船舶機艙主齒輪機組的油氣釋放特性研究

章葉川，冷文軍，余 濤,2，趙俊濤，施紅旗，蘇洪濤

(1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2. 北京航空航天大學，北京 100083)

0 引 言

船舶系統(tǒng)存在著大量的機械設備，如主機系統(tǒng)、汽輪機、水泵等設備，需要應用機油對機械設備進行潤滑、冷卻和調(diào)速。在高溫環(huán)境和高速旋轉(zhuǎn)工況下，機油會釋放出大量的油氣，在船舶狹小的機艙內(nèi)，會嚴重影響機艙內(nèi)的空氣品質(zhì)[1]。隨著船舶設計、建造和使用水平的不斷提高，對船舶機艙的油氣污染控制提出了更高的要求，需要對機艙的油氣釋放特性和凈化方法進行深入研究[2–3]。

近年來，我國的研究人員針對船舶機艙的油氣污染開展了一些研究工作，如組織了機艙空氣組分定性定量實測[1–2]，研究了船舶汽輪機油揮發(fā)物的組成特征[3]，分析了油氣污染的傳播特性[4]等。但是，針對機艙內(nèi)系統(tǒng)設備在運行時釋放油氣的特性研究相對較為薄弱，尤其是對不同運行工況下，油氣釋放速率變化規(guī)律的研究。

船舶機艙中的油氣主要是以氣溶膠形式存在，本文采用環(huán)境監(jiān)測領域廣泛應用的氣溶膠監(jiān)測儀，對某船主機艙空氣中油氣濃度進行監(jiān)測，分析不同轉(zhuǎn)速工況下的艙室環(huán)境油氣濃度變化規(guī)律，再根據(jù)艙室油氣質(zhì)量平衡方程和凈化系統(tǒng)配置，推算主機的油氣釋放速率，研究不同轉(zhuǎn)速工況下的油氣釋放速率。

1 研究方法

1.1 測量原理

由于船舶機艙內(nèi)存在著相應的空氣凈化裝置和通風管，其氣溶膠監(jiān)測儀所測定的油氣濃度是油氣釋放、二次反應、凈化和通風等因素共同作用后的油氣濃度，假定系統(tǒng)運行期間，機艙油氣呈均勻分布狀態(tài)，艙室污染控制系統(tǒng)簡化模型如圖1 所示。

圖 1 船舶機艙油氣控制簡化模型Fig. 1 Simplified model of oil and gas control in ship engine room

圖中，C0為外界大氣污染物濃度，mg/m3；C（t）為t 時刻艙室污染物濃度，mg/m3；V 為艙室空氣凈容積，m3；Q 為送風（排風）風量，m3/h；M 為給定工況下艙室污染源單位體積釋放強度，m g/h/m3；CADR 為凈化設備潔凈空氣量，m3/h。

機艙油氣濃度實測數(shù)據(jù)如圖2 所示，當主齒輪機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，油氣釋放強度恒定，整個機艙油氣濃度會達到平衡狀態(tài)；在油氣的釋放過程中，各粒徑范圍內(nèi)的油氣濃度保持穩(wěn)定，說明油氣在機艙中并不發(fā)生二次反應和轉(zhuǎn)化。

圖 2 船舶主機艙油氣實測濃度分布Fig. 2 Oil and gas measured concentration distribution in the main engine compartment of the ship

據(jù)上述推論和船舶機艙環(huán)境實際特點，可對油氣控制模型進行簡化處理：1）機械動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，油氣釋放強度恒定；2）除設備凈化和通風排出外，不發(fā)生二次反應、轉(zhuǎn)化；3）艙室內(nèi)的油氣分布均勻；4）外界大氣為潔凈大氣，即C0=0。根據(jù)質(zhì)量守恒，艙室油氣濃度變化量等于釋放量減去消除量，可得集總參數(shù)模型：

對微分方程積分后得到：

當艙室處于通風工況時，機械設備在一定時間內(nèi)保持

工況不變，此時平衡濃度C、油氣釋放強度M 分別為：

故在通風工況下，根據(jù)通風風量、凈化設備潔凈空氣量和機艙污染物平衡濃度，可得到主齒輪機組的油氣釋放速率。

1.2 測量方法

本文以交付船東使用1 年后的某型船主機艙室為研究對象，該主機艙內(nèi)的主齒輪機組是艙室內(nèi)唯一的油氣釋放源。風機盤管送排風口位于艙室內(nèi)且分布均勻，在通風工況下，僅用于該艙室的降溫除濕，盤管內(nèi)不含空氣凈化模塊，但是可以保證艙室的油氣擴散處于均勻狀態(tài)，艙室內(nèi)的新風系統(tǒng)在通風工況下打開，其凈化風量為3 000 m3/h。

為獲取艙室油氣釋放速率，船舶在穩(wěn)定狀態(tài)下正常航行，主齒輪機組的輸出轉(zhuǎn)速依次穩(wěn)定在75/110/145/170/200 r/min，艙室通風處于受控狀態(tài)，應用氣溶膠監(jiān)測儀不間斷監(jiān)測主機艙室的油氣濃度實時變化。應用TSI8533 型氣溶膠檢測儀對油氣濃度進行連續(xù)檢測，如圖3 所示，該監(jiān)測儀由數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和光散射激光光度計組成，可以給出實時的油氣濃度讀數(shù)，可同時測量和顯示多個粒徑的油氣質(zhì)量濃度和計數(shù)個數(shù)。

圖 3 TSI8533 型氣溶膠監(jiān)測儀Fig. 3 TSI8533 aerosol monitor

2 結(jié)果及分析

2.1 機艙油氣釋放速率

由實際船舶設計及運行參數(shù)顯示，該型船的主機艙艙容體積為500 m3，其綜合凈化風量Q+CADR=3 000 m3/h。測試期間，艙室內(nèi)空氣的溫度為25 ℃±2 ℃，相對濕度為50%±5%，壓力為102.9 kPa。根據(jù)1.1 節(jié)的測量原理可知，當主機處于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，可根據(jù)公式（4）計算主齒輪機組的油氣釋放速率。試驗中依次提高主機轉(zhuǎn)速，分別在75/110/145/170/200 r/min 轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定航行，對各轉(zhuǎn)速下的油氣平衡計重濃度進行監(jiān)測，得到5 種轉(zhuǎn)速對應的油氣釋放速率，如表1 所示。

表 1 油氣釋放速率Tab. 1 Oil and gas release rate

將不同轉(zhuǎn)速對應的油氣釋放速率代入集總參數(shù)模型式（2），可得機艙油氣濃度在連續(xù)變工況下的油氣濃度實時變化規(guī)律，與實際氣溶膠監(jiān)測儀測量的油氣濃度對比，如圖4 所示?？梢钥闯?，實時油氣濃度監(jiān)測值與集總參數(shù)模型預測值的偏差在10%以內(nèi)，說明根據(jù)船舶主機艙的油氣釋放特性和環(huán)境特點，應用集總參數(shù)控制模型能較為準確地計算主齒輪機組的實際油氣釋放速率，對機艙油氣實時濃度進行很好的預測。

圖 4 油氣釋放速率曲線圖Fig. 4 Oil and gas release rate curve

2.2 機艙油氣釋放速率的影響因素

帶有滑油潤滑的旋轉(zhuǎn)機械在運轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生大量的油氣，這些油氣主要是來自于高溫蒸發(fā)、離心力作用和氣液轉(zhuǎn)化，Gunter 和Sutherland[5]對機械車削機床的油氣釋放進行過研究，其研究表明轉(zhuǎn)速是影響油氣產(chǎn)生的主要因素。本文在試驗期間，其主齒輪機組溫度和環(huán)境參數(shù)基本保持不變，通過測試得到不同穩(wěn)定轉(zhuǎn)速對應的油氣釋放速率，如圖5 所示，其擬合曲線表明，油氣的釋放速率與主齒輪機組輸出轉(zhuǎn)速的平方成正比，從理論上分析可知，油氣的釋放是主機內(nèi)滑油隨著旋轉(zhuǎn)機械進行高速旋轉(zhuǎn)運動，當微小液態(tài)油滴所需向心力大于油的粘性力時，就會被甩出進行形成各種粒徑的液態(tài)氣溶膠，由向心力公式F=m（2πN）2r（m 為油滴質(zhì)量；N 為轉(zhuǎn)速；r 為旋轉(zhuǎn)半徑）可知，向心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，隨著轉(zhuǎn)速增加，向心力不斷增加，被甩出的油滴數(shù)量也就會相應增加，因此油氣的釋放速率與轉(zhuǎn)速的平方成正比關系是有一定的理論依據(jù)的。

圖 5 轉(zhuǎn)速與油氣釋放速率的關系Fig. 5 Relationship between rotational speed and oil and gas release rate

3 結(jié) 語

本文根據(jù)船舶機艙主齒輪機組的油氣釋放特性和環(huán)境特點，應用艙室環(huán)境集總參數(shù)控制模型和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的油氣平衡濃度實際監(jiān)測值，計算得到了某典型船舶主齒輪機組在穩(wěn)定工況下的油氣釋放速率，并通過對比得到集總參數(shù)模型對連續(xù)變工況下的機艙油氣濃度預測值與實際監(jiān)測值的偏差在10%以內(nèi)，說明該方法計算得到的油氣釋放速率和機艙油氣在連續(xù)變工況下的預測值相對準確可靠。同時，初步發(fā)現(xiàn)并分析了主齒輪機組油氣釋放速率與輸出轉(zhuǎn)速的平方成正比例關系。以上內(nèi)容對船舶油氣凈化系統(tǒng)設計和污染控制具有一定的指導意義，下一步將結(jié)合機械設備的幾何特性、運行工況，進一步研究類似旋轉(zhuǎn)機的油氣發(fā)生機理。