艦用燃氣輪機進排氣系統指標體系及試驗方法

鐘 毅，劉國棟

(海軍駐上海地區艦炮系統軍事代表室，上海 200135)

燃氣輪機與其它動力裝置相比，具有功率大、尺寸小、重量輕、機動性強、采用箱裝體結構可快速更換等優點，深受各國海軍青睞。為滿足艦用燃氣輪機和艦用柴油機對燃燒和冷卻空氣的品質要求，以保障艦用動力系統的可靠工作，進排氣裝置是裝船技術中不可缺少的重要設備[1]。于洋等[2]采用三維數值模擬方法結合標準k-ω模型對側向進氣裝置內外流場進行了一體化數值研究，陳昌榮等[3]建立了3種不同模型，分別對其進行了數值模擬，分析了阻力特性和速度均勻性是否影響進氣系統的流場。閆欣等[4]應用計算流體動力學和聲學有限元法分別對燃氣輪機進氣空氣濾清器和進氣消聲器的流動阻力和消聲特性進行計算和分析，薛晶[5]基于某6FA燃氣輪機項目進氣噴嘴校準裝置的設計過程，通過建立進氣道模型，選擇安裝流量噴嘴、測壓耙與掃描閥的方案，說明了安裝進氣流量校準系統的作用與安裝校準裝置對進氣流量噴嘴空氣流場的影響，林丹等[1]從艦用進氣裝置動力特性的研究需要出發，論述了動力特性分析的理論基礎，以某大型進氣裝置為對象，針對激勵環境、固有特性及動力響應進行了試驗研究。

本文將從艦用燃氣輪機進排氣系統的工作原理出發，提出進排氣系統的指標評價體系和試驗方法。

1 工作原理

艦用燃氣輪機工作時，需要大量的空氣，經壓縮、燃燒和膨脹而做功，做功后的廢氣需排出。進排氣裝置的作用就是吸進干凈空氣和排出廢氣。同時，燃氣輪機工作時產生強烈的噪聲也要經過進排氣裝置再傳出，起到降噪的作用。因而，進排氣系統是艦艇燃氣輪機的重要組成部分。進氣系統由水過濾分離器、消聲器、過濾段和進氣室等組成。排氣裝置由排氣蝸殼、消聲器、排氣管和引射管等組成，如圖1所示。

圖1 進排氣系統工作原理示意圖

2 指標體系

2.1 進氣系統

進氣裝置一般應滿足下列要求。

1)壓力損失小。大量空氣經過進氣系統流到壓氣機進口截面，由于存在各種損失，如進氣道壁面的摩擦阻力損失、進氣口和轉彎處的流動損失、水過濾分離器和消聲器中的阻力損失、壓氣機進口及防護網引起的流動損失等，使壓氣機進口的空氣壓力降低，將使功率和效率降低。根據國外艦艇燃氣輪機的使用經驗，當壓力損失每增加1%時，額定功率損失約2.2%，油耗增加1.2%。

2)壓氣機進口速度場要均勻。

3)防止吸入海水、煙氣、灰塵及雜物。

4)傳出噪聲小。

5)結構簡單，重量輕，尺寸小，并能承受一定的沖擊力。

2.2 排氣系統

根據其工作條件，排氣裝置應滿足下列基本要求。

1)壓力損失小。目前使用標準一般在1.47×10-3～2.45×10-3MPa。

2)渦輪出口截面的燃氣速度場要均勻。

3)排氣管道壁面溫度和排氣出口溫度符合允許值。

4)排氣噪聲小。

5)避免排出的廢氣重新進入進氣裝置。

6)重量輕、尺寸小，并具有一定的抗沖擊能力。

3 試驗方法

根據進排氣系統評價指標體系，進氣系統應進行靜態檢查、阻力測定試驗、進氣管路模型試驗、抗沖擊試驗4類試驗；排氣系統應進行靜態檢查、阻力測定試驗、排氣紅外輻射強度測試、抗沖擊試驗4類試驗，如圖2所示。

圖2 進排氣系統試驗項目

3.1 進氣系統

3.1.1 靜態檢查

靜態檢查的目的是檢查進氣系統的組成、齊套性及總布置是否滿足國家、軍用標準及型號研制相關要求、系統設備技術規格書的相關規定。根據GJB 4000—2000《艦船通用規范》(以下簡稱“《通規》”)257.7.2水面艦船燃氣輪機進氣系統的相關規定：每臺燃氣輪機應設置獨立的進氣系統，除小艇外，避免將主機艙作為進氣室。進氣管道進口的位置和方向應避開排氣管道出口、通風機排出口、輔鍋爐及焚燒爐的排煙口和油艙通氣孔等，盡量減少浪花及水幕系統噴霧水吸入，并保證甲板上殘渣碎片不被吸入。進氣管路一般應設置進氣消聲器，管路壁應采取消聲措施，但應防止吸聲材料被吸入壓氣機。

3.1.2 阻力測定試驗

對首制艦在燃氣輪機的各主要運行工況下，測定進氣系統阻力。將測量結果填入表 1。

表1 燃氣輪機進排氣系統阻力測量記錄表 Pa

3.1.3 進氣管路模型試驗

空氣流經進氣系統，因多次轉彎及進氣道內結構物(如消聲器等)的影響，壓氣機進口截面上的速度場是不均勻的。這種不均勻性嚴重到一定程度，會使氣流的紊流程度升高，甚至出現渦流。這對壓氣機的工作很不利，將改變壓氣機的喘振邊界線，降低壓氣機的穩定工作范圍。此外，還將增加空氣流動阻力損失，減小空氣流量和增壓比，降低效率。周向和徑向的不均勻度會引起葉片振動，使葉片損壞。為了獲得流場的均勻性，進氣裝置結構通常在氣流進入壓氣機入口前安裝整流導向葉片或設置空間較大的進氣穩壓室。并且，壓氣機進口導流罩通常應伸展到進氣室內。《通規》257.7.2.3規定：燃氣輪機進氣系統的設計應使燃氣輪機壓氣機進口處的空氣流場畸變滿足壓氣機的技術要求，必要時應通過進氣管路模型試驗驗證。目前，艦用燃氣輪機一般通過科研樣機進行陸上試驗來驗證壓氣機進口速度場是否均勻，由于速度場測量較為復雜，當前的評價指標一般為燃氣輪機樣機工作是否穩定，而無詳細定量指標。然而航空發動機領域在進氣管路模型試驗方面有明確的試驗規程和評價方法，因此本文建議艦用燃氣輪機進氣系統參考航空發動機領域，研發適合艦用燃氣輪機進氣系統的進氣管路模型試驗方法和指標評價體系。

3.1.4 抗沖擊試驗

進排氣系統應滿足《通規》第074章規定的A級抗沖擊要求，按GJB 150.18的有關規定進行抗沖擊鑒定。根據可能遇到的沖擊環境選用以下有關試驗：運輸跌落試驗、工作臺上的傾跌試驗、鐵路車輛撞擊試驗、包裝件的粗暴裝卸試驗、基本設計試驗、墜撞安全試驗、強沖擊試驗、引信及引信元件的跌落試驗、溫度-沖擊綜合試驗、艦船設備的沖擊試驗。

3.2 排氣系統

3.2.1 靜態檢查

《通規》257.8.2規定：排氣系統宜考慮消聲措施。排氣管道出口位置及方向，應保證不致使排出的熱廢氣被吸入進氣系統或通風系統，并應保證不致使排出的熱廢氣和煙灰損壞艦上的電子設備及天線，增加火災的危險和防礙艦員的正常操作。排氣系統應考慮落入雨雪的排除措施。

3.2.2 阻力測定試驗

和進氣裝置相似，排氣裝置中各種構件和通道壁面的阻力引起的壓力損失，同樣對燃氣輪機的功率和效率有很大的影響。壓力損失越大，動力渦輪后的壓力就越大，從而使渦輪的壓降減少，做功能力降低，效率下降。對首制艦在燃氣輪機的各主要運行工況下，測定排氣系統阻力。將測量結果填入表 1。

3.2.3 排氣紅外輻射強度測試

《通規》257.8.2.6規定：紅外抑制裝置應能降低燃氣輪機排氣管段出口、煙囪口金屬壁及排氣流的平均溫度。在各臺燃氣輪機工況同時為1.0運行時，按規定的方法測得的排氣系統紅外輻射強度在0°～45°測視角范圍內，紅外輻射強度3～5 μm應不大于電子對抗系統無源干擾發射后的80%。對首制艦在燃氣輪機的各主要工況運行時，測量排氣系統的紅外輻射強度。將測量結果分別填入表 2、表3、表4。

表2 燃氣輪機紅外輻射強度3～5 μm時測量記錄表

表3 燃氣輪機運行工況主煙囪外壁溫度測量記錄表

表4 燃氣輪機運行工況桅桿煙囪外壁溫度測量記錄表

3.2.4 抗沖擊試驗

進排氣系統的抗沖擊試驗見3.1.4。

4 結束語

本文根據艦用燃氣輪機進排氣系統工作原理及使用要求，構建了進排氣系統指標評價體系和試驗方法，根據本文的研究，在艦用燃氣輪機性能鑒定試驗階段，進氣系統應進行靜態檢查、阻力測定試驗、進氣管路模型試驗、抗沖擊試驗4類試驗，排氣系統應進行靜態檢查、阻力測定試驗、排氣紅外輻射強度測試、抗沖擊試驗4類試驗。