速度梯度与流向涡分布对船用燃气轮机排气引射器性能影响规律的研究

The exhaust ejector of marine gas turbine is one of the key equipment to reduce the exhaust temperature, weaken the infrared signal intensity and ensure the infrared stealth. Currently, most of marine gas turbines are arranged along the axial direction at the bottom of the cabin, and the exhaust gas needs discharged after turning upward. There will be a large velocity gradient of nozzle behind swerve exhaust pipe, and the performance of exhaust ejector will be affected. In addition, the nozzle with tabs structure is usually used to improve ejector performance. The streamwise vortexes which can achieve better strengthen blending will be generate behind tabs structure. Different structure parameters of exhaust ejectors will be studied in this project. The evaluation indicator about velocity gradient of nozzle will be presented. And the mathematical relationship between the structural parameters, velocity gradient and ejector performance will be established. The mathematical relationships and simulation accuracy will be verified by experiment. The evaluation method of streamwise vortex based on effective blocking area ratio will be used to study the ejector performance variation rules. The particle image velocimetry will be used to measure the streamwise vortex changes behind tabs structure. The research results will not only improve the marine gas turbine exhaust ejector performance, but also promote the application of marine gas turbine on ships.

排气引射器是船用燃气轮机降低排气温度，有效减弱红外信号强度，保证船舶隐身性的关键设备之一。目前，船用燃气轮机大多沿轴线方向布置于机舱底部，排气需要经过转弯后向上排出，因此喷口处呈现较大的速度梯度，影响排气引射装置的性能。此外，为达到较好的引射性能常在喷口处加入突片结构加强掺混，而流向涡产生于突片后，有助于气流的掺混。本课题针对不同结构参数的排气引射器，提出喷口处速度梯度的评价指标，建立结构参数与速度梯度和引射性能的数学关系，并通过流场实验进行验证。采用基于有效阻塞面积比的流向涡评价方法，分析引射性能的变化规律，并利用粒子图像测速方法测量突片后流向涡的变化。本课题研究成果不仅会促进船用燃气轮机排气引射器性能提升，而且对船用燃气轮机的装船应用起到积极的作用。

在一种已经经过数值模拟与实验验证过的引射器的基础上，进行计算模型的改进，分别建立不同弯管角度的计算模型，并设定不同的入口预旋角度，考察弯管角度和进口预旋对引射系数、总压损失、静压恢复系数及混合度的影响，分析其流场分布情况，得到弯管角度和进口预旋对排气引射器性能影响的规律。利用Matlab程序计算引射器出口截面速度不均匀度，得到该参数与弯管角度和进口预旋角之间的关系。在此基础上，根据船用引射器向上弯折90度角安装这一实际情况，建立90度弯管引射器模型，在主流喷嘴出口处环喷嘴内侧加装三角形突片，根据文献资料首先确定三角突片的结构参数，然后对三角形突片进行相似缩放，在不同的三角突片对喷嘴出口的堵塞面积下计算常温气流条件下引射器的引射系数、总压损失、压力恢复系数、混合度以及混合管出口截面速度不均匀度，同时设置主流入口进气预旋角，研究了在进气预旋和突片堵塞面积共同作用下引射器性能参数的变化规律。赋予主流一定的温度进行热态数值模拟，得到热态引射下混合管出口截面的温度大小和均匀程度与堵塞面积与进口预旋之间的关系，针对引射器的降温性能提出合适的堵塞面积范围。通过仿真对突片周围流向涡的结构和发展进行了研究，分析了不同堵塞面积下流向涡的强度变化规律，从机理上解释突片引射器性能参数变化的原因。设计突片式引射器实验，对引射系数和混合管壁面静压分布规律进行了测量。结果显示弯管角度带来了排气引射器流场的不均匀。突片的存在可以提高引射器的引射系数和压力恢复能力，并使出口温度场和速度场都更加均匀。在该项目的资助下，共培养研究生3人，发表论文14篇。不同弯管角度排气引射器和突片式引射器性能规律的研究，对于排气引射器的设计和改进有重要的参考价值，为设计更加先进的排气引射器提供理论支撑。