密闭空间改进型空气净化器流场及振动分析

张晨宇，孟帅*，陈永，车驰东

1 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240

2 上海船用柴油机研究所，上海 201108

0 引 言

常规潜艇水下续航能力较差，通气管暴露率高达20%[1-2]。现代海战要求潜艇航程远、水下巡航时间长。不依赖空气推进(AIP)技术的应用使常规潜艇进入了新时代。实用AIP 技术分为热机系统(SE/AIP)、电化学系统和小堆系统，其中热机系统包括斯特林发动机、闭式循环柴油机、闭式循环涡轮机等形式[1]。

密闭空间大气环境控制水平已成为衡量潜艇装备总体性能的一项重要指标，美国海军将潜艇大气质量的重要性列为第2 位，仅次于武器装备。AIP 潜艇舱室大气环境控制难于柴电常规潜艇和核潜艇，这主要由于隐蔽性要求不能频繁上浮进行通风换气，有害气体完全靠空气净化设备清除，空气净化负担重，同时受到严格的空间和能耗限制[3-5]。SE/AIP 系统是一种外燃式系统，主要由斯特林发动机、发电机, 液氧系统、供油系统、冷却系统、工质系统及控制系统等组成。AIP潜艇空气净化系统关键技术为：必须将集中和定点清除措施相结合[3]。发动机机组在运行过程中，不可避免地会产生燃油、滑油的蒸发和泄漏，并且排放有害气体，上述物质在箱装体内不断积聚, 将不利于发动机正常运行，并会很快地扩散至周围环境，进而降低装置性能。因此必须对该密闭空间有害气体进行净化处理以达到环境空气质量要求。依据研发要求，空气净化器受到诸多条件限制(功率，尺寸，不许加热和冷却，不增加附属设备等)，要集抽风和净化功能于一体，需依据所选用的净化材料性质以及阻力特性专门设计滤芯部件，同时需要满足严格的振动与噪声指标[6-8]。通过广泛调研, 公开的空气净化器技术方案往往不能满足该密封舱技术要求。例如，美国某公司生产了一种用于数控机床加工的空气净化器，该空气净化器具有抽、排风功能，也能够分离部分水、油雾，但对碳氢化合物，一氧化碳、二氧化碳等有害气体没有任何处理效果。某些船用空气净化器的抽风和净化功能采用分体式，需要一些冷却或加热等附属设备，结构复杂、造价高。有些船舶密封舱用空气净化器振动噪声太大，而且尺寸和功率也不满足相关技术指标要求。我们经过反复论证和试验，于2004 年成功研发出第1 代空气净化器(A 型)并装艇使用[5-7，9-10]。

随后基于第1 代空气净化器进行持续改进，目前已经研发出第3 代产品(C 型，以下文中称原型空气净化器)，并且已经通过型号认定和装艇使用。本研究旨在保持动力性能、净化效果、尺寸条件下，对原型空气净化器进行改进设计以改善振动和噪声水平，满足最新技术指标要求。

首先对原型空气净化器进行振源机理分析以全面掌握其振动噪声水平，然后基于后期保障服务经验在满足“六性”设计(可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性)和型式试验(冲击、倾斜和摇摆、湿热、霉菌等) 要求下提出改进方案，同时采用ANSYS/Fluent 和ABAQUS 软件进行仿真分析，完成空气净化器改进设计，最后完成样机加工并进行振动噪声测试。本研究对原型和改进型空气净化器开展流场及振动仿真比较，为下一步减振降噪及优化设计打下理论基础。

1 原型空气净化器流场及振动分析

1.1 振源机理

原型空气净化器如图1 所示。该装置是一种旋转机械，混合有害气体通过电机驱动叶轮旋转获得压力和动能。首先在叶轮旋转筒内对气体进行初步处理，气体中较大颗粒的水、油雾以及固体颗粒受到离心力被分离；然后通过电机支撑板上的小孔进入壳体后段通道内的组合滤芯，吸附和净化碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳等有害气体；满足环境排放要求的气体经过百叶窗斜排入环境空间。机械振动主要由电机驱动叶轮旋转产生的机械振动和气流介质在流动过程中引起的振动2 部分组成。电机既是动力源，同时也是振动噪声源。受到安装条件的制约，空气净化器使用螺栓通过4 个DT350 减振环与箱装体模块隔声罩侧面板弹性连接。由于电机通过输出轴悬臂安装在电机安装板上，输出端轴承的不均匀或过度磨损必然引起超标机械振动噪声。空气动力噪声主要是由轴承不均匀磨损引起的转子动平衡精度降低、流道结构因素等引起的气流扰动产生。电机采用的是H632-2-Y 型船用电机，功率为250 W，额定转速为 3 000 r/min。我们对原型空气净化器在额定工况下进行振动测试(样机轴承未出现不均匀磨损)，实测转速为 2 928 r/min。响应频谱有2 个峰值：1)在 9.8 Hz 处的峰值为 0 .3 m/s2，分析发现是安装刚度为 50 N/mm 的减振环引起；2)在48.8 Hz处 的峰值为 0 .4 m/s2，计算发现是由6 个叶片引起的气流激励[7]。

图1 原型空气净化器结构示意图Fig. 1 Structure schematic diagram of the prototype air purifier

1.2 流场分析

随着船舶数字化水平提高，计算流体动力学(CFD)技术被广泛应用于船舶舱室环境领域研究[8]。采用CFD 对空气净化器进行流场分析，通过计算结果的可视化呈现可以直观地看出内部气体流动轨迹，进而为优化流场提供重要依据。采用ANSYS Fluent 软件开展流场分析，其中网格采用非结构四面体模型，流体采用湍流模型，入口设置为速度入口条件，出口设置为出流条件，滤芯设定为多孔介质模型并且可以利用净化材料阻力特性[9]完成相关参数设置。

按照技术规格书要求，空气净化器总重量为40±1 kg， 吊装时能顺利通过600 mm 的圆孔，同时受到艇用空间所限。原型空气净化器气体流通道如图2 所示，长、宽、高外形尺寸分别为 550，415， 326 mm。气体进入叶轮通道后，叶轮旋转产生离心力使气体被压缩并抛向外缘，该空气净化器没有一般离心风机具有的蜗壳，因此气流只能进入轴向流道。为增加气流阻力，滤芯设计成“长方形+马鞍形”组合滤器。因此轴向通道内的上半部分气流受到滤芯壳体阻挡，需绕到下半部分才能进入滤芯。图3 为仿真所得气流速度场。通过仿真计算发现，在气流进入轴向通道后，上方高压高速气流由于壳体阻隔，运动方向发生突变，此时易发生回流现象。上方气流与下方气流混合后进入滤芯区域。从马鞍形区域到长方形区域时，气体受到内壁效应影响，运动方向再次发生突变且易产生回流现象。总之，尽管该流场设计使得空气与滤芯有较充分的接触，有利于提高净化效率，但流域内空气运动情况复杂，这必然导致气流噪声增加。

1.3 振动分析

空气净化器的壳体材料选用不锈钢lCrl8Ni9Ti，密度为 7.9×103kg/m3， 弹性模量为1 96 GPa，泊松比为 0.3。根据有限元理论, 可以对该无限自由度系统建立微分方程

式中：M，C，K分别为该系统的质量、阻尼及刚度矩阵；X，F分别为系统各节点的位移响应向量和外激励向量。为了计算以及工程需要，假设该系统自由度为N，采用模态分析法，利用无阻尼系统各阶主振型所对应的模态坐标代替物理坐标，利用各阶振型的正交性完成对微分方程的解耦进而求出各阶模态参数。利用ABAQUS 软件可得到自由振动下空气净化器的固有频率、固有振型以及振动响应谱。原型空气净化器前6 阶固有频率见表1。利用ABAQUS 进行频响分析时，在电机与叶片之间连接轴的中心施加竖直向上的单位激励，得到原型空气净化器的振动频谱。基于实验测试以及文献[11] 提供的经验公式可以推算得到激励结果(表2)。对振动频谱施加激励得到系统加速度谱。在叶轮部件外壳处选取一点得到的振动响应加速度谱如图4 所示。由图可以看出：1) 采用的船用电机额定转速为 3 000 r/min, 叶轮部件为6 叶片，因此系统在 50 Hz 左右有1 处峰值，且有共振风险。第1 阶振型必然引起较大形变，原型空气净化器的第1 阶和第3 阶振型如图5所示，第1 阶振型在滤芯部件壳体处形变显著，这与文献[7]的实验测试结果吻合。由于仿真模型中未考虑空气净化器与箱装体的连接方式，因此在 9.8 Hz处未出现峰值。2) 该响应谱为ABAQUS计算的频谱与激励谱的卷积，因此除了固有频率处结构振动产生峰值，还会受到特定频率下激励力影响而产生较大峰值。

图4 原型和改进型空气净化器振动响应谱Fig. 4 Vibration response spectrum of the prototype and improved air purifiers

图5 原型空气净化器振型Fig. 5 Mode shapes of the prototype air purifier

表1 原型空气净化器前6 阶固有频率Table 1 First six-order natural frequencies of the prototype air purifier

表2 原型空气净化器激励谱Table 2 Excitation spectrum of the prototype air purifier

2 改进型空气净化器流场及振动分析

2.1 改进方案设计

利用原型空气净化器的振动分析结果，同时依据“六性”设计和型式试验要求，提出改进设计方案(图6)。改进方案仍采用原船用电机，系统气流通道如图7 所示，气流进入叶轮通道经过压缩后不需要绕弯，而是直接进入轴向流道的环形空间。气流经过电机安装板小孔后进入环形滤盒部位，净化处理后直接排出。相比于原型空气净化器，该方案中气体流动阻力大幅减少，可显著提高通流能力从而实现在保证系统动力性能的前提下减少叶轮部件尺寸和质量，降低电机轴承所承受的悬臂载荷，改善电机作业环境。同时气流不需要绕弯进入滤芯从而有效降低气流噪声。但是该方案引入的新问题是：如何减小气流在滤芯区域流动速度来保证净化效果。首先，由于壳体和滤芯结构有较大的改变，滤芯部件成为环形体，为保证滤芯原来的“长方形+马鞍形”所具有的容积，壳体内、外直径都要通过计算进行增加。经过核算，外环直径需要达到 380 mm，滤芯容积增加1 0%。其次，气流进入壳体后段后先经过吸音海绵预处理再进入滤芯进行净化处理。我们发明了一种滤盒组件以增加气流在流动过程中的阻力(实审状态)，以延长气流与净化材料充分接触的时间。同时采取了提高动平衡精度(由原来的G6.3 提高到G4.0)、敷设阻尼层等措施。

图6 改进型空气净化器结构示意图Fig. 6 Structure schematic diagram of the improved air purifier

图7 改进型空气净化器气流通道Fig. 7 Air passage of the improved air purifier

2.2 流场分析

图8 为改进型空气净化器仿真计算所得的气流速度场。在叶轮部件区域气流速度较大，流场与原型空气净化器没有太大区别。但气流进入环形滤芯区域后流场环境明显改善，净化过程中气流速度矢量方向基本保持一致，回流现象大幅减少，气流场保持稳定。原型与改进型空气净化器的叶轮部件和滤芯部件2 个关键区域流速比较如表3 所示。改进型空气净化器在叶轮部件和滤芯部件区域的最大流速及平均流速都略小于原型，这对保证净化效果是有利的，同时证明采取的增加气流阻力措施是可行的。需要提出的是，改进型空气净化器需满足空气动力性能测试指标。技术要求为发动机在连续正常工况下，箱装体密闭空间气体流量≥0 .65 m3/min 且箱装体内保持高于50 Pa的 真空度。测试得到气体流量为 0.67 m3/min，箱装体内真空度为 58 Pa，满足要求。

图8 改进型空气净化器气流速度场Fig. 8 Airflow velocity contours of the improved air purifier

表3 原型和改进型空气净化器气流速度比较Table 3 Comparison on flow rates of the prototype and improved air purifier

2.3 振动分析

改进型空气净化器前6 阶固有频率和固有振型分别如表4 和图9 所示。由图可见，相比于原型空气净化器，改进型空气净化器的系统固有频率和比刚度显著增加，尤其第1 阶固有频率远超50 Hz ，避免了共振风险。通过分析图9 可见，改进型空气净化器固有频率前3 阶形变主要发生在叶片处，从第4 阶开始形变主要发生在壳体上。在叶轮部件外壳处选取与原型空气净化器相近位置点，振动响应谱如图4 所示，可以发现：1)在低频区间(工作区)加速度级显著降低，尤其在50 Hz左右的峰值明显减少；2) 在高频区加速度级较高，尤其是因固有频率提高使系统在 253 Hz附近振动显著增大，故在实际装置中敷设阻尼层以吸收高频区能量，但仿真模型中未考虑此阻尼层效应。

表4 改进型空气净化器固有频率Table 4 Natural frequencies of the improved air purifier

图9 改进型空气净化器振型Fig. 9 Mode shapes of the improved air purifier

2.4 振动总能量分析

改进型空气净化器样机已完成振动与噪声测试(与其他艇用装备的联调试验，数据暂未公开)。振动测试点布置在壳体上，如图10 中的a( 纵向)、b( 垂向)和c(横向)3 点所示。基于振动测试数据对1 0 Hz～1 0 kHz 范围内的振动总能量进行分析，将得到三分之一倍频带振动加速度谱，进行能量求和得到振动总能量。试验测试值与计算值如表5 所示。可以看出，计算值与测试值相差 3 dB左右，这主要归因于仿真模型误差(包括假设了统一的单一外壳材料，滤芯采用简化的多孔介质模型，未考虑阻尼层等)，但这足以验证了仿真计算的正确性。从原型和改进型空气净化器振动总能量来看，改进型壳体振动明显改善，系统总能量减小约 9 dB，证明改进后的空气净化器在结构振动方面具有显著优势。

图10 振动测试点Fig. 10 Vibration test points

表5 原型和改进型空气净化器振动总能量Table 5 Total vibration energy of the prototype and improved air purifier

3 结 论

根据最新振动噪声指标，完成对某SE/AIP 潜艇发动机组箱装体用空气净化器的改进设计。通过进行原型和改进型空气净化器的流场和振动分析，得到了如下结论：

1) 改进型空气净化器优化了气流通道，提高了流通能力，从而实现在保证系统动力性能的前提下减少叶轮部件尺寸和质量，降低电机轴承所承受的悬臂载荷，改善电机作业环境。另一方面流场更加稳定，大幅减少了回流等现象，进而降低了气流噪声。为保证净化质量，可采取一定措施增加气流在流动过程中的阻力，以延长气流与净化材料的接触时间。

2) 改进型空气净化器的固有频率和比刚度大幅提高。基于频响分析发现，在低频区(工作区)明显提高了振动噪声水平，在高频区可通过增加阻尼层吸收能量。相比于原型空气净化器，改进型的系统振动总能量显著降低。