CN110987459A - 一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台，包括吸入段箱体、混合段箱体、试验段箱体、船用燃气轮机进口缩比模型、惯性级分离器，混合段箱体位于吸入段箱体和试验段箱体之间，吸入段箱体的出口连接混合段箱体的入口，惯性级分离器和船用燃气轮机进口缩比模型安装在试验段箱体里，吸入段箱体里设置液体喷嘴和固体喷嘴，离心风机通过进口丝网过滤器连接试验段箱体。本发明能够模拟真实高寒海况下船用燃气轮机的工作环境，获得船用燃气轮机进口结冰规律，同时可以通过改变影响结冰因素的参数值来控制船用燃气轮机进口结冰情况，对比分析数值模拟结果，开展对船用燃气轮机进口结冰机理研究。

Description

一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台

技术领域

本发明涉及的是一种试验台，具体地说是燃气轮机观测试验台。

背景技术

随着我国船舶工业的快速发展，燃气轮机凭借单位功率大、机动性强、噪音频率低等优点，逐渐成为我国船舶的主要动力装备。同时，随着船舶航行区域的不断扩大，船舶燃气轮机的使用环境更加恶劣，在海洋高寒环境下，船用燃气轮机进口处极易发生结冰现象，此外，当海上环境温度高于0℃时，在船舶启动、加速状态下，由于燃气轮机转速较高，进口气流流速较大，导致空气膨胀、压力下降、温度降级，因此也会引起船用燃气轮机进口结冰。

船用燃气轮机进口结冰会对船用燃气轮机整机的正常工作产生较大影响，主要影响如下：

(1)船用燃气轮机进口结冰会引起进口处气动性能恶化，导致船用燃气轮机进口处流场发生畸变，不均匀度增大，进气气流发生局部分离，最终可能导致压气机工作失稳甚至发生喘振；

(2)船用燃气轮机进口结冰的冰层脱落后，可能会随气流进入压气机内部而打坏压气机叶片，从而造成压气机机械损伤，甚至引起燃气轮机意外停车；

(3)船舶进气道结构会导致船用燃气轮机进口结冰的不对称性，这种大量的不对称积冰会破坏整机原有的平衡，导致船用燃气轮机异常振动，严重时会危害其轴承的使用安全。

因此，需要对高寒恶劣海况下船用燃气轮机进口处的结冰现象展开研究，探寻船用燃气轮机进口结冰机理与过程规律，为今后船用燃气轮机防冰结构设计、使用维护，为船用燃气轮机结冰预警、防冰、除冰装置的研发提供理论基础，从而保障船舶在高寒海洋区域航行作业的安全性和可靠性。

高寒恶劣海洋环境不同于高空低温环境，船用燃气轮机工作在高盐分、高沙尘、高液滴浓度的环境中，所以液滴尺寸、盐分含量、沙尘浓度等因素会对船用燃气轮机进口结冰种类、形式、增长规律产生较大影响，因此对于盐、沙、水、气四相来流引发的船用燃气轮机进口结冰机理和过程研究成为了船舶与海洋工程结冰领域的重要课题。

从上世纪80年代开始，世界各国相继对结冰问题展开研究，开发了较为全面、完备的飞机结冰计算软件和结冰试验台，获得了大量飞机结冰冰形试验数据和较为准确的冰形预测方法。但针对多相流空气参与的船用燃气轮机进口结冰研究尚存在空白。因此，一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台的发明可以填补船用燃气轮机结冰方面研究的空白，获得大量由盐、沙、液、气多相流引发的船用燃气轮机进口结冰冰形数据，从而对比验证数值模拟结果的准确性，为设计、检验船用燃气轮机结冰预警、防冰除冰装置提供依据和试验设备。

发明内容

本发明的目的在于提供为设计、检验船用燃气轮机结冰预警、防冰除冰装置提供依据的一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台，其特征是：包括吸入段箱体、混合段箱体、试验段箱体、船用燃气轮机进口缩比模型、惯性级分离器，混合段箱体位于吸入段箱体和试验段箱体之间，吸入段箱体的出口连接混合段箱体的入口，惯性级分离器和船用燃气轮机进口缩比模型安装在试验段箱体里，船用燃气轮机进口缩比模型的入口与混合段箱体的出口相连，船用燃气轮机进口缩比模型的出口与惯性级分离器相连，惯性级分离器下方连接收集箱，吸入段箱体里设置液体喷嘴和固体喷嘴，液体喷嘴的管路伸出至吸入段箱体外部并连接水箱，固体喷嘴的管路伸出至吸入段箱体外部并连接沙仓、高压气罐，离心风机通过进口丝网过滤器连接试验段箱体。

本发明还可以包括：

1、液体喷嘴的管路上安装水压表、流体流量计、水泵，水箱连接海盐投放器、纯水制造器；固体喷嘴的管路上安装气压表、空气流量计。

2、混合段箱体上安装透明观察窗，透明观察窗上方安装相位多普勒粒子分析仪，混合段箱体里设置灯源、摄像机、热电偶，灯源、摄像机位于船用燃气轮机进口缩比模型入口前端。

3、混合段箱体的入口为突扩结构，混合段箱体的出口为突缩结构，使得气流在混合段箱体内产生涡流，进而带动气流中液滴和沙粒的漩涡运动。

本发明的优势在于：

(1)传统结冰风洞仅通过改变液滴参数对结冰过程进行研究，而本发明新增了盐分系统和喷沙系统，提供了盐、沙、液、气多相进气结冰条件，从而为船用燃气轮机进口结冰过程试验提供了更接近真实高寒海洋条件的试验环境；

(2)本发明中，盐分系统、喷沙系统、喷雾系统间均有阀门间隔，彼此相互独立，可进行海况条件下单因素、多因素的船用燃气轮机进口结冰机理研究，可为数值计算提供多组对照结冰冰形；

(3)本发明利用自然环境低温，无需制冷设备和保温设备，试验设备安装方便，同时在试验段前安装高速摄像机(27)，可实时对试验件的结冰过程进行采集和记录，试验操作简单方便；

(4)本发明可最大程度的模拟海况下船用燃气轮机进口结冰条件，试验模拟结冰冰形准确性较高，同时本发明试验段空间充足，可用于后期安装船用燃气轮机进口防冰、除冰装置，监测其使用效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

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，本发明一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台包括箱体、支架、船用燃气轮机进口模型、喷雾系统、喷沙系统、盐分系统、监测系统、过滤收集系统、动力系统九个主要部分。

箱体包括：吸入段箱体1，混合段箱体2，试验段箱体3。

支架包括：箱体支架4，相位多普勒粒子分析仪支架5，电机支架6。

船用燃气轮机进口模型包括：不同型号船用燃气轮机进口缩比模型7。

喷雾系统包括：液体喷嘴8，水压表9，液体流量计10，水泵11，温度计12，水箱13。

喷沙系统包括：固体喷嘴14，气压表15，沙仓16，空气流量计17，高压气罐18。

盐分系统包括：海盐投放器19，纯水制造器20，盐度计21。

监测系统包括：进气压力表22，出口压力表23，流量计24，热电偶25，相位多普勒粒子分析仪26，高速摄像机27，灯源28，观察窗29。

过滤收集系统包括：惯性级分离器30，收集箱31，进口丝网过滤器32。

动力系统包括：离心风机33，变频电机34，电控柜35。

混合段箱体2安装在箱体支架4上，混合段箱体2上安装有透明观察窗29，箱体最低点处设有排水口，箱体试验段前装有灯源28和高速摄像机27；所述船用燃气轮机进口缩比模型7安装在试验段箱体3内，与混合段箱体2出口相连；所述喷雾系统包括液体喷嘴8、水压表9、液体流量计10、水泵11、温度计12、水箱13，所述液体喷嘴8安装在吸入段箱体1内，液体喷嘴8与所述的水压表9、液体流量计10、水泵11、温度计12、水箱13通过管路连接，并在各装置间的管路上安装阀门；喷沙系统包括：固体喷嘴14、气压表15、沙仓16、空气流量计17、高压气罐18，所述固体喷嘴14安装在吸入段箱体1内，固体喷嘴14与所述气压表15、沙仓16、空气流量计17、高压气罐18通过管路连接，并在各装置间的管路上安装阀门；盐分系统包括海盐投放器19、纯水制造器20、盐度计21，所述盐度计21安装在喷雾系统的水箱13内，海盐投放器19和纯水制造器20分别与水箱13通过管路连接，管路上分别安装控制阀；监测系统包括进气压力表22、出口压力表23、流量计24、热电偶25、相位多普勒粒子分析仪26、高速摄像机27、灯源28、观察窗29，所述的热电偶25、相位多普勒粒子分析仪26安装在混合段箱体2上，所述的压力表分别安装在吸入段箱体1和试验段箱体3壁面，流量计24安装在试验件通流处，监测系统的各装置均与信息转换装置相连；过滤收集系统包括惯性级分离器30、收集箱31、进口丝网过滤器32，所述的进口丝网过滤器32安装在试验台吸入段箱体1进口处，惯性级分离器30与船用燃气轮机进口缩比模型7的出口相连，惯性级分离器30下方连接收集箱31；动力系统包括离心风机33、变频电机34和电控柜35，所述的离心风机33通过管路与试验段箱体3出口相连，离心风机33与变频电机34通过联轴器相连，变频电机34通过电线连接电控柜35。

液体喷嘴8和固体喷嘴14并列安装在吸入段箱体1中心处，喷雾系统和喷沙系统分别设置有水压、水流量、气压、气流量监测装置；热电偶25安装在混合段箱体2内，相位多普勒粒子分析仪26安装在装有观察窗29的混合段箱体2上方；高速摄像机27与灯源28安装在船用燃气轮机进口缩比模型7入口前端。

试验台通电后，电控柜35控制变频电机34转速，带动离心风机33转动吸气。外界低温空气通过进口丝网过滤器32，过滤掉其中夹杂的杂质后，沿吸入段箱体1流动。与此同时，喷雾系统与喷砂系统开始工作。利用水泵11将预先调制好，储存在水箱13中的仿海水液体以要求的压力、流量，经液体喷嘴8喷入吸入段箱体1内。同时，利用高压气罐18内的气体将沙仓16中的沙粒以规定用量，通过固体喷嘴14喷入到吸入段箱体1内。吸入段箱体1内的液滴和沙粒随主流空气一起进入混合段箱体2内。通过混合段箱体2截面突扩突缩的结构，使得气流在混合段箱体2内产生涡流，进而带动气流中液滴和沙粒的漩涡运动，保证液滴和沙粒在混合段箱体2内的充分混合，均匀分布。相位多普勒粒子分析仪26可以射出多组激光光线并交于一点，可获得通过交点处颗粒的直径、速度和通过次数，并通过反射光线的强弱判断通过交点处颗粒的种类，因此相位多普勒粒子分析仪26可对混合段箱体2内混合气流的各项参数进行实时监测，并由热电偶25获得气流温度数据。随后，液滴、沙粒随气流通过管道到达船用燃气轮机进气部件缩比模型7。在此过程中，气流中的液滴和沙粒由于试验件结构的气动特性，会撞击并附着在试验件表面，在低温环境的共同作用下发生结冰现象。不同进气参数也会产生不同的结冰形态和结冰种类。结冰的全过程可由高速摄像机27监测和记录。最终，未附着、冻结在试验件表面的液滴和沙粒随气流流入惯性级分离器30，利用液滴、沙粒、空气惯性不同的原理将液滴和沙粒从气流中过滤出来，储存到收集箱31中。防止盐分、沙粒进入离心风机33，腐蚀、磨损风机叶片，此外通过收集箱31，可以对盐水和沙粒进行重复利用，节约试验成本。而空气通过试验段箱体3流入离心风机33排出试验装置。

本发明可以提供并测量的变量主要如下:

气流速度：电控柜35旋钮控制变频电机34以达到通过控制离心风机33流量调节气流速度的目的，从而研究低速气流和高速气流对结冰冰形的影响规律；

液滴直径：通过调整液体喷嘴8的开合程度，来改变液滴尺寸的大小，再利用相位多普勒粒子分析仪26对液滴直径进行测量和校核，从而获得试验要求大小的液滴；

液滴浓度：通过改变喷雾系统中水泵11的流量来控制液滴浓度，后通过相位多普勒粒子分析仪26测量液滴浓度值，从而满足试验要求；

沙粒浓度：通过改变喷沙系统中高压气罐18供气的流量来控制沙粒的浓度，后通过相位多普勒粒子分析仪26对沙粒浓度进行测量，获得试验要求的沙粒浓度；

盐分浓度：通过调整盐与水的比例获得不同浓度的盐水，利用盐度计21对盐水浓度进行测量，反复调节后获得试验要求浓度的盐水；

环境温度：利用哈尔滨冬天室外的冷空气保证试验所需的环境温度，通过热电偶25对气流温度进行监测，在满足试验要求的环境温度下进行结冰试验。

本发明解决的主要技术问题：

模拟高寒条件下船用燃气轮机的工作环境，获得由多相流引起的船用燃气轮机进口实时结冰冰形，对比数值模拟结果，总结船用燃气轮机进口结冰机理。

一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台具体试验步骤可分为如下5步:

(1)检查各管路是否安全连接，阀门是否可控，仪表是否工作正常；

(2)确定试验中各变量参数，在未安装试验件的情况下，开启盐分系统、喷雾系统、喷沙系统、动力系统，调整各系统的控制阀门或旋钮，利用监控系统对各变量参数数值进行校核，待各参数达到试验要求数值后，记录阀门或旋钮位置并关机；

(3)安装船用燃气轮机进口缩比模型(7)试验件，优先开启盐分系统、喷雾系统、喷沙系统和监控系统，后开启动力系统，并对利用监测系统对试验变量进行实时监测，同时开启灯源(28)和高速摄像机(27)，对试验件结冰过程进行实时监测和捕捉；

(4)待达到试验要求的结冰时间后，优先关闭动力系统，后关闭试验台所有装置，打开箱体排水口，清理收集系统中的收集箱(31)，去除试验件上的积冰；

(5)以上完成一组变量参数的船用燃气轮机进口结冰试验，改变影响结冰的变量参数，重复以上步骤，获得多组规律性变量参数的船用燃气轮机进口结冰冰形，最后利用计算机对试验冰形进行处理分析。

本发明能够模拟真实高寒海况下船用燃气轮机的工作环境，获得船用燃气轮机进口结冰规律，同时可以通过改变影响结冰因素的参数值来控制船用燃气轮机进口结冰情况，对比分析数值模拟结果，开展对船用燃气轮机进口结冰机理研究，此外，获得的船用燃气轮机进口积冰可以用于检验各类防冰、除冰装置的作用效果。本发明具有较为广泛的用途和广阔的优化空间。

Claims (5)

1.一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台，其特征是：包括吸入段箱体、混合段箱体、试验段箱体、船用燃气轮机进口缩比模型、惯性级分离器，混合段箱体位于吸入段箱体和试验段箱体之间，吸入段箱体的出口连接混合段箱体的入口，惯性级分离器和船用燃气轮机进口缩比模型安装在试验段箱体里，船用燃气轮机进口缩比模型的入口与混合段箱体的出口相连，船用燃气轮机进口缩比模型的出口与惯性级分离器相连，惯性级分离器下方连接收集箱，吸入段箱体里设置液体喷嘴和固体喷嘴，液体喷嘴的管路伸出至吸入段箱体外部并连接水箱，固体喷嘴的管路伸出至吸入段箱体外部并连接沙仓、高压气罐，离心风机通过进口丝网过滤器连接试验段箱体。

2.根据权利要求1所述的一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台，其特征是：液体喷嘴的管路上安装水压表、流体流量计、水泵，水箱连接海盐投放器、纯水制造器；固体喷嘴的管路上安装气压表、空气流量计。

3.根据权利要求1或2所述的一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台，其特征是：混合段箱体上安装透明观察窗，透明观察窗上方安装相位多普勒粒子分析仪，混合段箱体里设置灯源、摄像机、热电偶，灯源、摄像机位于船用燃气轮机进口缩比模型入口前端。

4.根据权利要求1或2所述的一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台，其特征是：混合段箱体的入口为突扩结构，混合段箱体的出口为突缩结构，使得气流在混合段箱体内产生涡流，进而带动气流中液滴和沙粒的漩涡运动。

5.根据权利要求3所述的一种船用燃气轮机进口结冰过程观测试验台，其特征是：混合段箱体的入口为突扩结构，混合段箱体的出口为突缩结构，使得气流在混合段箱体内产生涡流，进而带动气流中液滴和沙粒的漩涡运动。

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