楊元龍

船舶回汽制動對主蒸汽系統(tǒng)運行特性的影響

楊元龍

基于實際船舶蒸汽動力系統(tǒng)運行機制，解析船舶回汽制動過程，利用CFD方法計算正車工況下主蒸汽系統(tǒng)管路速度場和壓力場的穩(wěn)態(tài)分布規(guī)律；擬合并引入基于二次程序開發(fā)的正倒車回汽流量模型作為動態(tài)計算邊界條件，動態(tài)計算分析回汽制動過程蒸汽流量變化對主蒸汽系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，在回汽制動過程中，蒸汽分配箱、正車供汽管及倒車供汽管的最大壓降滿足主汽輪機操作規(guī)范要求。

主汽輪機；回汽制動；主蒸汽系統(tǒng)

在特殊條件下為加速航行蒸汽動力船舶制動，蒸汽動力船舶大多采用正倒車汽輪機回汽制動的方式，即快速開大倒車汽輪機進汽閥且同步緩慢關(guān)小正車汽輪機的進汽閥門，促使推進的汽輪機緊急快速制動[1]1-2。推進汽輪機回汽制動可以快速實現(xiàn)主汽輪機轉(zhuǎn)速歸零，規(guī)避支撐軸承和推力軸承磨損燒瓦的風(fēng)險，提高蒸汽動力系統(tǒng)的安全性，但卻極大地影響了船舶蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在船舶蒸汽制動過程中，為正車汽輪機輸送高溫高壓蒸汽的主蒸汽系統(tǒng)耗汽量緩慢減小，為倒車汽輪機輸送高溫高壓蒸汽的主蒸汽系統(tǒng)耗汽量快速增大，且由于增壓鍋爐系統(tǒng)的自身熱慣性而促使過熱蒸汽壓力快速升高[2-3]，故汽輪機回汽制動的方法導(dǎo)致主蒸汽系統(tǒng)的蒸汽流量、工作壓力和溫度等關(guān)鍵性能參數(shù)交替擾動，因此需研究船舶回汽制動對主蒸汽系統(tǒng)運行特性影響的規(guī)律。

目前國內(nèi)外學(xué)者對蒸汽動力船舶回汽制動過程做了大量研究，大多學(xué)者利用綜合數(shù)值仿真平臺，采用正、倒車汽輪機功率仿真模型，研究了船舶回汽制動過程中正、倒車汽輪機轉(zhuǎn)速和功率匹配關(guān)系，以及船體的滑行特性[4-7]。但鑒于船舶主汽輪機設(shè)計技術(shù)的封鎖，鮮有關(guān)于船舶回汽制動對主蒸汽系統(tǒng)運行特性影響研究的文獻報道。本文根據(jù)船舶蒸汽動力系統(tǒng)設(shè)計理論，分析了船舶回汽制動過程理論模型。采用CFD數(shù)值仿真方法計算了主機正車工況下主蒸汽系統(tǒng)管路速度場和壓力場的穩(wěn)態(tài)分布特性，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，從而驗證了數(shù)值計算模型的準(zhǔn)確性。建立回汽制動過程中正倒車汽輪機的耗汽量模型，并通過CFD仿真計算，揭示回汽制動過程對正車和倒車蒸汽系統(tǒng)流量、壓力、流速，以及湍動能等關(guān)鍵性能參數(shù)的動態(tài)影響規(guī)律。

1 回汽制動機理

圖1所示為主汽輪機回汽制動原理。主汽輪機制動系統(tǒng)主要由正車汽輪機、倒車汽輪機、蒸汽分配箱、主蒸汽管路及減速器組成。在船舶正常航行工況，過熱蒸汽系統(tǒng)經(jīng)蒸汽分配箱后帶動正車汽輪機或倒車汽輪機單獨運行，再經(jīng)過減速器減速后，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，推動船舶航行。在回汽制動工況，逐步減小正車汽輪機的進汽量，同時蒸汽分配箱將過熱蒸汽供向倒車汽輪機做功，以減速器為著力點，倒車汽輪機提供與正車汽輪機轉(zhuǎn)速相反的作用力。隨著倒車汽輪機耗汽量增大且正車汽輪機耗汽量減少，正、倒車轉(zhuǎn)矩平衡，減速器轉(zhuǎn)速為零，進而實現(xiàn)船舶回汽制動[1]2-3。

2 數(shù)學(xué)物理方程

根據(jù)船舶主蒸汽系統(tǒng)管路配置結(jié)構(gòu)，利用ICEM軟件開展主蒸汽管路幾何模型搭建，然后基于CFX13流體計算軟件自帶的前處理和求解器模塊求解數(shù)學(xué)方程，主要包括連續(xù)性方程、N-S方程和能量方程。為匹配求解方程與參數(shù)的數(shù)量，湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[8]，最終完成主蒸汽系統(tǒng)計算域的物理建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值離散及迭代計算。

2.1 物理建模及網(wǎng)格劃分

圖2所示為船舶主蒸汽系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)。主蒸汽系統(tǒng)管路主要由1#、2#進汽管路、蒸汽分配箱、正車汽輪機供汽管路及倒車汽輪機供汽管路組成。過熱蒸汽經(jīng)過1#、2#進汽管流入蒸汽分配箱，再經(jīng)過蒸汽分配箱分別供給正、倒車汽輪機做功。主蒸汽管路幾何規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 主蒸汽管路幾何參數(shù) m

船舶主蒸汽系統(tǒng)管路網(wǎng)格模型見圖3。主蒸汽管路采用四面體網(wǎng)格和棱柱網(wǎng)格組合的劃分方式，管路近壁區(qū)域添加邊界層網(wǎng)格，提升近壁區(qū)域的網(wǎng)格聚集率和正交性，蒸汽分配箱的局部網(wǎng)格進行加密處理，準(zhǔn)確模擬局部區(qū)域流場結(jié)構(gòu)。根據(jù)網(wǎng)格無關(guān)解計算，確定網(wǎng)格近壁尺寸y+為32～43，網(wǎng)格模型共包含450 000個網(wǎng)格子單元。

2.2 數(shù)學(xué)方程

連續(xù)性方程：

(1)

N-S方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(5)

式中：ui(i=1,2,3)為流速；ρ為密度；t為時間；p為壓力；F為體積力；cp為比定壓熱容；T為溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；φ為源項；μ為粘性系數(shù)。

2.3 邊界條件

抽取實際船舶主蒸汽系統(tǒng)運行參數(shù)，利用CFX平臺的CCL函數(shù)模塊[9]，擬合并設(shè)置數(shù)值仿真的穩(wěn)、動態(tài)邊界條件。正車穩(wěn)態(tài)工況下，1#、2#進汽管路的進口蒸汽壓力為5.7 MPa，進口溫度為435 ℃，正車汽輪機供汽管出口流量為33 kg/s，倒車汽輪機供汽管出口流量為0。蒸汽物性參數(shù)利用IAPWS IF97數(shù)據(jù)庫[10]，壁面采用無滑移邊界條件。

3 正車工況主蒸汽穩(wěn)態(tài)特性計算驗證

計算得到正車工況下主蒸汽系統(tǒng)管路壓力的變化，見圖4。由圖4可知，沿著主蒸汽管路的沿程流動方向，工作蒸汽壓力快速降低。究其原因，主要是過熱蒸汽經(jīng)過2#過熱蒸汽管路和蒸汽分配箱向正車汽輪機供汽過程中，由于過熱蒸汽本身的粘滯性，以及蒸汽與管道內(nèi)壁之間的摩擦產(chǎn)生的摩擦阻力，另外，主蒸汽系統(tǒng)管路上有多個彎頭、變徑和局部突擴部位，過熱蒸汽流經(jīng)這些管件時產(chǎn)生局部渦流而引起的局部阻力。因此在摩擦阻力和局部阻力的共同作用下，正車工況下主蒸汽系統(tǒng)管路內(nèi)過熱蒸汽壓力快速降低。從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，模擬仿真的過熱蒸汽壓力分布曲線與某試驗測量數(shù)據(jù)基本吻合，進而驗證本文仿真模型和計算方法的準(zhǔn)確性與合理性。

計算得到正車工況下主蒸汽壓力變化見圖5。由圖5可知，正車供汽管路的壓降較大。主要是由于1#、2#進汽流量匯流于蒸汽分配箱，并通過正車供汽管路全部進入正車汽輪機，使正車供汽管路中蒸汽流量較大，導(dǎo)致流動阻力增大，正車供汽管路壓力降低幅度較大。

正車工況下主蒸汽系統(tǒng)管路內(nèi)蒸汽流動變化規(guī)律如圖6和圖7所示。在蒸汽分配箱與正車供汽管路接口的附近流域，大部分蒸汽壓力能轉(zhuǎn)換為動能，引發(fā)蒸汽流動速度較高。由于蒸汽分配箱的限流和整流作用，加強過熱蒸汽湍流微團轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致流場湍流脈動紊亂，進而增大過熱蒸汽的動能損失耗散，易誘發(fā)主蒸汽管路的低頻脈動。

4 正倒車回汽制動特性分析

4.1 正倒車回汽流量特性分析

根據(jù)上述計算邊界條件，結(jié)合數(shù)學(xué)計算方程，進行回汽制動過程計算仿真分析。圖8給出了回汽制動工況下蒸汽分配箱流量隨時間變化的曲線。由圖8可知，沿著回汽制動時間的推移，蒸汽分配箱流量緩慢減小后急劇升高又快速下降。究其原因，主要是在前60 s制動過程中，正車汽輪機耗汽量快速減小，同時倒車汽輪機供汽量緩慢增大，但正車汽輪機耗汽量下降速率大于倒車供汽量升高速率，故在正、倒車的聯(lián)合作用下，導(dǎo)致前60 s制動過程中蒸汽分配箱流量緩慢減小。在60～70 s制動時間內(nèi)，正車汽輪機耗汽量繼續(xù)降低，但倒車汽輪機供汽量急劇升高，倒車供汽量升高速率遠大于正車汽輪機耗汽量下降速率，促使蒸汽分配箱流量急劇升高。在70～120 s完成回汽制動時間內(nèi)，正車汽輪機耗汽量以相同的速率降低，但倒車汽輪機供汽量保持不變，導(dǎo)致蒸汽分配箱流量快速減小。

4.2 正車主蒸汽運行參數(shù)特性分析

4.2.1 正車主蒸汽壓力場分析

圖9給出了回汽制動工況下蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽壓力隨時間變化的曲線。由圖9可知，隨著時間的推移，蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽壓力快速升高后緩慢降低又逐漸升高。主要是由于在前60 s時間內(nèi)，蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽流量不斷減少，在過熱蒸汽進口壓力不變條件下，導(dǎo)致蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽壓力快速升高。在60～70 s制動時間內(nèi)，蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽流量快速升高，導(dǎo)致蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽壓力又降低。在70～120 s制動時間內(nèi)，蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽流量快速下降，導(dǎo)致蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽壓力升高。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在回汽制動過程中，蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽壓力變化最高幅值約為0.16 MPa，小于設(shè)備運行要求的壓力波動幅值0.5 MPa，因此滿足設(shè)備運行要求。

4.2.2 正車主蒸汽流場分析

正車供汽管內(nèi)蒸汽流速隨時間變化曲線如圖12所示。從圖12可以發(fā)現(xiàn)，隨著回汽制動時間的推移，由于正車供汽管內(nèi)蒸汽流量逐漸降低(見圖10)，蒸汽流速逐漸減小。在120 s回汽制動時間內(nèi)，正車供汽流量快速降為零，使蒸汽流速從75 m/s降低至0，蒸汽流速降低幅度較大，雖然峰值流速小于主蒸汽運行時流速標(biāo)準(zhǔn)值(即80 m/s)，但較大的動量變化極易促使流體對管路誘發(fā)較大的沖擊慣量，進而導(dǎo)致高強度的流致振動。

正車供汽管湍流動能隨時間變化的曲線如圖13所示。由圖可知，隨著回汽制動時間的推移，由于過熱蒸汽流速不斷降低，減緩了不同尺寸湍流微團的動量轉(zhuǎn)化，流場結(jié)構(gòu)和湍流脈動愈加平穩(wěn)，導(dǎo)致蒸汽湍流動能快速降低。

4.3 倒車主蒸汽運行參數(shù)特性分析

4.3.1 倒車主蒸汽壓力場分析

如圖14和圖15所示，在0～60 s回汽制動時間內(nèi)，倒車供汽流量逐漸升高，在蒸汽分配箱內(nèi)蒸汽壓力基本不變條件下，倒車出口蒸汽壓力緩慢降低。在60～70 s回汽制動時間內(nèi)，為加速汽輪機的回汽制動，倒車供汽流量急劇增大，導(dǎo)致倒車出口蒸汽壓力快速降低。在70～120 s回汽制動時間內(nèi)，倒車供汽流量保持不變，由于蒸汽分配箱蒸汽壓力略有升高，促使倒車出口蒸汽壓力略微升高。從圖中還可以看出，在整個回汽制動過程中，倒車供汽管最大蒸汽壓降約為0.16 MPa。

4.3.2 倒車主蒸汽流場分析

從圖16所示的倒車供汽管內(nèi)蒸汽流速隨時間變化曲線可知，在0～120 s回汽制動時間內(nèi)，由于倒車供汽流量急劇增大，使倒車供汽管內(nèi)蒸汽流速從0快速升高至75 m/s左右，峰值流速小于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求(設(shè)計值為80 m/s)，但由于倒車供汽管路蒸汽動量增量較大，極易誘發(fā)倒車供汽管高強度振動。

計算得到的倒車供汽管湍流動能隨時間變化的情況見圖17。由圖17可知，隨著回汽制動時間的推移，由于倒車供汽管路內(nèi)過熱蒸汽流速逐漸升高并保持不變，增加了不同尺寸湍流微團的動量轉(zhuǎn)化，湍流脈動結(jié)構(gòu)更加紊亂，促使蒸汽湍流動能快速增大并保持不變，易導(dǎo)致倒車供汽管路的低頻脈動。

5 結(jié)論

根據(jù)船舶蒸汽動力系統(tǒng)運行機制，解析船舶回汽制動過程，抽取主蒸汽系統(tǒng)的典型穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)，采用CFD數(shù)值仿真方法計算了正車工況下主蒸汽系統(tǒng)管路流場和壓力場的穩(wěn)態(tài)分布規(guī)律，計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合。擬合并引入基于二次程序開發(fā)的正倒車回汽流量模型作為動態(tài)計算邊界條件，計算回汽制動過程中主蒸汽系統(tǒng)運行特性隨蒸汽流量變化的情況，揭示了回汽制動對正車和倒車蒸汽系統(tǒng)流量、壓力、流速及湍動能等關(guān)鍵性能參數(shù)的動態(tài)影響規(guī)律，其主要結(jié)論為在回汽制動過程中，供汽流量先緩慢減小再急劇升高又快速下降，蒸汽分配箱、正車供汽管及倒車供汽管的最大壓降依次約為0.16 MPa、0.4 MPa和0.16 MPa，滿足主汽輪機操作規(guī)范要求；正、倒車供汽管內(nèi)蒸汽流速均約為75 m/s，但正車供汽管內(nèi)蒸汽最大湍流動能約達到32 J/kg，大于倒車供汽管蒸汽湍流動能，流體更易對正車供汽管誘發(fā)高峰值的沖擊動量，進而導(dǎo)致正車主蒸汽系統(tǒng)管路發(fā)生高頻脈動。

由于船舶回汽制動過程極其復(fù)雜，影響回汽的系統(tǒng)參數(shù)較多，本文僅仿真計算了主蒸汽系統(tǒng)回汽制動特性，后續(xù)將在某動力系統(tǒng)試驗中進一步摸索不同工況下主汽輪機回汽制動的控制策略及其對全系統(tǒng)特性的影響因素。

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(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

Study on Impacts of Ship Back-steam Braking on Operating Characteristics of the Main-steam System

YANG Yuan-long

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The back-steam braking process was analyzed based on the operating experience for ship steam power system. The steady characteristics of velocity and pressure field for main-steam pipeline were calculated by use of CFD method. The back-steam mass-flow model for head and back steam turbine were drafted and introduced to be treated as the transient boundary conditions. The study on impacts of ship back-steam braking on main-steam system operating characteristic was carried out. The calculated results showed that the max pressure drop of steam shunting equipment, head and back steam turbine pipeline can satisfy the specification requirements of the main steam turbine operation.

main steam turbine; back-steam braking; main-steam system

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.013

2016-05-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51309063)

楊元龍(1986—)，男，碩士，工程師研究方向:艦船蒸汽動力系統(tǒng)設(shè)計及性能仿真

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0053-06

修回日期：2016-06-17