艦艇柴油機防海水倒灌動力減壓裝置的優(yōu)化以及探索

應冬

摘要：海水倒灌會讓艦艇柴油機面臨嚴重的后果，甚至可能造成艦艇發(fā)動機損壞，失去動力。文章對可能引起海水倒灌因素進行了分析，最終對避免海水倒灌提出了可行的建議，旨在促進我國艦艇柴油機放海水倒灌水平的不斷提升與發(fā)展。

關鍵詞：水下柴油機；海水倒灌；壓力

艦艇中安裝的柴油機排氣管由于其自身需要，通常會位于水下2m左右，這就造成在發(fā)動機啟動、停機或是運轉的過程中發(fā)動機面臨著海水倒灌的危險，一旦海水倒灌入發(fā)動機內(nèi)，發(fā)動機將會被損壞，甚至可能使艦艇失去前進的動力，影響十分嚴重。下文通過模擬計算的方式，對發(fā)動機在水下的運轉狀態(tài)進行了研究，探尋防海水倒灌動力減壓裝置的優(yōu)化措施。

1.計算模型的構建

柴油機在水下想要正常的發(fā)動，需要一個復雜的啟動過程。想要實現(xiàn)對此過程的模擬，就需要對艦艇柴油機在水下時氣缸、排氣管、消音器等用容積法進行模擬計算，還要在全面考慮的基礎上建立后排氣管的容積法計算模型。為真實重現(xiàn)啟動、停機及天氣等外部因素對水下柴油機運轉情況的影響，需要在計算過程中充分考慮水面波動狀態(tài)，最終在力學的基礎上構建發(fā)動機軸系、渦輪增壓系統(tǒng)等動態(tài)模型的計算方程，構建PID控制方程。通過對上述方程的計算，得出在不同情況下水下發(fā)動機的氣缸、排氣進氣管道、溫度、氣體成分等等各項的變化規(guī)律。

1.1.構建柴油機計算公式

本次研究的主要內(nèi)容是防海水倒灌動力減壓裝置的優(yōu)化，所以關于發(fā)動機廢氣的排放并未在此次研究包括的內(nèi)容中。根據(jù)發(fā)動機燃燒具體情況的變工況經(jīng)驗放熱率模型并利用雙韋伯曲線對發(fā)動機缸體內(nèi)發(fā)生的反應進行描述，這里參數(shù)的確定是依據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)設置的，在使用經(jīng)驗參數(shù)時需要用實際測量對經(jīng)驗參數(shù)進行精確。構建了如下的PID控制方程式：

（1）

上式中， 指的是在i時刻中發(fā)動機齒條的位置， 指的是在i時刻發(fā)動機的轉速與設定轉速的差值， 指的是比例常數(shù)， 指的是積分常數(shù)， 指的是微分常數(shù)， 則是計算步長。

1.2.構建后排氣管計算公式

水下柴油機發(fā)動或者停機時都有一定的持續(xù)時間，即存在一個過程。在此過程中會發(fā)生海水外排或者內(nèi)灌的現(xiàn)象。也就是說在排氣管中可能存在兩種物質的流動，氣體和海水。想要完成其計算公式的構建，必須將水下柴油發(fā)動機的后排氣管排放過程進行一定程度的簡化。通常情況下，艦艇的渦輪后會有一個排氣消聲器存在，排氣消聲器后是后排氣管。排氣消聲器的容量通常情況下都比較大，能讓排氣過程中排氣管中的氣壓維持穩(wěn)定的狀態(tài)。所以說通常后排氣管中的壓力變化幅度都會保持在一定的水平之內(nèi)，不會產(chǎn)生較大的波動。利用一定的計算手段可知，在后排氣管道單線循環(huán)的情況下其壓力的波動幅度<0.13kPa，這個時候為了實現(xiàn)計算方式的簡化，可以將后排氣管也視為一個特殊容積進行計算考量，需要注意的是在構建公式時需要對排氣管中氣流的速度以及溫度變化有所把握。構建后排氣管的容積變化率公式為：

（2）

在上述公式中，V指的是后排氣管道的瞬時容積大小，A指的是后排氣管的管道橫截面積，u為企業(yè)邊界的運動速度。想要確定u值的大小，需要進行以下方式的計算：

（3）

上式中，p指的是后排氣管的壓力值，pw是后排氣管道出氣口的靜水壓力值， 為油水的密度值，而plos為氣體排出過程中排氣管沿途損耗的壓力值。

2.柴油機水下運行的計算方式以及數(shù)據(jù)研究

2.1.如何判定發(fā)動機會否發(fā)生倒灌現(xiàn)象

根據(jù)后排氣管水下排氣過程中的水下流體動力學模型可知，在不同排氣速度下排氣管的倒灌情況是不相同的。在此基礎之上進行一定的計算能夠得出如下結論：當排氣管的速度小于20m/s時，在排氣過程中，氣泡脫離排氣管口后會有一定量的海水流入排氣管道之內(nèi)，并沿排氣管向下流動，當排氣速度提升至20m/s以上時，就不再會發(fā)生此種情況。

開展了最低不倒灌轉速實驗，實驗結果為：當當前水深為最大水深的82.8%時，柴油發(fā)動機的相對轉速需要保持在至少0.69以上，最好≥0.75，此時不會發(fā)生倒灌現(xiàn)象，當相對轉速≤0.69時會發(fā)生倒灌現(xiàn)象；當當前水深為最大水深時，相對轉速至少要在0.72以上，最好≥0.75，就不會發(fā)生導管現(xiàn)象。

將兩項實驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)當相對轉速為0.72，水深為最大水深的82.8%時，尾排氣管排放的氣體流速為17m/s；當相對轉速為0.75，水深為最大水深時，尾排氣管氣體流速為17.3m/s。據(jù)此，上述兩個實驗的結果是合理有效的。

2.2.停機過程中如何防治海水倒灌

當艦艇發(fā)動機停機時，何時關閉排氣外舌閥是需要注意的問題。過早的關閉舌閥會讓排氣管內(nèi)的氣壓過高，對艦艇整體運行可靠性有影響；關閉的太晚則會因為排氣速度降低至一定的程度而引起海水倒灌。當發(fā)動機停機時，停止噴油后失去了油料燃燒產(chǎn)生的能量，排氣管內(nèi)的壓力也會有很大幅度的下降，也可能引起海水的倒灌。所以應當在停止供油的同時關閉排氣外舌閥。雖然在停機過程中，排氣管的排氣壓力會遠低于排氣管的耐受力，但是需要意識到排氣管外舌閥長期過早關閉，會讓管道內(nèi)的煙氣在內(nèi)壁積碳，影響運行中的安全。最好的辦法就是采用排氣閥漸關，將管道內(nèi)的壓力控制在合理范圍之內(nèi)，同時避免海水倒灌現(xiàn)象的發(fā)生。

3.結論

3.1.利用虛擬模型、構建計算公式以及利用實驗研究的形式，探索當水下柴油機處于啟動、運轉元以及停機狀態(tài)時后排氣管中的氣流流速變化可知，當排氣管氣流速度在20m/s以上時，能有效防止海水的倒灌。

3.2.在水下柴油發(fā)動機啟動過程中，排氣流速變化會讓管道內(nèi)壓力產(chǎn)生一定程度的波動，此時很有可能發(fā)生倒灌現(xiàn)象。

3.3.想要防止水下發(fā)動機停機時海水的倒灌，需要做到在停止供油的同時關閉排氣管外舌閥，或者根據(jù)排氣管內(nèi)壓力的具體情況適時對舌閥的控制，保證管內(nèi)壓力的同時防止海水倒灌。

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