Fluent燃气轮机进气过程的数值模拟(3)

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第三阶段（1968至今）：这是舰船动力装置进入全燃化的阶段，船用燃气轮机的功率继续增大，耗油率进一步降低，而翻修期不断加长，并且开始重视产品系列化，以满足对燃气轮机各档功率的要求，其中比较先进的第二代燃气轮机开始装舰使用。最突出的是英国，于1968年确定了全燃化的方针，研制了G6、Olympus TM系列和Tyne RM系列等舰用燃气轮机，将它们用于军舰后，有效地改善了军舰的性能。苏联从60年代起也开始生产舰用燃气轮机，例如HK一144和M一2等，并将其用作军舰的推进动力。美国虽未明确表示要全燃化，但自从60年代末LM2500燃气轮机问世后，在70年代以该机组作为推进动力的军舰成批地投入服役。此外，其它很多国家海军的舰艇也纷纷采用燃气轮机[7]。

我国船用燃气轮机的研制起步相对国外发达国家较晚，研制工作开始于1958年。第一台研制的燃气轮机是404型加速燃气轮机，但是，由于该燃机的技术性能后等原因，最终没有投入正式生产，也没有进行后续的改进提高工作。同年，我国开始设计研制的舰船专用燃汽轮机——401型加速燃气轮机，取得了首台样机试车、500小时台架试验，以及样机陆上技术鉴定与试验等的重大成功[8]。

由于我国的船用燃气轮机的应用情况还远远落后于国外，这就需要我们加快速度发展我们国内的船用燃气轮机，为我国的航空、舰船、工业等行业的发展作出有力的支撑，以期赶上国外先进水平。在21世纪，世界范围内燃气轮机的应用将更为广泛深入，可以毫不夸张地说：燃气轮机将成为某些军用设备的主力军。燃气轮机工业的水平也将成为一个国家工业先进程度的标志[9]。

1.2.2 进气系统装舰问题

由于舰船的空间和重量有限，为提高舰船的有效空间和有效吨位，则需要燃气轮机结构紧凑，比重量轻。在船用燃气轮机发展到第三阶段的时候，燃机的装舰问题已经基本解决，此时的燃机具有结构紧凑、单机功率大、比重量小等优点，能很好的装舰的灵活机动性、适航性、隐蔽性、经济性等要求。在结构上，第二代船用燃气轮机采用了单元间结构、相装体设计，是装拆、更换和维修十分方便，也为“视情维护”创造了十分方便的条件。

但燃气轮机装舰过程中仍然存在着突出的问题，由于燃气轮机的体积庞大，使得舰船的有效空间相对变小，这就对舰船燃气轮机进气系统的设计提出了更高的要求。现有的舰船燃气轮机大多由航空燃气轮机改装设计而成，而且，一般都采用简单开式循环，存在着一些制约发展的技术障碍：耗油率较高，变工况工作时经济性差；舰船燃气轮机的翻修寿命较短；燃机动力装置的倒车需要复杂的传动装置；需要的进、排气装置的尺寸有严格的要求。综上所述，船用燃气轮机应满足以下几个要求[10]：

1）尽量使气流均匀，尤其要注意使进气系统出口处气流平稳；

2）尽量减小的流动压力损失；

3）尽量减小尺寸、重量，提高刚性和抗振特性；

4）尽可能地除去空气中所含的盐分，防止腐蚀现象的发生；

5）尽可能降低进气噪音；

6）尽可能使结构可靠紧凑，便于安装维护。

现有的燃气轮机，大多数的机组的空气流动可概括为：首先，空气通过进气系统前端的进气口，然后由垂直于机组中心线的管道流入，再转弯90°变成环状轴向流动至压气机进口导叶。而透平排气需将环状轴向气流收集起来，并转弯90°后导入排气管道中。完成这种功能的部件称为蜗壳，前者称进气蜗壳，后者称排气蜗壳。本次课题研究的是进气蜗壳。燃气轮机进气蜗壳的作用是引导空气进入压气机通流部分，一般不可避免的设计成弯曲式的以满足装舰要求。但是，气流在弯管中流动必然会造成管道横截面上速度场和压力场分布的不均匀性，横向压力梯度和管道壁面附面层的作用也会产生旋涡运动和二次流损失。尤其是当弯管中有扩压流动时，容易造成较严重的二次流和附面层的脱离，还会直接影响压气机进口速度场的不均匀性，带来燃机工作性能的不稳定。另外，进气蜗壳截面上的气流速度场和压力场分布不均匀还会造成压气机的工作状况偏离设计工况，降低压气机的效率和喘振裕度，从而使整个动力装置的性能降低，严重时还会使压气机第一级叶片的断裂。所以，速度场的均匀度是评定进气流场性能优劣的主要指标之一[11]。