一种燃气轮机排气红外抑制装置蒸发喷雾冷却系统

技术领域

本申请涉及船舶燃气轮机排气红外抑制技术领域，尤其涉及一种燃气轮机排气红外抑制装置蒸发喷雾冷却系统。

背景技术

为了提高运行效率，燃气轮机通常需要在高温高压工况下运行，高工况下排气烟羽温度不经过抑制的话很可能超过500℃。如果不对燃烧产物进行冷却，直接排放进大气环境，其红外信号很容易被敌方舰艇探测到，进而被实施精确打击。为了降低核心烟羽和高温金属壁面发射的红外辐射，有必要采用主动或被动方式来进行红外抑制。对燃气轮机排气进行冷却的其它好处还包括：减少主体结构破坏，回收剩余热能等。

气体引射器作为一种不含运动部件的动力学泵，因为结构简单、无动力学部件等特点，在红外信号抑制领域被广泛应用。但相应的对于燃气轮机排气系统来说，增加设备必定会带来总压损失，想要获得尽可能低的出口温度，二次风引射量需要提高至一个相对较大的水平，这势必会带来排气背压的增加进而导致功率输出减少。纯利用喷嘴效应进行冷流体抽吸及掺混一般情况下仅能将烟羽温度降低至250℃左右，然而随着红外探测技术的进一步发展，仅靠被动引射技术已无法满足红外抑制指标。有必要通过其它技术手段对排气继续降温，减小壁面热辐射和高温气体辐射。目前使用较多是喷水降温技术，具体构型多采用周向喷水模式，因为多喷管形式下的高温排气较为对称且集中，此模式易造成非高温核心部位液态水浪费。。

发明内容

本发明的目的是引入一种引射/蒸发喷雾组合式冷却技术，利用引射效应和液体相变共同作用来进行热量传递和混合降温。具体构型为V型四支柱式，安装于抑制装置混合管段。目前大型舰船燃气轮机多采用四喷管构型，因此高温射流比较集中，多表现为四锥柱形式；若采用斜扭喷管，则高温射流沿流动方向朝轴心汇聚。在支柱不同位置处开大小、密度和角度各异的破碎孔，调节水量进而匹配不同径向位置的冷热气流分布。水的气液两相变化所需能量是将空气温度改变1℃的2000倍，同时水的相变温度较低，因此液滴温度始终和排气温度有较大的差值，传热速率保持在一个较高的水平，这都有利于进一步实现红外信号抑制的目标。该被动降温装置安装在混合管进口段，依据燃机工况进行总水量调节，此外该装置还有支撑加固抑制装置的功能，具有比较好的应用前景。

本申请实施例提供了一种燃气轮机排气红外抑制装置蒸发喷雾冷却系统，包括：V型支柱主体(1)、扩压环体(6)、混合管(7)以及扰流柱(8)；其中，

所述V型支柱主体(1)固定在所述混合管(7)壁面上；

所述V型支柱主体(1)包括两个以上连通的支柱管，所述支柱管内设置有集水腔(2)用于储存液态水，所述集水腔(2)经所述V型支柱主体(1)顶部及两侧曲面开设有多个破碎孔(3)，受限的高压液态水能够通过所述破碎孔(3)进入所述混合管(7)空间，管内中间沿管道方向设置有气腔(4)，所述气腔(4)经所述V型支柱主体(1)顶部开设有疏散孔(5)；

所述破碎孔(3)出口处设置所述扰流柱(8)。

在一些实施例中，所述V型支柱主体(1)采用焊接或者螺栓连接固定在所述混合管(7)壁面上。

在一些实施例中，所述扰流柱(8)焊接连接于所述破碎孔(3)出口处。

在一些实施例中，所述V型支柱主体(1)顶部的所述破碎孔(3)出口的所述扰流柱(8)安装方向与高压液态水流动方向一致。

在一些实施例中，所述V型支柱主体(1)两侧曲面的所述破碎孔(3)出口的所述扰流柱(8)安装方向与高压液态水流动方向夹角为120°至150°，朝向来流方向。

在一些实施例中，所述V型支柱主体(1)喷管形式为非倾扭式，多个所述破碎孔(3)的布置形式为“疏-密-疏”。

在一些实施例中，所述V型支柱主体(1)喷管形式为倾扭式，多个所述破碎孔(3)的布置形式为“密-密-疏”。

在一些实施例中，所述扰流柱(8)为渐缩螺旋式。

在一些实施例中，所述扰流柱(8)截面包括圆形或多边形。

本申请上述实施例至少具有以下有益效果。

本发明的优点在于，该蒸发喷雾冷却系统通过利用引射/蒸发喷雾组合式冷却技术。第一部分利用水的汽化潜热，通过两级冷却机制，大幅度地降低燃机排气温度；第二部分利用引射效应，逐级从外围大气环境抽吸低温空气，在扩压环壁面处形成气膜冷却层，降低金属壁面温度和热辐射。该组合式技术可以有效降低排气烟羽核心区和周围金属壁面温度，有效降低热辐射，同时还可以减小排气背压，保证燃气轮机功率。

附图说明

附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。

图1为蒸发喷雾冷却系统纵向剖面结构示意图；

图2为蒸发喷雾冷却系统俯视结构示意图；

图3为V型支柱主体四支柱式构型；

图4为扰流柱结构示意图。

符号说明：

1-V型支柱主体；2-集水腔；3-破碎孔；4-气腔；5-疏散孔；6-扩压环体；7-混合管；8-扰流柱。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

在本申请实施例记载中，需要说明的是，除非另有说明和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本申请实施例提供了一种燃气轮机排气红外抑制装置蒸发喷雾冷却系统，包括：V型支柱主体1、扩压环体6、混合管7以及扰流柱8。其中，

V型支柱主体1固定在混合管7壁面上。

如图3所示，V型支柱主体1包括两个以上连通的支柱管，支柱管内设置有集水腔2用于储存液态水，集水腔2经V型支柱主体1顶部及两侧曲面开设有多个破碎孔3，受限的高压液态水能够通过破碎孔3进入混合管7空间，管内中间沿管道方向设置有气腔4，气腔4经V型支柱主体1顶部开设有疏散孔5。

破碎孔3出口处设置扰流柱8。

在一些实施例中，V型支柱主体1采用焊接或者螺栓连接固定在混合管7壁面上。

在一些实施例中，扰流柱8焊接连接于破碎孔3出口处。

在一些实施例中，V型支柱主体1顶部的破碎孔3出口的扰流柱8安装方向与高压液态水流动方向一致。

在一些实施例中，V型支柱主体1两侧曲面的破碎孔3出口的扰流柱8安装方向与高压液态水流动方向夹角为120°至150°，朝向来流方向。

在一些实施例中，V型支柱主体1喷管形式为非倾扭式，多个破碎孔3的布置形式为“疏-密-疏”。

在一些实施例中，V型支柱主体1喷管形式为倾扭式，多个破碎孔3的布置形式为“密-密-疏”。

现设计破碎孔布置形式为“疏-密-疏”，此种布置形式主要适用于四喷管非倾扭式；若喷管形式为倾扭式，则布置形式可改为“密-密-疏”；可根据喷管个数调整支柱数量。

在一些实施例中，如图4所示，扰流柱8为渐缩螺旋式。

在一些实施例中，扰流柱8截面包括圆形或多边形。

这里，扰流柱8的结构如图4所示，扰流柱8设计为渐缩螺旋式，截面可选择地为圆形、多边形和其它易于加工形状。可以理解的是，扰流柱8的尺寸与破碎孔3相对应，因此在图1至图3中未标示，图4为扰流柱8的放大结构。

当燃机达到预定工况时，开启蒸发喷雾冷却系统，液态水充满集水腔2后从破碎孔3喷出，通过撞击扰流柱8来进行破碎雾化。雾化液滴主要分为两部分：第一部分是逆来流方向，第二部分是顺来流方向；逆来流方向为一级降温，顺来流方向为二级降温。一级降温所使用的扰流柱8螺旋直径较大且圈数可以设置为2到3圈，这样液滴尺寸适中，一级雾化受重力和泵压力双重作用，液态水体积流量较大且液滴蒸发雾化距离较长，可以有效降低来流温度。二级降温扰流柱8螺旋直径可以小于一级处且圈数设置比一级多1到2圈，这样二级液滴雾化后尺寸较小，这主要是因为二级喷水后液滴随流运动，蒸发降温时间较短，这种情形小尺寸的液滴更为适用。一般来说，中心射流温度更高，通过设置气腔4引射外围冷气来对整个装置进行冷却保护。

本发明的优点在于，该蒸发喷雾冷却系统通过利用引射/蒸发喷雾组合式冷却技术。第一部分利用水的汽化潜热，通过两级冷却机制，大幅度地降低燃机排气温度；第二部分利用引射效应，逐级从外围大气环境抽吸低温空气，在扩压环壁面处形成气膜冷却层，降低金属壁面温度和热辐射。该组合式技术可以有效降低排气烟羽核心区和周围金属壁面温度，有效降低热辐射，同时还可以减小排气背压，保证燃气轮机功率。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成。