船用燃气轮机进气部件结冰规律研究_任永鹏.pdf

第 44 卷第 2 期2023 年 2 月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.44.2Feb.2023船用燃气轮机进气部件结冰规律研究任永鹏,万雷,王萌,王忠义,曲永磊(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:结冰会改变船用燃气轮机进气部件的气动特性,影响压气机工作效率。本文对船用燃气轮机进口导叶及导流罩进行二维结冰计算,以 BP 神经网络为基础,对船用燃气轮机进口导流罩的结冰临界温度进行预测。结果表明:结冰参数会影响部件表面冰形和结冰种类,从而影响部件的气动特性;特定条件下,当环境温度高于冰点时,进气部件表面也会发生结冰现象;明冰不仅会影响进气部件的气动特性,还存在冰层脱落的危险;结合 BP 神经网络可以形成一套具有适用范围的船用燃气轮机进口导流罩结冰临界温度预测代码。关键词:船用燃气轮机;二维结冰;叶型;导流罩;数值模拟;欧拉法;FENSAP-ICE;临界温度;BP 神经网络DOI:10.11990/jheu.202107025网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)02-0235-09Research on the influence of icing on intake components of marine gas turbineREN Yongpeng,WAN Lei,WANG Meng,WANG Zhongyi,QU Yonglei(College of Power and Energy Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)Abstract:The aerodynamic characteristics of the intake components of marine gas turbine would be changed by icing,which will affect working efficiency of the compressor.In this paper,two-dimensional icing of inlet guide vane and cen-ter deflector of marine gas turbine is calculated,and then the icing critical temperature of the center deflector of marine gas turbine is predicted based on the BP neural network.The results show that the icing parameters will influence the ic-ing shape and icing species on the surface of component,and thereby influence the aerodynamic characteristics of the component.Under certain conditions,when the ambient temperature is higher than the freezing temperature,icing will also occur on the surface of intake components.Glaze ice will not only affect the aerodynamic characteristics of intake components,but also cause the risk of ice falling off.Combined with BP neural network,a set of applicable prediction codes for critical icing temperature of the center deflector of marine gas turbine can be formed.Keywords:marine gas turbine;two-dimensional icing;blade profile;center deflector;numerical simulation;Euler method;FENSAP-ICE;critical temperature;BP neural network收稿日期:2021-07-12.网络出版日期:2022-11-24.基金项目:国家科技重大专项(J2019-0017).作者简介:任永鹏,男,博士研究生;王萌,男,讲师,博士;王忠义,男,教授,博士生导师.通信作者:王萌,E-mail:wangmeng_a .随着燃气轮机应用领域逐渐增多、使用环境逐渐恶劣,燃气轮机进气部件结冰现象逐渐显现1-2。当船舶行驶在环境温度为-185 的低温海域时,在海风(一般高于 9 m/s)及海浪与船体的相互作用下产生大量海水飞沫,飞沫液滴直径在 55 000 m。该工作环境极易导致船用燃气轮机进气部件发生结冰问题。而船用燃气轮机进口导叶、导流罩积冰,将导致进气通道面积减小、叶型型线发生改变,影响气动特性,导致压气机压比和效率下降。严重时,进气部件上的冰层脱落会对压气机叶片造成机械损伤,影响燃气轮机的安全运行3-4。国外学者对于燃气轮机进气端部件结冰机理的研究起步较早。Hamed 等5提出了一种模拟过冷水滴在航空发动机内运动轨迹的三维方法,利用欧拉-拉格朗日法模拟了流场对颗粒运动轨迹的影响。Veillard6提出了一种三维准稳态数值模拟方法,对压气机转子、静子以及期间的相互作用进行模拟,提出了一种结合有限元插值法和周向平均法的单元混合交界面的方法。Norde 等7采用欧拉法,计算冰晶在静子-转子-静子叶栅中的运动轨迹,计算模拟了冰晶蒸发、升华、融化的过程,并将其部分哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷或全部的附着在叶片表面,比较不同尺寸冰晶的总含水量、融化率和撞击质量通量。国内学者主要集中在翼型的结冰问题上。张丽芬8利用欧拉-拉格朗日法计算空气-液滴两相流,结合溢流水的溢流方向以及空气速度矢量,整合出一套计算三维翼型表面积冰的方法。苏长明9建立了考虑水膜蒸发的三维结冰数学模型。还有部分研究人员在燃气轮机进气道对液滴分布的影响规律方面展开相关研究。屈靖国10利用欧拉-欧拉法对亚声速蛇形进气道进行了空气-过冷水滴两相流场的计算,获得进气道出口的流场分布特征。并对三维发动机进口段的支板和整流帽罩进行耦合积冰计算。李静11提出了一种三维进气道内结冰参数分布的分析方法。采用欧拉-拉格朗日法获得进气道内表面的水滴撞击特性以及进气道内水滴运动轨迹。目前国内外对于翼型、航空发动机叶片的结冰问题展开了大量研究。但对于船用燃气轮机叶片结冰,尤其是针对 L 型进气道影响下的进气部件结冰规律问题研究相对较少。此外,缺乏部件结冰后,气动特性的影响分析研究,以及燃气轮机进气部件结冰临界温度预测研究。本文利用商业软件 FENSAP-ICE 对结冰条件下,进气滤清器后的二维船用燃气轮机进口导叶和导流罩表面的结冰情况进行数值模拟,对比分析环境总温、气流流速、液滴平均容积直径、液态水含量等主要因素对冰形的影响规律。同时对典型积冰的叶型和导流罩进行流场计算,对比分析结冰前后叶型、导流罩周围流场变化情况,总结进气部件积冰的影响规律。同时,结合 BP 神经网络对船用燃气轮机导流罩表面发生结冰的临界温度值进行预测,为后续开发防冰装置和结冰预警装置提供发展方向。1 数学模型与方法验证 结冰过程的数值模拟一般分为 3 个步骤:1)求解结冰部件周围空气流场;2)根据空气流场的计算结果进行液滴流场的计算;3)利用结冰计算模型获得部件表面结冰情况。1.1 数学模型1.1.1 欧拉法求解液滴撞击特性 欧拉法求解液滴撞击特性,是将液滴看作连续相,引入液滴容积分数的概念后,通过计算液滴的连续方程和动量方程,得到空间网格节点的液滴容积分数和速度分布,进而得到液滴撞击特性的方法。液滴连续性方程为:dud()=0(1)液滴动量方程为:duaud()=dK ua-ud()+dGd(2)式中:为液滴容积分数;ud为液滴速度矢量;ua为空气速度矢量;Gd为液滴重力;K 为空气-液滴动量交换系数。壁面所收集的液滴质量为:mim=dudn(3)1.1.2 Shallow-Water 结冰模型 液滴结冰模型主要是通过在结冰表面上控制容积的质量守恒和能量守恒,来阐述液滴在结冰过程中热力特性和控制容积中结冰量的方法。结冰热力学计算是从被研究物体的驻点开始,反复分析相邻控制容积的质量守恒和能量守恒,直至所有控制容积分析完毕后,得到每个控制容积内的结冰量。控制容积内的质量守恒方程为:mice+mout-min+mev-mim=0(4)控制容积内的能量守恒方程为:micehice,2+minhw,1+mimhw,=qcx+mouthw,2+mevhev,2(5)式中:mim为液滴撞击到此控制容积的质量流量;mev为从控制容积蒸发或升华的质量流量;mice为冻结成冰的质量流量;min和 mout分别为固体表面上由于溢流而流入、流出控制容积的液体质量流量。hw,为自由来流单位质量水的总焓;hev,2为当前控制容积内水蒸发带走的总焓;hice,2为当前控制容积内水冷凝释放的总焓;hw,1和 hw,2为前一控制容积和当前控制容积中水的比焓;qc为对流换热量;x为控制容积的换热面积。其中:min=hwaterhicewuw,indyx=x1(6)mout=hwaterhicewuw,outdyx=x2(7)qc=hcT2-Tl+12rcu2lcp,a()|(8)式中:hice为冰层厚度;hwater为水膜厚度;uw,in和uw,out分别为溢流流入和流出控制容积的水流速度;hc为对流换热系数;rc为恢复系数;Tl和 ul为控制容积边界层上的空气温度和速度。利用结冰系数可获得各控制容积的结冰量:mice=f mim+min()(9)将(4)式与(9)联立,并以结冰模型驻点处的第1 个控制容积为起点开始计算。此时,min=0,代入式(5)后,得第 1 个控制容积处的结冰系数为:f1=mice,1/mim,1(10)直至获得所有控制容积的结冰系数,与控制容积内的质量守恒方程、能量守恒方程封闭计算,获得结冰量 mice。632第 2 期任永鹏,等:船用燃气轮机进气部件结冰规律研究1.2 方法验证1.2.1 模型介绍 以 0.533 4 m 弦长的 NACA0012 翼型为模型进行结冰方法验证。计算域网格采用 O 型结构化网格,第 1 层网格高度 0.003 mm,网格膨胀比 1.1。以翼型结冰量为参考,对计算模型进行网格无关性验证,最终选择 20 万网格量进行计算。1.2.2 边界条件 远场边界:压力远场,气流攻角 4;壁面:无滑移壁面,结合经验公式给定表面等效粗糙度初始值12;结冰条件:液滴平均直径 MVD=20 m,液态水含量 LWC=1.0 g/m3,气流速度 ua=67 m/s,喷雾时间 6 min,环境总温分别为 267.59 K、247.04 K;结冰表面粗糙度模型:beading 模型。采用时间多步长法进行结冰计算,以 1 min 为时间间隔计算获得翼型的结冰冰形13。1.2.3 冰形对比 图 1 中 c 为弦长,x、y 为翼型的横、纵坐标值,y/c 和 x/c 为无量纲量12-14。由图可见,计算冰形和试验冰形的吻合程度较高。计算冰形在环境温度较低时,获得的毛冰冰形与试验冰形型线基本一致,能够准确的描述出毛冰的形状特点。在环境温度较高时,冰形整体吻合程度低于毛冰,但计算冰形仍可以较为准确的勾勒出明冰的外形