第19卷 第11期 中 国 水 运 Vol.19 No.11 2019年 11月 China Water Transport November 2019
收稿日期：2019-06-15
作者简介：伍赛特（1990-），男，工学硕士，上海汽车集团股份有限公司 助理工程师。
伍赛特
（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）
摘 要：介绍了舰用燃气轮机进气系统的技术特点，并对其设计要求及设计过程进行了详细阐述。进气系统是燃气轮机的重要系统之一，针对其开展的设计过程对燃气轮机整机性能有着重要影响。随着我国舰用燃气轮机设计能力的不断优化与提高，终将达到世界先进水平。
关键词：舰船；燃气轮机；进气系统；航空发动机；滤清器 中图分类号：U664.13 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）11-0087-02
引言
世界能源危机和排放污染使各种发动机都面临着全新的考验[1]
。燃气轮机目前广泛应用于于工业发电和军用舰船上
[2-9]
，
尤其是柴燃联合循环（CODAG）被各国舰船广泛应用。
在舰船设计领域对燃气轮机装舰有较高的技术要求，这是因为舰船的设计空间和吨位是有限的。如果燃气轮机的体积过于庞大，则舰船的有效空间会变小，如果重量过大，则减小了舰船的有效装载吨位、这就要求舰用燃气轮机本身结构紧凑、重量轻、功重比大，在舰船上的位置要安放得当。在舰用燃气轮机发展的第三阶段，燃气轮机的装舰技术就得到了较好的解决。
在结构上，第二代舰用燃气轮机采用了单元体结构、箱装体设计，使装拆、更换和维修十分方便，也为“视情维修”创造了便捷的条件。现有的舰船燃气轮机大多由航空燃气轮机改装设计而成，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，特别是变工况工作时经济性差。而舰船燃气轮机动力装置的倒车需要复杂的传动装置，因此对进排气装置的尺寸有严格的要求。
一、舰用燃气轮机进气系统概述
目前大多数燃气轮机的机组，空气由垂直于机组中心线的管道流入，然后转弯90°变成环状轴向流动至压气机进口而涡轮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。实现该功能的部件被称为蜗壳，前者称进气蜗壳，后者称排气蜗壳。由于舰用燃气轮机的体积、重量的要求较高，以及排气一般还有引射降温等功能，其设计难度比地面用燃气轮机更大。
舰用燃气轮机进气蜗壳的结构和气动性能是燃气轮机装舰技术研究的一个重要组成部分。舰用燃气轮机进气蜗壳的总体结构尺寸受动力装置总体布局的限制，而进气蜗壳的气动性能直接影响着整个燃气轮机机组的总体性能，为满足燃气轮机总体性能的要求，进气经进气蜗壳流入后应尽量气流均匀。
但由于燃气轮机的流量较大，为减小进排气装置中的流动损失，需要将进排气装置的尺寸设计得较大。这不仅占据了舰船的有效空间，而且在舰船的甲板上开过大的孔，也随之降低了舰船的强度。所以，在设计一个符合舰船实际应用要求的燃气轮机进气蜗壳时，设计者都会面临一个尺寸和气动性能要求相互协调匹配的问题，为此需要在设计过程中尽可能地消除两者之间不利因素产生的影响。
二、进口滤清器设计研究
进气口相对于舰船的方位来说，可分为前吸式（面向舰艏进气）、侧吸式（面向两舷或舯部）、后吸
式（面向舰艉）及顶帽式进气口几种。采用何种形式与许多因素有关，如舰型、舰船航速、航行海区、动力装置的安装布局等。不同进气方式可单独采用，亦可混合采用。
为保证发动机安全正常工作，在燃气轮机进气系统中一般都有进口滤清器系统，用以尽可能地除去空气中含有的水分和盐分。目前，进口滤清器系统为各同舰船广泛采用的不外乎惯性式、编网式和惯性编网组合式等几种。
惯性式分离器对尺寸大于13μm 的液滴分离效率较高，对微小的液滴则分离效率很低。此种形式目前已很少单独应用。编网式进口滤清器的效率较高，如需进一步提高除水性能，可通过增加编织网的厚度来实现，但其代价为阻力损失相应增加。进气道中的全压损失将导致发动机功率损失和油耗的增加。为减小压力损失，必须相应降低空气流过编织网的速度，这将使编织网尺寸加大。由于编网式过滤清器结构简单，如能在结构上进行适当的改进，仍能达到良好的效果。
在各种分离器中广泛使用的聚丙烯编织网都存在老化问题，需定期更换，时间一般为两年，此外还应考虑鼠类对编织网的危害。
在大中型舰船上，由于干舷较高，可把进气口布置在不易受海浪飞溅影响、含盐量较低的高度上，大中型舰船动力装置的进口滤清器由于在流路布置上做了妥善的安排，虽然采用了单一的编织网垫，但使进气空气流进行了一定转折，因此在重量轻、结构简单的基础上仍能取得良好的除水效果；在利用
进气道更换发动机时也较为便捷。
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对干舷较低的小型舰艇，其舱面极易被海浪溅湿，且可利用的空间也较小，故给进口滤清器的安排增加了一定的困难。因此通常将编织网垫布置成Z形，以增加流通面积和减小气流过网速度，力求达到减小流动阻力损失和增加除水效率的目的，试验证明其能取得预期的效果。但采取这种布置形式，必须充分注意泄漏面的密封和排水挡板的布置，否则将影响海水的排出。
三、消声器设计研究
为满足工作和居住的舒适性，并且不损害听力，在某些特定条件下还必须满足清楚的通信和会话，故对舱室及工作舱面的噪声标准都有所要求。在压气机前部，由叶片产生的高频噪声高达120 dB左右，如不作适当的消声处理，人员难以在该环境下正常工作。
在小型舰船中，由于受空间的限制，无法安置消声效果良好但尺寸较大的消声器，故除在进气管道中设置小尺寸的消声器外，还可在进气装置内壁粘贴一定厚度的吸声材料，这样基本能满足对进气装置的消声要求。
对进气消声器（包括进气装置内的所有零件）还应特别注意安全性的要求，即要求进气装置内所有零
件具有良好的防松动、抗振动与疲劳破坏的性能。否则，任何零件的脱落或破损都能导致发动机损坏。
四、进口畸变
舰船上可利用的空间有限，而气流在进入发动机前大多需多次转折，因此发动机进气气流难以实现均匀流动，称之为进口畸变。畸变有速度畸变、压力畸变及温度畸变等多种形式。其中温度畸变一般因局部吸入高温气体造成。在实际情况下，畸变场可单独存在亦可实现数种并存。畸变的进口气流会使压气机性能恶化，并导致发动机稳定工作裕度大幅减小。
五、防冰
燃气轮机会使大量空气以较高的速度吸入压气机，伴随着气流速度的提高，气流温度将相应降低，通常降低约10℃。在某些进口温度和湿度下，在接触气流的冷金属面上将有沉淀冰和冷凝冰出现。
还应注意到，国内外均曾发现：舰体并非绝对刚性体，在风浪及外力作用下会变形，故进气装置缝隙的出现使进气气流有一部分不经过进气滤清器而直接进入发动机，这就将带入相当数量的水分。因此，决不能因除水滤清器的应用而忽视了对发动机的防冰。再者，在恶劣海情、气候条件下，进口除水滤清器会因冰、雪而堵塞，作为应急措施，一般在进气装置上设旁通门。防冰有多种形式。一种是
在进气口喷入热空气，使之与进气流混合而达到给进气加温的目的、如DD963舰的进气防冰系统从LM2500发动机燃烧室、火焰筒混合段后部抽取二次冷却空气，送至进气装置的进口滤清器，并喷入进气流，达到加温的目的。但其缺点为耗气量大，对发动机性能影响较显著。另一种则是在发动机易于产生冰沉积的表面通以热空气进行加温，使该表面上无法沉积冰雪。这些表面主要为发动机进口处的进气管、整流罩、导流支板前缘、进口导叶等。这种方式，由于需加温的零件面积有限，耗气量较少，对发动机性能影响不大，故应用较为普遍。
零件上沉积冰的数量与零件外形有关，如压气机进口整流罩通常有椭圆及锥形等几种，试验证明，锥形表面沉积冰的数量较少。
六、清洗
由于海盐的吸入，在压气机叶片表面沉积盐垢，使叶片型面发生变化而使发动机性能下降。其具体表现为：输出功率不变时，为抑制压气机效率的下降和通过发动机空气流量的减少，需相应增大燃油量，这就使涡轮前温度升高，而涡轮排气温度也将有所提高。故可根据涡轮排气温度的提高程度来决定清洗的内容和时间。由于沉积的盐垢得不到及时清洗，去除过程相应较难，故通常每天发动机停止工作时要进行清洗。
清洗后，应让发动机在慢车状态下工作5min以后停车，以达到干燥发动机的目的。清洗系统可作为进
气装置的一部分，亦可作为发动机的一部分。
七、燃气轮机进气系统试验研究
到目前为止，试验研究仍然是舰用燃气轮机进气系统研制或改型所采用的主要手段。采用这一手段并不是因为舰用燃气轮机进气系统的试验研究是一项简单的工作，而是因为数值模拟手段还不足以完全地代替试验研究所起的作用。试验研究在舰用燃气轮机进气系统研制中占有非常重要的地位，每种型号的定型都要经历一系列的试验研究才能完成。
整流罩八、结论及展望
进气系统是燃气轮机的重要系统之一，针对其开展的设计过程对燃气轮机整机性能有着重要影响。虽然目前我国舰用燃气轮机的设计能力相比世界先进水平仍有一定差距，但随着相关技术的不断优化及完善，终将得以迎头赶上。
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