汪 行，劉 鋒

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430050）

0 前言

氣體發(fā)動機(jī)在正常運行工況下，天然氣和空氣在氣缸里完全燃燒并排放至排氣管，排氣負(fù)荷較低，由于氣體發(fā)動機(jī)采用高強(qiáng)度的柴油機(jī)零部件結(jié)構(gòu)，可靠性很高[1]；但在某氣缸點火失敗的情況下，空氣和天然氣的混合氣體就會被排放到排氣管，會在排氣管被點燃劇烈燃燒，形成爆炸壓力，所以排氣管能否承受爆炸壓力，需要做應(yīng)力分析進(jìn)行風(fēng)險評估。

目前排氣管的應(yīng)力分析多見于傳統(tǒng)燃油柴油機(jī)的耐久試驗，測試高溫廢氣對排氣管壁的沖擊和破壞或者進(jìn)行有限元分析，以評估排氣管的性能和可靠性[2]。對于可燃混合氣體在排氣管內(nèi)爆燃所產(chǎn)生的爆炸壓力對排氣管的影響研究比較少，一般很少做耐久性試驗，常常采用模擬仿真，先進(jìn)行排氣管爆炸事故幾率風(fēng)險評估，然后用有限方法計算最大應(yīng)力，驗證該型氣體發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否能夠滿足要求?；谀M計算的排氣管風(fēng)險評估流程如圖1所示，排氣管爆炸分析流程如圖2所示。

圖1 風(fēng)險評估流程

圖2 爆炸分析流程

本文在該流程下，通過模擬計算分析，驗證了某型氣體發(fā)動機(jī)排氣管滿足結(jié)構(gòu)安全要求，能夠獲得中國船級社認(rèn)可，可以投入生產(chǎn)。

1 氣體發(fā)動機(jī)排氣管簡介

某型氣體發(fā)動機(jī)額定功率為125 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定工況下排氣溫度697℃，額定工況下排氣壓力為132.5 kPa.天然氣的消耗量為26.5 kg/h，空氣的消耗量為550.1 kg/h.排氣管的外形如圖3所示，排氣管的型號為HT250，抗拉強(qiáng)度為250～350 N/mm2，屈服強(qiáng)度為165～228 N/mm2.

圖3 排氣管外形圖

所需參數(shù)：空氣中氧氣的含量為21%，氮氣的含量為79%，空氣的密度為1.293 g/L.單缸每循環(huán)燃?xì)饬髁?.589g/沖程；單缸每循環(huán)空氣流量 12.224 g/沖程。

2 C F D仿真計算

該排氣管采用灰鑄鐵HT250，其屈服強(qiáng)度為165～228 MPa，抗拉強(qiáng)度為250～350 MPa.假定排氣管可能發(fā)生的最惡劣情況。

計算設(shè)定邊界條件，分析工況為柴油機(jī)的額定工況125 kW：在排氣管進(jìn)氣口設(shè)定氣體流量12.813g/沖程和溫度697℃；出口設(shè)定靜壓132.5 kPa；排氣管內(nèi)壁為壁面邊界條件，傳熱采用第三類邊界條件，規(guī)定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流體溫度；計算模型如圖4所示。

圖4 C F D計算模型

為了模擬仿真最壞工況，仿真場景為兩種：（1）單缸點火失敗，該氣缸內(nèi)的天然氣和空氣的混合氣體全部泄露進(jìn)排氣管，假定出現(xiàn)該故障后，1 s后切斷，此時間段內(nèi)的混合氣體全部泄露進(jìn)排氣管內(nèi)，并在排氣管內(nèi)被點燃；（2）假定排氣管內(nèi)只存在天然氣和氧氣，且天然氣和氧氣完全燃燒（摩爾比1∶2），此時產(chǎn)生的爆炸壓力為理論最高值。根據(jù)排氣管的三維模型進(jìn)行CFD仿真計算，危險場景1的計算結(jié)果最大壓力如圖5所示，最高溫度如圖6所示。

圖5 爆炸壓力分布（最大壓力）

圖6 爆炸溫度分布（最高溫度）

場景2的工況在實際中不可能發(fā)生，故只做假設(shè)，作為最高臨界值，并進(jìn)行計算模擬，限于篇幅CFD計算不給結(jié)果及圖形。

CFD的計算結(jié)果應(yīng)該在此處給出。根據(jù)以上CFD計算分析，由圖5可知場景1的最大壓力為0.4983 MPa，圖6可知最高溫度為2 140 K；場景2最大壓力為0.9464 MPa，最大溫度為2602.9 K.

3 A N S Y S應(yīng)力計算分析

根據(jù)CFD的計算結(jié)果（最高壓力0.9464 MPa）加載載荷輸入到ANSYS有限元分析軟件中，進(jìn)行應(yīng)力分析，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3-5]。

ANSYS應(yīng)力計算模型如圖7所示。

圖7 A N S Y S計算模型

場景1下將CFD計算工況最大壓力0.4983 MPa加載到排氣管計算模型，得到計算結(jié)果如圖8所示。由于爆炸排氣管內(nèi)腔壓力升高，排氣管發(fā)生鼓脹，但從計算結(jié)果可以看出變形位移值非常小，最大變形位移在出口位置，不會損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)和影響功能。

圖8 最大壓力下排氣管變形位移

場景1下將CFD計算工況最大壓力加載到排氣管計算模型，計算出的應(yīng)力分布如圖9所示?？梢钥闯觯艢夤艿淖畲髴?yīng)力分布在出口處為2.278 MPa.

圖9 排氣管應(yīng)力分布圖

場景2下將CFD計算工況最大壓力0.9646 MPa加載到排氣管計算模型，但從計算結(jié)果可以看出變形位移值非常小，最大變形位移在出口位置，不會損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)和影響功能。同時可以看出，排氣管的最大應(yīng)力分布在出口處，約為場景1的應(yīng)力的兩倍為4.411 2 MPa，滿足要求。

4 結(jié)論

本分析方法采用CFD和ANSYS相結(jié)合的方法，利用CFD的計算結(jié)果加載到ANSYS里計算應(yīng)力分布，并計算出最大變形位移。從場景1、場景2的計算結(jié)果可以看出，氣體發(fā)動機(jī)的排氣管可承受最大爆炸工況下的壓力，排氣管的最大應(yīng)力都遠(yuǎn)沒有達(dá)到其設(shè)定屈服極限126.9 MPa（材料屈服極限為165 MPa，安全系數(shù)為1.3），所以為126.9 MPa，可以滿足排氣管的結(jié)構(gòu)安全要求。該型氣體柴油機(jī)排氣管在實際使用中，未見應(yīng)力破壞，說明本文采用的風(fēng)險評估流程和仿真分析方法可靠性很高，可以作為后續(xù)型號氣體柴油機(jī)排氣管強(qiáng)度分析及評估的主要方法。