風(fēng)浪作用下艦用汽力裝置的環(huán)境適應(yīng)性分析

張紅磊

（海軍駐哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150046）

環(huán)境適應(yīng)性是裝備在其壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下，能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和(或)不被破壞的能力，是裝備的重要質(zhì)量特性之一[1]。通?？梢岳斫鉃檠b備適應(yīng)環(huán)境變化的能力，其與可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性和安全性一起并稱(chēng)為裝備的“六性”。目前，研究裝備環(huán)境適應(yīng)性的文章[2～5]，主要從環(huán)境因素如何導(dǎo)致裝備失效或發(fā)生故障展開(kāi)的,通過(guò)說(shuō)明裝備為何會(huì)在溫度、濕度、鹽霧、沙塵、霉菌、振動(dòng)、沖擊、輻照等不同環(huán)境下失效或加速失效，對(duì)裝備為何只能在某些環(huán)境下正常工作給予了合理的解釋?zhuān)b備對(duì)環(huán)境的適應(yīng)程度，最終以故障率的高低表現(xiàn)出來(lái)。但是，對(duì)于艦用汽力裝置來(lái)講，這種單純解釋其為何會(huì)在特定的環(huán)境中發(fā)生故障，以及用“適應(yīng)或不適應(yīng)某種環(huán)境”來(lái)說(shuō)明和度量其環(huán)境適應(yīng)性，顯然具有不妥之處。因?yàn)樵诮^大部分情況下，艦船動(dòng)力裝置的工作環(huán)境都是偏離設(shè)計(jì)工況的，但在這些情況下，艦用汽力裝置并不一定發(fā)生故障，只有以“什么環(huán)境下具有多大的能力”來(lái)度量艦用汽力裝置的環(huán)境適應(yīng)性，才具有意義。

1 風(fēng)浪帶來(lái)危害的概述

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，艦艇約60%的時(shí)間在風(fēng)浪條件下航行，由于風(fēng)浪干擾的影響，艦船會(huì)產(chǎn)生各種搖蕩運(yùn)動(dòng)，其中橫搖對(duì)艦船的危害最大。其不僅會(huì)使航速降低，主機(jī)工況變壞，危及艦船航行的安全，還會(huì)影響到艦船裝備的使用。尤其是在艦船搖擺周期與風(fēng)浪的作用周期相近時(shí)，容易形成共振，使得艦船有傾覆的危險(xiǎn)。而風(fēng)浪對(duì)艦用汽力裝置的影響十分復(fù)雜，現(xiàn)有關(guān)于艦船裝備對(duì)風(fēng)浪環(huán)境適用性的文獻(xiàn)大多沒(méi)有涉及到，只有文獻(xiàn)[6]認(rèn)為，該環(huán)境因素將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并將導(dǎo)致艦船結(jié)構(gòu)損壞，但其未對(duì)該因素的影響進(jìn)行全面分析和說(shuō)明。本文主要從影響機(jī)理上分析風(fēng)浪對(duì)艦用汽力裝置的影響，以保證通過(guò)正確的使用，在確保艦用汽力裝置安全可靠工作的前提下，充分發(fā)揮艦用汽力裝置的最大能力，提高艦用汽力裝置的環(huán)境適應(yīng)性。

2 風(fēng)浪影響因素

2.1 增大航行阻力

艦船在靜水中航行時(shí)，除了受到水的阻力之外，艦船的水上部分還會(huì)受到空氣阻力。在大風(fēng)浪中航行的艦船，迎面來(lái)風(fēng)的阻力和由于縱橫搖擺導(dǎo)致的水面阻力均將顯著增加；為了保持航向而頻繁使用的舵角也會(huì)引起附加阻力；為了減小橫搖和顛簸，航向和航速的經(jīng)常改變也會(huì)使附加阻力增加。這些因素都將導(dǎo)致船機(jī)槳特性發(fā)生變化，導(dǎo)致主機(jī)負(fù)荷增加。

由于空氣密度很小，而水的比重要比空氣的比重大得多(約是空氣的770倍)，由于空氣阻力主要是由于摩擦和渦流產(chǎn)生，尤以渦流為主，艦船的上層建筑相對(duì)較低，且聯(lián)接比較緊湊，不容易產(chǎn)生大的渦流，加之流線型比較好，因此，風(fēng)對(duì)艦船運(yùn)動(dòng)的阻力很小，通常不超過(guò)總阻力的2%，可以忽略不計(jì)[7]。

艦船在風(fēng)浪中航行時(shí)，其阻力增加和航速降低主要是因海浪引起艦船的縱橫搖擺，使得螺旋槳及汽力裝置的工作條件惡化等所致。由于存在阻力時(shí)大時(shí)小的不穩(wěn)定因素，因此螺旋槳的工作亦不穩(wěn)定，當(dāng)艦船的縱搖角度比較大時(shí)，螺旋槳的入水深度時(shí)深時(shí)淺，甚至?xí)霈F(xiàn)螺旋槳部分出水的現(xiàn)象，這些情況都會(huì)使得螺旋槳的推進(jìn)效率降低。而螺旋槳出水使得主渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速急劇增大，甚至能達(dá)到極限值，這對(duì)主汽輪齒輪機(jī)組是很有害的。為了不使主汽輪齒輪機(jī)組出現(xiàn)極限轉(zhuǎn)速，就必須減小主機(jī)發(fā)出的功率，進(jìn)而約束艦船的最大航速。

因而，在大風(fēng)浪航行時(shí)，艦船的航速必須降低。當(dāng)艦船在9級(jí)風(fēng)中逆風(fēng)航行時(shí)，大部分艦船的航速將只有原來(lái)的一半。而動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性和工作可靠性，在許多方面取決于波前航向角和航速，這兩者除保證艦艇在規(guī)定航向上行駛外，還應(yīng)將海風(fēng)和海浪對(duì)艦艇的作用減到最小，艦艇首部和尾端的最大飛浪發(fā)生在5級(jí)海況以上、波前航向角0°～30°的時(shí)候，而上浪發(fā)生在7級(jí)海況和相同波前航向角的時(shí)候。因此，在航行的時(shí)候應(yīng)該盡量減小這些因素帶來(lái)的影響，在保證艦用汽力裝置安全可靠工作的情況下，充分發(fā)揮汽力裝置的最工作能力。

2.2 惡化吸入條件

艦船在暴風(fēng)航行時(shí)，為了保證汽力裝置的安全可靠工作，應(yīng)該讓全部主機(jī)投入工作。但是主機(jī)不能發(fā)出最大的的功率，艦船的航速下降很大。主要原因是：大風(fēng)浪時(shí)，尤其是甲板上浪后，海水流入汽輪鼓風(fēng)機(jī)或渦輪增壓機(jī)組進(jìn)氣筒的概率很大，會(huì)導(dǎo)致汽輪鼓風(fēng)機(jī)或渦輪增壓機(jī)組吸入的空氣中含有大量的水份。為了防止壓氣機(jī)進(jìn)水，避免設(shè)備損壞，需要轉(zhuǎn)為從機(jī)爐艙吸入空氣，應(yīng)當(dāng)用蓋子蓋住上甲板的進(jìn)氣口和供機(jī)爐艙空氣排出的通風(fēng)道。由于進(jìn)氣口的通過(guò)截面積減小，空氣流量下降，燃料燃燒質(zhì)量變差，鍋爐產(chǎn)汽量減少，供往主機(jī)的蒸汽量減少，導(dǎo)致主機(jī)所能發(fā)出的最大功率減少。某型艦規(guī)定，在甲板上浪后，最高航速不得超過(guò)原最大航速的44%，同時(shí)由于在使用過(guò)程中不可避免的會(huì)有少量海水進(jìn)入渦輪增壓機(jī)組壓氣機(jī)，引起壓氣機(jī)的通流管路含鹽量增加，加速壓氣機(jī)葉片腐蝕，整個(gè)蒸汽動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性就會(huì)降低，上甲板上浪后，海水容易通過(guò)通風(fēng)管進(jìn)入燃油柜，造成燃油摻水。上甲板上浪時(shí)一般用專(zhuān)用的帆布蓋好日用燃油柜的通風(fēng)頂蓋。

大風(fēng)浪帶來(lái)的大幅度縱橫搖擺，可能使海底門(mén)不時(shí)靠近或露出水面，也可能使各種泵的吸入口接近或高于油(水)柜的液面，特別是當(dāng)油(水)柜中的油(水)量很少時(shí)，從而顯著劣化其吸入條件。頻繁變化的吸入壓力和偶然吸入的空氣，都是一種“突甩—突增負(fù)荷”沖擊，泵的轉(zhuǎn)速會(huì)急劇的變化，有時(shí)會(huì)達(dá)到極值，進(jìn)而導(dǎo)致泵的轉(zhuǎn)速會(huì)忽高忽低，引起排量不均勻。例如日用燃油泵的供油不均勻使得燃燒質(zhì)量變差，鍋爐經(jīng)濟(jì)性降低；滑油泵供油不足，使得主汽輪機(jī)組和軸承的工作環(huán)境惡化，甚至?xí)霈F(xiàn)燒瓦和軸承抱死的現(xiàn)象。在這種情況下，如果設(shè)備運(yùn)行在高負(fù)荷狀態(tài)，大量吸入空氣時(shí)的突甩負(fù)荷，極有可能使轉(zhuǎn)子達(dá)到其極限值，出現(xiàn)飛車(chē)現(xiàn)象，給機(jī)組和操作人員帶來(lái)很大的安全隱患。而從小排量突然變?yōu)榇笈帕康耐辉鲐?fù)荷現(xiàn)象，又是一種很大的載荷沖擊，頻繁的負(fù)荷變化，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，為避免吸入條件惡化引起機(jī)組的設(shè)備損壞，在艦體縱橫搖擺幅度較大時(shí)，應(yīng)降低工作旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。從而約束主汽輪機(jī)組的最大發(fā)出功率，并加強(qiáng)對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)，確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

2.3 破壞液面穩(wěn)定

大風(fēng)浪帶來(lái)的動(dòng)力裝置突然加速度和大幅度縱橫搖擺，除了會(huì)惡化各種泵的吸入條件外，還會(huì)破壞液面的穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致鍋爐、除氧器、海水淡化裝置等無(wú)法正常工作。

搖擺對(duì)鍋爐的產(chǎn)汽影響非常大，對(duì)于鍋爐來(lái)講，鍋爐內(nèi)保持一定的水位是鍋爐安全工作的首要條件。大風(fēng)浪帶來(lái)的大幅度前后縱搖和左右橫搖將導(dǎo)致汽筒中的爐水，時(shí)而向前端，時(shí)而向后端靠近，時(shí)而向下降管靠近，時(shí)而向上升管靠近。這些變化，可能導(dǎo)致汽水的共騰，也可能因局部缺水而導(dǎo)致受熱面瞬時(shí)過(guò)熱現(xiàn)象，由于無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量而難以控制鍋爐水位、保證鍋爐安全。在鍋爐負(fù)荷很高時(shí)，瞬時(shí)的過(guò)熱都可能燒壞換熱管，帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。因此，每臺(tái)鍋爐都有兩個(gè)獨(dú)立工作的水位指示器，在大風(fēng)浪中航行時(shí)，一方面要特別注意鍋爐水位的檢測(cè)工作；另一方面要降低鍋爐的負(fù)荷，從而確保鍋爐的工作安全。

對(duì)于海水淡化裝置來(lái)講，由于大風(fēng)浪帶來(lái)船體的大幅度縱橫搖擺，使得海水淡化裝置中自由水面水位的波動(dòng)很大，波動(dòng)的水粒有可能甩入位于制淡裝置上部的分離器中，破壞海水淡化裝置的正常工作，生產(chǎn)出來(lái)的蒸餾水含鹽度升高，引起造水品質(zhì)的變壞。為了保證海水淡化裝置的可靠穩(wěn)定的工作，就必須保持海水淡化裝置中低水位，這樣單位時(shí)間內(nèi)海水淡化裝置的生產(chǎn)量就會(huì)降低，有時(shí)可能需要暫停造水。

對(duì)于燃油和滑油系統(tǒng)來(lái)講，由于日用油柜中存在自由液面，大風(fēng)浪帶來(lái)船體的大幅度縱橫搖擺，破壞了原來(lái)的自由液面，引起燃油和滑油的液面發(fā)生較大波動(dòng)，導(dǎo)致主鍋爐燃油泵和主汽輪齒輪機(jī)組滑油泵工作突然中斷，給鍋爐和泵的工作帶來(lái)危害，為了防止這種現(xiàn)象，必須通過(guò)經(jīng)常補(bǔ)充日用油柜，保持日用燃油柜中的燃油和循環(huán)油柜中的滑油數(shù)量不少于70%。同時(shí)，燃油柜的激烈晃動(dòng)，使原來(lái)已澄析出的水及污物又混入燃油中，致使?fàn)t膛溫度降低，甚至引起爐膛爆炸或熄火。

2.4 產(chǎn)生陀螺力矩

艦用汽力裝置中有大量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如壓氣機(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃油泵、滑油泵、循環(huán)水泵、柴油機(jī)等，這類(lèi)設(shè)備的主要部件有轉(zhuǎn)子、軸承、定子和機(jī)組殼體、聯(lián)軸器等，它們以每分鐘幾千甚至上萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，它們的轉(zhuǎn)子具有很大的陀螺穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件，通常轉(zhuǎn)子是用油膜軸承、滾動(dòng)軸承或其它類(lèi)型軸承支承在軸承座或機(jī)殼、箱體及基礎(chǔ)等非轉(zhuǎn)動(dòng)部件上,構(gòu)成了所謂的“轉(zhuǎn)子—支承系統(tǒng)”。一臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)械能否安全可靠地工作主要決定于轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)是否正常，如果轉(zhuǎn)子的中心軸不變，則不會(huì)產(chǎn)生陀螺力矩。但是，大風(fēng)浪帶來(lái)的艦體大幅度的縱橫搖擺，不斷改變轉(zhuǎn)子中心軸的空間位置，產(chǎn)生了陀螺力矩，在軸承上產(chǎn)生了附加力和力矩，使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承等零件的工作負(fù)荷大幅度增加，導(dǎo)致軸頸局部受力過(guò)大，軸受載荷作用變形導(dǎo)致軸頸在軸承中處于傾斜狀態(tài)，軸頸在軸承孔中處于傾斜狀態(tài)時(shí)，對(duì)軸承油膜壓力分布和最大油膜壓力、油膜厚度分布和最小油膜厚度有明顯的影響。隨著載荷量增加，軸變形導(dǎo)致的軸頸傾斜加大，油膜壓力產(chǎn)生了偏布，軸承最大油膜壓力位置向端部移動(dòng)，同時(shí)最大油膜壓力數(shù)值顯著增加。在軸頸傾斜時(shí)，最小油膜厚度位于軸承端部，且隨軸頸傾斜角度的增加，其數(shù)值明顯減小。軸承的工作性能發(fā)生了變化，軸承溫度升高。轉(zhuǎn)速越高、轉(zhuǎn)子尺寸和質(zhì)量越大、轉(zhuǎn)子中心軸改變?cè)筋l繁、改變速度越快，所產(chǎn)生的陀螺力矩效應(yīng)就越大。由于艦體的左右搖擺(橫搖)的幅度(角度)和頻度較大，所以，立式安裝的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，將遭受更大的陀螺力矩效應(yīng)。為避免陀螺力矩效應(yīng)引起的設(shè)備損壞，在艦體搖擺幅度較大、頻度較高時(shí)，應(yīng)降低工作機(jī)械的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。加強(qiáng)對(duì)滑油溫度的監(jiān)測(cè)，避免發(fā)生旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承故障、機(jī)械運(yùn)行失穩(wěn)、產(chǎn)生異常，確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了以“什么環(huán)境下具有多大的能力”來(lái)度量艦用汽力裝置的環(huán)境適應(yīng)性，為定量分析艦用汽力裝置的環(huán)境適應(yīng)性奠定了基礎(chǔ)，在艦船執(zhí)行任務(wù)海域不斷擴(kuò)展的新形勢(shì)下，不同環(huán)境對(duì)艦用汽力裝置的最大航速、經(jīng)濟(jì)航速、戰(zhàn)斗經(jīng)濟(jì)航速、安全性等都會(huì)產(chǎn)生影響。因此，只有針對(duì)具體使用環(huán)境，以全新的認(rèn)識(shí)和新的方法，全面準(zhǔn)確地掌握動(dòng)力裝置的各種作戰(zhàn)使用特性，深入探討在不同風(fēng)浪作用下艦船所能達(dá)到的最大作戰(zhàn)使用能力，在確保汽力裝置安全的情況下，發(fā)揮機(jī)組的最大使用效能。

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