李慶峰,胡娟娟,牛茂升,隋平陽(yáng)

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,上海 201108)

隨著對(duì)艦船快速性要求的提高,燃?xì)廨啓C(jī)以單機(jī)功率大、體積小、質(zhì)量輕、啟動(dòng)加速性能好等特點(diǎn),目前廣泛地應(yīng)用到大功率艦船的推進(jìn)系統(tǒng)中[1]。

由于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣流量較大,若進(jìn)氣流場(chǎng)中的氣流發(fā)生畸變就會(huì)降低壓氣機(jī)的效率及喘振裕度,從而影響燃?xì)廨啓C(jī)的正常穩(wěn)定工作。因此,通常會(huì)在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口前布置進(jìn)氣穩(wěn)壓室,對(duì)進(jìn)氣氣流進(jìn)行適當(dāng)組織,盡量降低進(jìn)氣流動(dòng)損失,以確保燃?xì)廨啓C(jī)在各個(gè)不同工況下都能正常、穩(wěn)定、高效工作?？梢哉f(shuō),燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)性能在很大程度上制約著整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的總體性能。

目前在艦船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣裝置中比較常見(jiàn)的是后向布置方式。后向布置進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí),因?yàn)槭艿角安垦b置的保護(hù)作用,進(jìn)氣系統(tǒng)受海上風(fēng)速、風(fēng)向的影響較小。但是這種布置方式使得進(jìn)氣口距離煙囪較近,在某些外部風(fēng)向條件下,可能會(huì)有部分排氣進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng),出現(xiàn)進(jìn)氣溫度過(guò)高的現(xiàn)象,導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性下降。

某艦在國(guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)性地采用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)舷側(cè)進(jìn)氣的布置方式,該進(jìn)氣布置方式可以有效地解決進(jìn)氣溫度過(guò)高的問(wèn)題,更重要的是它可以使得艦船的總體布置方案更加方便、靈活。

當(dāng)采用舷側(cè)進(jìn)氣布置方案時(shí),在艦船行駛過(guò)程中,外部環(huán)境包括風(fēng)速、風(fēng)向的變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣流動(dòng)的影響較大。風(fēng)速、風(fēng)向的變化不僅使得船體本身的阻力改變,而且會(huì)影響進(jìn)氣通道內(nèi)部氣流的組織形式,使得燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口處的流場(chǎng)穩(wěn)定性和均勻性惡化,進(jìn)一步增大燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣通道內(nèi)的流動(dòng)阻力損失,最終會(huì)使得燃?xì)廨啓C(jī)的有效輸出功率降低。因此需要驗(yàn)證舷側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

目前,針對(duì)船用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的研究大部分都集中在進(jìn)氣消聲器[2-3]、進(jìn)氣濾清器[4-9]、應(yīng)急旁通[10]、防冰裝置[11]等部件的性能研究上。關(guān)于側(cè)向進(jìn)氣的研究,主要集中在環(huán)境條件改變時(shí)進(jìn)氣裝置外部流場(chǎng)的變化情況[12-16],或雙通道進(jìn)氣系統(tǒng)研究[17],且主要是通過(guò)數(shù)值分析方法來(lái)進(jìn)行研究,針對(duì)側(cè)向進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)的研究較少[18],更沒(méi)有基于進(jìn)氣系統(tǒng)比例模型的試驗(yàn)研究。

本文主要針對(duì)舷側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)在不同進(jìn)氣方向時(shí),進(jìn)氣系統(tǒng)流量、各部件阻力、流動(dòng)畸變、進(jìn)氣系統(tǒng)通道內(nèi)部的流動(dòng)細(xì)節(jié)情況等進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量,從而分析目前舷側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在不同進(jìn)氣方向下的性能表現(xiàn)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗(yàn)方法

本研究將某艦用燃?xì)廨啓C(jī)舷側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)氣通道尺寸按照1∶5比例進(jìn)行比例縮放,圖1給出了試驗(yàn)風(fēng)洞示意圖。進(jìn)氣系統(tǒng)同時(shí)配置了進(jìn)氣百葉窗、進(jìn)氣濾清器、穩(wěn)壓室、進(jìn)氣消聲器等部件,盡可能保證與實(shí)際進(jìn)氣系統(tǒng)相同。

圖1 試驗(yàn)風(fēng)洞示意圖

試驗(yàn)風(fēng)洞采用抽吸式。風(fēng)洞入口與大氣連通,出口接110 kW抽氣風(fēng)機(jī)。

被風(fēng)機(jī)吸入的外界空氣先經(jīng)過(guò)百葉導(dǎo)向器,通過(guò)四個(gè)等尺寸的進(jìn)氣百葉窗后進(jìn)入三個(gè)濾清器,在進(jìn)氣穩(wěn)壓室內(nèi)經(jīng)過(guò)90°折角,向下進(jìn)入消聲器,然后進(jìn)入模擬箱裝體的腔體。

一是加快有限責(zé)任合伙制在會(huì)計(jì)師事務(wù)所的普遍實(shí)行。我國(guó)會(huì)計(jì)師事務(wù)所大多為有限責(zé)任制，即以全部資產(chǎn)對(duì)其負(fù)債承擔(dān)有限責(zé)任，這種有限責(zé)任制使注冊(cè)會(huì)計(jì)師面臨執(zhí)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較小，與其承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任以及社會(huì)對(duì)他們的公信力是不相稱(chēng)的。因此，應(yīng)大力發(fā)展合伙制特別是有限責(zé)任合伙制，即以全部資產(chǎn)對(duì)其負(fù)債承擔(dān)有限責(zé)任，合伙人對(duì)個(gè)人執(zhí)業(yè)行為承擔(dān)無(wú)限責(zé)任，合伙人不承擔(dān)連帶責(zé)任，以此來(lái)增加注冊(cè)會(huì)計(jì)師的法律責(zé)任，從而保證會(huì)計(jì)信息質(zhì)量。

試驗(yàn)風(fēng)洞基體采用鋼板制作,進(jìn)氣濾清器、進(jìn)氣消聲器等阻力元件通過(guò)添加不同厚度的絲網(wǎng)來(lái)模擬。每一部分的絲網(wǎng)厚度可以更改,可以在試驗(yàn)中將各部件的流動(dòng)阻力調(diào)節(jié)到所需的水平。

試驗(yàn)中需對(duì)不同進(jìn)氣方向下的進(jìn)氣通道流動(dòng)特性進(jìn)行研究,因此在進(jìn)氣百葉窗之前布置了可拆卸、可更換的百葉導(dǎo)向器,可以構(gòu)造30°、60°、90°、120°、150°五個(gè)不同進(jìn)氣方向條件,如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)布置實(shí)物圖

圖3給出了舷側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)測(cè)量方案示意圖。在百葉窗進(jìn)/出口、濾清器進(jìn)/出口、消聲器進(jìn)/出口、進(jìn)氣通道出口共7個(gè)關(guān)鍵截面上對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。采用探針對(duì)所有7個(gè)測(cè)量截面的總壓、靜壓、速度分布進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)在各個(gè)測(cè)量截面上還布置了2～3組不同方向的有機(jī)玻璃觀察窗以便于進(jìn)行PIV可視化測(cè)量。

圖3 試驗(yàn)風(fēng)洞測(cè)量方案示意圖

采用TSA400-B精密重載型電控平移臺(tái),通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)位移調(diào)整自動(dòng)化。坐標(biāo)架控制系統(tǒng)采用SC300系列位移臺(tái)控制箱,最小分辨率為0.003 125 mm,可以實(shí)現(xiàn)在X、Y、Z三維方向上的自由運(yùn)動(dòng),使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)采集顯得極為快捷方便,且能保證足夠的精度。

在各個(gè)測(cè)量截面上,測(cè)點(diǎn)布置間距及點(diǎn)數(shù)如表1所示。

表1 各測(cè)量截面上測(cè)點(diǎn)布置間距及點(diǎn)數(shù)

試驗(yàn)中,進(jìn)氣流量保持100%額定進(jìn)氣流量不變,通過(guò)更換不同的百葉導(dǎo)向器來(lái)模擬不同的進(jìn)氣方向,共測(cè)量了30°、60°、90°、120°、150°五個(gè)不同進(jìn)氣方向。其中進(jìn)氣方向的定義為進(jìn)氣方向與船艏方向夾角,如圖4所示。

圖4 進(jìn)氣方向定義

1.2 數(shù)據(jù)處理

測(cè)量所得數(shù)據(jù)是湍流瞬時(shí)速度場(chǎng),試驗(yàn)中應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均,從而可以得到湍流流動(dòng)的平均流場(chǎng)信息。

(1)

(2)

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中,采用了“出口畸變系數(shù)”與“主機(jī)功率損失”兩個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。

出口畸變系數(shù)D為出口截面全部采樣點(diǎn)總壓的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)值,其定義為:

(3)

可見(jiàn),出口畸變系數(shù)D越大,說(shuō)明出口畸變?cè)絼×摇?/p>

主機(jī)功率損失E是根據(jù)出口截面全部采樣點(diǎn)總壓的平均值計(jì)算得到,表征的是由于進(jìn)氣阻力所導(dǎo)致的燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率相對(duì)減小百分比。

主機(jī)功率損失E定義為:

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 百葉窗出口截面上總壓、速度云圖

不同進(jìn)氣方向下,百葉窗出口截面上的總壓分布如圖5所示(圖中x、y分別為測(cè)量截面的橫向、縱向長(zhǎng)度),該截面上共布置有4個(gè)百葉窗。由圖可見(jiàn),該截面上對(duì)應(yīng)于百葉窗區(qū)域總壓明顯高于其他區(qū)域,且該截面上總壓分布受進(jìn)氣方向的影響較為明顯。

(a) 進(jìn)氣方向30°

當(dāng)進(jìn)氣方向?yàn)?0°時(shí),靠近船艏的兩個(gè)百葉窗出口區(qū)域總壓最高,尤其是底部百葉窗區(qū)域總壓達(dá)到-120 Pa。當(dāng)進(jìn)氣角與船艏夾角繼續(xù)增加,該截面上高壓區(qū)域變?yōu)榭拷簝蓚€(gè)百葉窗對(duì)應(yīng)區(qū)域,且在60°、90°、120°、150°進(jìn)氣角時(shí),該截面上總壓最高區(qū)域均維持在靠近船艉的底部百葉窗對(duì)應(yīng)區(qū)域。

對(duì)比不同進(jìn)氣方向下該截面上質(zhì)量平均總壓、靜壓(如圖6),還可以看出在進(jìn)氣方向垂直于百葉窗時(shí)(進(jìn)氣方向90°),截面上總壓最高。隨著進(jìn)氣方向偏向船艏及船艉方向,截面上總壓逐漸減小。

圖6 不同進(jìn)氣方向下百葉窗出口截面上質(zhì)量平均總壓、靜壓對(duì)比

截面上質(zhì)量平均靜壓值在不同進(jìn)氣方向下的變化趨勢(shì)與總壓相同,如圖6所示。

不同進(jìn)氣方向下,百葉窗出口截面上的速度分布如圖7所示。由圖可見(jiàn),在進(jìn)氣方向?yàn)?0°、60°、90°時(shí),靠近船艉側(cè)兩個(gè)百葉窗區(qū)域速度明顯大于靠近船艏側(cè)兩個(gè)百葉窗區(qū)域。隨進(jìn)氣方向變化,截面上對(duì)應(yīng)四個(gè)百葉窗區(qū)域速度分布的不均勻性有所改善。

(a) 進(jìn)氣方向30°

2.2 濾清器出口截面上總壓云圖

不同進(jìn)氣方向下,濾清器出口截面上的總壓分布如圖8所示。該截面上共布置3個(gè)濾清器,分為兩行,第一行有2個(gè)濾清器,第二行只有1個(gè)濾清器居中布置。由圖可見(jiàn),不同進(jìn)氣方向下截面上的總壓分布規(guī)律較為相近。這可能是由于受到濾清器較大流動(dòng)阻力的影響,濾清器前的不均勻氣流在流過(guò)三個(gè)濾清器窗口后,氣流得以進(jìn)一步平均,從而使得截面上的總壓分布受進(jìn)氣方向的影響較小。

(a) 進(jìn)氣方向30°

對(duì)比不同進(jìn)氣方向下該截面上質(zhì)量平均總壓(如圖9),還可以看出,與百葉窗出口截面總壓分布相同,在進(jìn)氣方向垂直于百葉窗時(shí)(進(jìn)氣方向90°)截面上總壓最高。

圖9 不同進(jìn)氣方向下濾清器出口截面上質(zhì)量平均總壓

2.3 穩(wěn)壓室出口截面上總壓云圖

不同進(jìn)氣方向下,穩(wěn)壓室出口截面上的總壓分布如圖10所示。由圖可見(jiàn),氣流在穩(wěn)壓室內(nèi)經(jīng)歷90°彎角向下轉(zhuǎn)折后,在穩(wěn)壓室出口截面上在船艏側(cè)靠近船舯位置區(qū)域總壓最大。

(a) 進(jìn)氣方向30°

進(jìn)氣方向?qū)Ψ€(wěn)壓室出口截面總壓分布趨勢(shì)基本沒(méi)有影響,對(duì)總壓值大小有所影響,在進(jìn)氣方向垂直于百葉窗時(shí)(進(jìn)氣方向90°)截面上總壓最高,如圖11。

圖11 不同進(jìn)氣方向下穩(wěn)壓室出口截面上質(zhì)量平均總壓

2.4 消聲器出口截面上總壓、靜壓、速度分布

經(jīng)過(guò)消聲器后,氣流得到進(jìn)一步的平順,在消聲器出口截面上總壓、靜壓、速度的分布相對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)前部各截面上都較為均勻,如圖12所示。

(a) 總壓分布

濾清器、穩(wěn)壓室等部件由于位于進(jìn)氣通道前端,流動(dòng)阻力受進(jìn)氣方向的影響較明顯,在垂直于船長(zhǎng)方向進(jìn)氣時(shí),部件流動(dòng)阻力最小。消聲器流動(dòng)阻力大小則基本不受進(jìn)氣方向的影響,如圖13所示。

圖13 不同進(jìn)氣方向下,濾清器、穩(wěn)壓室、消聲器流動(dòng)阻力總壓損失變化情況

2.5 進(jìn)氣方向?qū)M(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力總壓損失、流動(dòng)畸變、主機(jī)功率損失的影響

不同進(jìn)氣方向下進(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力損失變化情況如圖14所示?？梢钥闯?進(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力總壓損失隨進(jìn)氣方向的變化趨勢(shì)與濾清器、穩(wěn)壓室等關(guān)鍵部件的變化趨勢(shì)相同,在90°進(jìn)氣方向時(shí)最小。

圖14 不同進(jìn)氣方向下進(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力總壓損失變化情況

在額定流量下五個(gè)不同進(jìn)氣方向時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力總壓損失均滿(mǎn)足小于1 600 Pa的設(shè)計(jì)要求,其中在30°、60°、120°、150°時(shí)基本維持在(1 550±30)Pa范圍內(nèi),在90°進(jìn)氣時(shí)僅為1 317 Pa。

不同進(jìn)氣方向下進(jìn)氣系統(tǒng)出口畸變系數(shù)、主機(jī)功率損失變化情況如圖15所示。不同進(jìn)氣方向條件下進(jìn)氣系統(tǒng)出口截面上流動(dòng)畸變與阻力損失變化情況正好相反,在垂直于船長(zhǎng)方向時(shí)出口畸變系數(shù)最大,為1.89%,滿(mǎn)足小于2%的設(shè)計(jì)要求。主機(jī)功率損失變化情況與通道阻力損失變化趨勢(shì)相同,在90°進(jìn)氣時(shí)主機(jī)功率損失最小,最大主機(jī)功率損失3.78%,滿(mǎn)足小于4%的設(shè)計(jì)要求。

圖15 不同進(jìn)氣方向下,進(jìn)氣系統(tǒng)出口畸變系數(shù)、主機(jī)功率損失變化情況

3 結(jié)論

本文對(duì)某艦用燃?xì)廨啓C(jī)舷側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)在5個(gè)不同進(jìn)氣方向下的整體性能表現(xiàn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,對(duì)進(jìn)氣百葉窗、濾清器、穩(wěn)壓室、消聲器等關(guān)鍵部件的進(jìn)、出口截面上總壓、靜壓、速度等物理量進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。

通過(guò)試驗(yàn)研究,可以發(fā)現(xiàn):

1) 進(jìn)氣方向會(huì)明顯影響進(jìn)氣系統(tǒng)總阻力損失、主機(jī)功率損失的大小,在垂直于船長(zhǎng)方向進(jìn)氣(進(jìn)氣方向90°)時(shí),系統(tǒng)總阻力損失最小,對(duì)應(yīng)的主機(jī)功率損失也最小。

2) 進(jìn)氣方向同樣會(huì)影響進(jìn)氣系統(tǒng)出口截面上流動(dòng)畸變情況,變化趨勢(shì)與進(jìn)氣系統(tǒng)總阻力損失變化趨勢(shì)相反,在垂直于船長(zhǎng)方向進(jìn)氣(進(jìn)氣方向90°)時(shí)出口截面上流動(dòng)畸變最大。

3) 進(jìn)氣系統(tǒng)中百葉窗、濾清器、穩(wěn)壓室等位于系統(tǒng)前端的部件受進(jìn)氣系統(tǒng)的影響較為明顯,在垂直于船長(zhǎng)方向進(jìn)氣(進(jìn)氣方向90°)時(shí)各部件阻力損失最小。消聲器等進(jìn)氣系統(tǒng)尾端部件基本不受進(jìn)氣系統(tǒng)的影響,在各個(gè)進(jìn)氣方向下的流動(dòng)阻力損失基本維持不變。

4) 5個(gè)不同進(jìn)氣方向下進(jìn)氣系統(tǒng)總阻力損失均滿(mǎn)足小于1 600 Pa的設(shè)計(jì)要求,尤其在垂直于船長(zhǎng)方向進(jìn)氣(進(jìn)氣方向90°)時(shí),系統(tǒng)總阻力損失僅為1 317 Pa。進(jìn)氣系統(tǒng)出口畸變系數(shù)滿(mǎn)足小于2%的設(shè)計(jì)要求,主機(jī)功率損失滿(mǎn)足小于4%的設(shè)計(jì)要求。