气出口温度符合允许值。

4)排气噪声小。

5)避免排出的废气重新进入进气装置。

6)重量轻、尺寸小，并具有一定的抗冲击能力。

3 试验方法

根据进排气系统评价指标体系，进气系统应进行静态检查、阻力测定试验、进气管路模型试验、抗冲击试验4类试验；排气系统应进行静态检查、阻力测定试验、排气红外辐射强度测试、抗冲击试验4类试验，如图2所示。

图2 进排气系统试验项目

3.1 进气系统

3.1.1 静态检查

静态检查的目的是检查进气系统的组成、齐套性及总布置是否满足国家、军用标准及型号研制相关要求、系统设备技术规格书的相关规定。根据GJB 4000—2000《舰船通用规范》(以下简称“《通规》”)257.7.2水面舰船燃气轮机进气系统的相关规定：每台燃气轮机应设置独立的进气系统，除小艇外，避免将主机舱作为进气室。进气管道进口的位置和方向应避开排气管道出口、通风机排出口、辅锅炉及焚烧炉的排烟口和油舱通气孔等，尽量减少浪花及水幕系统喷雾水吸入，并保证甲板上残渣碎片不被吸入。进气管路一般应设置进气消声器，管路壁应采取消声措施，但应防止吸声材料被吸入压气机。

3.1.2 阻力测定试验

对首制舰在燃气轮机的各主要运行工况下，测定进气系统阻力。将测量结果填入表 1。

表1 燃气轮机进排气系统阻力测量记录表 Pa

3.1.3 进气管路模型试验

空气流经进气系统，因多次转弯及进气道内结构物(如消声器等)的影响，压气机进口截面上的速度场是不均匀的。这种不均匀性严重到一定程度，会使气流的紊流程度升高，甚至出现涡流。这对压气机的工作很不利，将改变压气机的喘振边界线，降低压气机的稳定工作范围。此外，还将增加空气流动阻力损失，减小空气流量和增压比，降低效率。周向和径向的不均匀度会引起叶片振动，使叶片损坏。为了获得流场的均匀性，进气装置结构通常在气流进入压气机入口前安装整流导向叶片或设置空间较大的进气稳压室。并且，压气机进口导流罩通常应伸展到进气室内。《通规》257.7.2.3规定：燃气轮机进气系统的设计应使燃气轮机压气机进口处的空气流场畸变满足压气机的技术要求，必要时应通过进气管路模型试验验证。目前，舰用燃气轮机一般通过科研样机进行陆上试验来验证压气机进口速度场是否均匀，由于速度场测量较为复杂，当前的评价指标一般为燃气轮机样机工作是否稳定，而无详细定量指标。然而航空发动机领域在进气管路模型试验方面有明确的试验规程和评价方法，因此本文建议舰用燃气轮机进气系统参考航空发动机领域，研发适合舰用燃气轮机进气系统的进气管路模型试验方法和指标评价体系。

3.1.4 抗冲击试验

进排气系统应满足《通规》第074章规定的A级抗冲击要求，按GJB 150.18的有关规定进行抗冲击鉴定。根据可能遇到的冲击环境选用以下有关试验：运输跌落试验、工作台上的倾跌试验、铁路车辆撞击试验、包装件的粗暴装卸试验、基本设计试验、坠撞安全试验、强冲击试验、引信及引信元件的跌落试验、温度-冲击综合试验、舰船设备的冲击试验。

3.2 排气系统

3.2.1 静态检查

《通规》257.8.2规定：排气系统宜考虑消声措施。排气管道出口位置及方向，应保证不致使排出的热废气被吸入进气系统或通风系统，并应保证不致使排出的热废气和烟灰损坏舰上的电子设备及天线，增加火灾的危险和防碍舰员的正常操作。排气系统应考虑落入雨雪的排除措施。

3.2.2 阻力测定试验

和进气装置相似，排气装置中各种构件和通道壁面的阻力引起的压力损失，同样对燃气轮机的功率和效率有很大的影响。压力损失越大，动力涡轮后的压力就越大，从而使涡轮的压降减少，做功能力降低，效率下降。对首制舰在燃气轮机的各主要运行工况下，测定排气系统阻力。将测量结果填入表 1。

3.2.3 排气红外辐射强度测试

《通规》257.8.2.6规定：红外抑制装置应能降低燃气轮机排气管段出口、烟囱口金属壁及排气流的平均温度。在各台燃气轮机工况同时为1.0运行时，按规定的方法测得的排气系统红外辐射强度在0°～45°测视角范围内，红外辐射强度3～5 μm应不大于电子对抗系统无源干扰发射后的80%。对首制舰在燃气轮机的各主要工况运行时，测量排气系统的红外辐射强度。将测量结果分别填入表 2、表3、表4。

表2 燃气轮机红外辐射强度3～5 μm时测量记录表

表3 燃气轮机运行工况主烟囱外壁温度测量记录表

表4 燃气轮机运行工况桅杆烟囱外壁温度测量记录表

3.2.4 抗冲击试验

进排气系统的抗冲击试验见3.1.4。

4 结束语

本文根据舰用燃气轮机进排气系统工作原理及使用要求，构建了进排气系统指标评价体系和试验方法，根据本文的研究，在舰用燃气轮机性能鉴定试验阶段，进气系统应进行静态检查、阻力测定试验、进气管路模型试验、抗冲击试验4类试验，排气系统应进行静态检查、阻力测定试验、排气红外辐射强度测试、抗冲击试验4类试验。