一种带非均匀波瓣引射混合器的船舶燃气轮机
阅读说明：本技术 一种带非均匀波瓣引射混合器的船舶燃气轮机 (Ship gas turbine with non-uniform lobe injection mixer ) 是由 栾一刚 符昊 胡筵晨 殷越 张力敏 马鸿飞 孙海鸥 王忠义 周少伟 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于提供一种带非均匀波瓣引射混合器的船舶燃气轮机,包括非均匀波瓣引射混合器、上方粗排气管、燃气轮机排气管口,均匀波瓣引射混合器安装在上方粗排气管和燃气轮机排气管口之间,燃气轮机排气管口通过燃气轮机转折排气管连接燃气轮机的燃气出口,非均匀波瓣引射混合器底部设置底部法兰,底部法兰通过环架连接件连接环架,环架套在燃气轮机排气管口的环形凸起下方。本发明相比于传统应用于航空燃机的常规波瓣引射混合器,增强“流向涡”的作用,针对管口布置方式进行特殊设计,同时兼顾混合长度和能量损失。船舶燃气轮机排气管口加装本发明中的非均匀波瓣引射器,在特定工况下,可以使得引射混合性能提高超过300％。(The invention aims to provide a ship gas turbine with a non-uniform lobe injection mixer, which comprises the non-uniform lobe injection mixer, an upper coarse exhaust pipe and a gas turbine exhaust pipe orifice, wherein the uniform lobe injection mixer is arranged between the upper coarse exhaust pipe and the gas turbine exhaust pipe orifice, the gas turbine exhaust pipe orifice is connected with a gas outlet of the gas turbine through a gas turbine turning exhaust pipe, a bottom flange is arranged at the bottom of the non-uniform lobe injection mixer, the bottom flange is connected with a ring frame through a ring frame connecting piece, and the ring frame is sleeved below an annular bulge of the gas turbine exhaust pipe orifice. Compared with the conventional lobe injection mixer applied to an aviation gas turbine, the lobe injection mixer provided by the invention has the advantages that the effect of flow direction vortex is enhanced, the special design is carried out aiming at the arrangement mode of the pipe orifice, and the mixing length and the energy loss are considered at the same time. The non-uniform lobe ejector is additionally arranged at the exhaust pipe opening of the ship gas turbine, so that the ejection mixing performance can be improved by over 300% under a specific working condition.)
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是船舶燃气轮机。
背景技术
燃气轮机具有质量轻、体积小、单机功率大、启动快、污染少、热效率高、经济性好等特点，受到多个国家舰船动力的青睐。但是，船舶燃气轮机在运行时，温度高，若不采取降温措施，将会导致发动机箱体及其相邻舱室内温度过高，甚至会导致部分部件寿命降低，降低燃气轮机及其附属系统的工作稳定性。因此，船舶燃气轮机设计出一套进排气系统，其中包括了排气引射系统。排气引射系统的一部分作用就是通过气流剪切力将冷空气引入发动机舱室，降低舱室和零部件温度，还有一部分作用就是将冷空气混入高温燃气，降低燃气排出大气前的温度。船舶燃气轮机排气管口通常使用常规的引射混合形式，即：燃气排气管是渐缩的，管口为圆形，与外侧箱体之间有一定引射间隙，从而达到引射混合的效果。但是，随着燃机性能的提高，引射性能已经不能满足实际要求。
常规喷管的引射混合器，主要依赖于主流黏性剪切力的作用，泵抽次流，并与之混合。引射混合的速率较慢。对燃气轮机的应用而言，较长的混合管会导致较高的壁面摩擦和较大的重量代价。因而，这种常规形状的喷管，在引射混合器中的应用，受到了很大的限制。于是，改变喷管的形状，在主次流之间使用横向环流，增强混合的概念便应运而生了。
把排气管口的薄壁，增加曲折成周期波瓣的形状而形成的波瓣喷管，改变了引射混合的流场。在波瓣喷管的出口截面，以波瓣的轮廓为界，主流速度有一个沿波峰向外的横向分量，次流速度则有一个沿波谷向内的横向分量。从而在波瓣的两侧边，形成一对方向互为反向的环流，其环流的尺寸与波瓣高度有关。这样产生的大尺度的相互逆转的旋涡是非粘性的，具有对流的性质。旋涡的指向与流动方向一致，称之为“流向涡”。
这种形状的波瓣喷管，不仅有“流向涡”加强主、次流之间的混合，而且在同一个出口截面积的条件下，波瓣喷管还有出口边界周长增加，使主、次流之间的黏性剪切混合增强的作用。因而，他可以在较短的混合管之中，实现流体的充分混合。有实验结果表明：性能良好的波瓣引射混合器与相应常规喷管引射混合器相比，前者不仅尺寸短、质量轻，而且前者的引射流量比几乎是后者的2倍以上。
波瓣引射混合器多用于直升机的红外抑制器。1988年Toulmay F.的文章《Internal Aerodynamics of Infrared Suppressors for Helicopter Engines》详细的介绍了波瓣引射混合器成熟应用在在SA356C直升机尾部的形式及其工作原理。文中提到的波瓣引射混合器结构是最常用的，也是应用最为广泛的。这种常规波瓣引射混合器的特点是外扩和内缩的角度是固定的，不随引射混合器的高度变化而变化，也就是说其内外壁沿轴向方向形线都是倾斜角度固定的直线，每个外扩波瓣的侧壁相互平行。这种设计方式与其工作环境有关。直升机的燃气轮机尾部排出的燃气没有经过方向的改变，从后方的波瓣引射混合器喷出，燃气的速度场几乎是均匀的。并且，后方排气管口直径大于波瓣最大直径，有较大的混合间隙，容易生成不被破坏的混合层，设计出合理的混合长度。文章提到的常见的波瓣引射混合器工作环境和内部流场与应用于船舶的引射混合器大不相同。
发明内容
本发明的目的在于提供能提高船舶燃气轮机排气引射系统引射性能的一种带非均匀波瓣引射混合器的船舶燃气轮机。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种带非均匀波瓣引射混合器的船舶燃气轮机，其特征是：包括非均匀波瓣引射混合器、上方粗排气管、燃气轮机排气管口，均匀波瓣引射混合器安装在上方粗排气管和燃气轮机排气管口之间，燃气轮机排气管口通过燃气轮机转折排气管连接燃气轮机的燃气出口，非均匀波瓣引射混合器底部设置底部法兰，底部法兰通过环架连接件连接环架，环架套在燃气轮机排气管口的环形凸起下方，所述非均匀波瓣引射混合器包括外扩波瓣、内缩波瓣，外扩波瓣、内缩波瓣沿圆周间隔设置。
本发明还可以包括：
1、外扩波瓣的外扩程度、内缩波瓣的内缩程度随着其与燃气轮机的距离增大而减小。
2、外扩波瓣的外侧为外壁，内缩波瓣的内侧为内壁，外扩波瓣和内缩波瓣的侧面为侧壁，外壁与侧壁、内壁与侧壁圆弧相切。
3、外壁面和内壁面垂直于流向的形线分别是一组同心圆弧，外壁面圆弧线的同心圆轴线更靠近燃气轮机，其次是燃气轮机排气管口轴线，最远是内壁面圆弧线同心圆的轴线。
4、外壁面的轴向形线为圆弧线，圆弧线半径随外扩距离的增大而减小。
本发明的优势在于：本发明能够更好地适应船舶燃气轮机排气引射系统，更好地生成“流向涡”和“正交涡”卷吸冷空气。在保证较大的剪切周长和合理的引射间隙的同时，通过异形结构设计，特别是不同的波瓣大小形状和弧状外壁的特殊设计，本发明能够生成性能较好的自由混合层，充分利用不均匀的高速气体的能量，得到合理的混合长度，最重要的是避免了高速气体过早冲击壁面，破坏旋涡结构和自由混合层受损，缩短混合长度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为B视角视图，图2b为C视角视图；
图3为D视角视图；
图4为E视角视图；
图5a为F视角视图，图5b为G视角视图，图5c为H视角视图；
图6a为I处视图，图6b为J-J视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-6b，本发明涉及的一种用于船舶燃气轮机排气管口的非均匀波瓣引射混合器1安装在燃气轮机排气管口2上方。燃气轮机工作时，主流高温燃气从尾部燃气出口2喷出，经过燃气轮机转折排气管3到达燃气轮机排气管口2。之后燃气经过非均匀波瓣引射混合器1向上方流动，同时，由于剪切力和卷吸作用，混合箱体5内非均匀波瓣引射混合器1周围的冷空气，一起向上方粗排气管6流动，进入后续的排气结构。由于“泵吸”作用，箱体5内的冷空气被主流燃气牵引混合，需要从外侧抽吸冷空气。冷气流动方向和主流流动方向在图1中给出，冷空气起到冷却箱体及零部件的作用，提高整体的工作稳定性。
结合图1、图2和图3，引射混合器1进口的轴线与燃气轮机排气管口2轴线重合。波瓣7、8的数量与燃气轮机排气管口2和箱体5尺寸以及燃机工况有关，波瓣7、8外扩和内缩的程度，随着其与燃机的距离增大而减小。如图1所示的非均匀波瓣引射混合器1和箱体5的尺寸比例，波瓣7、8的总数量为12个。波瓣7、8沿着圆周均匀分布。连接内外壁面13、14与侧壁9之间的圆弧面11、12与其相切。外壁面12和内壁面13垂直于流向的形线分别是一组同心圆弧，外壁面12圆弧线的同心圆轴线更靠近燃机，其次是排气管口2轴线，最远是内壁面13圆弧线同心圆的轴线。在波瓣最底端，上述三根轴线重合。内壁面8的流向形线为与管口轴线成一定角度的直线，此角度与内缩距离有关。外壁面13的轴向形线为圆弧线，圆弧线半径随外扩距离的增大而减小。侧壁11径向形线与内外壁面垂直，轴向形线与管口轴线平行。
结合图1、图2和图3，在燃气流过波瓣引射混合器时，在波瓣的出口截面，有“流向涡”加强主、次流之间的混合，而且在同一个出口截面积的条件下，波瓣喷管还有出口边界周长增加，使主、次流之间的黏性剪切混合增强的作用。因而，他可以在较短的混合管之中，实现流体的充分混合。箱体5和排气管口2之间的间隙很窄，流向距离短，弧形的外壁9可以在保证较大的扩张角度的同时调整燃气方向。在一定程度上，较大的扩张角可以保证“流向涡”的生成。混合间隙、自由混合层的发展和混合长度是引射混合器的重要指标。合理的扩张角度与外壁9弧度，可以得到合理的混合间隙，更重要的是得到较好的自由混合层发展情况。如果使用折卷板代替弧面板即两个平面弯折，则会限制“流向涡”形成，降低引射性能。由于每个波瓣的侧壁都不平行，燃气流向外扩波瓣的过程中产生低压，促进“流向涡”的形成，提高引射性能。在一般情况下，燃机排气管口2和上方粗排气管6轴线不重合，不均匀的高速燃气很难充分混合冷气。针对燃机箱体和管道的布置方式，结合不均匀的燃气，设计出不均匀的非均匀波瓣，进而调整混合间隙和混合长度，充分利用高速燃气的能量，提高引射量。
在燃气流量85kg/s，温度773K的工况下，假设壁面绝热，冷空气温度为300K。本发明的用于船舶燃气轮机排气管口的非均匀波瓣引射混合器和箱体比例如图1所示，建议本发明的用于船舶燃气轮机排气管口的非均匀波瓣引射混合器的主要结构尺寸为：波瓣总数12个，沿圆排气管口2圆周均匀分布。其中，内缩波瓣大小相同为12个，小外扩波瓣1个，大外扩波瓣1个。排气管口2尺寸1330mm。垂直于流向，内壁圆弧形线的同心圆最小直径1000mm，外壁圆弧线的同心圆最大直径1530mm。垂直于径向，外扩距离最大的波瓣外壁圆弧形线半径为180mm，外扩距离最小的波瓣外壁圆弧形线半径为240mm，相邻波瓣外壁圆弧形线半径相差10mm。波瓣高度145mm。连接侧壁与内外壁的圆弧壁面直径为50mm。与排气管口相连法兰的内径为1330mm，外径1440mm，高度10mm。在某特定尺寸船舶排气引射系统上进行数值模拟，尺寸可参考图中比例。燃气出口流量为85kg/s，总温773K，壁面设置为绝热壁面，外部环境为大气环境，温度为300K。不加装波瓣引射混合器的系统引射量为2.6kg/s，加装本发明的非均匀波瓣引射混合器的系统引射性能提升超过300％。
结合图1、图3和图4，本发明涉及的一种用于船舶燃气轮机排气管口的非均匀波瓣引射混合器1安装在燃气轮机排气管口2上方。通常情况下，燃气轮机排气管口2上方会预留圆形凸起以便后可能续加装零件。本发明的非均匀波瓣引射混合器底部的法兰15与环架17用螺栓连接，环架17卡在排气管口2圆形凸起外侧，以实现加装。为了工作稳定性，建议使用30个螺栓。引射混合器底部的法兰15打光孔通孔，环架17打螺孔通孔。这种设计可以使非均匀波瓣引射混合器在修理或特殊的情况下便于拆卸和加装。
结合图4和图5，环架17由两个半圆组成，每个半圆两端带有连接件，每个连接件建议3个螺栓固定，组装一共需要6个螺栓。连接件上的孔均为光孔通孔，螺栓需要配套螺母。考虑到装配及应力释放，环架卡紧后，连接件之间留有10mm间隙。环架17内侧的形状需要与燃气轮机排气管口2上方预留的环形凸起形状相配合，考虑到装配，环架高度低于凸起约10mm。
结合图2、图3和图6，在非均匀波瓣引射混合器1安装和拆卸的过程中，需要用“倒链”起吊，建议安装四个吊耳14以便起吊和放置。建议安装的位置在图2和图3中给出，建议加工制造的尺寸在图6中给出。
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