某型燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體輸出軸罩仿真及試驗(yàn)研究

周 拓, 魏昌淼, 李沛澤, 劉朝陽(yáng)

(中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七〇三研究所無(wú)錫分部,江蘇 無(wú)錫 214151)

由于可輸出功率大、啟動(dòng)速度快、運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn),燃?xì)廨啓C(jī)在船舶、航天、電力等行業(yè)被廣泛使用[1],已被世界各國(guó)視為重工業(yè)重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。伴隨著實(shí)際需求和現(xiàn)實(shí)制造技術(shù)的提高,燃?xì)廨啓C(jī)的功率密度越來(lái)越高。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí),隨著工況和功率增加帶來(lái)的高轉(zhuǎn)速和高壓比[2],導(dǎo)致封閉的箱裝體內(nèi)排氣壓力大,箱裝體內(nèi)負(fù)壓較大、溫度較高且分布不均,容易存在火災(zāi)隱患[3]。由此可見(jiàn),箱裝體內(nèi)壓力的變化不僅影響著箱裝體內(nèi)機(jī)務(wù)人員的工作環(huán)境,而且和燃?xì)廨啓C(jī)是否安全平穩(wěn)運(yùn)行密切相關(guān)。另外箱裝體內(nèi)壓力也是影響燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的重要因素之一[4]。早在冷戰(zhàn)時(shí)期,國(guó)外就開始研究船舶燃?xì)廨啓C(jī)艙內(nèi)壓力。美國(guó)為應(yīng)對(duì)紅外導(dǎo)彈,通過(guò)增加排氣引射系統(tǒng),有效降低了燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度[5],提高了艦船的安全性;加拿大的Birk[6-7]通過(guò)采用不同截面彎管、加裝引射擴(kuò)壓器和使用三角突片型噴嘴、S型彎管等方法優(yōu)化船舶燃?xì)廨啓C(jī)的排氣引射系統(tǒng),并將四噴管引射器用于驅(qū)逐艦,效果顯著。相比國(guó)外,國(guó)內(nèi)對(duì)船舶箱裝體內(nèi)壓力的研究?jī)H僅在起步階段。上海交通大學(xué)的林文光設(shè)計(jì)優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)的排氣紅外抑制器,采用了多級(jí)引射[8],降低了噴口的引射速度,減小了排氣阻力。

對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體內(nèi)的壓力分析是提高燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)性能的重要手段。目前針對(duì)箱裝體內(nèi)壓力的研究主要集中在對(duì)箱裝體的排氣引射和紅外抑制器兩方面[9],而對(duì)動(dòng)力渦輪輸出軸軸罩內(nèi)壓力場(chǎng)的研究處于空白狀態(tài)。作為動(dòng)力輸出部件,動(dòng)力渦輪輸出軸是燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部件,周圍壓力場(chǎng)同樣反映了箱裝體內(nèi)的壓力情況。另外,由于箱裝體內(nèi)負(fù)壓較大,燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸端齒輪嚙合處滑油存在泄漏并被吸入箱裝體內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn),且位于軸罩內(nèi)的輸出軸端部處空間小、壓力分布梯度大,故必須針對(duì)軸罩內(nèi)壓力場(chǎng)進(jìn)行研究,進(jìn)而降低軸罩內(nèi)的負(fù)壓,防止泄漏。

本文通過(guò)研究某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體軸罩內(nèi)壓力分布情況,采用在內(nèi)部添加堵板的方法,優(yōu)化軸罩內(nèi)壓力場(chǎng)和流體場(chǎng)分布,降低內(nèi)部渦流,降低軸罩內(nèi)負(fù)壓。

1 仿真分析

由于燃?xì)廨啓C(jī)輸出端軸罩內(nèi)壓力為負(fù)值,且齒輪箱側(cè)存在滑油滲漏現(xiàn)象,分析可知兩側(cè)壓差是導(dǎo)致滑油滲漏的重要原因之一。經(jīng)過(guò)分析,為了更加細(xì)致研究軸罩內(nèi)氣流和壓力分布情況,根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀況,建立1∶1軸罩三維模型,使用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。軸罩與箱裝體連接如圖1所示。

圖1 軸罩與箱裝體連接示意圖

1.1 計(jì)算原理

由于是穩(wěn)態(tài)不可壓流體的計(jì)算,對(duì)應(yīng)流動(dòng)的質(zhì)量方程為:

(1)

式中:u、v、w為x、y、z三個(gè)方向上的速度分量。

空氣在軸罩內(nèi)流動(dòng)遵循動(dòng)量守恒方程,簡(jiǎn)稱動(dòng)量方程(N-S方程)。動(dòng)量守恒方程為[10]:

(2)

式中:μ為流體的動(dòng)力粘度;ρ為流體密度;p為壓力;Su、Sv、Sw為x、y、z三個(gè)方向上質(zhì)量力。

計(jì)算的湍流物理模型,選用帶旋轉(zhuǎn)流體修正的realizablek-ε模型,其計(jì)算公式如下[11]:

(3)

(4)

1.2 仿真計(jì)算

由燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀可知,隨著功率的增大,轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速越大,箱裝體與軸罩內(nèi)的負(fù)壓越大。由于滿工況運(yùn)行時(shí),箱裝體內(nèi)為負(fù)壓,故軸罩與箱裝體連接處設(shè)為負(fù)壓,模式為壓力邊界條件,輸出軸作為運(yùn)動(dòng)部件高速旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)軸罩內(nèi)空氣高速旋轉(zhuǎn)。通過(guò)使用網(wǎng)格計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)原始狀態(tài)下軸罩內(nèi)壓力分布情況,仿真計(jì)算后的壓力分布圖如圖2所示。

圖2 原始狀態(tài)下滿工況軸罩內(nèi)壓力分布圖

從壓力分布圖可知,原始狀態(tài)下軸罩內(nèi)壓力均為負(fù)壓?？諝庠谳S罩與箱裝體連接處由于壓差原因被吸入軸罩內(nèi),并隨著輸出軸高速旋轉(zhuǎn)往齒輪箱方向流動(dòng)。軸罩半徑沿著輸出軸方向上逐漸減小,但輸出軸在軸罩中段存在大圓盤,氣體流動(dòng)截面積變小。一部分氣流沿軸罩內(nèi)表面從箱裝體連接處隨旋轉(zhuǎn)流出,另一部分氣體流過(guò)間隙進(jìn)入軸罩內(nèi)部,因此輸出軸大輪盤兩側(cè)壓力略微增大。另外由于間隙較小,空腔內(nèi)氣體隨著輸出軸旋轉(zhuǎn),從間隙處向外流動(dòng),因此圓盤附近和軸罩齒輪箱端空腔內(nèi)皆存在渦流現(xiàn)象,使得空腔邊緣壓力大于中間處壓力。軸罩內(nèi)整體壓力分布趨勢(shì)由輸出軸向軸罩壁面附近逐漸增大,齒輪箱端壓力為負(fù)值,和外部大氣壓存在壓差,將連接處滑油吸入軸罩內(nèi),存在隱患。

為了保證軸罩內(nèi)散熱和零部件的安全平穩(wěn)運(yùn)行,且防止輸出軸端部齒輪箱處的滑油在氣壓作用下滲漏到軸罩和箱裝體內(nèi),需要針對(duì)軸罩的壓力進(jìn)行優(yōu)化,使得負(fù)壓程度減小。分析燃?xì)廨啓C(jī)特性可知,隨著功率的提升,影響軸罩內(nèi)壓力的因素分別為輸出軸轉(zhuǎn)速和箱裝體內(nèi)壓力值[12]。輸出軸轉(zhuǎn)速由燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定,視為固定參數(shù)[13]。另外根據(jù)壓力云圖分布特點(diǎn),選擇在燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體和軸罩連接處添加堵板,改變軸罩與箱裝體連接處壓力分布,進(jìn)而優(yōu)化軸罩內(nèi)各點(diǎn)的壓力。選用的堵板為圓環(huán)孔板,內(nèi)圈直徑分別為486 mm、586 mm,堵板圖片和安轉(zhuǎn)堵板后的軸罩示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 堵板示意圖

圖4 堵板安裝后示意圖

將優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算,軸罩的壓力分布如圖5所示。

(a) 586堵板

(b) 486堵板圖5 不同堵板時(shí)滿工況軸罩內(nèi)壓力分布云圖

如圖5 (a)、5(b)所示,通過(guò)仿真計(jì)算添加堵板后的模型,發(fā)現(xiàn)添加堵板后,軸罩內(nèi)壓力顯著增大,部分區(qū)域壓力已明顯變?yōu)檎?且由于存在堵板,使得軸罩堵板附近腔體內(nèi)存在較大渦流,使得中心壓力低于周圍壓力。當(dāng)選用內(nèi)圈直徑為486 mm的堵板時(shí),計(jì)算發(fā)現(xiàn)輸出軸大輪盤兩側(cè)頂點(diǎn)的壓力已均為正值,且輸出軸端部區(qū)域壓力完全為正值,正值較小,符合預(yù)期結(jié)果。對(duì)比添加不同堵板后的效果,發(fā)現(xiàn)堵板孔徑越小,軸罩內(nèi)壓力越大,效果越顯著。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,現(xiàn)針對(duì)某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究,在軸罩軸線方向上安置壓力探針進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。探針安裝位置的二維平面圖如圖6所示(圖中長(zhǎng)度單位為mm)。其中圖6(a)中1、2、3號(hào)探針傳感器端部與軸罩內(nèi)壁面齊平,測(cè)量軸罩內(nèi)壁面處壓力值;圖6 (b)中3、4、5、6號(hào)探針位于同一數(shù)值平面,根據(jù)探針伸入軸罩內(nèi)深度不同,測(cè)量軸罩內(nèi)同一截面不同半徑處的壓力數(shù)值。

(a) 1、2、3號(hào)探針安裝截面

(b) 3、4、5、6號(hào)探針安裝截面圖6 壓力探針安裝示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將原始狀態(tài)下壓力探針從低功率到高功率運(yùn)行過(guò)程中測(cè)得的數(shù)值繪制成壓力變化曲線,如圖7所示。

圖7 原始狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)壓力變化折線圖

由圖7中可以看出,燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí),隨著工況的增加,軸罩內(nèi)壓力均明顯下降且均為負(fù)壓。在額定工況時(shí),負(fù)壓最大。觀察額定工況時(shí)各測(cè)點(diǎn)壓力值發(fā)現(xiàn),滿功率運(yùn)行時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)軸罩內(nèi)壓力分布不均,各測(cè)點(diǎn)壓力差值大,壓力梯度變化大,且由于3號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力值為1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力值中的最小值,故判斷3號(hào)測(cè)點(diǎn)截面存在渦流現(xiàn)象。另外由于存在渦流,4號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力值小于5號(hào)和6號(hào)處壓力值,4號(hào)測(cè)點(diǎn)周圍即為渦流中心。

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

原始狀態(tài)下通過(guò)測(cè)量不同工況下的壓力數(shù)值,驗(yàn)證了功率越大,軸罩內(nèi)壓力負(fù)壓越大。因此在額定工況運(yùn)行下添加兩種堵板后,實(shí)驗(yàn)測(cè)量軸罩內(nèi)1至6號(hào)測(cè)點(diǎn)處的壓力值,如圖8所示。

圖8 不同型號(hào)堵板下測(cè)點(diǎn)的壓力值

分析優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)后,可以發(fā)現(xiàn)添加堵板后,額定工況下軸罩內(nèi)整體壓力明顯增大,負(fù)壓程度減小,且靠近齒輪箱端的3號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力轉(zhuǎn)為正值,效果顯著。另外隨著堵板中心孔徑變小,滿工況運(yùn)行時(shí)軸罩內(nèi)壓力繼續(xù)增大,負(fù)壓優(yōu)化程度愈發(fā)明顯。由此可見(jiàn),在軸罩和箱裝體連接處添加堵板,能顯著提高箱裝體內(nèi)壓力值,降低負(fù)壓程度,避免軸罩齒輪箱側(cè)滑油泄漏的問(wèn)題。

另外將試驗(yàn)數(shù)值與仿真數(shù)值匯總,如表1所示。對(duì)比試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值和仿真計(jì)算的數(shù)值,誤差約為10%,整體壓力變化趨勢(shì)相同,考慮到仿真模型一定程度簡(jiǎn)化,可以確定仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致。

表1 試驗(yàn)與仿真測(cè)點(diǎn)壓力

3 結(jié)論

本文針對(duì)某工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)軸罩內(nèi)負(fù)壓較大且存在滑油滲漏現(xiàn)象開展研究,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬,得到的結(jié)論如下:

(1) 實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中軸罩內(nèi)壓力為負(fù)壓且數(shù)值較大,采用添加堵板的方式,增大了軸罩內(nèi)壓力,能有效避免輸出軸與齒輪箱連接處的漏油現(xiàn)象。

(2) 隨著堵板孔徑的減小,軸罩內(nèi)壓力場(chǎng)的優(yōu)化效果愈明顯,但過(guò)小的孔徑會(huì)對(duì)輸出軸旋轉(zhuǎn)存在一定影響,故可以選擇直徑為486 mm或586 mm的孔板,效果滿足要求。

(3) 通過(guò)試驗(yàn)與仿真結(jié)合,驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)值的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。