基于AutoCAD的艦船排氣管計算程序設(shè)計

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(中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

艦船排氣管的設(shè)計在艦船輪機設(shè)計中只占據(jù)極小的一部分，然而，由于艦船排氣管設(shè)計缺陷所造成的后果卻不容小覷。例如，某船由于排氣管絕緣材料及厚度的選擇不合理，造成機艙內(nèi)排氣管外包鍍鋅鐵皮夏季溫度超過60℃，船員根本無法在附近進行日常的巡查維護，最后只能通過給排氣管加裝一層護欄將就一下；再如，某船排氣管由于支架設(shè)置不合理，增壓器出口后的一段水平管段在試航時由于振動過大造成排氣管破裂，試航回來之后重新設(shè)置支架并增加彈性支承才得以解決；又如，某船由于排氣管支架設(shè)置不合理，造成煙囪內(nèi)的一段垂直管段上的幾個彈性支承受力不均，其中兩個彈性支承根部焊接處斷裂。此外，排氣管波紋管裂紋、排氣管背壓過高也都曾有過記錄[1]。因此，合理的排氣管設(shè)計應(yīng)引起設(shè)計人員足夠的重視[2- 3]。

1 排氣管設(shè)計的內(nèi)容

1.1 排氣管的布置及原理設(shè)計

艦船排氣管的布置主要包括排氣管在機艙(艙室)及煙囪內(nèi)的走向、膨脹節(jié)的設(shè)置、固定支承及彈性支承的設(shè)置、防雨罩的型式、排氣管附件(消音器、火星熄滅器、SCR等)的布置等[4]；艦船排氣管的原理設(shè)計主要是管材選型、放泄管的設(shè)置及水封型式等。排氣管的布置及原理設(shè)計可以分兩份圖紙體現(xiàn)，也可以合并在一份圖紙中。

1.2 背壓計算

艦船排氣管的背壓計算主要有以下方法[5]。

1)查表法。

查制造廠提供的圖表，查得直管段壓降和管路附件的當(dāng)量長度，計算總壓降。

2)管段計算法。

管段計算法就是逐一計算每一管段的壓降后疊加求和得總壓降。

(1)按《船舶設(shè)計實用手冊》提供的公式計算。

對于直管段摩擦阻力P1，有

(1)

式中：λ為直管段摩擦阻力系數(shù)，按可壓縮流體的特性進行計算；di為管段內(nèi)徑，mm；l為管段長度，mm；V為煙氣流速，m/s；ρ為煙氣密度，kg/m3。

對于管路附件的局部阻力P2，有

P2=0.5·ζ·V2·ρ

(2)

式中：ζ為局部阻力系數(shù)。

(2)按《MAN guide》中提供的公式計算。

(3)當(dāng)量計算法。將管路中的彎頭、三通等附件轉(zhuǎn)換為當(dāng)量直管段長度，然后計算總壓降。

1.3 膨脹量計算

直管段的膨脹需要進行計算進行人工補償[7]。其計算方法主要有：

1)查表法。按照GB/T 12522- 2009提供的圖表查出每米排氣管的熱膨脹量。

2)計算法。

(1)按照GB/T 12522- 2009提供的計算公式計算。

(2)按《船舶設(shè)計實用手冊》提供的簡易公式估算，每米排氣管溫度每升高100 ℃約伸長1.2 mm。

(3)按《船舶設(shè)計實用手冊》提供的公式計算。

1.4 膨脹應(yīng)力計算

σ=E·α·δΔt[8- 9]

(3)

式中：σ為管段受熱時所產(chǎn)生的應(yīng)力；E為材料的彈性模量；α為線膨脹系數(shù)。

1.5 絕緣厚度計算

(4)

式中：κis為隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)；his為隔熱材料的換熱系數(shù)，包括輻射換熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)；tp為管內(nèi)介質(zhì)溫度；tis為隔熱層外鍍鋅鋼板表面溫度；ta為環(huán)境溫度。

1.6 尾管長度計算

消音器排氣口尾管長度可按CB*3338—88提供的公式計算。

2 程序設(shè)計

盡管艦船排氣管的設(shè)計在艦船輪機設(shè)計中只占據(jù)極小的一部分，但它的計算卻涉及到流體力學(xué)、材料力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)以及聲學(xué)等多方面的內(nèi)容[11- 15]。由于計算量較大，設(shè)計人員在設(shè)計過程中也僅僅是以計算背壓和校核膨脹量為主，必要的時候進行一下絕緣厚度的校核，膨脹應(yīng)力一般交由彈性支承廠商進行校核，消音器尾管長度只有在對環(huán)境噪音非?？量痰臅r候才會校核。

目前國內(nèi)的相關(guān)設(shè)計基本上都是在AutoCAD的環(huán)境下進行的，一般的設(shè)計單位也都擁有計算排氣管背壓的Excel模板，但這些對合理的排氣管設(shè)計來說都有所欠缺，而且效率不高、可視化也不強[16]。

2.1 編程工具選擇

目前的AutoCAD二次開發(fā)的工具有VisuaILISP、VBA、ObjectARX以及.NET API等[17]。.NET API在AutoCAD 2006開始推出，功能強大而學(xué)習(xí)要求低。因此，就以.NET API作為本次二次開發(fā)的編程工具。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 通用參數(shù)

通用參數(shù)是排氣管計算的基本參數(shù)，如：煙氣參數(shù)(溫度、密度、動力粘滯系數(shù)等，如表1所示)、絕緣材料參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、工作溫度等)、MAN guide中推薦的管件阻力系數(shù)(角度、半徑直徑比、阻力系數(shù)等)、《船舶設(shè)計實用手冊》中推薦的管件阻力系數(shù)(角度、半徑直徑比、光滑管、粗糙管、阻力系數(shù)等)、機艙流動風(fēng)速、管路粗糙度,等。這些參數(shù)在相關(guān)的計算中都有可能用到，因此，將這些參數(shù)以表的形式都保存到數(shù)據(jù)庫中，程序隨用隨取。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫。

表1 煙氣參數(shù)表(部分)

2.2.2 排氣管參數(shù)

排氣管參數(shù)是指當(dāng)前項目排氣管相關(guān)的一些參數(shù)，包括排氣管外徑、壁厚、絕緣材料類型、絕緣材料厚度、當(dāng)前管段類型(直管段、彎管、廢氣鍋爐、消音器、SCR等)，等，這些參數(shù)隨項目而變。因此，利用AutoCAD圖元的XData屬性將這些參數(shù)附著在指定的圖元上，程序執(zhí)行時可隨時讀取所需的參數(shù)[18]。

2.3 前期準(zhǔn)備

新建一個AutoCAD圖形文件，根據(jù)排氣管布置圖按各管段的相對位置在三維環(huán)境中繪出各排氣管的走向圖，并在每根排氣管的起點繪出代表排氣管橫截面的圓。代表不同排氣管的圖元可以放置在不同的圖層中，也可放在同一圖層中。放在同一圖層中時，要對各個排氣管進行編組(AutoCAD命令“GROUP”或“G”)。圖層名稱或編組名稱應(yīng)與圖1中的歸屬定義一致。

為了繪圖的方便，一般采用把代表不同排氣管的圖元繪制在不同的圖層中的方法。

2.4 程序功能

2.4.1 定義輸入?yún)?shù)

定義輸入?yún)?shù)就是將當(dāng)前排氣管的基本參數(shù)，如廢氣參數(shù)、絕緣材料參數(shù)、柴油機參數(shù)、排氣管壁厚(程序直接讀取排氣管外徑參數(shù))等，見圖1，“附著”后，定義的輸入?yún)?shù)都保存在當(dāng)前圖形中。

圖1 輸入?yún)?shù)界面

2.4.2 查看輸入?yún)?shù)

執(zhí)行查看輸入?yún)?shù)功能可以直接命令程序讀取先前附著的輸入?yún)?shù)。

2.4.3 初始化

初始化功能先自動進行管段編號，然后根據(jù)輸入?yún)?shù)預(yù)定義各管段。初始化會提示用戶是按圖層進行初始化還是按編組進行初始化。

2.4.4 定義/查看管段信息

初始化完成后即可進行管段定義，見圖2。其中的類型包括了實際排氣管附件，如，“PIPE”、“ELBOW”、“BOILER”、“SILENCER”、“BELLOW”、“REDUCER”、“DAMPER”、“SCR”等等，其中的直管段(“PIPE”)和彎頭(“ELBOW”)已經(jīng)由程序在初始化時自動定義?？梢灾苯硬榭匆詻Q定是否修改。

圖2 定義管段

2.4.5 計算背壓/生成背壓計算報告

所有管段信息定義完成后，可以令程序進行背壓計算。程序采用的計算方法是《船舶設(shè)計實用手冊》中的流體力學(xué)的公式進行計算，計算完成后可以直接生成背壓計算報告。

2.4.6 校核隔熱層厚度

程序可根據(jù)輸入?yún)?shù)先計算出輻射換熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)，然后根據(jù)隔熱材料的換熱系數(shù)計算出保證表面控制溫度下的一個5進位隔熱材料的最小厚度。

2.4.7 定義/查看支承信息

如果需要校核排氣管的支承設(shè)置是否合理，可以在程序中進行支承位置、支承類型及支承能力等參數(shù)的定義，同樣也可進行信息查看。

2.4.8 校核支承

支承定義完成后即可對支承的受力進行校核，由于直管段可通過膨脹節(jié)進行人工補償，其受力僅考慮管段重力，此處不予考慮振動時的沖擊力和船舶搖晃時的橫向力，彎頭處采用自然補償，其附近的支承還承受熱應(yīng)力，是校核的重點[19]。

2.4.9 校核膨脹節(jié)

支承定義完成后同時也可進行膨脹節(jié)的校核，主要是校核膨脹節(jié)的位移是否能滿足附近直管段的膨脹量。

2.4.10 校核防雨高度

對于隔熱材料未包覆到煙囪頂板的排氣管，防雨罩的高度不會造成什么影響，因高度不足而進入的雨水會被高溫蒸發(fā)。但對于隔熱材料未包覆到煙囪頂板的排氣管，盡管因高度不足而進入的雨水也會被高溫蒸發(fā)，但蒸發(fā)的雨水會進入隔熱材料，造成這一區(qū)域隔熱材料的失效。

在校核防雨罩高度之前，先要利用程序定義煙囪頂板位置及防雨罩的安裝位置，然后就可以獲得這一段管段的膨脹量，只要防雨罩的防雨高度大于該膨脹量加上一定的余量即可。

2.4.11 計算尾管長度

程序根據(jù)圖1提供的柴油機參數(shù)，可以很順利地獲得消音器后的排氣管艉管長度。該功能對非柴油機排氣管不起作用。

3 計算示例

以90 000 t半潛船的排氣系統(tǒng)為例，其排氣管布置圖見圖3(為簡要說明，只取其左舷的3臺主發(fā)電機和1臺輔助發(fā)電機)，相應(yīng)的排氣管走向圖見圖4。

圖3 原船排氣管布置

圖4 排氣管走向

3.1 背壓計算

1號主發(fā)電機(圖3中左邊第1臺)排氣管的背壓計算報告部分內(nèi)容如下：

序號 管段類型 管段阻力 阻力系數(shù)

…… …… …… ……

8 BELLOW 331.8 0.150

…… …… …… ……

10 PIPE 27.8 0.020

…… …… …… ……

17 SILENSER 784.5 1.000

…… …… …… ……

23 ELBOW 331.8 0.065

…… …… …… ……

總阻力：2 986.2 Pa

最大允許背壓為4 000 Pa(柴油機制造商提供)，計算結(jié)果滿足要求。

3.2 隔熱層厚度計算

程序計算的推薦隔熱層厚度為70 mm，實船包覆的隔熱層厚度采用推薦厚度。

4 與其他軟件的交互

對于可以使用AutoCAD圖元的三維設(shè)計軟件(如SB3DS等)，設(shè)計人員可以直接調(diào)入已有的排氣管走向直接進行排氣管三維設(shè)計。同樣，從這類可導(dǎo)出AutoCAD圖元的三維設(shè)計軟件中導(dǎo)出排氣管走向，也可加以利用，經(jīng)過定義后完成上述計算。

5 結(jié)論

程序的開發(fā)給設(shè)計人員帶來了極大的便利，提高了設(shè)計效率，同時，排氣管及其附件的布置也更合理，從設(shè)計上保證了排氣管背壓計算更準(zhǔn)確，優(yōu)化了膨脹節(jié)、支承、消音器等的設(shè)置。

當(dāng)然，要保證排氣管在實際運行中的良好狀態(tài)，施工工藝、材料質(zhì)量、廢氣源狀態(tài)等各方面因素也都不可忽略。

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