船舶动力装置排气装置分析

郑洋、吴聂

江苏大洋海洋装备有限公司，江苏 泰州225453

摘要：动力装置是船舶航行的动力来源。船舶动力装置选型除了应满足功率要求外，还必须考虑不同类型船舶的特点，而过高的排气温度使得船舶红外特征明显。因此，本文分析不同引射器结构对引射器性能指标的影响，找出最佳的优化方法来提升引射器的整体性能，为船舶动力装置排气装置的工程设计提供参考。

关键词：船舶；动力装置；排气

1船用燃气轮机动力装置概述

目前，部分燃气轮机制造厂将机组制作成1个模块，模块中包含全部附属设备。这使燃气轮机在船上的安装变得极为简便。船用燃气轮机的保养项目相对较少，仅有压气机的清洗、滤器的检查等项目。燃气轮机的经济性较差，燃油消耗率较高。改进燃气轮机经济性的主要措施是提高进气温度和增大压缩比。近年来，燃气轮机的性能得到显著改善，特别是在燃油耗量方面。由于燃气轮机不能直接在船上修理，出现问题时需要整台更换，船舶甲板上应预留足够大的舱口；截面积较大的进排气管道要穿过甲板，给船体结构设计带来一定的困难。

根据目前燃气轮机在船舶领域的使用和制造情况分析，上述两个技术问题得到了充分解决。军用舰艇的动力装置配合使用燃气轮机与其他动力装置。部分舰艇使用柴油机或汽轮机作为巡航时的主机，将燃气轮机作为加速机组。也有部分舰艇在巡航时以柴油机或汽轮机作为主机，全速行进时则改用燃气轮机作为主机。在民用船舶中，为了改进燃气轮机动力装置的经济性，可以采用燃气轮机与汽轮机的联合动力装置。联合动力装置利用燃气轮机废气的热能产生蒸汽，从而驱动汽轮机，汽轮机的功率通过齿轮箱被传送至螺旋桨或带动发电机等。

排气引射器可以将同一方向流动的2股不同流速和压力的流体通过压力差进行混合。利用流体之间的黏性切应力来传输能量，以达到低能量次流流体和高能量主流流体之间相互掺混的目的。其中，低能量、低压力的流体被称为次流流体，高能量、高压力的流体被称为主流流体。主流流体的流量与次流流体的流量的比值称为引射系数。根据主、次流流体的状态可分为主、次流相同介质，主、次流不同介质，或者主、次流在掺混过程中有形态改变等情况。

2数值模拟方案

2.1算法验证

在对排气引射器进行研究前，须验证计算方法。在相同的边界条件下，选取不同的湍流模型进行验证，来选取最佳的湍流模型。MAQSOOD对短弯混合管亚声速引射器进行研究，选用其作为算法验证的对象，提高仿真准确性。

2.2计算模型

利用软件建立其结构，三维立体模型如图1所示，喷管数量为4，喷管直径736 mm，喷管长度795mm，喷管出口与混合管距离1116mm，混合管长度2422mm，混合管直径2277mm，多级引射器级数5，引射器出口直径2748mm，多级引射器进口面积0.792m2，排气引射器总长度5611mm。选择质量流量入口，给定主流流量4个喷管共77kg/s，总温456℃，总压2900Pa。次流入口：压力入口，参考压力为大气压力，温度27℃；混合出口：压力出口，参考压力为大气压力。温度27℃为进出口边界条件，绝热无滑移壁面，采用Standard k-ε模型以及SIMPLE算法对引射器展开数值研究。

图1 排气引射器模型

网格数量达到240万以后，总压损失、混合度相对误差变化幅度很小。但网格数较多时，计算会花费大量时间，无法快速获得所需数据，所以选择240万左右的网格数进行接下来的数值模拟。模型的网格划分如图2所示。

图2 引射器非结构网格

3数值模拟结果分析

3.1主流喷口距混合段距离对排气引射器影响

当主流喷口面积不变时，主流喷口与混合段的距离会影响排气引射器的性能。在其他结构尺寸不变的情况下，改变主流喷口与混合段距离。原模型距离为1116mm，模型距离值从小到大记为模型1-1～模型1-5，分别为916mm、1016mm、1116mm、1316mm、1416mm。随着主流喷口与混合段距离的增大，排气引射器的引射系数逐渐增加；总压损失逐渐降低；混合度先减小后增加，原模型的混合度为1.742，最接近1。

图3给出了不同主流喷口与混合段之间的距离模型1.0工况时纵剖面速度和温度云图。由图3可知：在不同距离下，靠近喷管壁面和引射器中心位置有较大的速度，并且混合段入口的速度是不一样的，随着距离的增加，混合段入口的高速区域在减小，说明主次流的掺混情况越好，引射器的出口温度的分布趋势是基本相同的，即从中心向外温度递减，中心有最大温度，出口处温度呈对称分布。

(a) 模型 1-1                       (b) 模型 1-2

图3不同主流喷口与混合段距离模型 1.0 工况时刨面速度图和出口温度云图

3.2多级引射器进口面积对排气引射器的影响

在保持其他条件不变时，改变多级引射器的进口面积，分析排气引射器装置的性能变化规律，原模型多级引射器进口面积为0.792m2，模型面积从小到大记为模型2-1～模型2-5，分别为0.626m

2、0.708m2、0.792m2、0.876m2、0.961m2。对数值模拟得到结果进行分析，从主流出口到引射器的出口，总温、总压、速度都是逐渐减小的，随着多级引射器的进口面积的增加，出口总温几乎是没有波动的，原模型出口温度最低，出口总压是逐渐下降的。可以得出结论：随着多级引射器进口面积的增大，引射系数先降低后增加直至0.95；总压损失逐渐降低；混合度原模型1.742接近1，其他情况都维持在1.8附近。

根据不同主流喷口与混合段之间的距离模型1.0工况时纵剖面速度和温度云图。在不同距离下，靠近喷管壁面和引射器中心位置有较大的速度，并且混合段入口的速度是不一样的，随着距离的增加，混合段入口的高速区域在减小，说明主次流的掺混情况越好，引射器的出口温度的分布趋势是基本相同的，即从中心向外温度递减，中心有最大温度，出口处温度呈对称分布。

3.3多级引射器级数对排气引射器的影响

在保持其他条件不变时，改变多级引射器的级数并分析排气引射器装置的性能变化规律。随着多级引射器级数的增加，出口总温是逐渐下降的，出口总压也逐渐下降。由此可以得出结论：随着多级引射器级数的增加，引射器的引射系数增加，出口总压降低，出口温度降低。在不同的级数下，靠近喷管壁面和引射器中心位置有较大的速度，随着引射器级数的增加，多级引射器部分的流体掺混情况变好，引射器出口温度的分布是相同的，即从中心向外温度递减，中心有最大温度，出口处温度呈对称分布。

结论

1）在不同工况下，随着工况的增加，引射系数增加，混合度越接近1，引射器性能越好。速度和温度均是从引射器出口中心向外均匀扩散的。2）主流喷口与混合段的距离与主次流的混合程度有关，随着主流喷口与混合段距离的增大，引射系数逐渐增加，总压损失逐渐降低，混合度先增加后减小。从不同截面的参数计算结果可以看出，随着主流喷口与混合段距离的增加，引射器出口温度降低。3）多级引射器的进口面积与引射器内的流体掺混有关，随着多级引射器进口面积的增加，引射系数先降低后增加直至0.950附近几乎不变，总压损失逐渐降低，混合度原模型1.742最接近1.000，其他情况都维持在1.800附近。从不同截面的参数计算结果可以看出，随着多级引射器进口面积的增加，引射器的出口温度几乎没有变化。4）改变多级引射器的级数，随着级数的增加，引射系数明显增加，原模型混合度最接近1.000。从不同截面的参数计算结果可看出，随着多级引射器级数的增加，引射器出口总温、总压都降低。

参考文献：

[1]杨致明,李立国.红外抑制器 2 种缩比模型的对比试验[J].南京航空航天大学学报,1994(4):477-483.

[2]刘友宏,陈锵,李立国.圆排波瓣圆柱混合管的气动特性试验研究[J]. 南京航空航天大学学报,2000(04):375-380.

[3]单勇,张靖周.波瓣喷管结构参数对引射混合器性能影响的数值研究[J]. 航空动力学报,2005(06):973-977.

（郑洋 身份证号：421087198709235918；吴聂 身份证号：320921198909016939）