0 引　言

由于燃气轮机具有功率密度高、单机功率大、振动噪声低、机动性好等特点，广泛地应用在轻型航空母舰、驱逐舰、护卫舰、气垫船、水翼艇、导弹快艇、登陆艇、破冰船上，是世界各国海军大中型水面战舰的主力动力装置。目前，在各国的航空母舰、巡洋舰、驱逐舰以及护卫舰中约有75%以上的舰船采用了燃气轮机动力装置^[1]。

燃气轮机燃油系统的主要功能是在发动机工作时向燃烧室供油并调节所供给的油量，发动机转速的调节与控制、加速时间的长短以及燃烧稳定性等都与燃油系统的工作密切相关^[2]。由于燃气轮机内部燃油系统原理的特殊性，对船上燃油供油系统提出了进口压力波动范围的要求^[3]。该要求对船上供油系统要求极高，因为燃油具有一定的可压缩性，考虑流体粘度，管路中的压力变化按一定的速度进行传递^[4]，如图1所示。

管路系统损失的预报方法一般分为理论计算、数值模拟和试验研究3种。

理论计算优势在于使用简单，在实际工程设计中应用较为普遍。王振宇等^[5]针对航空发动机燃油供给系统，建立了包括一维管路流动模型、压力模型等，对燃油供给系统中压力、温度、流量等参数与喷射燃油流量之间的关系进行了计算。王军^[6]利用流动相似原理将经验公式应用于发动机外涵道流阻损失计算，在流动相似的条件下，计算结果基本与试车实测值相符；数值模拟具有研究范围广、能直观地反映出油路流动损失机理等优点，随着计算机技术和计算流体力学（CFD）的高速发展，其置信度也得到了广泛认可，在国外已被用来取代一些基础的试验研究。JOACHIM^[7]使用CFD仿真验证内外部流场的一致性，分析可大幅缩短研发周期和成本。潘永成等^[8]研究应用CFD方法对调节阀内部流场进行离散求解是可行的，能够得到流场的流量、压力分布以及流线、能量损失等物理量的可视化结果。李虎林等^[9]采用Fluent软件对泵内部流场进行了三维数值仿真，通过泵内部流场的三维数值仿真可以对泵的主要性能参数做出较为准确的预测。TIJSSELING等^[10]研究了变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响的相互作用；试验研究一般用来校验其他研究手段的置信度，其缺点是研究周期长，成本高，同时受到试验条件及测量技术的限制，研究范围有限。朱红等^[11]针对飞机燃油系统的特点，提出了其试验边界条件的模拟方法和海量数据计算机测控系统的设计策略，并应用于多个型号飞机燃油系统的研制。Ali Kibar等^[12]采用CFD对针型阀的流量和压力进行仿真，并通过实验进行了验证。Su等^[13]实验研究了两相流激励导致的带有弯头的水平管道结构的流动特性，评估了流道型式和流通速度对压力脉动的影响。Kanyanta等^[14]进行了流体数值模型的验证试验研究，模型用于预测管内流体脉动。Deng等^[15]研究了液压系统的流固耦合实验方法和边界条件设置，并验证了实验、有限元方法和改进型TMM的一致性。

由于燃气轮机耗油量大，当快速加减工况时，大幅变化的燃油流量，易造成管路内流量的大范围变化，进而影响燃机进口压力。由于燃油自身的黏性、管路系统的分布特性及阀件、附件特性的相互作用，使得燃油管网特性的研究非常复杂。在国内已有航空发动机领域对燃油系统的研究，但船舶领域尚未开展燃气轮机燃油系统的相关研究。本文基于燃气轮机燃油系统中各部件的原理和特点，首次利用Simucad快响应组态仿真平台，使用节点压力法对燃气轮机燃油系统管路进行建模，通过给定模型的进出口边界条件及管路部件的阻力，计算不同工况下管路系统内部的流量、压力。然后根据燃油系统原理创新性地搭建了模拟燃气轮机供油的试验台，对仿真结果进行验证。该研究可为燃气轮机燃油管路的设计研究提供支撑。

1 燃油系统分析 1.1 燃气轮机燃油系统工作原理

燃气轮机运行时，供油齿轮泵由附件机匣传动，将船上燃油系统提供的低压燃油增压后输出，由齿轮泵输出的高压燃油进入燃油控油装置。燃油控油装置根据燃机控制柜的指令，实现燃烧室燃油流量控制功能。燃油控油装置能够自动将来自齿轮泵的多余燃油排回齿轮泵进口。

齿轮泵工作时，进口区的齿间被低压油充满。由于齿轮的转动，齿牙将齿间的燃油挤往出口，从而形成一定的燃油流量，齿轮的转速越高，输出流量越大。齿轮泵出口下游的各种活门、喷嘴等元件使燃油流动受阻，从而形成了齿轮泵出口的压力。为了避免气蚀，齿轮泵工作时必须保证进口压力在0.2～0.3 MPa内。

1.2 气垫船燃油系统设计方案

某气垫船燃油系统要求具有以下功能：一是在燃气轮机各种运行工况下，燃油供油系统能够向5台燃气轮机提供具有一定压力和流量的清洁燃油，满足燃气轮机任意工况的用油需求；二是在燃气轮机短期停放期间，燃油供油系统对5台燃气轮机燃油系统进行辅助油封，保证燃气轮机燃油系统被燃油有效填充。

据此开展了燃油系统方案设计，燃气轮机运行时，通过2台主机供油泵并联从日用燃油舱抽入燃油，流经粗滤器、聚水型滤器和电磁阀向2台燃气轮机供油；同时，在这2台供油泵出口串联2台增压泵，经泵内增压1倍，在此压力下燃油经过聚水型滤器和电磁阀输送到3台燃气轮机。

燃气轮机停机以后，油封油箱里的燃油在重力作用下流至燃气轮机增压供油泵进口形成增压，从而保证燃机燃油装置的油封。燃油供油系统原理如图2所示。

2 管路系统流动特性仿真 2.1 管路流场控制方程

质量守恒方程：

$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {\rho v} \right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left( {\rho w} \right)}}{{\partial z}} = 0。$

(1)

对于不可压缩的定常湍流流动的连续方程可简化为：

$ \frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}} + \frac{{\partial w}}{{\partial z}} = 0。$

(2)

动量守恒方程：

$ \begin{split} &\frac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho uu} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {\rho uv} \right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left( {\rho uw} \right)}}{{\partial z}} =\\ &\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\mu \frac{{\partial u}}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {\mu \frac{{\partial u}}{{\partial y}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial z}}\left( {\mu \frac{{\partial u}}{{\partial z}}} \right) - \frac{{\partial p}}{{\partial x}} + S_u^{}，\end{split}$

(3)

$ \begin{split} &\frac{{\partial \left( {\rho v} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho uv} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {\rho vv} \right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left( {\rho vw} \right)}}{{\partial z}} =\\ &\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\mu \frac{{\partial v}}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {\mu \frac{{\partial v}}{{\partial y}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial z}}\left( {\mu \frac{{\partial v}}{{\partial z}}} \right) - \frac{{\partial p}}{{\partial y}} + {S_v}，\end{split}$

(4)

$ \begin{split} &\frac{{\partial \left( {\rho w} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho uw} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {\rho vw} \right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left( {\rho ww} \right)}}{{\partial z}} =\\ &\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\mu \frac{{\partial w}}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {\mu \frac{{\partial w}}{{\partial y}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial z}}\left( {\mu \frac{{\partial w}}{{\partial z}}} \right) - \frac{{\partial p}}{{\partial z}} + {S_w}。\end{split}$

(5)

式中：$ \rho $为流体密度；t为时间。

流体流经管道时克服壁面产生的阻力为沿程阻力，由沿程阻力引起的能量损失称为沿程损失P_f；克服管道发生的剧变，如管道弯头、异径接头、节流阀等，产生的阻力称为局部阻力P_m，由局部阻力引起的能量损失称为局部损失。

$ P_{{f}}=\lambda\cdot\frac{l}{d}\cdot\frac{\rho v^2}{2}，$

(6)

$ P{_m}=\xi\cdot\frac{\rho v^2}{2}。$

(7)

式中：l为管长；d为管径；v为管截面平均流速；$ \lambda $为沿程阻力系数；$ \xi $为局部阻力系数。

整个管道的能量损失等于各管段沿程损失和局部损失的总和^[16]。

$ P_l=\sum_{ }^{ }P_{{f}}+\sum_{ }^{ }P{_m}。$

(8)

2.2 SIMUCAD组态仿真软件介绍

SIMUCAD系统是一个构建于一定的硬件基础之上的工程应用与教学软件包，其软件系统主要包括PIE、BAC、CONBAC 等功能软件和系统平台；硬件系统主要包括工程师站、教练员站、操作员站的工业控制用计算机及其它外围辅助设备等。SIMUCAD软硬件系统结构如图3所示。

软件系统是SIMUCAD的主体，它是一个复杂而庞大的分散式网络应用系统。SIMUCAD软件系统总体结构如图4所示。

SIMUCAD系统分为控制中心、计算中心、组态中心3个功能中心。

“控制中心”的主要任务是操作BAC及显示和发送实时仿真数据，它的主体是PIE平台，而PIE平台是由PTG、CTG、MAG三个功能模块组成，这3个模块完成了PIE平台的主要功能。

“计算中心”的主要任务是完成底层仿真数学模型的计算，它的主体是BAC和M2x算法库，算法库为计算单元BAC提供算法支持。

“组态中心”主要完成系统组态和调试工作，并能够与BAC交互对组态进行上下装等操作，它的主体软件是Conbac平台，并由M2x.MMS模块库描述文件作为其图形显示支持。

上述3个“中心”之间的数据交互是通过一个公共网络数据交互层完成的。这一数据交互层的具体存在形式为2个动态库PIE.DLL和SCAD.DLL。它在SIMUCAD系统中位于最底层，是SIMUCAD网络应用的核心。

另外，SIMUCAD包含了一些外围辅助功能软件如：BACOP，PDENG等，以及定义了许多特定格式的信息文件如：组态文件、工况文件、电子磁盘、画面文件、配置文件等，这些都是SIMUCAD系统运行必不可少的元素。

本文基于燃油系统的原理布置图，利用节点压力法在SIMUCAD仿真平台上对燃油系统的管路分布进行了定量重构，利用导纳算法表征管路及阻力件的阻力，从而能够实现管路压力流量的动态计算。

2.3 流网仿真计算中的主要算法 2.3.1 算法名称：压力节点

压力节点模拟了流网结点中的蒸汽、水、风、烟等控制体的压力动态变化，压力由控制体的动态质量守恒的半隐式微分方程确定，它考虑了以节点压缩性为基础的所有流入和流出的流量和质量的累积。

压力节点的质量平衡方程为：

$ \mathrm{d}M/\mathrm{d}t=\text{SUM}(WI)-\text{SUM}(WO)+\text{SUM}(W_1+W_2)。$

(9)

式中：WI、WO为流入和流出节点的流量，分别以准线性化形式表示：

$ WI = BI \times (PI - P), $

(10)

$ WO = BO \times (P - PO)。$

(11)

式中：BI、BO为在流量算法中为计算流量而得到的准线性导纳；W₁、W₂为质量流量的其它微小流量。

假定流入、流出的流量以压差的准线性函数表示，因此，非线性形式的流量应表示为动态的准线性化形式。由于节点的能量变化而引起的膨胀和压缩对压力的影响不计。

2.3.2 算法名称：流量导纳

它模拟了亚临界状态下流经管道、节流阀、弯头以及其它各类设备的流体流量。质量流量的仿真建立在上游和下游压力节点间的压差及两节点间总的等价导纳的基础上，使用近似的平方根关系，流体导纳系数是固定流阻或可变流阻的综合结果。可变流阻用于模拟阀门的开度、流体密度或管路结垢等因素的影响，算法中还模拟了管网中的止回阀。

湍流状态下通过任何管路的流体的流量可用近似的平方根关系予以仿真：

$ W = C \times (P_1 - P_2)^{0.5}。$

(12)

式中：C为总导纳系数；P₁为上游（入口）节点压力；P₂为下游（出口）节点压力。

如果压差（P₁-P₂）非常小，即（P₁-P₂）<RE，流动可以认为是层流，RE为层流和紊流之间的过渡差压。

假定流量是上游节点压力与下游节点压力差的平方根的函数，流量方程是与前一时刻压力数值为准线性关系；当压差小于RE时，认为流动是层流，流量是压差的线型函数。

2.3.3 管网的建模与仿真

在管网中，节点是用来建立质量守恒方程的控制体，支路是用于建立动量守恒方程的控制体。一般情况下，管网中的节点是由2条或2条以上的支路交汇所形成的。

在管路仿真中，压力节点是指需要确定节点压力的节点。压力节点一般是根据管网的结构和仿真的需要来选取，在满足要求的前提下，压力节点的数量应尽量少。如果选取的压力节点太多，不仅造成计算量增加许多，而且对所仿真的系统计算速度和稳定性造成不利影响。压力节点的选取可以参考以下原则：

2条或2条以上的支路交汇所形成的节点，如管系节点、泵的进出口节点、油箱等，可以作为压力节点考虑。

管网中一些节点可以根据它们的特点和相互关系，将其合并为一个压力节点考虑。如从总管到各支路的流量相对很小，可认为其出口压力与总管压力相等，因而可以把所有进口节点合并为一个压力节点考虑。

2.4 管路模型分析

燃油系统日用燃油舱出口进入主路管道，经过粗滤器和主路泵后分成2个管路，其中一路直接给1号、2号燃机供油，另一管路再接2个泵增压后分3个支路给3号、4号、5号燃机供油。

管路从右到左的阻力件依次有粗油滤器、截止止回阀、手动直通截止阀、燃油聚水性滤器、调节阀等。此外，管路长度、弯折位置及高度同时会给流体2.6 m，6个弯头，3号、4号、5号燃机进口的管路高度为10 m、总长度45 m，10个弯头。各支路中各部件及管路的压损阻力如表1和表2所示。

对于滤器、调节阀、电磁阀及管道等阻力件，在计算模型中将其简化为对应的部件模块或流量导纳模块，其中每个支路的管道布置都在模型中有所反应。

对于上述计算模型，设定模型进口为压力进口，其中进口压力根据油箱高度给定为0.0301 MPa（表压）。模型出口为流量压力出口，其数据来源于燃机泵后测定的燃油流量和压力。计算不同工况下管路流量的分布情况。不同工况下的进出口边界条件如表3所示。

3 数值计算及分析 3.1 慢车工况计算结果

慢车工况下，1号、2号燃机内齿轮泵后压力为2.912 MPa，3号、4号、5号燃机内齿轮泵后压力为2.919 MPa，接近设计值2.930 MPa。此时进入1号、2号燃机流量为508 L/h，进入3号、4号、5号燃机流量为507 L/h，接近流量设计值505 L/h，认为达到MC工况条件。该工况下各位置计算结果如表4所示。

3.2 0.4工况计算结果

0.4工况下，1号、2号燃机内齿轮泵后压力为3.152 MPa，3号、4号、5号燃机内齿轮泵后压力为3.198 MPa，接近设计值3.19 MPa。此时进入1号、2号燃机流量为1379 L/h，进入3号、4号、5号燃机流量为1391 L/h，接近流量设计值1380 L/h，认为达到0.4工况条件。该工况下各位置计算结果如表5所示。

3.3 0.8工况计算结果

0.8工况下，1号、2号燃机内齿轮泵后压力为3.644 MPa，3号、4号、5号燃机内齿轮泵后压力为3.645 MPa，接近设计值3.65 MPa。此时进入1号、2号燃机流量为2120 L/h，进入3号、4号、5号燃机流量为2119 L/h，流量设计值为2115 L/h，认为接近0.8工况条件。该工况下各位置计算结果如表6所示。

3.4 1.0工况计算结果

1.0工况下，5台燃机内齿轮泵后压力均为3.812 MPa，接近设计值3.81 MPa。此时进入1号、2号燃机流量为2502 L/h，进入3号、4号、5号燃机流量为2504 L/h，接近设计值2500 L/h，因此可以认为达到1.0工况条件。该工况下各位置计算结果如表7所示。

综上所述，随着燃机工况增加，进入燃机的流量相应增加，燃油系统可通过调节阀调节回油量，保证燃机进口的压力。在不同工况下，5台燃机的进口压力均在燃机要求的指标范围内，可满足燃机正常运行的使用要求。

4 燃油系统模拟试验研究 4.1 试验原理

根据燃油系统原理，一共有5台燃机需进行供油。为验证燃油供油系统向5台燃机提供的燃油是否满足燃机进口在不同工况下所需的流量和压力要求，模拟燃机的消耗量是试验系统设计的关键，由于燃机是随着工况的不同耗油量也不一样，因此采用变频电机泵组来模拟进入燃机燃烧室的流量。燃机工况与燃油流量的关系如表8所示。

为测量燃机供油泵出口管路上的压力，在每一个燃机供油泵出口管路上增加1个压力表。为测量模拟燃机进口流量和压力，在每台模拟燃机进口管路前增加1个流量计和1个压力表。

4.2 试验系统布置情况

燃油系统试验模型主要由燃油箱（4.5 m³）、操控显示箱、供油泵、燃油压力调节阀、电磁阀、截止止回阀、截止阀、压力传感器、流量计、超高液位报警器、超低液位报警器和压力表等组成，试验系统布置如图5所示。

4.3 试验分析

模拟1号、2号燃机漫车工况、0.4工况、0.8工况、1.0工况时的耗油量，调节3号、4号、5号燃机慢车工况、0.4工况、0.8工况、1.0工况等所需的耗油量，系统稳定后，记录5台燃机进口流量和压力如表9所示。

从试验结果可知：1）在MC、0.4、0.8、1.0工况下模拟5台燃机的进口压力在0.23～0.27 MPa，均能满足燃机对燃油系统提出的压力要求；2）模拟燃机消耗的流量增加，进口压力也相应增大，与仿真计算的变化趋势一致；3）与仿真计算数据对比，试验测量值略小于计算值，分析可能是实际管路与计算管路的长度及走向不同，以及计算时各种阀件的阻力是按阀件手册的经验公式选取，与实际的阻力存在一定差异。

5 结　语

本文首次利用Simucad快响应组态仿真平台，使用节点压力法对燃气轮机燃油系统管路进行建模，通过给定模型的进出口边界条件及管路部件的阻力，计算不同工况下管路系统内部的流量、压力。根据燃油系统原理创新性地搭建了模拟燃气轮机供油的试验台，对仿真结果进行验证。经试验验证，该计算方法能够反映实际的流动特性，具体结论如下：

1）数值仿真表明，随着燃机工况增加，进入燃机的流量相应增加，燃油系统可通过调节阀调节回油量，保证燃机进口的压力。在不同工况下，5台燃机的进口压力均在燃机要求的指标范围内。

2）试验结果表明，在MC、0.4、0.8、1.0工况下模拟5台燃机的进口压力在0.23～0.27 MPa，均能满足燃机对燃油系统提出的压力要求，模拟燃机消耗的流量增加，进口压力也相应增大。

3）将数值仿真结果与试验结果相对比，证明该仿真计算方法的计算误差满足工程建造的精度要求，可为船舶燃气轮机动力装置燃油管路系统的流动特性设计研究提供参考。