應(yīng)冬

摘要：海水倒灌會讓艦艇柴油機面臨嚴(yán)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(jìn)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(jìn)我國艦艇柴油機放海水倒灌水平的不斷提升與發(fā)展。

關(guān)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(zhuǎn)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(jìn)的動力，影響十分嚴(yán)重。下文通過模擬計算的方式，對發(fā)動機在水下的運轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)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(gòu)建

柴油機在水下想要正常的發(fā)動，需要一個復(fù)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(jìn)行模擬計算，還要在全面考慮的基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(xué)的基礎(chǔ)上構(gòu)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(gòu)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(jìn)氣管道、溫度、氣體成分等等各項的變化規(guī)律。

1.1.構(gòu)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(guān)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(yīng)進(jìn)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(shè)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(jìn)行精確。構(gòu)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(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhì)的流動，氣體和海水。想要完成其計算公式的構(gòu)建，必須將水下柴油發(fā)動機的后排氣管排放過程進(jìn)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(jìn)行計算考量，需要注意的是在構(gòu)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(gòu)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(jìn)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(xué)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(chǔ)之上進(jìn)行一定的計算能夠得出如下結(jié)論：當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)速實驗，實驗結(jié)果為：當(dāng)當(dāng)前水深為最大水深的82.8%時，柴油發(fā)動機的相對轉(zhuǎn)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(dāng)相對轉(zhuǎn)速≤0.69時會發(fā)生倒灌現(xiàn)象；當(dāng)當(dāng)前水深為最大水深時，相對轉(zhuǎn)速至少要在0.72以上，最好≥0.75，就不會發(fā)生導(dǎo)管現(xiàn)象。

將兩項實驗結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對轉(zhuǎn)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(dāng)相對轉(zhuǎn)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(jié)果是合理有效的。

2.2.停機過程中如何防治海水倒灌

當(dāng)艦艇發(fā)動機停機時，何時關(guān)閉排氣外舌閥是需要注意的問題。過早的關(guān)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(guān)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(dāng)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(yīng)當(dāng)在停止供油的同時關(guān)閉排氣外舌閥。雖然在停機過程中，排氣管的排氣壓力會遠(yuǎn)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(guān)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(guān)，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(jié)論

3.1.利用虛擬模型、構(gòu)建計算公式以及利用實驗研究的形式，探索當(dāng)水下柴油機處于啟動、運轉(zhuǎn)元以及停機狀態(tài)時后排氣管中的氣流流速變化可知，當(dāng)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(guān)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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