﻿ 燃气轮机排气管引射效能仿真及优化
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (7): 113-117    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.07.022 PDF

1. 中国船舶与海洋工程设计研究院，上海 200011;
2. 海军装备部驻上海地区军事代表局，上海 201206

Research on the optimization of the marine gas turbine exhaust pipe for improving ejector coefficient by numerical simulation method
MENG Cheng1, FAN Kai2, CAI Bao-wei1
1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China;
2. Shanghai Bureau of Naval Armaments Department, Shanghai 201206, China
Abstract: Aiming at the problem of gas turbine exhaust ejection efficiency in real ship environment, the optimization design of gas turbine exhaust pipe was carried out by using numerical simulation method to improve the ejection coefficient. Through building the numerical simulation model which contains gas turbine noumenon, the box body and exhaust of the exhaust ejector, the simulation for the exhaust pipe schemes were carried out. The simulation results were compared by analyzing the mixing section and the diffuser length ratio, vertical pipe length, diffuser exhaust pipe diameter road after the impact on the ejector performance. The optimization scheme of the exhaust pipe was put forward by generally considering the layout, the resistance restriction and the weight control of the exhaust pipe. The simulation results show that this scheme can obviously improve the ejection coefficient and meet the requirement of gas turbine ejection air volume. This study can provide reference for the design and engineering practice of marine gas turbine exhaust pipe.
Key words: naval gas turbine     exhaust ejector     numerical simulation     exhaust pipe optimization
0 引　言

1 排气管的几何尺寸

 图 1 排气管的几何尺寸 Fig. 1 The geometrical dimensions of exhaust pipe

2 数值仿真方法 2.1 计算对象与网格划分

 图 2 计算域网格划分 Fig. 2 Meshing of computing domain

 图 3 网格质量分布 Fig. 3 Grid mass distribution
2.2 物性参数及边界条件

2.3 仿真模型及收敛标准

2.4 网格无关性验证

 ${{\epsilon}}={{(R_{n+1}-R_n)/R_{n+1}}}。$

$\epsilon$ 小于0.02%则认为收敛，计算结果如表3所示。可以看出当网格数量为116万时即可满足收敛指标，即当网格数量超过116万时，引射系数随网格数量的变化较小，因此采用此套网格计算可将网格数量对计算精度产生的影响控制在合理的范围之内。

3 设计方案仿真结果与分析

 图 4 初步设计方案排气管路仿真结果 Fig. 4 Simulation results of the preliminary design of exhaust pipe

4 优化方案分析

4.1 混合段与扩压段长度比影响分析

 图 5 改变L1/L2方案引射系数仿真结果 Fig. 5 The simulation result after changing the eject coefficient of L1/L2

4.2 第一段垂直管路长度影响分析

 图 6 改变L3方案引射系数仿真结果 Fig. 6 The simulation result after changing the eject coefficient of L3

4.3 扩压段后排气管通径影响分析

 图 7 改变D2方案引射系数仿真结果 Fig. 7 The simulation result after changing the eject coefficient of D2

4.4 设计方案优化

1）优化混合段与扩压段长度比L1/L2

L1/L2增加至4.0以后，引射系数基本提升至稳定值，后续上升幅度很小。同时，继续提高L1/L2后，对排气管路阻力和L1L2变径管段的施工均有不利影响，因此选择L1/L2等于4.0作为优化后的混合段与扩压段长度比。

2）优化第一段垂直管路长度L3

3）优化扩压段后排气管通径D2

 图 8 优化设计方案排气管路仿真结果 Fig. 8 The simulation results of the optimization design of exhaust pipe
5 结　语

1）采用的数值仿真方法可模拟燃气轮机的排气引射过程，是分析排气管路尺寸参数对引射效能影响的有效手段。

2）提高混合段与扩压段长度比、增加第一段垂直管路长度、增大扩压段后排气管通径都会相应地提高引射系数，但引射系数随上述参数变化的增幅总体呈降低趋势。

3）燃气轮机排气管路设计时需综合考虑船总体布局、排气阻力、管路重量控制等因素，以实现排气功能、引射效能和建造可行性的整体优化。

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