鐘 毅，劉國(guó)棟

(海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室，上海 200135)

燃?xì)廨啓C(jī)與其它動(dòng)力裝置相比，具有功率大、尺寸小、重量輕、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、采用箱裝體結(jié)構(gòu)可快速更換等優(yōu)點(diǎn)，深受各國(guó)海軍青睞。為滿足艦用燃?xì)廨啓C(jī)和艦用柴油機(jī)對(duì)燃燒和冷卻空氣的品質(zhì)要求，以保障艦用動(dòng)力系統(tǒng)的可靠工作，進(jìn)排氣裝置是裝船技術(shù)中不可缺少的重要設(shè)備[1]。于洋等[2]采用三維數(shù)值模擬方法結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型對(duì)側(cè)向進(jìn)氣裝置內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行了一體化數(shù)值研究，陳昌榮等[3]建立了3種不同模型，分別對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了阻力特性和速度均勻性是否影響進(jìn)氣系統(tǒng)的流場(chǎng)。閆欣等[4]應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)有限元法分別對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣空氣濾清器和進(jìn)氣消聲器的流動(dòng)阻力和消聲特性進(jìn)行計(jì)算和分析，薛晶[5]基于某6FA燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目進(jìn)氣噴嘴校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)過程，通過建立進(jìn)氣道模型，選擇安裝流量噴嘴、測(cè)壓耙與掃描閥的方案，說明了安裝進(jìn)氣流量校準(zhǔn)系統(tǒng)的作用與安裝校準(zhǔn)裝置對(duì)進(jìn)氣流量噴嘴空氣流場(chǎng)的影響，林丹等[1]從艦用進(jìn)氣裝置動(dòng)力特性的研究需要出發(fā)，論述了動(dòng)力特性分析的理論基礎(chǔ)，以某大型進(jìn)氣裝置為對(duì)象，針對(duì)激勵(lì)環(huán)境、固有特性及動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

本文將從艦用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，提出進(jìn)排氣系統(tǒng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系和試驗(yàn)方法。

1 工作原理

艦用燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，需要大量的空氣，經(jīng)壓縮、燃燒和膨脹而做功，做功后的廢氣需排出。進(jìn)排氣裝置的作用就是吸進(jìn)干凈空氣和排出廢氣。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲也要經(jīng)過進(jìn)排氣裝置再傳出，起到降噪的作用。因而，進(jìn)排氣系統(tǒng)是艦艇燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部分。進(jìn)氣系統(tǒng)由水過濾分離器、消聲器、過濾段和進(jìn)氣室等組成。排氣裝置由排氣蝸殼、消聲器、排氣管和引射管等組成，如圖1所示。

圖1 進(jìn)排氣系統(tǒng)工作原理示意圖

2 指標(biāo)體系

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

進(jìn)氣裝置一般應(yīng)滿足下列要求。

1)壓力損失小。大量空氣經(jīng)過進(jìn)氣系統(tǒng)流到壓氣機(jī)進(jìn)口截面，由于存在各種損失，如進(jìn)氣道壁面的摩擦阻力損失、進(jìn)氣口和轉(zhuǎn)彎處的流動(dòng)損失、水過濾分離器和消聲器中的阻力損失、壓氣機(jī)進(jìn)口及防護(hù)網(wǎng)引起的流動(dòng)損失等，使壓氣機(jī)進(jìn)口的空氣壓力降低，將使功率和效率降低。根據(jù)國(guó)外艦艇燃?xì)廨啓C(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)壓力損失每增加1%時(shí)，額定功率損失約2.2%，油耗增加1.2%。

2)壓氣機(jī)進(jìn)口速度場(chǎng)要均勻。

3)防止吸入海水、煙氣、灰塵及雜物。

4)傳出噪聲小。

5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，尺寸小，并能承受一定的沖擊力。

2.2 排氣系統(tǒng)

根據(jù)其工作條件，排氣裝置應(yīng)滿足下列基本要求。

1)壓力損失小。目前使用標(biāo)準(zhǔn)一般在1.47×10-3～2.45×10-3MPa。

2)渦輪出口截面的燃?xì)馑俣葓?chǎng)要均勻。

3)排氣管道壁面溫度和排氣出口溫度符合允許值。

4)排氣噪聲小。

5)避免排出的廢氣重新進(jìn)入進(jìn)氣裝置。

6)重量輕、尺寸小，并具有一定的抗沖擊能力。

3 試驗(yàn)方法

根據(jù)進(jìn)排氣系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)檢查、阻力測(cè)定試驗(yàn)、進(jìn)氣管路模型試驗(yàn)、抗沖擊試驗(yàn)4類試驗(yàn)；排氣系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)檢查、阻力測(cè)定試驗(yàn)、排氣紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試、抗沖擊試驗(yàn)4類試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 進(jìn)排氣系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目

3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

3.1.1 靜態(tài)檢查

靜態(tài)檢查的目的是檢查進(jìn)氣系統(tǒng)的組成、齊套性及總布置是否滿足國(guó)家、軍用標(biāo)準(zhǔn)及型號(hào)研制相關(guān)要求、系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)規(guī)格書的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“《通規(guī)》”)257.7.2水面艦船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定：每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)氣系統(tǒng)，除小艇外，避免將主機(jī)艙作為進(jìn)氣室。進(jìn)氣管道進(jìn)口的位置和方向應(yīng)避開排氣管道出口、通風(fēng)機(jī)排出口、輔鍋爐及焚燒爐的排煙口和油艙通氣孔等，盡量減少浪花及水幕系統(tǒng)噴霧水吸入，并保證甲板上殘?jiān)槠槐晃?。進(jìn)氣管路一般應(yīng)設(shè)置進(jìn)氣消聲器，管路壁應(yīng)采取消聲措施，但應(yīng)防止吸聲材料被吸入壓氣機(jī)。

3.1.2 阻力測(cè)定試驗(yàn)

對(duì)首制艦在燃?xì)廨啓C(jī)的各主要運(yùn)行工況下，測(cè)定進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。將測(cè)量結(jié)果填入表 1。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)阻力測(cè)量記錄表 Pa

3.1.3 進(jìn)氣管路模型試驗(yàn)

空氣流經(jīng)進(jìn)氣系統(tǒng)，因多次轉(zhuǎn)彎及進(jìn)氣道內(nèi)結(jié)構(gòu)物(如消聲器等)的影響，壓氣機(jī)進(jìn)口截面上的速度場(chǎng)是不均勻的。這種不均勻性嚴(yán)重到一定程度，會(huì)使氣流的紊流程度升高，甚至出現(xiàn)渦流。這對(duì)壓氣機(jī)的工作很不利，將改變壓氣機(jī)的喘振邊界線，降低壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。此外，還將增加空氣流動(dòng)阻力損失，減小空氣流量和增壓比，降低效率。周向和徑向的不均勻度會(huì)引起葉片振動(dòng)，使葉片損壞。為了獲得流場(chǎng)的均勻性，進(jìn)氣裝置結(jié)構(gòu)通常在氣流進(jìn)入壓氣機(jī)入口前安裝整流導(dǎo)向葉片或設(shè)置空間較大的進(jìn)氣穩(wěn)壓室。并且，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流罩通常應(yīng)伸展到進(jìn)氣室內(nèi)。《通規(guī)》257.7.2.3規(guī)定：燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)使燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口處的空氣流場(chǎng)畸變滿足壓氣機(jī)的技術(shù)要求，必要時(shí)應(yīng)通過進(jìn)氣管路模型試驗(yàn)驗(yàn)證。目前，艦用燃?xì)廨啓C(jī)一般通過科研樣機(jī)進(jìn)行陸上試驗(yàn)來驗(yàn)證壓氣機(jī)進(jìn)口速度場(chǎng)是否均勻，由于速度場(chǎng)測(cè)量較為復(fù)雜，當(dāng)前的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般為燃?xì)廨啓C(jī)樣機(jī)工作是否穩(wěn)定，而無詳細(xì)定量指標(biāo)。然而航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域在進(jìn)氣管路模型試驗(yàn)方面有明確的試驗(yàn)規(guī)程和評(píng)價(jià)方法，因此本文建議艦用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，研發(fā)適合艦用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣管路模型試驗(yàn)方法和指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

3.1.4 抗沖擊試驗(yàn)

進(jìn)排氣系統(tǒng)應(yīng)滿足《通規(guī)》第074章規(guī)定的A級(jí)抗沖擊要求，按GJB 150.18的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗沖擊鑒定。根據(jù)可能遇到的沖擊環(huán)境選用以下有關(guān)試驗(yàn)：運(yùn)輸?shù)湓囼?yàn)、工作臺(tái)上的傾跌試驗(yàn)、鐵路車輛撞擊試驗(yàn)、包裝件的粗暴裝卸試驗(yàn)、基本設(shè)計(jì)試驗(yàn)、墜撞安全試驗(yàn)、強(qiáng)沖擊試驗(yàn)、引信及引信元件的跌落試驗(yàn)、溫度-沖擊綜合試驗(yàn)、艦船設(shè)備的沖擊試驗(yàn)。

3.2 排氣系統(tǒng)

3.2.1 靜態(tài)檢查

《通規(guī)》257.8.2規(guī)定：排氣系統(tǒng)宜考慮消聲措施。排氣管道出口位置及方向，應(yīng)保證不致使排出的熱廢氣被吸入進(jìn)氣系統(tǒng)或通風(fēng)系統(tǒng)，并應(yīng)保證不致使排出的熱廢氣和煙灰損壞艦上的電子設(shè)備及天線，增加火災(zāi)的危險(xiǎn)和防礙艦員的正常操作。排氣系統(tǒng)應(yīng)考慮落入雨雪的排除措施。

3.2.2 阻力測(cè)定試驗(yàn)

和進(jìn)氣裝置相似，排氣裝置中各種構(gòu)件和通道壁面的阻力引起的壓力損失，同樣對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率有很大的影響。壓力損失越大，動(dòng)力渦輪后的壓力就越大，從而使渦輪的壓降減少，做功能力降低，效率下降。對(duì)首制艦在燃?xì)廨啓C(jī)的各主要運(yùn)行工況下，測(cè)定排氣系統(tǒng)阻力。將測(cè)量結(jié)果填入表 1。

3.2.3 排氣紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試

《通規(guī)》257.8.2.6規(guī)定：紅外抑制裝置應(yīng)能降低燃?xì)廨啓C(jī)排氣管段出口、煙囪口金屬壁及排氣流的平均溫度。在各臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)工況同時(shí)為1.0運(yùn)行時(shí)，按規(guī)定的方法測(cè)得的排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度在0°～45°測(cè)視角范圍內(nèi)，紅外輻射強(qiáng)度3～5 μm應(yīng)不大于電子對(duì)抗系統(tǒng)無源干擾發(fā)射后的80%。對(duì)首制艦在燃?xì)廨啓C(jī)的各主要工況運(yùn)行時(shí)，測(cè)量排氣系統(tǒng)的紅外輻射強(qiáng)度。將測(cè)量結(jié)果分別填入表 2、表3、表4。

表2 燃?xì)廨啓C(jī)紅外輻射強(qiáng)度3～5 μm時(shí)測(cè)量記錄表

表3 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行工況主煙囪外壁溫度測(cè)量記錄表

表4 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行工況桅桿煙囪外壁溫度測(cè)量記錄表

3.2.4 抗沖擊試驗(yàn)

進(jìn)排氣系統(tǒng)的抗沖擊試驗(yàn)見3.1.4。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)艦用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)工作原理及使用要求，構(gòu)建了進(jìn)排氣系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系和試驗(yàn)方法，根據(jù)本文的研究，在艦用燃?xì)廨啓C(jī)性能鑒定試驗(yàn)階段，進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)檢查、阻力測(cè)定試驗(yàn)、進(jìn)氣管路模型試驗(yàn)、抗沖擊試驗(yàn)4類試驗(yàn)，排氣系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)檢查、阻力測(cè)定試驗(yàn)、排氣紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試、抗沖擊試驗(yàn)4類試驗(yàn)。