0 引　言

随着一些特种船舶对高效、可靠的动力需求日益增加，而燃气轮机因其具有高效、低耗能、轻巧、紧凑的特性，已经成为最佳的动力选择。船舶燃气轮机不仅提出了对功率体积等的要求，还需要能够在海洋盐雾的环境中保持持续稳定的运行。海洋大气中含有大量的盐雾气溶胶，对船舶动力装置将造成严重的腐蚀作用，会造成压气机内叶片的结垢，燃烧室、涡轮等受热部件腐蚀。为防止盐分的过多渗入，需要在船舶动力进气口位置加装气液分离装置。

船舶的进气滤清系统主要包括百叶窗、进气滤清装置、消声器等，而进气滤清系统中就包含惯性分离器。惯性分离器是较为常见的一种结构形式，随着机组功率提升，单位时间进气量增大，若保证进气道横截面积不变，急需开发一种大通流能力的气水分离装置，能在保持总压损失不变的情况下提高通流能力，以保证在较高进气速度工况下保证燃气轮机稳定运行。

本文研发了一种大通流能力的气水分离装置，该装置包括防水炮级和惯性级。在惯性级方面，研究了结构参数对气动性能与分离性能的影响规律，通过正交回归实验，在保证总压损失稳定的前提下，提高气水分离装置的通流能力，也就是在进气装置截面面积不变的情况下，提高流速从而优化大通流能力惯性级气水分离器，为了增加该惯性级的防水炮性能，在惯性级前端增加了防水炮级，最终完成了装置整体结构的设计方案并完成了试验验证工作。

Gillandt等^[1]利用商业软件Fluent对波形板惯性级进行了液滴运动模拟，与实验数据对比后，认为Realizable $k - \varepsilon $湍流模型比standard $k - \varepsilon $更加精确。

Alamu等^[2]对流线型波形板分离器和折线型波形板分离器进行了实验研究，证明了流线型比折线型液膜破碎控制效果更好是因为流线型波形板可以更好地控制波形板拐角处的旋涡，减少二次携带的发生，从而提高了旋流器的临界入口速度和分离效率。

Wang等^[3]对单钩惯性级气水分离器进行了冷态研究，考虑了波板上的疏水钩数、疏水钩间隙、拐点角、波节距、板间距和入口湿度对波板气水分离器性能的影响。

Li等^[4]对流线型和折线型波板式气水分离器进行了实验研究，认为流线型的形状比多边形的形状在拐角处具有更好的涡流控制。Wang等^[5]对波形板内转折角处的液膜厚度特性进行了研究，得出了液膜临界厚度的计算公式，液膜临界厚度主要与气流速度、波形板结构参数等数据有关，在与实验结果进行对比后发现，预测结果在高雷诺数区域较为准确，但是低雷诺数区域误差较大这对惯性级分离器的分离效率的研究有着很大的帮助。

韩彭锐等^[6]结合船舶实际情况分析了船舶燃气轮机气水分离器在设计时应考虑的分离效率、总压损失、过流速度、海洋环境和机械环境等主要因素，简述了船舶气水分离器的保障性设计，并对气水分离器的安全性、稳定性等提出要求。滕建鑫^[7]结合速度分布云图与压降分布云图，直观观测惯性分离装置内部气流运动状态及含盐雾滴运动轨迹，阐明惯性分离装置在不同条件下的性能变化规律，选择合理的效率、压降匹配条件，为装置选型提供理论参考。

魏乾星^[8]计算4种不同进口气流速度条件下，惯性级叶片的气动性能，在建立结构模型时不进行简化，直接反映物理真实情况。引入离散相DPM模型，追踪5种不同直径的海水液滴粒子的运动轨迹及捕捉结果，计算并分析惯性级滤清性能。对比简化疏水槽前后惯性级的2个性能指标，综合分析如何简化疏水槽结构才是最优方案，并尝试运用多孔介质模型对网垫级进行模拟。

综上所述，已上研究并没有相关的大通流能力叶型设计。本文初步明确大通流能力惯性级分离器的设计思路，主要是减少中间级沟槽，增加折转处的曲率半径从而减少总压损失，并通过改变沟槽的结构参数提升分离效率，最后利用先单因素分析后正交回归的方法，完成大通流能力惯性级分离器的多目标优化。

1 计算模型与方法

课题组在前期的工作中开展了大量传统惯性级叶片性能计算与试验，包括阻力损失与过滤性能^[9]。本文采用的惯性级计算模型如图1所示，在计算中采用Fluent软件对传统叶片进行气动性能的仿真，由于惯性级是由一系列叶片按照一定的间距排列而成，因此在计算中采用了周期性边界，叶片进口与出口均增加了延长段，进口延长约3倍间距，后端延长约5倍间距。

经过网格无关性验证，本文选取32万个网格。边界条件设置中入口选择速度入口，出口为压力出口（101 325 Pa），湍流模型为$k - \varepsilon $，两相流计算中采用DPM模型和欧拉液膜模型进行计算。计算结果如图2所示，可以看出，本文计算结果与试验结果的误差较小，满足计算精度要求，在后续的计算中均采用本计算方法进行数值仿真计算。

在计算获得了空气场的流场后，增加DPM模型与WEF模型（可模拟出液滴撞击在壁面上所发生的粘性、回弹、扩散、飞溅现象）进行气液两相场的耦合计算，可以获得液滴在气水分离装置中的分离效率，进口粒径采用R-R分布。

防水炮级采用人字形设计的结构，如图3所示。该结构通过改变气流的方向，使进气中含有的水滴在撞击在防水炮级前端时撞击前面板并在重力作用下实现初步分离，跟随气流进入的液滴在防水炮级内进一步改变方向，利用空气与水滴的密度不同造成的惯性力不同，实现液滴的进一步分离。

2 计算结果与分析 2.1 惯性级仿真与优化

惯性级性能考核中主要关注惯性级的总压损失与分离效率，其计算公式分别为

$ \Delta P = {P_1} - {P_2}，$

(1)

$ \eta = \frac{{{n_1} - {n_2}}}{{{n_1}}} \times 100{\text{%}}。$

(2)

式中：P₁、P₂分别为惯性级进口与出口总压；n₁、n₂分别为惯性级进出口液滴颗粒数量。

本文分析了板间距、折转截距、第一沟槽宽、深度、第二沟槽深、宽度等6个参数对压力损失和分离效率的影响，如图4所示。

研究发现，对惯性级总压损失和分离效率影响最大的是板间距和转折截距，其次是沟槽和尾部沟槽宽度，影响最小的是第一沟槽宽度和尾部沟槽的深度。同时，折转截距和沟槽宽与总压损失正相关，板间距与总压损失负相关；折转截距和沟槽宽与分离效率正相关，板间距与分离效率负相关。表1为四因素三水平正交实验表，其中A、B、C、D项分别为折转截距l、板间距s、第一沟槽宽w_F和第二沟槽宽w_S。响应为总压损失和分离效率。通过线性回归，拟合了总压损失与分离效率的预测方程如式(3)与式(4)所示，并与模拟值进行了对比，可以发现误差较小。

$ \begin{aligned}\Delta P =& 145.65 + 29.61 \cdot l - 59 \cdot s + \\ &103.89 \cdot {w_F} + 64.4 \cdot {w_S}，\end{aligned} $

(3)

$ \eta = 89.97 + 0.86 \cdot l - 2.13 \cdot s + 3.96 \cdot {w_F}。$

(4)

在此基础上，利用Design Expert 13软件对惯性级进行了优化设计，优化目标是在控制总压损失的前提下尽可能地提高分离效率。表2为10 m/s条件下的优化结果。

传统惯性级、新惯性级优化前后的总压损失和分离效率对比如图5所示。优化后的惯性级虽然在总压损失方面变化不大，但分离效率有了明显的提升，符合优化设计预期。

2.2 防水炮级仿真

为了进一步增强气水分离装置的防水效果，本文在优化后的惯性级的基础上，增加了防水炮级，计算网格如图6所示。其中防水炮级与惯性级间距为40 mm，整体计算域的计算网格约20万。图7和图8为7 m/s条件下的总压云图与速度云图。

由图7可知，气流在百叶窗通道内，受叶片的阻碍作用，在叶片迎风面的压力较大，背风面压力较小，叶盆压力分布相较叶背更加均匀。由于第一级叶片的板间距较第二级叶片更小，气流在该位置的压力损失较大。百叶窗的直角造型在气流流动中加剧了气流的边界层分离，对流场产生不利影响，整个防水炮级的总压损失约285 Pa。

由图8可知，可以观察到一些明显的现象，包括气流在第一级叶片迎风处的底部、第二级叶片迎风处的尾端以及第二级叶片背风处的尾端都出现了速度明显下降的情况。此外，在叶盆区域也观察到了明显的低速区。这些现象的出现主要同样由于气流在百叶窗的边缘角部分发生了边界层分离现象。

图9为气液两相流计算结果。可以发现，液膜厚度在叶片表面不同位置发生了变化。这种现象主要是因为液膜受到气流的影响而在叶片表面发生剥落。因此，在叶片表面上气流速度较低的区域，液膜容易积累并形成较大和较厚的液膜层。总体来看，叶片的迎风位置液膜厚度较大，而在叶片的转折位置液膜厚度较小，这种现象是由于液滴的运动惯性所造成的，防水炮级具有较好的气水分离效率，分离效果为79%。

2.3 气水分离装置试验

为了综合验证本项目气水分离装置的设计结果，搭建了大流通气水分离装置试验台，试验原理如图10所示。前端采用水枪代替高压水炮，水枪出口水流速度约7 m/s，水流量按100倍特大暴雨进行模拟，在本文条件下为水枪流量1.2 t/h，试验进气速度为7 m/s。试验中测试了装置的总压损失与防水性能，在气水分离装置后安装有摄像头，以观察后端是否有明显水滴，设备运行过程中，设备后端无明显水滴溅出，整个气水分离装置具有较好的液滴分离效果，整个气水分离装置的总压损失约603 Pa。

3 结　语

1）本文首先分析了不同参数对惯性级的总压损失以及分离效果的影响，利用线性回归方法得出了惯性级总压损失和分离效率合理的预测方程，并根据仿真结果完成了新叶型的优化设计与性能预测。

2）开展了防水炮级设计与性能仿真计算，在7 m/s的条件下，防水炮级具有较小的总压损失和较好的分离效果，总压损失约385 Pa，分离效率约79%。

3）通过试验的方法对大流通能力气水分离装置进行了试验测试，在进气速度7 m/s、1.2 t/h的高压水枪流量下，整个装置的总压损失约603 Pa，装置后端无明显水滴。

综上所示，本文所设计的大流通能力气水分离装置（防水炮级+惯性级）的组合型式具有较好的气水分离效果和较小的阻力损失，可为船舶动力系统进气装置的设计提供技术支持。