密閉空間改進(jìn)型空氣凈化器流場及振動分析

張晨宇，孟帥*，陳永，車馳東

1 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

2 上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108

0 引 言

常規(guī)潛艇水下續(xù)航能力較差，通氣管暴露率高達(dá)20%[1-2]。現(xiàn)代海戰(zhàn)要求潛艇航程遠(yuǎn)、水下巡航時間長。不依賴空氣推進(jìn)(AIP)技術(shù)的應(yīng)用使常規(guī)潛艇進(jìn)入了新時代。實(shí)用AIP 技術(shù)分為熱機(jī)系統(tǒng)(SE/AIP)、電化學(xué)系統(tǒng)和小堆系統(tǒng)，其中熱機(jī)系統(tǒng)包括斯特林發(fā)動機(jī)、閉式循環(huán)柴油機(jī)、閉式循環(huán)渦輪機(jī)等形式[1]。

密閉空間大氣環(huán)境控制水平已成為衡量潛艇裝備總體性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，美國海軍將潛艇大氣質(zhì)量的重要性列為第2 位，僅次于武器裝備。AIP 潛艇艙室大氣環(huán)境控制難于柴電常規(guī)潛艇和核潛艇，這主要由于隱蔽性要求不能頻繁上浮進(jìn)行通風(fēng)換氣，有害氣體完全靠空氣凈化設(shè)備清除，空氣凈化負(fù)擔(dān)重，同時受到嚴(yán)格的空間和能耗限制[3-5]。SE/AIP 系統(tǒng)是一種外燃式系統(tǒng)，主要由斯特林發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī), 液氧系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工質(zhì)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。AIP潛艇空氣凈化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為：必須將集中和定點(diǎn)清除措施相結(jié)合[3]。發(fā)動機(jī)機(jī)組在運(yùn)行過程中，不可避免地會產(chǎn)生燃油、滑油的蒸發(fā)和泄漏，并且排放有害氣體，上述物質(zhì)在箱裝體內(nèi)不斷積聚, 將不利于發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行，并會很快地?cái)U(kuò)散至周圍環(huán)境，進(jìn)而降低裝置性能。因此必須對該密閉空間有害氣體進(jìn)行凈化處理以達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量要求。依據(jù)研發(fā)要求，空氣凈化器受到諸多條件限制(功率，尺寸，不許加熱和冷卻，不增加附屬設(shè)備等)，要集抽風(fēng)和凈化功能于一體，需依據(jù)所選用的凈化材料性質(zhì)以及阻力特性專門設(shè)計(jì)濾芯部件，同時需要滿足嚴(yán)格的振動與噪聲指標(biāo)[6-8]。通過廣泛調(diào)研, 公開的空氣凈化器技術(shù)方案往往不能滿足該密封艙技術(shù)要求。例如，美國某公司生產(chǎn)了一種用于數(shù)控機(jī)床加工的空氣凈化器，該空氣凈化器具有抽、排風(fēng)功能，也能夠分離部分水、油霧，但對碳?xì)浠衔铮谎趸?、二氧化碳等有害氣體沒有任何處理效果。某些船用空氣凈化器的抽風(fēng)和凈化功能采用分體式，需要一些冷卻或加熱等附屬設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高。有些船舶密封艙用空氣凈化器振動噪聲太大，而且尺寸和功率也不滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。我們經(jīng)過反復(fù)論證和試驗(yàn)，于2004 年成功研發(fā)出第1 代空氣凈化器(A 型)并裝艇使用[5-7，9-10]。

隨后基于第1 代空氣凈化器進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，目前已經(jīng)研發(fā)出第3 代產(chǎn)品(C 型，以下文中稱原型空氣凈化器)，并且已經(jīng)通過型號認(rèn)定和裝艇使用。本研究旨在保持動力性能、凈化效果、尺寸條件下，對原型空氣凈化器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以改善振動和噪聲水平，滿足最新技術(shù)指標(biāo)要求。

首先對原型空氣凈化器進(jìn)行振源機(jī)理分析以全面掌握其振動噪聲水平，然后基于后期保障服務(wù)經(jīng)驗(yàn)在滿足“六性”設(shè)計(jì)(可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性)和型式試驗(yàn)(沖擊、傾斜和搖擺、濕熱、霉菌等) 要求下提出改進(jìn)方案，同時采用ANSYS/Fluent 和ABAQUS 軟件進(jìn)行仿真分析，完成空氣凈化器改進(jìn)設(shè)計(jì)，最后完成樣機(jī)加工并進(jìn)行振動噪聲測試。本研究對原型和改進(jìn)型空氣凈化器開展流場及振動仿真比較，為下一步減振降噪及優(yōu)化設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。

1 原型空氣凈化器流場及振動分析

1.1 振源機(jī)理

原型空氣凈化器如圖1 所示。該裝置是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，混合有害氣體通過電機(jī)驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)獲得壓力和動能。首先在葉輪旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)對氣體進(jìn)行初步處理，氣體中較大顆粒的水、油霧以及固體顆粒受到離心力被分離；然后通過電機(jī)支撐板上的小孔進(jìn)入殼體后段通道內(nèi)的組合濾芯，吸附和凈化碳?xì)浠衔?、一氧化碳、二氧化碳等有害氣體；滿足環(huán)境排放要求的氣體經(jīng)過百葉窗斜排入環(huán)境空間。機(jī)械振動主要由電機(jī)驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械振動和氣流介質(zhì)在流動過程中引起的振動2 部分組成。電機(jī)既是動力源，同時也是振動噪聲源。受到安裝條件的制約，空氣凈化器使用螺栓通過4 個DT350 減振環(huán)與箱裝體模塊隔聲罩側(cè)面板彈性連接。由于電機(jī)通過輸出軸懸臂安裝在電機(jī)安裝板上，輸出端軸承的不均勻或過度磨損必然引起超標(biāo)機(jī)械振動噪聲。空氣動力噪聲主要是由軸承不均勻磨損引起的轉(zhuǎn)子動平衡精度降低、流道結(jié)構(gòu)因素等引起的氣流擾動產(chǎn)生。電機(jī)采用的是H632-2-Y 型船用電機(jī)，功率為250 W，額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min。我們對原型空氣凈化器在額定工況下進(jìn)行振動測試(樣機(jī)軸承未出現(xiàn)不均勻磨損)，實(shí)測轉(zhuǎn)速為 2 928 r/min。響應(yīng)頻譜有2 個峰值：1)在 9.8 Hz 處的峰值為 0 .3 m/s2，分析發(fā)現(xiàn)是安裝剛度為 50 N/mm 的減振環(huán)引起；2)在48.8 Hz處 的峰值為 0 .4 m/s2，計(jì)算發(fā)現(xiàn)是由6 個葉片引起的氣流激勵[7]。

圖1 原型空氣凈化器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure schematic diagram of the prototype air purifier

1.2 流場分析

隨著船舶數(shù)字化水平提高，計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于船舶艙室環(huán)境領(lǐng)域研究[8]。采用CFD 對空氣凈化器進(jìn)行流場分析，通過計(jì)算結(jié)果的可視化呈現(xiàn)可以直觀地看出內(nèi)部氣體流動軌跡，進(jìn)而為優(yōu)化流場提供重要依據(jù)。采用ANSYS Fluent 軟件開展流場分析，其中網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)四面體模型，流體采用湍流模型，入口設(shè)置為速度入口條件，出口設(shè)置為出流條件，濾芯設(shè)定為多孔介質(zhì)模型并且可以利用凈化材料阻力特性[9]完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

按照技術(shù)規(guī)格書要求，空氣凈化器總重量為40±1 kg， 吊裝時能順利通過600 mm 的圓孔，同時受到艇用空間所限。原型空氣凈化器氣體流通道如圖2 所示，長、寬、高外形尺寸分別為 550，415， 326 mm。氣體進(jìn)入葉輪通道后，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力使氣體被壓縮并拋向外緣，該空氣凈化器沒有一般離心風(fēng)機(jī)具有的蝸殼，因此氣流只能進(jìn)入軸向流道。為增加氣流阻力，濾芯設(shè)計(jì)成“長方形+馬鞍形”組合濾器。因此軸向通道內(nèi)的上半部分氣流受到濾芯殼體阻擋，需繞到下半部分才能進(jìn)入濾芯。圖3 為仿真所得氣流速度場。通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在氣流進(jìn)入軸向通道后，上方高壓高速氣流由于殼體阻隔，運(yùn)動方向發(fā)生突變，此時易發(fā)生回流現(xiàn)象。上方氣流與下方氣流混合后進(jìn)入濾芯區(qū)域。從馬鞍形區(qū)域到長方形區(qū)域時，氣體受到內(nèi)壁效應(yīng)影響，運(yùn)動方向再次發(fā)生突變且易產(chǎn)生回流現(xiàn)象?？傊?，盡管該流場設(shè)計(jì)使得空氣與濾芯有較充分的接觸，有利于提高凈化效率，但流域內(nèi)空氣運(yùn)動情況復(fù)雜，這必然導(dǎo)致氣流噪聲增加。

1.3 振動分析

空氣凈化器的殼體材料選用不銹鋼lCrl8Ni9Ti，密度為 7.9×103kg/m3， 彈性模量為1 96 GPa，泊松比為 0.3。根據(jù)有限元理論, 可以對該無限自由度系統(tǒng)建立微分方程

式中：M，C，K分別為該系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣；X，F(xiàn)分別為系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)向量和外激勵向量。為了計(jì)算以及工程需要，假設(shè)該系統(tǒng)自由度為N，采用模態(tài)分析法，利用無阻尼系統(tǒng)各階主振型所對應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)代替物理坐標(biāo)，利用各階振型的正交性完成對微分方程的解耦進(jìn)而求出各階模態(tài)參數(shù)。利用ABAQUS 軟件可得到自由振動下空氣凈化器的固有頻率、固有振型以及振動響應(yīng)譜。原型空氣凈化器前6 階固有頻率見表1。利用ABAQUS 進(jìn)行頻響分析時，在電機(jī)與葉片之間連接軸的中心施加豎直向上的單位激勵，得到原型空氣凈化器的振動頻譜。基于實(shí)驗(yàn)測試以及文獻(xiàn)[11] 提供的經(jīng)驗(yàn)公式可以推算得到激勵結(jié)果(表2)。對振動頻譜施加激勵得到系統(tǒng)加速度譜。在葉輪部件外殼處選取一點(diǎn)得到的振動響應(yīng)加速度譜如圖4 所示。由圖可以看出：1) 采用的船用電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min, 葉輪部件為6 葉片，因此系統(tǒng)在 50 Hz 左右有1 處峰值，且有共振風(fēng)險。第1 階振型必然引起較大形變，原型空氣凈化器的第1 階和第3 階振型如圖5所示，第1 階振型在濾芯部件殼體處形變顯著，這與文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合。由于仿真模型中未考慮空氣凈化器與箱裝體的連接方式，因此在 9.8 Hz處未出現(xiàn)峰值。2) 該響應(yīng)譜為ABAQUS計(jì)算的頻譜與激勵譜的卷積，因此除了固有頻率處結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生峰值，還會受到特定頻率下激勵力影響而產(chǎn)生較大峰值。

圖4 原型和改進(jìn)型空氣凈化器振動響應(yīng)譜Fig. 4 Vibration response spectrum of the prototype and improved air purifiers

圖5 原型空氣凈化器振型Fig. 5 Mode shapes of the prototype air purifier

表1 原型空氣凈化器前6 階固有頻率Table 1 First six-order natural frequencies of the prototype air purifier

表2 原型空氣凈化器激勵譜Table 2 Excitation spectrum of the prototype air purifier

2 改進(jìn)型空氣凈化器流場及振動分析

2.1 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

利用原型空氣凈化器的振動分析結(jié)果，同時依據(jù)“六性”設(shè)計(jì)和型式試驗(yàn)要求，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案(圖6)。改進(jìn)方案仍采用原船用電機(jī)，系統(tǒng)氣流通道如圖7 所示，氣流進(jìn)入葉輪通道經(jīng)過壓縮后不需要繞彎，而是直接進(jìn)入軸向流道的環(huán)形空間。氣流經(jīng)過電機(jī)安裝板小孔后進(jìn)入環(huán)形濾盒部位，凈化處理后直接排出。相比于原型空氣凈化器，該方案中氣體流動阻力大幅減少，可顯著提高通流能力從而實(shí)現(xiàn)在保證系統(tǒng)動力性能的前提下減少葉輪部件尺寸和質(zhì)量，降低電機(jī)軸承所承受的懸臂載荷，改善電機(jī)作業(yè)環(huán)境。同時氣流不需要繞彎進(jìn)入濾芯從而有效降低氣流噪聲。但是該方案引入的新問題是：如何減小氣流在濾芯區(qū)域流動速度來保證凈化效果。首先，由于殼體和濾芯結(jié)構(gòu)有較大的改變，濾芯部件成為環(huán)形體，為保證濾芯原來的“長方形+馬鞍形”所具有的容積，殼體內(nèi)、外直徑都要通過計(jì)算進(jìn)行增加。經(jīng)過核算，外環(huán)直徑需要達(dá)到 380 mm，濾芯容積增加1 0%。其次，氣流進(jìn)入殼體后段后先經(jīng)過吸音海綿預(yù)處理再進(jìn)入濾芯進(jìn)行凈化處理。我們發(fā)明了一種濾盒組件以增加氣流在流動過程中的阻力(實(shí)審狀態(tài))，以延長氣流與凈化材料充分接觸的時間。同時采取了提高動平衡精度(由原來的G6.3 提高到G4.0)、敷設(shè)阻尼層等措施。

圖6 改進(jìn)型空氣凈化器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Structure schematic diagram of the improved air purifier

圖7 改進(jìn)型空氣凈化器氣流通道Fig. 7 Air passage of the improved air purifier

2.2 流場分析

圖8 為改進(jìn)型空氣凈化器仿真計(jì)算所得的氣流速度場。在葉輪部件區(qū)域氣流速度較大，流場與原型空氣凈化器沒有太大區(qū)別。但氣流進(jìn)入環(huán)形濾芯區(qū)域后流場環(huán)境明顯改善，凈化過程中氣流速度矢量方向基本保持一致，回流現(xiàn)象大幅減少，氣流場保持穩(wěn)定。原型與改進(jìn)型空氣凈化器的葉輪部件和濾芯部件2 個關(guān)鍵區(qū)域流速比較如表3 所示。改進(jìn)型空氣凈化器在葉輪部件和濾芯部件區(qū)域的最大流速及平均流速都略小于原型，這對保證凈化效果是有利的，同時證明采取的增加氣流阻力措施是可行的。需要提出的是，改進(jìn)型空氣凈化器需滿足空氣動力性能測試指標(biāo)。技術(shù)要求為發(fā)動機(jī)在連續(xù)正常工況下，箱裝體密閉空間氣體流量≥0 .65 m3/min 且箱裝體內(nèi)保持高于50 Pa的 真空度。測試得到氣體流量為 0.67 m3/min，箱裝體內(nèi)真空度為 58 Pa，滿足要求。

圖8 改進(jìn)型空氣凈化器氣流速度場Fig. 8 Airflow velocity contours of the improved air purifier

表3 原型和改進(jìn)型空氣凈化器氣流速度比較Table 3 Comparison on flow rates of the prototype and improved air purifier

2.3 振動分析

改進(jìn)型空氣凈化器前6 階固有頻率和固有振型分別如表4 和圖9 所示。由圖可見，相比于原型空氣凈化器，改進(jìn)型空氣凈化器的系統(tǒng)固有頻率和比剛度顯著增加，尤其第1 階固有頻率遠(yuǎn)超50 Hz ，避免了共振風(fēng)險。通過分析圖9 可見，改進(jìn)型空氣凈化器固有頻率前3 階形變主要發(fā)生在葉片處，從第4 階開始形變主要發(fā)生在殼體上。在葉輪部件外殼處選取與原型空氣凈化器相近位置點(diǎn)，振動響應(yīng)譜如圖4 所示，可以發(fā)現(xiàn)：1)在低頻區(qū)間(工作區(qū))加速度級顯著降低，尤其在50 Hz左右的峰值明顯減少；2) 在高頻區(qū)加速度級較高，尤其是因固有頻率提高使系統(tǒng)在 253 Hz附近振動顯著增大，故在實(shí)際裝置中敷設(shè)阻尼層以吸收高頻區(qū)能量，但仿真模型中未考慮此阻尼層效應(yīng)。

表4 改進(jìn)型空氣凈化器固有頻率Table 4 Natural frequencies of the improved air purifier

圖9 改進(jìn)型空氣凈化器振型Fig. 9 Mode shapes of the improved air purifier

2.4 振動總能量分析

改進(jìn)型空氣凈化器樣機(jī)已完成振動與噪聲測試(與其他艇用裝備的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)暫未公開)。振動測試點(diǎn)布置在殼體上，如圖10 中的a( 縱向)、b( 垂向)和c(橫向)3 點(diǎn)所示?；谡駝訙y試數(shù)據(jù)對1 0 Hz～1 0 kHz 范圍內(nèi)的振動總能量進(jìn)行分析，將得到三分之一倍頻帶振動加速度譜，進(jìn)行能量求和得到振動總能量。試驗(yàn)測試值與計(jì)算值如表5 所示?？梢钥闯觯?jì)算值與測試值相差 3 dB左右，這主要?dú)w因于仿真模型誤差(包括假設(shè)了統(tǒng)一的單一外殼材料，濾芯采用簡化的多孔介質(zhì)模型，未考慮阻尼層等)，但這足以驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性。從原型和改進(jìn)型空氣凈化器振動總能量來看，改進(jìn)型殼體振動明顯改善，系統(tǒng)總能量減小約 9 dB，證明改進(jìn)后的空氣凈化器在結(jié)構(gòu)振動方面具有顯著優(yōu)勢。

圖10 振動測試點(diǎn)Fig. 10 Vibration test points

表5 原型和改進(jìn)型空氣凈化器振動總能量Table 5 Total vibration energy of the prototype and improved air purifier

3 結(jié) 論

根據(jù)最新振動噪聲指標(biāo)，完成對某SE/AIP 潛艇發(fā)動機(jī)組箱裝體用空氣凈化器的改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過進(jìn)行原型和改進(jìn)型空氣凈化器的流場和振動分析，得到了如下結(jié)論：

1) 改進(jìn)型空氣凈化器優(yōu)化了氣流通道，提高了流通能力，從而實(shí)現(xiàn)在保證系統(tǒng)動力性能的前提下減少葉輪部件尺寸和質(zhì)量，降低電機(jī)軸承所承受的懸臂載荷，改善電機(jī)作業(yè)環(huán)境。另一方面流場更加穩(wěn)定，大幅減少了回流等現(xiàn)象，進(jìn)而降低了氣流噪聲。為保證凈化質(zhì)量，可采取一定措施增加氣流在流動過程中的阻力，以延長氣流與凈化材料的接觸時間。

2) 改進(jìn)型空氣凈化器的固有頻率和比剛度大幅提高?；陬l響分析發(fā)現(xiàn)，在低頻區(qū)(工作區(qū))明顯提高了振動噪聲水平，在高頻區(qū)可通過增加阻尼層吸收能量。相比于原型空氣凈化器，改進(jìn)型的系統(tǒng)振動總能量顯著降低。