鱼雷燃气涡轮机废气喷水冷却计算与分析

赵海涛, 师海潮, 伊进宝, 赵卫兵



鱼雷燃气涡轮机废气喷水冷却计算与分析

赵海涛, 师海潮, 伊进宝, 赵卫兵

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

使用燃气涡轮机可使鱼雷航速大幅度提高, 但由于涡轮机后废气温度较高, 对密封、轴承、润滑系统及航迹产生不利影响, 必须采取措施对废气进行冷却。本文详述了涡轮机废气喷水冷却的原理, 并基于工程热力学及流体力学基本理论, 建立了废气喷水冷却计算模型, 对不同工况下涡轮机废气冷却进行了计算, 得到了满足要求的最优喷水量和冷却后废气热力参数。计算结果为燃气涡轮机动力装置冷却系统设计提供了理论支撑。

鱼雷; 燃气涡轮机; 废气冷却; 喷水

0 引言

燃气涡轮机废气是指涡轮机叶片出口的乏气, 一般通过排气管道排出涡轮机外。废气的压强和温度是影响涡轮机性能的重要参数。排气压强影响涡轮机的可用焓降, 在其他条件不变时, 排气压强降低, 涡轮机的可用焓降和有效功率增大, 燃料消耗率相应减小[1]。

涡轮机的冷却主要是针对废气的冷却。水下航行体动力系统为单级冲动式燃气涡轮机, 从涡轮机叶片出口流出的废气温度约为800 K。首先, 高温废气可能导致轴承、密封件失效; 其次, 高温废气对滑油系统极为不利, 可能造成滑油汽化失去作用; 再次, 高温废气直接排出涡轮机外, 会形成很大航迹, 不利于水下航行体的隐蔽航行。在涡轮机出口引入冷却水进行冷却, 废气被冷却到低温排出涡轮机外, 降低了排气压力和速度, 既可增加涡轮机的可用焓降, 又可减轻废气对轴承、密封件和润滑油的影响, 也可减小航迹。

冷却水量决定废气温度, 影响排气管中流体的密度、流速和流动损失。本文通过建立涡轮机废气冷却计算模型, 分析排气温度和冷却水流量、排气压力之间的变化规律, 得出了冷却水量与排气温度、蒸汽干度和排气速度的关系, 为涡轮机的冷却系统设计提供理论依据。

1 废气冷却计算原理和计算模型

1.1 计算原理

在冷却计算过程中, 冷却水的初始温度设为海水温度, 这是因为冷却水在强迫冷却过程中虽然会升温, 其温升是由涡轮机能量损失产生的, 而在涡轮机计算中, 整个燃气流动按绝热等熵流动考虑, 没有能量损失, 实际是将过程中的能量损失放在废气冷却计算中考虑。

整个冷却计算符合质量守恒和能量守恒定律, 即冷却前的废气和冷却水的质量、能量应和冷却后的水蒸气质量、能量相等。

由于系统供应的冷却水量往往大于将废气冷却至湿蒸汽所必需的冷却水量, 即排气中夹带了过量的液态水(未被蒸发), 冷却后的废气为汽水两相混合物, 冷却水被蒸发成水蒸气的量取决于水蒸气的分压, 其原则是水蒸气的分压(包括燃气中的水蒸气)与其他废气组分的分压按重量百分组成所得的混合气的总压力应稍大于排气背压, 以保证混合物(汽、水两相混合物)顺利地从排气管中排出。

当水蒸气呈湿饱和状态时, 冷却水量的变化对冷却后废气混合物的温度影响不大, 实际动力系统中往往成倍地增加冷却水量, 以起到降低排气噪声的主要作用, 所以实际过程中冷却后的废气干度较小。

确定在给定冷却水量时的冷却后废气温度, 将废气冷却直至其中的水蒸气达到湿饱和状态后, 冷却水量的变化对废气冷却后的温度影响不大。

1.2 计算模型

1.2.1 废气温度

根据涡轮机原理, 燃气在喷管和叶片流动的温度参数有以下几个。

根据理想气体绝热过程状态方程[2], 涡轮机喷管出口的理想温度

由于气流在喷管中膨胀时有一定损失, 喷管出口实际温度为[3]

叶片出口燃气滞止温度为

将式(1)~式(3)带入式(4)可得

1.2.2 涡轮叶片后压强

涡轮叶片后压强为[4]

1.2.3 冷却后废气混合气中水蒸气的干度

根据分压定律[1], 在混合气中, 每种组分所占的容积相同, 即水蒸气与其余气体占有同一容积, 所以

即

整理得废气混合气水蒸气干度

1.2.4 冷却水量

按照能量守恒定律, 废气冷却前的热能与冷却水的热能的和等于冷却后废气混合气的热能。

以0℃为热能的参考点, 有以下各式。

整理以上各式得到冷却水量

1.2.5 排气速度

当水下航行体航行于浅深度时, 主轴内孔出口排气速度可达到当地音速, 此时的航行深度称为临界深度, 大于临界深度的动力装置深度特性需通过调节装置得以满足, 为此希望临界深度愈小愈好。在选定排气管直径及冷却水量时, 应计算其排气速度及当地马赫数, 保证在所有的工作深度下, 排气速度均处于临界速度以下。

排气主轴内孔通道截面面积

主轴内孔通道出口单位时间排气(废燃气和水蒸气)体积

主轴内孔通道出口单位时间排出物中含有水蒸气的剩余液态水所占有的体积

内孔通道截面部分被汽化的液态水占据, 通道截面收缩系数

排气速度

排气混合气的定压比热

排气混合气的气体常数

排气混合气的比热比

排气混合气的当地音速

排气混合气的马赫数

2 计算结果与分析

2.1 冷却水量与废气出口温度的计算结果

图1为不同背压下冷却水量和废气温度的关系曲线。经分析可得出, 废气温度随冷却水的增加而减小, 在温度较低时, 废气降低单位温度需要的冷却水量激增, 在冷却水量小于约1.4 kg/s时, 废气温度随冷却水量的减小而迅速增加。在不同排气背压下, 将废气冷却到相同温度所需的冷却水量随背压的增大而增加, 压力每增加约0.4 MPa, 水流量增加约43%。

2.2 冷却水量和冷却后废气混合气干度的计算结果

图2是设计工况下冷却水量与冷却后废气混合气干度的关系图。经分析可以得出, 在干度小于0.05和大于0.2时, 干度对冷却水量的变化非常敏感, 难以控制, 废气温度将出现较大波动, 所以, 应该将废气干度保持在0.05到0.2之间为宜, 废气温度在此区间内随冷却水量的变化较小。非设计工况下, 对于相同的冷却水量, 随航行深度的增加干度略有减小。

图1 不同背压冷却水量与废气温度关系曲线

图2 冷却水量与冷却后废气干度的关系图

2.3 冷却水流量和排气马赫数的计算结果

图3为设计工况下排气马赫数与冷却水量的关系图。可以得出, 排气马赫数随冷却水量的增加而减小。在水流量大于1.7 kg/s和小于1.5 kg/s时, 排气马赫数变得对水流量敏感, 这与废气干度对冷却水的敏感区间基本一致。水流量增大, 废气干度降低, 比体积变小, 排气马赫数降低, 排气噪声降低, 水流量减小时则相反。

图3 设计工况排气马赫数与冷却水量关系图

2.4 不同航深的计算结果

根据给定冷却水流量计算的航深和废气冷却温度的关系如图4所示。随着航行深度的增加, 排气背压增大, 燃气的做功能力下降, 废气中的热能增加, 在相同冷却水流量下, 废气温度随航深增大而增加。

图4 废气温度与航深的关系图

3 结论

通过分析涡轮机废气冷却的机理, 建立了冷却计算的数学模型, 进行了在不同工况下冷却水量与排气参数关系的计算, 初步了解了冷却水量对废气参数的影响规律。

1) 废气温度随冷却水量的增加而下降, 但在低温区, 所需的冷却水量激增;

2) 废气干度随冷却水量的增加而下降, 废气干度宜保持在0.05至0.2之间, 在此区间之外, 干度对冷却水流量变得非常敏感;

3) 排气马赫数随冷却水量的增加而下降, 排气马赫数宜保持在0.2至0.6之间, 在此区间之外,排气马赫数将变得难以控制;

4) 在设计工况的冷却水量下, 废气温度随航行深度的增加而增大, 涡轮机的工作条件变得越来越恶劣, 效率降低。所以应尽量减少涡轮机在非设计工况的工作时间。

[1] 赵寅生. 鱼雷涡轮机优化设计原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2001.

[2] 沈维道, 蒋智敏, 童钧耕. 工程热力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[3] 李日朝, 伊寅, 师海潮. 变工况条件下鱼雷涡轮机喷管盒气动分析[J].水中兵器, 2002(2): 42-47.

[4] 师海潮. 鱼雷涡轮机参数优化[D]. 西安: 中国船舶重工集团公司第705研究所, 1998.

[5] 钟史明, 汪孟乐, 范仲元, 等. 水和水蒸气性质参数手册[M]. 北京: 水利电力出版社, 1989.

Calculation and Analysis on Cooling Exhaust-gas of Torpedo Gas Turbine with Water spray

ZHAO Hai-tao, SHI Hai-chao, YI Jin-bao, ZHAO Wei-bing

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To reduce harmful influence of torpedo gas turbine′s high-temperature exhaust-gas on the seal, bearings and lubrication, as well as the track of a torpedo, the principle of cooling turbine exhaust-gas with water spray is described. Corresponding calculation models are established following the theories of engineering thermodynamics and fluid dynamics to calculate the parameters in cooling exhaust gas process with different conditions. Consequently, the optimum water consumption and the thermomechanical parameter of exhaust-gas after cooling are obtained. The calculated results could provide a technical support for cooling system design of torpedo gas turbine.

torpedo; gas turbine; exhaust-gas cooling; water spray

TJ630.34

A

1673-1948(2012)05-0363-04

2011-11-18;

2012-3-23.

赵海涛(1979-), 男, 工程师, 主要研究方向为水下航行体热动力技术.

(责任编辑: 陈 曦)