潛艇柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)低壓吹除系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能比較

王建偉，勞星勝，王 丹

(1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢 430064;2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;3.中國(guó)艦船研究院，北京 100192）

潛艇柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)低壓吹除系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能比較

王建偉1，勞星勝2，王 丹3

(1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢 430064;2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;3.中國(guó)艦船研究院，北京 100192）

為比較柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)作為低壓吹除氣源對(duì)潛艇及艙內(nèi)壓載水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響、提供潛艇低壓吹除系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)，將柴油機(jī)工作過程方程和螺桿壓縮機(jī)工作過程方程分別與壓載水吹除過程方程耦合，建立考慮壓載水艙內(nèi)排氣背壓與吹除氣體流量間相互影響的吹除過程動(dòng)態(tài)模型。根據(jù)假定的潛艇和壓載水艙參數(shù)，應(yīng)用模型計(jì)算分析2種吹除氣源條件下低壓吹除過程中壓載水艙液面高度和潛艇吃水深度的影響。研究結(jié)果表明，相同設(shè)計(jì)流量條件下，使用柴油機(jī)廢氣吹除比螺桿壓縮機(jī)吹除可節(jié)省吹除時(shí)間約3%。

柴油機(jī);螺桿壓縮機(jī);低壓吹除;動(dòng)態(tài)模型

0 引言

潛艇上浮過程中，甲板浮出水面后可利用低壓氣體吹除壓載水艙，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，吹除氣體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)氣體壓力隨之增大，傳統(tǒng)方法采用集總參數(shù)法計(jì)算低壓吹除時(shí)間［2］，直接引用設(shè)計(jì)工況時(shí)的低壓氣源輸出流量作為輸入條件，忽視了壓載水艙液面下降時(shí)吹除背壓與低壓氣源輸出流量的相互影響，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，不利于潛艇和低壓氣源設(shè)備的狀態(tài)預(yù)報(bào)。勞星勝建立的壓氣機(jī)動(dòng)態(tài)模型［3］沒有考慮吹除背壓升高引起的氣體泄漏問題。

壓載水艙內(nèi)外液面高度差在吹除過程中逐漸增大，低壓吹除機(jī)械背壓逐漸升高，排氣流量逐漸降低，將柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)工作過程方程與壓載水艙液位動(dòng)態(tài)變化過程方程相耦合，建立潛艇低壓吹除系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化性能模型，得出2種吹除氣源條件下壓載水艙內(nèi)液位和潛艇吃水深度隨時(shí)間變化的具體關(guān)系。比較2種吹除氣源對(duì)低壓吹除過程中潛艇運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，為潛艇低壓吹除系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供思路。

1 數(shù)學(xué)模型

為考慮壓載水艙內(nèi)吹除背壓與柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)排氣流量的相互影響，將柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)工作過程方程與壓載水艙內(nèi)液位變化方程相耦合，建立的動(dòng)態(tài)吹除過程模型可更加準(zhǔn)確地模擬吹除過程。

1.1 吹除過程方程

作如下假設(shè):

1）柴油機(jī)廢氣和空氣為理想氣體;

2）忽略排氣管到壓載水艙間的氣體流動(dòng)壓力損失;

3）低壓吹除氣體到達(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，任意t時(shí)刻壓載水艙內(nèi)低壓氣體容積Vh滿足以下關(guān)系式:

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。

1.2 吹除機(jī)械工作過程方程

柴油機(jī)工作過程模擬基于一維流動(dòng)和傳熱方程和集總?cè)紵匠?。連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程用于描述缸內(nèi)和管道流動(dòng)過程、采用Woschni公式的一維傳熱方程描述管壁和缸壁的傳熱過程、采用Wiebe零維模型描述缸內(nèi)燃燒過程，具體方程表達(dá)式見文獻(xiàn) ［4］。

根據(jù)該模型可計(jì)算得到柴油機(jī)排氣流量隨排氣背壓不同的變化規(guī)律。

考慮螺桿壓縮機(jī)氣體泄漏的工作過程數(shù)學(xué)模型見文獻(xiàn)［5］，預(yù)測(cè)排氣量的誤差不超過3%。

1.3 潛艇結(jié)構(gòu)和外形

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)吹除氣體容積Vh。且根據(jù)阿基米德原理，有

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，將柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)工作過程方程組與式(4）和式(5）聯(lián)立，對(duì)微分方程組進(jìn)行求解可以得到壓載水艙內(nèi)低壓氣容積隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)一步分析可知壓載水艙內(nèi)液面下降速度、艇吃水深度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

1.4 模型參數(shù)

假設(shè)潛艇為對(duì)稱圓柱殼，模型基本參數(shù)如表1所示，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)。

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)用本文模型分別計(jì)算應(yīng)用柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)作為低壓吹除系統(tǒng)氣源的吹除過程動(dòng)態(tài)性能。

本文設(shè)定的壓載水艙橫截面為拋物線截面，如圖1所示，假設(shè)壓載水艙吹除閥設(shè)在最底部。

圖1 艇和壓載水艙形狀示意圖Fig.1 Submarine and tank sketch

針對(duì)某型艇低壓吹除系統(tǒng)，本模型采用的某型柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)在常壓工況下的排氣流量均為4.33 kg/s，根據(jù)該設(shè)計(jì)流量對(duì)柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行選型，對(duì)比選定的2種吹除機(jī)械，根據(jù)柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)工作過程模型計(jì)算得到的柴油機(jī)排氣流量和螺桿壓縮機(jī)排氣流量隨排氣背壓的變化關(guān)系如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)為低壓氣流量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓背壓條件下吹除機(jī)械流量的比值。

受排氣泄漏影響，排氣背壓升高引起螺桿壓縮機(jī)排氣流量下降的速率高于柴油機(jī)廢氣流量下降的速率，背壓越高，降幅差越大，背壓1.8 bar時(shí)，柴油機(jī)排氣流量比螺桿壓縮機(jī)排氣流量高10%以上。

圖2 低壓吹除過程中的螺桿壓縮機(jī)背壓變化Fig.2 Deballastingmachine backpressure

圖3和圖4分別描述了壓載水艙為拋物線截面型式下吹除過程中潛艇吃水深度的動(dòng)態(tài)變化和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。

可以看出，與采用柴油機(jī)廢氣進(jìn)行低壓吹除相比，采用相同設(shè)計(jì)流量的螺桿壓縮機(jī)低壓氣吹除過程中潛艇上浮的時(shí)間約增加3%。吹除過程前期，2種吹除機(jī)械對(duì)應(yīng)的艇吃水深度相差不大;吹除過程后期，螺桿壓縮機(jī)吹除到相同艇深需要的吹除時(shí)間逐漸增大。

根據(jù)圖2，隨吹除過程進(jìn)行，吹除背壓逐漸升高，螺桿壓縮機(jī)排氣流量下降速率高于柴油機(jī)排氣流量下降速率，因此吹除后期螺桿壓縮機(jī)吹除能力弱于柴油機(jī)排氣吹除能力。

圖3 吹除過程中艇吃水深度的變化Fig.3 Evolution of submarine draught

圖4 吹除過程中壓載水艙液面下降速度的變化Fig.4 Evolution of tank water surface dropping speed

3 結(jié)語(yǔ)

考慮潛艇低壓吹除過程中壓載水艙內(nèi)空氣壓力的變化及其與柴油機(jī)、螺桿壓縮機(jī)工作過程的相互影響，耦合柴油機(jī)、螺桿壓縮機(jī)工作過程方程和低壓吹除系統(tǒng)壓載水艙液位動(dòng)態(tài)變化過程方程，建立低壓吹除過程模型，應(yīng)用模型對(duì)分別應(yīng)用柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)作為吹除機(jī)械時(shí)低壓吹除系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

在相同設(shè)計(jì)流量條件下，受排氣泄漏影響，排氣背壓增大時(shí)螺桿壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)的排氣流量下降速率大于柴油機(jī)排氣流量下降速率，針對(duì)本文假設(shè)模型參數(shù)，螺桿壓縮機(jī)吹除時(shí)間比柴油機(jī)吹除時(shí)間增加3%左右。吹除過程前期，螺桿壓縮機(jī)和柴油機(jī)排氣吹除效果相差不大;吹除后期，由于排氣流量下降較快，螺桿壓縮機(jī)吹除速度比柴油機(jī)廢氣吹除較慢。

研究比較分別采用柴油機(jī)和螺桿壓縮機(jī)作為低壓吹除機(jī)械時(shí)低壓吹除過程中潛艇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可為潛艇低壓吹除系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

［1］Submarine design［M］.GABLER U，2001.

［2］王曉東，李維嘉，謝江輝，等.潛艇潛浮系統(tǒng)仿真研究初探［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2004，26(1）:14－19.

WANG Xiao-dong，LIWei-jia，XIE Jiang-hui，et al.The pilot study for the submarine submerging and surfacing system emulator［J］.Ship Science and Technology，2004，26(1）:14－19.

［3］勞星勝，曾宏，張克龍.潛艇低壓吹除系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(11）:42 －45.

LAO Xing-sheng，ZENG Hong，ZHANG Ke-long.Dynamic performance study of submarine low pressure deballast system［J］.Ship Science and Tecnology，2012，34(11）:42－45.

［4］王娟.渦輪增壓機(jī)車柴油機(jī)仿真和模擬［D］.大連:大連交通大學(xué)，2007.

WANG Juan.Model and simulation of turbocharged locomotive diesel［D］.Dalian:Dalian Jiaotong University，2007.

［5］邢子文，鄧定國(guó)，束鵬程.雙螺桿壓縮機(jī)工作過程的計(jì)算機(jī)模擬研究［J］.流體機(jī)械.1991(12）:11－16.

XING Zi-wen，DENG Ding-guo，SHU Peng-cheng.Computer modeling for working process analysis of twin screw compressor［J］.Fluid Machine，1991(12）:11－16.

Dynam ic performance study of submarine diesel exhaust and screw com pressor low pressure deballast system

WANG Jian-wei1，LAO Xing-sheng2，WANG Dan3
(1.Wuhan Military Representative Bureau of Navy Equipment Department，Wuhan 430064，China;2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;3.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China）

Operating equations of diesel engine and screw compressor are employed to calculate effect of gas backpressure on gasmass flow rate，coupled with the dynamic gas compression equation，dynamic models taking the effect of back pressure change of deballasting machine on deballsting process into considered are developed.Using assumptive parameters of submarine and water tank，dynamic performance of diesel engine deballasting system and screw compressor deballasting system is compared.The results show that deballasting duration would achieve 3% reduction around while using diesel other than screw compressor as deballastingmachine because its higher gas flow rate decreasewhile back pressure increases.

diesel;screw compressor;low pressure deballast system;submarine;dynamic model

U664.83

A

1672－7649(2014）05－0093－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.019

2013－06－03;

2013－07－04

王建偉(1978－），男，工程師，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。