高速機(jī)舷側(cè)排氣系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

秦 俊 陳昆鵬 楊 帆

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 上海200135）

引 言

船舶排氣系統(tǒng)的主要作用是將主輔機(jī)（鍋爐）的廢氣排至大氣中去。船舶排氣的流速一般相對較高，壓力的波動也比較大，由柴油機(jī)激勵產(chǎn)生的氣體共振在煙囪的排氣管內(nèi)形成強(qiáng)烈的壓力脈動，除引起排氣管系統(tǒng)的振動外，還會在船舶煙囪附近產(chǎn)生振動，這種振動會讓人感到一種遍布全身的壓力。在橋樓產(chǎn)生的高噪聲級的噪聲源，最常見的就是這種排氣噪聲。通常我們一方面需要合理設(shè)計排氣管路，另外也需要在排氣管上加裝消音器來降低排氣噪聲。此外，排氣系統(tǒng)的選擇和布局對于主、輔機(jī)的工作效率和狀態(tài)也有至關(guān)重要的影響，一套布局與形式合理的排氣系統(tǒng)可以有效降低排氣背壓，提高柴油機(jī)的熱效率。所以，排氣系統(tǒng)的設(shè)計是否合理，直接影響該船的航行性能和人員的舒適性。

1 舷側(cè)排氣簡介

舷側(cè)排氣是一種較為新穎的機(jī)艙排氣方法，多應(yīng)用于空間有限的高速船，也可應(yīng)用于需要較高舒適性的游輪、客輪等。它去掉煙囪，采用橫向輸送管系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煙道用于排放廢氣。由于這種船舶空間有限，一般不采用額外廢氣冷卻系統(tǒng)和廢氣將化裝置來處理廢氣，而采用將海水噴射入排氣導(dǎo)管內(nèi)來冷卻廢氣的濕式排氣方式。排氣口可布置于水線附近，不僅節(jié)省露天甲板空間，也提升美觀性，同時對于某些特殊用途船還提升其隱蔽性。舷側(cè)排氣分為舷側(cè)水上排氣及舷側(cè)水下排氣。本文將著重介紹舷側(cè)排氣的水上排氣分支。并以MTU 12V4000M93為例作為本文的計算依據(jù)。

2 舷側(cè)排氣系統(tǒng)的主要組成及功能

圖1展示的是一個典型的舷側(cè)排氣布置圖，可以看到整個系統(tǒng)可由12個不同的部件組成。

圖1 舷側(cè)排氣系統(tǒng)主要組成部分

每個部件具有不同的功能，下文將對各部件及其功能簡單介紹如下：

2.1 集氣管及消音器

該部件的主要作用是連接主機(jī)的排氣上升管并將上升管中的廢氣排出至排氣管，同時也兼顧了減少廢氣噪聲的效果；其與上升管及排氣管的主要連接方式為膨脹節(jié)（補(bǔ)償器）連接，并用彈性支撐固定在船體結(jié)構(gòu)上。

2.2 膨脹節(jié)

如上所述，膨脹節(jié)是用于連接集氣管與排氣管的撓性部件，其長度可由排氣管的熱膨脹以及振動帶來的軸向和側(cè)向位移來決定。膨脹節(jié)的主要作用是提高排氣系統(tǒng)的柔度，以便對應(yīng)排氣管由于熱膨脹帶來軸向位移和排氣管振動引起的側(cè)向位移。

2.3 冷卻海水噴射系統(tǒng)

冷卻海水噴射系統(tǒng)是排氣系統(tǒng)中較為重要的一個部分。它可以將海水噴射至排氣管內(nèi)，用于冷卻排氣管內(nèi)的廢氣溫度，降低排氣管的噪聲強(qiáng)度，同時也可以減少排出至大氣中的有害物質(zhì)。由于在冷卻廢氣時，可以減少廢氣的體積，從而對整個排氣系統(tǒng)的大小尺寸、重量都帶來了積極影響。圖2所展示的數(shù)據(jù)為系統(tǒng)中海水噴射量和相對應(yīng)廢氣溫度的變化量。不難看出，海水的注入對廢氣溫度產(chǎn)生的影響十分明顯。

圖2 海水噴射與排氣溫度對比（來源：Mecmar/SNARC）

由于海水與廢氣混合后的殘渣有較強(qiáng)腐蝕性，所以在海水噴嘴之后的排氣管將采用鈦金屬制造。鈦金屬對于高溫、高腐蝕的抵抗性明顯優(yōu)于不銹鋼。

2.4 排氣閥

排氣閥一般為法蘭式蝶閥，通常安裝在海水噴射口之后，穿艙至舷外之前。其開閉則由排氣系統(tǒng)來控制，主機(jī)停機(jī)時，排氣閥關(guān)閉，主機(jī)運(yùn)行時，排氣閥打開。

此外也有類似于止回閥式設(shè)計的排氣閥，在有廢氣排出的情況下，由于廢氣的壓力排氣閥會自動打開，而沒有壓力時會自動關(guān)閉，并防止海水倒灌。

2.5 導(dǎo)流帽

從圖上可以看出，導(dǎo)流帽的安裝位置為船體外側(cè)，排管的出口處。它是一個流線型設(shè)計的保護(hù)罩，可以防止海浪對船體拍擊而導(dǎo)致海水灌入。同時，在船舶航行時，可以在一定程度上減少整個排氣系統(tǒng)的背壓。

3 舷側(cè)排氣系統(tǒng)設(shè)計因素

由于舷側(cè)排氣不同于普通排氣系統(tǒng)，在布置、背壓和涉及的其他部件等，與普通排氣系統(tǒng)的差異較大，故在設(shè)計階段（特別是前期設(shè)計階段）需要考慮的因素也與煙囪排氣系統(tǒng)有較大差異。本章將特別闡述這些因素對設(shè)計產(chǎn)生的影響。

3.1 排氣管布置

相較于煙囪排氣的方式，舷側(cè)排氣的特點(diǎn)在于它的消音器與排氣管有一部分是橫置于機(jī)艙內(nèi)，并且，排氣管的出口離水線面的距離極小，有些甚至貼著水面布置。這種布置將會給主機(jī)帶來進(jìn)水的風(fēng)險，特別是在船舶左右橫搖的情況下。

為此，在排氣管設(shè)計時，需確保橫置的消音器或管段在船舶正常橫搖的情況下一直在水線以上。此種設(shè)計能最大限度地保證在沒有防水閥的情況下，也可防止海水因?yàn)榇暗臋M搖而反向灌入主機(jī)，而導(dǎo)致主機(jī)損壞的情況發(fā)生。

布置高度預(yù)估：布置排氣管時首先需考慮在狹小的機(jī)艙中能否布置？能否有足夠空間放置尺寸較大的消音器等部件。舷側(cè)排氣由于排氣口離水線較近，為了防止海水在船舶橫搖的時候倒灌進(jìn)入主機(jī)，一般要求排氣管橫置的部分能在船舶橫搖角度達(dá)到22.5°的時候依舊能夠保持在水線以上。

下頁圖3所示是船舶在22.5°橫搖情況下的水線變化狀況。可以很清楚地看到，雖然因船舶橫搖而導(dǎo)致水線升高，但消音器卻始終保持在水線之上，防止海水回流。

從圖3可以看出水線、消音器的高度和船寬的關(guān)系，可用簡單的三角函數(shù)加以表達(dá)。假設(shè)橫置排氣管的舷側(cè)端會在船舶寬度方向上大約3/4處，以此建立三角函數(shù)關(guān)系，并以船舶橫搖為中心點(diǎn)，便可求得在不同水線、船寬情況下水線上排氣管距離基線所需的最小距離要求。

圖3 船舶橫搖情況下的水線變化示意圖

圖4中所展示的便是在水線為0～9 m之間的情況下，船舶寬度對排氣管高處所在高度離船舶基線距離的影響?？梢?，船舶越寬，排氣管所在位置則越高。

圖4 橫搖22.5°下船寬對排氣管高度影響

3.2 排氣管直徑

排氣管的直徑一般由主機(jī)的排氣量以及廢氣的流速決定，且排氣的管徑會由舷側(cè)排氣系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家設(shè)計并計算完畢。但是，在設(shè)計初期并沒有廠家所做的資料以及相關(guān)數(shù)據(jù)，在制作方案布置圖時需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來預(yù)估排氣管的直徑；同時，舷側(cè)排氣設(shè)有海水噴射系統(tǒng)，海水冷卻后的廢氣溫度較低，廢氣的體積也將由于溫度的降低而縮小。從而使得海水噴射系統(tǒng)后的排氣管的大小不需要與集氣管出口相同，可以進(jìn)一步減少其直徑，對布置產(chǎn)生有利影響。那么在這個階段，對于排氣管直徑的大小預(yù)估，可以為設(shè)計師在前期方案布局時提供方便。文中計算時所采用的主機(jī)以MTU 12V4000M93為計算依據(jù)，排氣管干燥狀態(tài)下的廢氣流速為45 m/s，海水噴射系統(tǒng)后的濕排氣管道內(nèi)廢氣流速為30 m/s。

排氣管直徑預(yù)估：排氣管的直徑與主機(jī)所排放出來的的廢氣體積有著直接聯(lián)系，而廢氣體積與廢氣的溫度相關(guān)聯(lián)［2］。所以在預(yù)估排氣管直徑的時候，首先要知道廢氣體積與廢氣溫度的關(guān)系。本文中計算廢氣體積的理想氣體方程為：

式中：P為壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；n為物質(zhì)的量（mol）n=m/M；m為質(zhì)量；M為摩爾質(zhì)量，g/mol；R為氣體常數(shù)8.314 J/mol·K；T為溫度，K（1 K=273.15+℃）。

計算時，以MTU出品的12V4000M93主機(jī)為計算樣本，該主機(jī)詳細(xì)參數(shù)如下：

主機(jī)型號： MTU 12V 4000M93

主機(jī)功率： 2 340 kW

主機(jī)轉(zhuǎn)速： 2 100 r/min

廢氣排量： 7.3 m3/s

廢氣溫度： 470 ℃

排氣背壓 （設(shè)計）： 30 kPa

排氣背壓 （最大）： 85 kPa

高速機(jī)在燃燒MGO的情況下，其廢氣中所含物質(zhì)大致由PM粒子、氮氧化物（NOX）、碳?xì)浠衔铮℉C）、二氧化碳（CO2）、硫化物（SOX）組成［1］。表1中反映了主機(jī)廢氣中所含物質(zhì)的比例，其中二氧化碳的含量大大高于其他物質(zhì)，達(dá)到了97.5%的占比，而PM顆粒以及碳?xì)浠衔飫t占比最小。

在計算排氣管內(nèi)溫度時，摩爾質(zhì)量n為一個重要的指標(biāo)。從主機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)中我們可以知道該主機(jī)廢氣量為7.3 m3/s，因此可以反推出主機(jī)廢氣中所有物質(zhì)的摩爾質(zhì)量之和，數(shù)據(jù)為120.5 mol。在得知摩爾質(zhì)量n之后，便可用理想氣體方程計算出廢氣溫度變化對廢氣體積及排氣管產(chǎn)生的影響。

表1 廢氣所含物質(zhì)

圖5所展示便是計算出來的兩個數(shù)值：廢氣體積和排氣管直徑，都隨著廢氣溫度下降而變小。對于文中所引用的MTU 12V4000M93機(jī)來說，在470℃的廢氣溫度情況下，廢氣未經(jīng)過海水噴射系統(tǒng)冷卻時，所需排氣管半徑為0.25 m左右，排氣管半徑約為0.25 m。而在廢氣經(jīng)過海水噴射冷卻系統(tǒng)之后，溫度降將至90℃左右，這時廢氣體積約為3.6 m3/s，由此可以得到排氣管的半徑大約為0.2 m。比470℃的排氣管減少近50 mm的半徑。這個變化可以在一定程度上為排氣管的布置帶來便利，也便于安裝。

圖5 排氣溫度對排氣管的影響

3.3 導(dǎo)流帽對背壓的影響

背壓一般指流體在運(yùn)動時遇到障礙物而產(chǎn)生與其運(yùn)動方向相反的壓力。主機(jī)的最大背壓可承受能力由主機(jī)廠商提出，在設(shè)計排管及其走向時，所導(dǎo)致的排氣背壓數(shù)值不能超過主機(jī)最大背壓可承受力，不然將會導(dǎo)致工作狀態(tài)不穩(wěn)定，甚至損壞主機(jī)。

首先，排氣背壓升高的最直接后果是使主機(jī)的單次沖程循環(huán)變長，由于主機(jī)需要做更多的功來完成排氣沖程，從而導(dǎo)致主機(jī)熱效率變低。在主機(jī)高速時排氣背壓對于熱效率的影響會比低速運(yùn)行時高得多。［5］

此外，排氣背壓升高也導(dǎo)致主機(jī)排氣溫度升高。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，排氣溫度會隨著背壓的提升而升高，勢必導(dǎo)致主機(jī)熱載荷上升，這樣會使主機(jī)熱應(yīng)力變大，從而導(dǎo)致主機(jī)的汽缸頭、活塞等部件產(chǎn)生熱疲勞損傷，降低主機(jī)壽命。

最后，排氣背壓對主機(jī)燃油消耗率有著很大影響。主機(jī)需要更多的燃油消耗來克服排氣背壓的升高，以便維持一個恒定的功率，但這些功并不是有效功。因此，排氣背壓升高會直接導(dǎo)致燃油消耗量上升。

由此可知，排氣管設(shè)計時應(yīng)考慮其布置方法所導(dǎo)致的排氣背壓問題，背壓的計算應(yīng)是排氣管布置的一個指導(dǎo)性文件。在舷側(cè)排氣系統(tǒng)中，安裝于船體外側(cè)排氣管出口處的導(dǎo)流帽是一個流線型的保護(hù)罩。在船舶航行時，該導(dǎo)流帽不僅可以防止海水進(jìn)入排氣管內(nèi)，也可以在一定程度上使導(dǎo)流帽內(nèi)側(cè)的空氣產(chǎn)生負(fù)壓狀態(tài)，從而幫助減小排氣管內(nèi)部的背壓。下節(jié)將使用Starccm+模擬空氣流過導(dǎo)流帽時的狀態(tài)，以測算該導(dǎo)流帽是否會對背壓產(chǎn)生正面影響。

3.3.1 計算模型與邊界設(shè)定

STAR-CCM+是一款應(yīng)用較為廣泛的CFD求解軟件，在本次計算時采用的是STAR-CCM+13版本。本計算模型區(qū)域建立時忽略了復(fù)雜自然環(huán)境可能對氣體流動造成的影響，也就是將大氣中的氣流流動初始值設(shè)定為0 m/s的無風(fēng)狀態(tài)，并且將船體壁面設(shè)定為為光滑壁面。本次計算所采用雷諾平均納維-斯托克斯方程（Reynolds-Averaged Continuity and Navier-Stokes Equations）來模擬氣體流過導(dǎo)流帽的湍流狀態(tài)，而湍流的模型則采用應(yīng)用較為廣泛的k-ε模型（K-epsilon）。

圖6所展示的為本次計算的3D模型，排氣管的出口大小為400 mm，在其外側(cè)的正方形則可視作船體外板。排氣管出口安置一個流線型的導(dǎo)流帽，氣流將自船首經(jīng)過導(dǎo)流帽流至船尾。模擬時的流速設(shè)置則是采用航速所轉(zhuǎn)化而來的風(fēng)速進(jìn)行計算模擬。

圖6 導(dǎo)流罩模型

圖7的網(wǎng)格示意可以清楚地看出本次模擬中的邊界設(shè)定，計算域右側(cè)設(shè)定為速度進(jìn)口，各航速下的氣流將由此處進(jìn)入計算域進(jìn)行計算。而左側(cè)則為壓力出口。

圖7 網(wǎng)格示意

3.3.2 計算結(jié)果

圖8 -圖11為本次模擬的部分結(jié)果。在流體經(jīng)過導(dǎo)流帽時，導(dǎo)流帽外側(cè)的流速會驟然升高，而在導(dǎo)流帽內(nèi)側(cè)的流速則小于所設(shè)定的進(jìn)口流速；同時，在壓力標(biāo)量視圖也清晰可見，導(dǎo)流帽前端的壓力由于氣流的沖擊而大大升高，呈現(xiàn)紅色區(qū)域，而導(dǎo)流帽內(nèi)側(cè)的壓力則為負(fù)值，這說明在使用導(dǎo)流帽的情況下的確可以在一定程度上使導(dǎo)流帽保護(hù)區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓，而減少排氣管的背壓。

那么，在此基礎(chǔ)上，導(dǎo)流帽在不同航速下所產(chǎn)生的負(fù)壓值具體是多少，是否能夠真正在一定量級上幫助排氣管來減少其產(chǎn)生的背壓，則需要一定的數(shù)據(jù)量作為支撐。

圖8 1 m/s流速下的速度矢量

圖9 1 m/s流速下的截面壓力標(biāo)量

圖10 10 m/s流速下的速度矢量

圖11 15 m/s流速下的截面壓力標(biāo)量

表2 航速與導(dǎo)流帽負(fù)壓值的關(guān)系

圖12 導(dǎo)流罩對壓力的影響

表2以及下頁圖12中的數(shù)據(jù)顯示的為排氣口附近各個不同空氣流速下的壓力變化趨勢。由于一般情況下采用舷側(cè)排氣的均為有一定速度需求的小型艦船，所以本次CFD模擬時空氣流速的設(shè)定值為1～15 m/s，分別對每個速度進(jìn)行模擬計算。測試結(jié)果表明，在有導(dǎo)流帽的情況下，空氣流過導(dǎo)流帽時，在排氣口附近的確會形成一個負(fù)壓區(qū)域，并且隨著船舶航速的升高，該區(qū)域負(fù)壓值也越大。說明導(dǎo)流帽的存在確實(shí)可以幫助排氣管來減少它的背壓值。但是，在30 kn航速下，該負(fù)壓區(qū)的數(shù)值最大也只有- 41 Pa，而我們主機(jī)的允許背壓為30 kPa。也就是主機(jī)可以承受3 000 Pa的背壓，哪怕在30 kn航速的情況下，導(dǎo)流帽也只能形成一個- 41 Pa的負(fù)壓區(qū)，對于排氣管的整體背壓并無太大幫助。

4 結(jié) 語

本文首先在排氣管的高度位置、管徑預(yù)估以及導(dǎo)流帽對背壓的影響等方面對舷側(cè)排氣的前期設(shè)計進(jìn)行預(yù)估及計算，這些計算的數(shù)據(jù)可以幫助設(shè)計師在前期設(shè)計中預(yù)估排氣管所需的基本高度位置，以便確認(rèn)機(jī)艙高度是否足夠。同時，通過對排氣管管徑的預(yù)估，則可預(yù)測排氣管所需的直徑，以及在海水冷卻后所需的排氣管大小，從而得出排氣管在機(jī)艙布置的前期設(shè)計方案。最后，對船體外板上的導(dǎo)流帽進(jìn)行CFD模擬，并得出結(jié)論：導(dǎo)流帽雖然可在一定程度上幫助排氣管減少排氣背壓，但是相對于主機(jī)可以承受的總背壓來說，這個負(fù)壓的數(shù)值并不大。所以設(shè)計師并無必要考慮導(dǎo)流帽所帶來的排氣背壓減少，但設(shè)計時還是需要計算整個排氣管的背壓數(shù)值。