魚雷燃氣渦輪機廢氣噴水冷卻計算與分析

趙海濤, 師海潮, 伊進寶, 趙衛兵

?

魚雷燃氣渦輪機廢氣噴水冷卻計算與分析

趙海濤, 師海潮, 伊進寶, 趙衛兵

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

使用燃氣渦輪機可使魚雷航速大幅度提高, 但由于渦輪機后廢氣溫度較高, 對密封、軸承、潤滑系統及航跡產生不利影響, 必須采取措施對廢氣進行冷卻。本文詳述了渦輪機廢氣噴水冷卻的原理, 并基于工程熱力學及流體力學基本理論, 建立了廢氣噴水冷卻計算模型, 對不同工況下渦輪機廢氣冷卻進行了計算, 得到了滿足要求的最優噴水量和冷卻后廢氣熱力參數。計算結果為燃氣渦輪機動力裝置冷卻系統設計提供了理論支撐。

魚雷; 燃氣渦輪機; 廢氣冷卻; 噴水

0 引言

燃氣渦輪機廢氣是指渦輪機葉片出口的乏氣, 一般通過排氣管道排出渦輪機外。廢氣的壓強和溫度是影響渦輪機性能的重要參數。排氣壓強影響渦輪機的可用焓降, 在其他條件不變時, 排氣壓強降低, 渦輪機的可用焓降和有效功率增大, 燃料消耗率相應減小[1]。

渦輪機的冷卻主要是針對廢氣的冷卻。水下航行體動力系統為單級沖動式燃氣渦輪機, 從渦輪機葉片出口流出的廢氣溫度約為800 K。首先, 高溫廢氣可能導致軸承、密封件失效; 其次, 高溫廢氣對滑油系統極為不利, 可能造成滑油汽化失去作用; 再次, 高溫廢氣直接排出渦輪機外, 會形成很大航跡, 不利于水下航行體的隱蔽航行。在渦輪機出口引入冷卻水進行冷卻, 廢氣被冷卻到低溫排出渦輪機外, 降低了排氣壓力和速度, 既可增加渦輪機的可用焓降, 又可減輕廢氣對軸承、密封件和潤滑油的影響, 也可減小航跡。

冷卻水量決定廢氣溫度, 影響排氣管中流體的密度、流速和流動損失。本文通過建立渦輪機廢氣冷卻計算模型, 分析排氣溫度和冷卻水流量、排氣壓力之間的變化規律, 得出了冷卻水量與排氣溫度、蒸汽干度和排氣速度的關系, 為渦輪機的冷卻系統設計提供理論依據。

1 廢氣冷卻計算原理和計算模型

1.1 計算原理

在冷卻計算過程中, 冷卻水的初始溫度設為海水溫度, 這是因為冷卻水在強迫冷卻過程中雖然會升溫, 其溫升是由渦輪機能量損失產生的, 而在渦輪機計算中, 整個燃氣流動按絕熱等熵流動考慮, 沒有能量損失, 實際是將過程中的能量損失放在廢氣冷卻計算中考慮。

整個冷卻計算符合質量守恒和能量守恒定律, 即冷卻前的廢氣和冷卻水的質量、能量應和冷卻后的水蒸氣質量、能量相等。

由于系統供應的冷卻水量往往大于將廢氣冷卻至濕蒸汽所必需的冷卻水量, 即排氣中夾帶了過量的液態水(未被蒸發), 冷卻后的廢氣為汽水兩相混合物, 冷卻水被蒸發成水蒸氣的量取決于水蒸氣的分壓, 其原則是水蒸氣的分壓(包括燃氣中的水蒸氣)與其他廢氣組分的分壓按重量百分組成所得的混合氣的總壓力應稍大于排氣背壓, 以保證混合物(汽、水兩相混合物)順利地從排氣管中排出。

當水蒸氣呈濕飽和狀態時, 冷卻水量的變化對冷卻后廢氣混合物的溫度影響不大, 實際動力系統中往往成倍地增加冷卻水量, 以起到降低排氣噪聲的主要作用, 所以實際過程中冷卻后的廢氣干度較小。

確定在給定冷卻水量時的冷卻后廢氣溫度, 將廢氣冷卻直至其中的水蒸氣達到濕飽和狀態后, 冷卻水量的變化對廢氣冷卻后的溫度影響不大。

1.2 計算模型

1.2.1 廢氣溫度

根據渦輪機原理, 燃氣在噴管和葉片流動的溫度參數有以下幾個。

根據理想氣體絕熱過程狀態方程[2], 渦輪機噴管出口的理想溫度

由于氣流在噴管中膨脹時有一定損失, 噴管出口實際溫度為[3]

葉片出口燃氣滯止溫度為

將式(1)~式(3)帶入式(4)可得

1.2.2 渦輪葉片后壓強

渦輪葉片后壓強為[4]

1.2.3 冷卻后廢氣混合氣中水蒸氣的干度

根據分壓定律[1], 在混合氣中, 每種組分所占的容積相同, 即水蒸氣與其余氣體占有同一容積, 所以

即

整理得廢氣混合氣水蒸氣干度

1.2.4 冷卻水量

按照能量守恒定律, 廢氣冷卻前的熱能與冷卻水的熱能的和等于冷卻后廢氣混合氣的熱能。

以0℃為熱能的參考點, 有以下各式。

整理以上各式得到冷卻水量

1.2.5 排氣速度

當水下航行體航行于淺深度時, 主軸內孔出口排氣速度可達到當地音速, 此時的航行深度稱為臨界深度, 大于臨界深度的動力裝置深度特性需通過調節裝置得以滿足, 為此希望臨界深度愈小愈好。在選定排氣管直徑及冷卻水量時, 應計算其排氣速度及當地馬赫數, 保證在所有的工作深度下, 排氣速度均處于臨界速度以下。

排氣主軸內孔通道截面面積

主軸內孔通道出口單位時間排氣(廢燃氣和水蒸氣)體積

主軸內孔通道出口單位時間排出物中含有水蒸氣的剩余液態水所占有的體積

內孔通道截面部分被汽化的液態水占據, 通道截面收縮系數

排氣速度

排氣混合氣的定壓比熱

排氣混合氣的氣體常數

排氣混合氣的比熱比

排氣混合氣的當地音速

排氣混合氣的馬赫數

2 計算結果與分析

2.1 冷卻水量與廢氣出口溫度的計算結果

圖1為不同背壓下冷卻水量和廢氣溫度的關系曲線。經分析可得出, 廢氣溫度隨冷卻水的增加而減小, 在溫度較低時, 廢氣降低單位溫度需要的冷卻水量激增, 在冷卻水量小于約1.4 kg/s時, 廢氣溫度隨冷卻水量的減小而迅速增加。在不同排氣背壓下, 將廢氣冷卻到相同溫度所需的冷卻水量隨背壓的增大而增加, 壓力每增加約0.4 MPa, 水流量增加約43%。

2.2 冷卻水量和冷卻后廢氣混合氣干度的計算結果

圖2是設計工況下冷卻水量與冷卻后廢氣混合氣干度的關系圖。經分析可以得出, 在干度小于0.05和大于0.2時, 干度對冷卻水量的變化非常敏感, 難以控制, 廢氣溫度將出現較大波動, 所以, 應該將廢氣干度保持在0.05到0.2之間為宜, 廢氣溫度在此區間內隨冷卻水量的變化較小。非設計工況下, 對于相同的冷卻水量, 隨航行深度的增加干度略有減小。

圖1 不同背壓冷卻水量與廢氣溫度關系曲線

圖2 冷卻水量與冷卻后廢氣干度的關系圖

2.3 冷卻水流量和排氣馬赫數的計算結果

圖3為設計工況下排氣馬赫數與冷卻水量的關系圖。可以得出, 排氣馬赫數隨冷卻水量的增加而減小。在水流量大于1.7 kg/s和小于1.5 kg/s時, 排氣馬赫數變得對水流量敏感, 這與廢氣干度對冷卻水的敏感區間基本一致。水流量增大, 廢氣干度降低, 比體積變小, 排氣馬赫數降低, 排氣噪聲降低, 水流量減小時則相反。

圖3 設計工況排氣馬赫數與冷卻水量關系圖

2.4 不同航深的計算結果

根據給定冷卻水流量計算的航深和廢氣冷卻溫度的關系如圖4所示。隨著航行深度的增加, 排氣背壓增大, 燃氣的做功能力下降, 廢氣中的熱能增加, 在相同冷卻水流量下, 廢氣溫度隨航深增大而增加。

圖4 廢氣溫度與航深的關系圖

3 結論

通過分析渦輪機廢氣冷卻的機理, 建立了冷卻計算的數學模型, 進行了在不同工況下冷卻水量與排氣參數關系的計算, 初步了解了冷卻水量對廢氣參數的影響規律。

1) 廢氣溫度隨冷卻水量的增加而下降, 但在低溫區, 所需的冷卻水量激增;

2) 廢氣干度隨冷卻水量的增加而下降, 廢氣干度宜保持在0.05至0.2之間, 在此區間之外, 干度對冷卻水流量變得非常敏感;

3) 排氣馬赫數隨冷卻水量的增加而下降, 排氣馬赫數宜保持在0.2至0.6之間, 在此區間之外,排氣馬赫數將變得難以控制;

4) 在設計工況的冷卻水量下, 廢氣溫度隨航行深度的增加而增大, 渦輪機的工作條件變得越來越惡劣, 效率降低。所以應盡量減少渦輪機在非設計工況的工作時間。

[1] 趙寅生. 魚雷渦輪機優化設計原理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2001.

[2] 沈維道, 蔣智敏, 童鈞耕. 工程熱力學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[3] 李日朝, 伊寅, 師海潮. 變工況條件下魚雷渦輪機噴管盒氣動分析[J].水中兵器, 2002(2): 42-47.

[4] 師海潮. 魚雷渦輪機參數優化[D]. 西安: 中國船舶重工集團公司第705研究所, 1998.

[5] 鐘史明, 汪孟樂, 范仲元, 等. 水和水蒸氣性質參數手冊[M]. 北京: 水利電力出版社, 1989.

Calculation and Analysis on Cooling Exhaust-gas of Torpedo Gas Turbine with Water spray

ZHAO Hai-tao, SHI Hai-chao, YI Jin-bao, ZHAO Wei-bing

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To reduce harmful influence of torpedo gas turbine′s high-temperature exhaust-gas on the seal, bearings and lubrication, as well as the track of a torpedo, the principle of cooling turbine exhaust-gas with water spray is described. Corresponding calculation models are established following the theories of engineering thermodynamics and fluid dynamics to calculate the parameters in cooling exhaust gas process with different conditions. Consequently, the optimum water consumption and the thermomechanical parameter of exhaust-gas after cooling are obtained. The calculated results could provide a technical support for cooling system design of torpedo gas turbine.

torpedo; gas turbine; exhaust-gas cooling; water spray

TJ630.34

A

1673-1948(2012)05-0363-04

2011-11-18;

2012-3-23.

趙海濤(1979-), 男, 工程師, 主要研究方向為水下航行體熱動力技術.

(責任編輯: 陳 曦)