毛斌峰 楊曉威 彭乃東 毛福考

摘? ? 要：本文介紹了某高速巡邏艇主機(jī)排氣系統(tǒng)布置方案及改進(jìn)設(shè)計。該艇在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)主機(jī)排氣背壓超標(biāo)現(xiàn)象，通過CFD仿真計算和理論估算論證改進(jìn)方案可行性，經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證表明，改進(jìn)方案的管道阻力與理論估算結(jié)果相當(dāng)吻合。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);排氣溫度;背壓;排氣擋板閥

中圖分類號：U664.81 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper briefly describes the arrangement and improvement of the main engine exhaust system for a high speed patrol vessel. During the test， the exhaust back pressure of the main engine exceeds the standard， and the CFD simulation and theoretical estimation proved the feasibility of the improved scheme. The actual ship verifies that the pipeline resistance of the improved scheme is in good agreement with the theoretical estimation results.

Key words： Exhaust system; Exhaust temperature; Back pressure; Exhaust damper valve

1? ? ?前言

某高速巡邏艇航行試驗(yàn)過程中，推進(jìn)柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷運(yùn)行時，外界環(huán)境溫度39 ℃，實(shí)測最高排氣溫度～500 ℃;而改機(jī)在廠家臺架試驗(yàn)時，外界環(huán)境溫度34 ℃，最高排氣溫度～430 ℃，兩者相差～70 ℃，屬排溫偏高現(xiàn)象。經(jīng)分析認(rèn)為，可能是由于排氣背壓過高或軸功率過大導(dǎo)致。為此，增加了該柴油機(jī)排氣背壓及軸功率檢測項(xiàng)目。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，該機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸功率在設(shè)計指標(biāo)內(nèi)，而排氣背壓測量值卻遠(yuǎn)高于廠家提供的背壓限值，需要對排氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

2? ? 排氣系統(tǒng)設(shè)計方案

該艇為單體船型，采用四機(jī)、四槳推進(jìn)形式。艇長約46 m、排水量約230 t，設(shè)有前、后兩個機(jī)艙，每個機(jī)艙設(shè)2臺船用高速柴油機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)（1016 kW/1 800 r/min）。

船舶排氣系統(tǒng)通常是根據(jù)總體設(shè)計要求，采用不同的布置型式，常見的有：煙囪式向上排氣;舷側(cè)式排氣;尾部排氣等幾種方式。其中，舷側(cè)式排氣或尾部排氣還可采用水下排氣方式。

（1）煙囪式向上排氣

是一種傳統(tǒng)的排氣方式，有較大的布置空間，排氣管順暢、背壓小，且排煙對甲板上人員影響少;但需在上建設(shè)置煙囪，占用較大的上建艙室空間，排煙管路長、重量重;

（2）舷側(cè)排氣

管路短、占用空間小、重量輕;但因布置空間有限，管路彎頭多、彎管角度大、背壓大，其排出的煙氣容易熏黑船側(cè)外板，影響船舶的美觀，且排煙對甲板上人員有一定影響;

（3）尾部排氣

可避免煙氣熏黑船側(cè)外板，減小排煙對甲板上人員的影響;但管路較長、重量重，且排氣管往往需穿過水密艙壁，對通艙管件有較高的要求;

（4）水下排氣

可減少熱輻射和噪音，隱身性較好;但因其出口有水封，會增加一定的排氣背壓，需采用特殊結(jié)構(gòu)防止停機(jī)后水通過排氣管進(jìn)入氣缸內(nèi)，因此該型式往往用于對噪聲和紅外輻射有較高要求的船舶。

該型船為小型高速巡邏艇，甲板位置空間有限，需控制嚴(yán)格重量，故宜選用舷側(cè)的排氣方式。其排氣系統(tǒng)由廢氣波紋管、排氣管道等組成，舷側(cè)排出口位于水線之上;因受空間限制，該排氣系統(tǒng)未設(shè)置消音器;同時為降低排氣出口的溫度，在排氣尾管上設(shè)有海水冷卻水套，冷卻海水通過水套內(nèi)的噴水口注入排氣尾管內(nèi)，與排氣混合后排出艙外。

由于排氣出口與水線的距離較小，為防止主機(jī)停運(yùn)時海水倒灌進(jìn)排氣管內(nèi)，按規(guī)范要求在其出口處需設(shè)置防浪擋板，選用固定式防浪擋板。

該艇推進(jìn)柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置，如圖1所示。

3? ? 現(xiàn)有排煙系統(tǒng)試驗(yàn)

該排氣系統(tǒng)按設(shè)計圖紙施工完成后進(jìn)行主機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)主機(jī)排煙溫度偏高。為查明排氣溫度過高問題，增加軸功率測定試驗(yàn)和排氣背壓測定試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，其額定功率在限值范圍內(nèi)，但其排氣背壓為13 000 Pa，遠(yuǎn)超柴油機(jī)廠家對排氣背壓不大于2 500 Pa的限值。

4? ? 背壓理論計算方法

根據(jù)上述測試結(jié)果，該型艇的排氣系統(tǒng)需要進(jìn)行改進(jìn)才能滿足使用要求。為了避免出現(xiàn)反復(fù)修改現(xiàn)象，需要對改進(jìn)方案進(jìn)行背壓理論計算。眾所周知，因人員不同、所取管路阻力系數(shù)不同，其計算結(jié)果差異較大。為此，在進(jìn)行改進(jìn)計算前需核實(shí)計算方法的正確性。

根據(jù)該艇主機(jī)排氣管道布置圖（如圖1），分別利用CFD計算方法和理論估算方法，對排氣系統(tǒng)進(jìn)行阻力估算，比較計算結(jié)果與實(shí)測值的差距。

4.1? ?CFD計算方法

柴油機(jī)排氣系統(tǒng)為典型的不可壓縮流體湍流模型，可選用ANSYS FLUENT進(jìn)行建模及仿真計算。由于本艇的4臺推進(jìn)柴油機(jī)排氣管走向基本一致，僅建立前右推進(jìn)柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的CFD計算模型并進(jìn)行仿真計算。建模過程、邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分均在計算軟件內(nèi)完成，經(jīng)計算得到排氣管道壓力場分布情況，如圖2所示。

由圖2可知，在兩片內(nèi)置固定式防浪擋板處出現(xiàn)阻力峰值，阻力值約12 750 Pa，排氣管道總阻力約14000 Pa。

4.2? ?排氣管路阻力估算

為驗(yàn)證上述結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)《船舶設(shè)計實(shí)用手冊》（輪機(jī)分冊）中的相關(guān)估算公式，對主機(jī)排氣管道進(jìn)行阻力估算。

主機(jī)排氣管道阻力主要由排氣管道摩擦阻力和排氣管道附件局部摩擦阻力組成，排氣管總阻力為上述兩個阻力之和，詳見表1。

根據(jù)表1估算結(jié)果：主機(jī)排氣管道總阻力為12834Pa，其中由內(nèi)置固定式防浪擋板產(chǎn)生的局部阻力占總阻力比例約88%。

4.3? 小結(jié)

理論估算、CFD計算和實(shí)艇測量三種排氣管阻力數(shù)據(jù)較為接近，說明該理論估算方法可行。由理論估算和CFD計算結(jié)果可知，本艇主機(jī)排氣背壓偏高是由主機(jī)排氣管道阻力過大引起的，而阻力主要產(chǎn)生于排氣管道冷卻水套內(nèi)置的2片固定式防浪擋板。

5? ? ?改進(jìn)設(shè)計

5.1? ?改進(jìn)方案

由以上分析可知，導(dǎo)致本艇推進(jìn)柴油機(jī)排氣背壓過高的原因?yàn)榕艢夤艿览鋮s水套內(nèi)置的2片固定式防浪擋板所致。為此，綜合考慮本艇機(jī)艙空間限制及改造進(jìn)度等因素，選用將主機(jī)排氣管道內(nèi)置的固定式防浪擋板更換為排氣擋板閥的方案。

具體實(shí)施方案如下：拆除固定式防浪擋板更換為活動式排氣擋板閥，并增設(shè)排氣擋板閥行程開關(guān)與主機(jī)起動聯(lián)鎖功能，修改排氣尾管冷卻水管結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

按照上述估算方法，對改進(jìn)方案進(jìn)行總阻力理論核算，其估算結(jié)果約為1 600 Pa，其中排氣管道附件（排氣擋板閥）局部摩擦阻力約100 Pa，其局部阻力系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值0.05。為此，初步確定改進(jìn)方案可行。

5.2? 方案驗(yàn)證

根據(jù)上述改進(jìn)方案對該排氣系統(tǒng)改進(jìn)后，按要求進(jìn)行背壓測定試驗(yàn)，結(jié)果如下：推進(jìn)柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的排氣背壓值介于1 200～1 400 Pa之間，滿足主機(jī)廠家對柴油機(jī)的背壓要求。試驗(yàn)過程中，推進(jìn)柴油機(jī)的排氣溫度介于430 ℃～445 ℃（進(jìn)氣溫度為35℃），與主機(jī)臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近。

6? ? 結(jié)語

針對某高速巡邏艇排氣溫度高問題，通過分析和實(shí)測方法尋求解決方案，并利用CFD計算和理論估算方法認(rèn)證改進(jìn)方案可行性并確定改進(jìn)方案。

參考文獻(xiàn)

[1]? 黃恒祥.船舶設(shè)計實(shí)用手冊（輪機(jī)分冊）.[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，?2013.