運(yùn)用隧道風(fēng)機(jī)的客滾船滾裝處所通風(fēng)設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算

徐 謙，趙自兵，趙永波，呂明廣

（1.招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海200137；2.招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東威海 264205）

0 引 言

在客滾船設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，通常會(huì)盡可能地增加車道米長(zhǎng)度，留給通風(fēng)系統(tǒng)的空間非常有限，而規(guī)范對(duì)滾裝處所通風(fēng)的要求是每小時(shí)換氣次數(shù)不少于10 次，風(fēng)量巨大，需在滾裝處所布置大量風(fēng)機(jī)和風(fēng)道，在此情況下，如何在狹小的空間內(nèi)完成通風(fēng)設(shè)計(jì)是一個(gè)難題。滾裝處所的通風(fēng)方式一般有4 種（見(jiàn)圖1），具體包括：

圖1 滾裝處所基本通風(fēng)方式

1）自然通風(fēng)，該方式無(wú)需通風(fēng)設(shè)備和風(fēng)道，但需在兩舷布置大量開(kāi)孔，一方面會(huì)導(dǎo)致滾裝處所的環(huán)境惡化，雨水易進(jìn)入室內(nèi)，整個(gè)滾裝處所等同于室外，另一方面會(huì)減弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和外部結(jié)構(gòu)的美觀性；

2）使用隧道風(fēng)機(jī)產(chǎn)生射流縱向通風(fēng)，該方式相比其他機(jī)械通風(fēng)方式能大量減少風(fēng)道，這對(duì)于空間狹小的客滾船而言是非常有利的；

3）側(cè)向排補(bǔ)式全橫向通風(fēng)；

4）壓入式半橫向通風(fēng)。

隧道風(fēng)機(jī)是一種無(wú)風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)裝置，可通過(guò)射流縱向通風(fēng)構(gòu)建流場(chǎng)，解決一些設(shè)計(jì)難題，已在公路隧道和地下車庫(kù)得到廣泛應(yīng)用，已有學(xué)者對(duì)這種通風(fēng)裝置在船舶通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。例如：劉亞琴等和王少鵬等采用射流通風(fēng)減少機(jī)艙的局部高溫和空氣滯留區(qū)；楊勇等采用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)替代通風(fēng)風(fēng)管，改善機(jī)艙內(nèi)的氣流組織；卜鋒斌采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究在大型船舶車輛艙內(nèi)布置無(wú)風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)裝置的主要影響因素。

目前有關(guān)在滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用隧道風(fēng)機(jī)的計(jì)算方法很少，因此本文根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《隧道用射流風(fēng)機(jī)的技術(shù)條件》（JB/T 10489—2004），結(jié)合滾裝處所的特點(diǎn)，提出滾裝處所采用隧道風(fēng)機(jī)的計(jì)算方法和常用的設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)。以某型客滾船為例，著重介紹隧道風(fēng)機(jī)在滾裝處所通風(fēng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用的計(jì)算選型和優(yōu)化比較。

1 隧道風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)和滾裝處所推力計(jì)算方法

1.1 隧道風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)

隧道風(fēng)機(jī)是一種特殊的軸流風(fēng)機(jī)，主要應(yīng)用于隧道等縱向通風(fēng)空間內(nèi)，客滾船的滾裝處所比較狹長(zhǎng)，類似于隧道，適合運(yùn)用隧道風(fēng)機(jī)，一般將隧道風(fēng)機(jī)懸掛在通風(fēng)空間頂部或兩側(cè)，不占用車道空間。隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，通風(fēng)空間內(nèi)的一部分空氣從風(fēng)機(jī)的一端吸入，經(jīng)葉輪加速之后，從風(fēng)機(jī)的另一端高速噴出，這部分高速氣流將能量傳遞給通風(fēng)空間內(nèi)的其他空氣，產(chǎn)生一定的空氣壓差，從而推動(dòng)通風(fēng)空間內(nèi)的空氣沿風(fēng)機(jī)噴射氣流方向運(yùn)動(dòng)。

隧道風(fēng)機(jī)有單向和雙向2 種，評(píng)判風(fēng)機(jī)大小的主要指標(biāo)是風(fēng)機(jī)推力，其計(jì)算公式為

式（1）中：為風(fēng)機(jī)推力；ρ為空氣密度；為風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)速；為風(fēng)機(jī)出口的流量。

隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可帶動(dòng)周圍氣體運(yùn)動(dòng)，能帶動(dòng)幾倍于風(fēng)機(jī)風(fēng)量的氣體運(yùn)動(dòng)。

按隧道風(fēng)機(jī)射流的氣流組織（見(jiàn)圖2），距離風(fēng)機(jī)出口處的風(fēng)量與風(fēng)機(jī)本身風(fēng)量的比值為

圖2 隧道風(fēng)機(jī)射流的氣流組織

式（2）中：為隧道風(fēng)機(jī)的直徑。

以DN400，10 000 m/h 的隧道風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)距離風(fēng)機(jī)3 m處的風(fēng)量放大倍數(shù)為8.56 時(shí)，即可推動(dòng)85 600 m/h的氣體運(yùn)動(dòng)。

1.2 滾裝處所需求推力的計(jì)算方法

隧道風(fēng)機(jī)的總推力用于克服滾裝處所的空氣阻力，該阻力主要由3 部分組成。

1）滾裝處所進(jìn)口空氣阻力Δ，通常取滾裝處所內(nèi)空氣動(dòng)壓的1.5 倍，有

式（3）中：為滾裝處所的設(shè)計(jì)風(fēng)速。

2）滾裝處所內(nèi)表面摩擦損失Δ，考慮到滾裝處所表面有很多結(jié)構(gòu)，主要是大梁，摩擦因數(shù)取0.4，有

式（4）中：為滾裝處所的長(zhǎng)度；為滾裝處所的當(dāng)量直徑取4 倍的橫截面積與截面周長(zhǎng)的比值。

3）滾裝處所進(jìn)出口的局部壓降Δ，主要是面積變化產(chǎn)生的壓力損失，有

式（5）中：為滾裝處所進(jìn)出口的橫截面積；為滾裝處所的橫截面積。

滾裝處所內(nèi)的總推力為

2 隧道風(fēng)機(jī)在滾裝處所通風(fēng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

選用某型客滾船5 ～7 甲板的滾裝處所為研究對(duì)象，其中：滾裝處所長(zhǎng)為170 m，寬為27 m，高為6 m；艏門寬為7 m，高為5 m。貨艙的通風(fēng)設(shè)計(jì)需滿足10 次/h的換氣次數(shù)要求，即通風(fēng)量為275 400 m/h，滾裝處所內(nèi)的風(fēng)速為0.5 m/s。

滾裝處所艏部布置有抽風(fēng)機(jī)，當(dāng)艏門關(guān)閉時(shí)，該風(fēng)機(jī)能滿足滾裝處所10 次/h的換氣次數(shù)要求，但當(dāng)艏門打開(kāi)時(shí)，艏部風(fēng)機(jī)會(huì)形成短路，可運(yùn)用隧道風(fēng)機(jī)解決該問(wèn)題。隧道風(fēng)機(jī)布置圖見(jiàn)圖3。

圖3 隧道風(fēng)機(jī)布置圖

艏門打開(kāi)時(shí)，僅使用隧道風(fēng)機(jī)滿足10 次/h的換氣次數(shù)要求。滾裝處所內(nèi)的風(fēng)速為0.5 m/s；艏門處的風(fēng)速為2.2 m/s；滾裝處所內(nèi)的當(dāng)量直徑為10 m。按照式（3）～式（6）進(jìn)行計(jì)算，滾裝處所內(nèi)需求的水平總推力為400 N?？紤]滾裝處所內(nèi)的大梁，隧道風(fēng)機(jī)出口的氣流為避開(kāi)大梁，有向下30°的傾角，隧道風(fēng)機(jī)安裝圖見(jiàn)圖4，因此需求的隧道風(fēng)機(jī)總推力為457 N。

圖4 隧道風(fēng)機(jī)安裝圖

根據(jù)需求的隧道風(fēng)機(jī)總推力，設(shè)計(jì)以下3 套方案：

1）方案一，選用12 臺(tái)推力為38 N或6 臺(tái)推力為76 N的可逆隧道風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)的氣流方向與外部風(fēng)向一致，這樣在計(jì)算時(shí)可不用考慮外部自然風(fēng)對(duì)滾裝處所通風(fēng)的影響。

2）方案二，若選用不可逆隧道風(fēng)機(jī)，需考慮外部自然風(fēng)的影響，自然風(fēng)產(chǎn)生的外部推力的計(jì)算公式為

式（7）中：為外部自然風(fēng)風(fēng)速。

當(dāng)自然風(fēng)的風(fēng)速能克服滾裝處所的總推力時(shí)，可不啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，即當(dāng)外部自然風(fēng)的推力為400 N 時(shí)，外部自然風(fēng)的風(fēng)速為4.4 m/s；當(dāng)風(fēng)速小于4.4 m/s時(shí)，隧道風(fēng)機(jī)需同時(shí)克服滾裝處所的總推力和艏門的自然風(fēng)阻力，需要2 倍的水平推力，即800 N，需選用12 臺(tái)推力76 N的不可逆隧道風(fēng)機(jī)。

3）方案三，當(dāng)選用不可逆隧道風(fēng)機(jī)時(shí)，可考慮隧道風(fēng)機(jī)與艏部的4 臺(tái)抽風(fēng)機(jī)（每臺(tái)抽風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量為68 850 m/h，功率為40 kW）同時(shí)使用，隧道風(fēng)機(jī)的作用是抑制艏門打開(kāi)時(shí)短路的風(fēng)，即克服自然風(fēng)產(chǎn)生的阻力，隧道風(fēng)機(jī)需求的總推力為457 N，可用12 臺(tái)推力為38 N的隧道風(fēng)機(jī)。

隧道風(fēng)機(jī)3 套應(yīng)用方案對(duì)比見(jiàn)表1?？紤]到艏部抽風(fēng)機(jī)本來(lái)就需要布置，艏門關(guān)閉時(shí)用于抽風(fēng)，方案三的初期投資最少，且控制簡(jiǎn)單，隧道風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)取決于艏門的開(kāi)閉狀態(tài)，但因需要啟動(dòng)艏部抽風(fēng)機(jī)，電力負(fù)荷遠(yuǎn)大于另外2 套方案；方案一的初期投資少于方案二，隧道風(fēng)機(jī)的推力為方案二的1/2，功耗比較少，缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，需根據(jù)外部自然風(fēng)的方向選擇不同的運(yùn)作方向，而該風(fēng)向是不確定的。

表1 隧道風(fēng)機(jī)3 套應(yīng)用方案對(duì)比

在該客滾船項(xiàng)目中選用方案二，能成功解決滾裝處所裝卸貨時(shí)，艏門打開(kāi)后的通風(fēng)問(wèn)題，省去很多結(jié)構(gòu)風(fēng)口，大大簡(jiǎn)化貨艙通風(fēng)裝置的布置，12 臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)分成3 組，每組4 臺(tái)。在實(shí)船測(cè)試中，通過(guò)煙霧試驗(yàn)證明該隧道風(fēng)機(jī)應(yīng)用方案是有效的。

3 結(jié) 語(yǔ)

隧道風(fēng)機(jī)不僅能改善滾裝處所的氣流組織，而且能滿足大風(fēng)量的換氣次數(shù)要求，這是滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新思路，可減少結(jié)構(gòu)風(fēng)管，解決設(shè)計(jì)中存在的一些難題，比如艉部永久敞開(kāi)的滾裝處所在艏門打開(kāi)時(shí)的氣流組織問(wèn)題。本文詳細(xì)闡述了隧道風(fēng)機(jī)選型的計(jì)算公式，該公式參考了隧道用射流風(fēng)機(jī)的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合了滾裝處所結(jié)構(gòu)的特殊性。此外，以實(shí)船為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了3 套隧道風(fēng)機(jī)應(yīng)用方案，并進(jìn)行了對(duì)比分析，其有效性得到了實(shí)船驗(yàn)證。