潛艇低壓吹除系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能研究

勞星勝，曾 宏，張克龍

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430064)

0 引言

潛艇上浮過程中，甲板浮出水面后利用低壓氣吹除壓載水艙，直至水線露出水面的過程稱為低壓吹除［1］。低壓吹除過程中，低壓氣排出壓力基本與壓載水艙內(nèi)液面壓力相同。

潛艇上浮過程中，艙內(nèi)外液位高度差增大，壓載水艙內(nèi)低壓氣壓力隨之增大，傳統(tǒng)計(jì)算方法采用集總參數(shù)法計(jì)算低壓吹除時(shí)間［2］，忽視了低壓氣壓力變化對(duì)壓載水艙液面下降速度的影響，不能描述潛艇上浮過程中壓載水艙液位和艇吃水深度隨時(shí)間的變化關(guān)系，無法為潛艇操縱系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的輸入條件，不利于艇的狀態(tài)預(yù)報(bào)。壓載水艙高壓吹除過程模型需考慮的影響因素較多，一般較為復(fù)雜［3－5］，不宜直接應(yīng)用于低壓吹除系統(tǒng)。

考慮壓載水艙內(nèi)低壓氣壓力在吹除過程中逐漸增大，本文建立低壓吹除系統(tǒng)壓載水艙液位動(dòng)態(tài)變化過程方程，得出壓載水艙內(nèi)液位和潛艇吃水深度隨時(shí)間變化的具體關(guān)系，揭示了壓載水艙形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)不同時(shí)低壓吹除過程中潛艇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為潛艇操縱控制提供了實(shí)時(shí)參數(shù)，為潛艇低壓吹除系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新思路。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 過程方程

作如下假設(shè):

1)低壓氣為理想氣體;

2)忽略自壓氣機(jī)出口到壓載水艙流動(dòng)管道內(nèi)低壓氣的流動(dòng)壓力損失;

3)低壓氣到達(dá)壓載水艙時(shí)溫度與環(huán)境海水溫度一致。

壓載水艙吹除過程中，低壓空氣一部分用于補(bǔ)充艙內(nèi)原有空氣因壓力升高引起的容積損失，另一部分用于吹除艙內(nèi)海水，任意t時(shí)刻壓載水艙內(nèi)低壓氣吹除容積Vh滿足以下關(guān)系式:

螺桿壓氣機(jī)為容積泵，具有進(jìn)氣容積流量基本不隨排氣背壓變化的特點(diǎn)，變背壓管路系統(tǒng)。背壓式壓氣機(jī)用于低壓吹除，滿足如下關(guān)系式:

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，有

聯(lián)立式(1)～式(3)，得到式中 ρa(bǔ)ir為低壓氣密度。

式中:R為氣體常數(shù);T為壓載水艙溫度;ρ為密度;g為重力加速度;H為吃水深度;下標(biāo)H2O表示海水。

潛艇外形尺寸已知時(shí)，H可決定潛艇浮出水面部分的艇體體積VH;液艙結(jié)構(gòu)尺寸已知時(shí)，h可決定艙內(nèi)低壓氣吹除容積 Vh。且根據(jù)阿基米德原理，有

潛艇外形尺寸和液艙結(jié)構(gòu)尺寸已知后，根據(jù)傳統(tǒng)計(jì)算方法確定螺桿壓氣機(jī)風(fēng)量。設(shè)系統(tǒng)要求吹除時(shí)間為td，壓載水艙總?cè)莘e為Vd，則低壓氣設(shè)計(jì)平均流量為

將由式(6)得到的低壓氣流量和式(5)得到的關(guān)系式整理后代入式(4)，根據(jù)艇和壓載水艙外形參數(shù)確定Vh與H和h的函數(shù)關(guān)系，對(duì)微分方程進(jìn)行求解可以得到低壓氣吹除容積隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)一步分析可知水艙內(nèi)海水體積、液面高度、艇吃水深度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

1.2 模型參數(shù)

假設(shè)潛艇為對(duì)稱圓柱殼，模型基本參數(shù)見表1。本文中的參數(shù)設(shè)定均用于設(shè)計(jì)研究，未直接引用實(shí)艇數(shù)據(jù)。

表1 模型基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the model

2 計(jì)算結(jié)果及討論

根據(jù)模型參數(shù)表，壓載水艙橫截面積由艇外形及水線高度確定。應(yīng)用本文模型計(jì)算了不同壓載水艙截面形狀時(shí)螺桿壓氣機(jī)低壓吹除系統(tǒng)的吹除過程動(dòng)態(tài)性能。

本文設(shè)定的壓載水艙橫截面分別為圓截面、拋物線截面和圓底梯形截面，如圖1所示。

圖1 艇和壓載水艙形狀參數(shù)Fig.1 Confiiguration parameters of the submarine and ballast tank

2.1 模型驗(yàn)證

根據(jù)式(6)，按吹除終了的空氣密度計(jì)算得到本模型參數(shù)條件下質(zhì)量流量為4.33 kg/s。將各模型參數(shù)代入方程(4)，計(jì)算得出與船體同外形的壓載水艙內(nèi)液位和艇吃水深度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖2所示。

低壓吹除時(shí)間約為8.9 min，比設(shè)計(jì)時(shí)間縮短10%。該比例值跟實(shí)艇情況接近，驗(yàn)證了本文建立模型的有效性。

實(shí)際吹除時(shí)間比設(shè)計(jì)時(shí)間短是因?yàn)榈蛪簹庠O(shè)計(jì)壓力是按吹除終了時(shí)的液位狀態(tài)確定，而實(shí)際吹除過程中，壓氣機(jī)出口壓力是逐漸增大至吹除終了狀態(tài)壓力的。

圖2 低壓吹除過程中的液位變化Fig.2 Water level variation as deballasting

2.2 吹除過程動(dòng)態(tài)性能

為分析不同壓載水艙設(shè)計(jì)截面對(duì)吹除過程的影響，按相同壓載水艙容積和縱向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了拋物線和圓底梯形截面，比較了這2種截面與圓形截面情況下吹除過程中各參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。初始狀態(tài)時(shí)，液面高度分別為圓弧截面4.8 m，拋物線截面5.64 m，圓底梯形截面5.5 m(圓底高度0.5 m)。

圖3描述了3種截面形狀下吹除過程中壓氣機(jī)吹除背壓的動(dòng)態(tài)變化。吹除時(shí)間分別為圓弧截面8.89 min，拋物線截面9.14 min，圓底梯形截面9.19 min?？梢钥闯?，與船體同外形的壓載水艙完成吹除需要的時(shí)間最短，引起的吹除過程壓氣機(jī)背壓也最大，拋物線形截面對(duì)壓氣機(jī)背壓的要求最低，而圓底梯形截面導(dǎo)致的吹除時(shí)間最長(zhǎng)。

圖3 截面形狀對(duì)吹除背壓的影響Fig.3 Effect of cross section configuration on deballasting back pressure

初始?jí)狠d水艙內(nèi)液高，則壓氣機(jī)初始背壓高，因梯形截面積與液高呈線性關(guān)系，所以圓底梯形截面條件下的壓氣機(jī)背壓與時(shí)間也基本呈線性關(guān)系。

圖4描述了3種截面形狀下吹除過程中潛艇吃水深度的動(dòng)態(tài)變化?？梢钥闯?，不同截面形狀條件下，低壓吹除過程中的艇吃水深度隨時(shí)間變化過程基本一致。

壓氣機(jī)對(duì)系統(tǒng)所做的功用于使?jié)撏细?，壓氣機(jī)吸入流量一定時(shí)，艇的上浮量主要取決于壓載水艙容積和艇的排水量，基本不受截面形狀的影響。

圖4 截面形狀對(duì)艇吃水深度的影響Fig.4 Effect of cross section configuration on submarine draft

圖5描述了3種截面形狀下吹除過程中壓載水艙內(nèi)液面高度下降速度的動(dòng)態(tài)變化?？梢钥闯觯好嫦陆邓俣染氏认陆岛笊叩内厔?shì)，實(shí)艇低壓吹除過程也表現(xiàn)出相同趨勢(shì)。

如前所述，梯形截面的面積線性關(guān)系引起較大的液面下降速度，圓形截面與拋物線截面條件下的液面下降速度趨勢(shì)相近，但圓形截面對(duì)應(yīng)的液面下降速度變化幅度最小。

圖5 截面形狀對(duì)液面下降速度的影響Fig.5 Effect of cross section configuration on decreasing velocity of water level in tank

低壓吹除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入條件來自潛艇總體，受到潛艇外形和壓載水艙容量的影響，針對(duì)圓弧形截面，進(jìn)一步分析不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)吹除時(shí)間和艇吃水深度變化的影響，可為潛艇總體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖6描述了不同低壓氣流量對(duì)應(yīng)的吹除時(shí)間和各條件下的吃水深度隨時(shí)間變化過程，可以看出，隨流量增大，吹除時(shí)間縮短速率降低，實(shí)艇裝備選型時(shí)應(yīng)考慮提高壓氣機(jī)流量引起外形增大的不利影響。

圖6 設(shè)計(jì)流量對(duì)吹除時(shí)間的影響Fig.6 Effect of gas flow rate on deballasting durations

潛艇殼體直徑不變、壓載水艙容積和潛艇排水量比值不變時(shí)，低壓吹除時(shí)間和艇的吃水深度隨總體外形參數(shù)的變化情況如圖7所示。隨潛艇外形增大，吹除時(shí)間增加的速率增大。

圖7 潛艇總體外形參數(shù)對(duì)吹除時(shí)間的影響Fig.7 Effect of submarine configuration on deballasting duration

3 結(jié)語

考慮潛艇低壓吹除過程中壓載水艙內(nèi)空氣壓力的變化，建立低壓吹除系統(tǒng)壓載水艙液位動(dòng)態(tài)變化過程方程，建立了螺桿壓氣機(jī)低壓吹除模型，根據(jù)實(shí)艇情況對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)模型分析不同壓載水艙截面形狀對(duì)吹除過程中壓氣機(jī)背壓、艇吃水深度和壓載水艙內(nèi)液面下降速度的影響。拋物線型截面對(duì)壓氣機(jī)的背壓需求最低，截面形狀對(duì)吹除過程中的艇吃水深度影響不大，圓形截面時(shí)壓載水艙內(nèi)液面下降速度最平穩(wěn)。

針對(duì)圓形壓載水艙截面，分析了總體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如壓氣機(jī)流量和艇外形參數(shù)對(duì)吹除過程的影響。壓氣機(jī)流量增大，吹除時(shí)間縮短速率降低，隨潛艇外形增大，吹除時(shí)間增加的速率增大。

本文研究揭示了低壓吹除過程中潛艇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，為潛艇的操縱控制提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

下一步研究將考慮背壓升高導(dǎo)致的壓氣機(jī)泄漏量變化對(duì)吹除過程的影響。

［1］GABLER U.Submarine Design［M］.Casemate UK Ltd，2011.

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