秦 俊 陳昆鵬 楊 帆

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)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(duì)較高，壓力的波動(dòng)也比較大，由柴油機(jī)激勵(lì)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(dòng)，除引起排氣管系統(tǒng)的振動(dòng)外，還會(huì)在船舶煙囪附近產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)讓人感到一種遍布全身的壓力。在橋樓產(chǎn)生的高噪聲級(jí)的噪聲源，最常見(jiàn)的就是這種排氣噪聲。通常我們一方面需要合理設(shè)計(jì)排氣管路，另外也需要在排氣管上加裝消音器來(lái)降低排氣噪聲。此外，排氣系統(tǒng)的選擇和布局對(duì)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(jì)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(jiǎn)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(lái)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(lái)處理廢氣，而采用將海水噴射入排氣導(dǎo)管內(nèi)來(lái)冷卻廢氣的濕式排氣方式。排氣口可布置于水線(xiàn)附近，不僅節(jié)省露天甲板空間，也提升美觀(guān)性，同時(shí)對(duì)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(jì)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(gè)典型的舷側(cè)排氣布置圖，可以看到整個(gè)系統(tǒng)可由12個(gè)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(gè)部件具有不同的功能，下文將對(duì)各部件及其功能簡(jiǎn)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(shí)也兼顧了減少?gòu)U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(zhǎng)度可由排氣管的熱膨脹以及振動(dòng)帶來(lái)的軸向和側(cè)向位移來(lái)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(duì)應(yīng)排氣管由于熱膨脹帶來(lái)軸向位移和排氣管振動(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)，可以減少?gòu)U氣的體積，從而對(duì)整個(gè)排氣系統(tǒng)的大小尺寸、重量都帶來(lái)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(duì)應(yīng)廢氣溫度的變化量。不難看出，海水的注入對(duì)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(duì)比（來(lái)源：Mecmar/SNARC）

由于海水與廢氣混合后的殘?jiān)休^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(duì)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(kāi)閉則由排氣系統(tǒng)來(lái)控制，主機(jī)停機(jī)時(shí)，排氣閥關(guān)閉，主機(jī)運(yùn)行時(shí)，排氣閥打開(kāi)。

此外也有類(lèi)似于止回閥式設(shè)計(jì)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(huì)自動(dòng)打開(kāi)，而沒(méi)有壓力時(shí)會(huì)自動(dòng)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(gè)流線(xiàn)型設(shè)計(jì)的保護(hù)罩，可以防止海浪對(duì)船體拍擊而導(dǎo)致海水灌入。同時(shí)，在船舶航行時(shí)，可以在一定程度上減少整個(gè)排氣系統(tǒng)的背壓。

3 舷側(cè)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)階段（特別是前期設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)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(xiàn)面的距離極小，有些甚至貼著水面布置。這種布置將會(huì)給主機(jī)帶來(lái)進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在船舶左右橫搖的情況下。

為此，在排氣管設(shè)計(jì)時(shí)，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(xiàn)以上。此種設(shè)計(jì)能最大限度地保證在沒(méi)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(shí)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(xiàn)較近，為了防止海水在船舶橫搖的時(shí)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(shí)候依舊能夠保持在水線(xiàn)以上。

下頁(yè)圖3所示是船舶在22.5°橫搖情況下的水線(xiàn)變化狀況?？梢院芮宄乜吹?，雖然因船舶橫搖而導(dǎo)致水線(xiàn)升高，但消音器卻始終保持在水線(xiàn)之上，防止海水回流。

從圖3可以看出水線(xiàn)、消音器的高度和船寬的關(guān)系，可用簡(jiǎn)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(huì)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(xiàn)、船寬情況下水線(xiàn)上排氣管距離基線(xiàn)所需的最小距離要求。

圖3 船舶橫搖情況下的水線(xiàn)變化示意圖

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

圖4 橫搖22.5°下船寬對(duì)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?zèng)Q定，且排氣的管徑會(huì)由舷側(cè)排氣系統(tǒng)的生產(chǎn)廠(chǎng)家設(shè)計(jì)并計(jì)算完畢。但是，在設(shè)計(jì)初期并沒(méi)有廠(chǎng)家所做的資料以及相關(guān)數(shù)據(jù)，在制作方案布置圖時(shí)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)預(yù)估排氣管的直徑；同時(shí)，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(duì)布置產(chǎn)生有利影響。那么在這個(gè)階段，對(duì)于排氣管直徑的大小預(yù)估，可以為設(shè)計(jì)師在前期方案布局時(shí)提供方便。文中計(jì)算時(shí)所采用的主機(jī)以MTU 12V4000M93為計(jì)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(lái)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(shí)候，首先要知道廢氣體積與廢氣溫度的關(guān)系。本文中計(jì)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(jì)算時(shí)，以MTU出品的12V4000M93主機(jī)為計(jì)算樣本，該主機(jī)詳細(xì)參數(shù)如下：

主機(jī)型號(hào)： 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(jì)）： 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(jì)算排氣管內(nèi)溫度時(shí)，摩爾質(zhì)量n為一個(gè)重要的指標(biāo)。從主機(jī)廠(chǎng)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(jì)算出廢氣溫度變化對(duì)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(jì)算出來(lái)的兩個(gè)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(duì)于文中所引用的MTU 12V4000M93機(jī)來(lái)說(shuō)，在470℃的廢氣溫度情況下，廢氣未經(jīng)過(guò)海水噴射系統(tǒng)冷卻時(shí)，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(guò)海水噴射冷卻系統(tǒng)之后，溫度降將至90℃左右，這時(shí)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(gè)變化可以在一定程度上為排氣管的布置帶來(lái)便利，也便于安裝。

圖5 排氣溫度對(duì)排氣管的影響

3.3 導(dǎo)流帽對(duì)背壓的影響

背壓一般指流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到障礙物而產(chǎn)生與其運(yùn)動(dòng)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(chǎng)商提出，在設(shè)計(jì)排管及其走向時(shí)，所導(dǎo)致的排氣背壓數(shù)值不能超過(guò)主機(jī)最大背壓可承受力，不然將會(huì)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(zhǎng)，由于主機(jī)需要做更多的功來(lái)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(shí)排氣背壓對(duì)于熱效率的影響會(huì)比低速運(yùn)行時(shí)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(shí)，排氣溫度會(huì)隨著背壓的提升而升高，勢(shì)必導(dǎo)致主機(jī)熱載荷上升，這樣會(huì)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(duì)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(lái)克服排氣背壓的升高，以便維持一個(gè)恒定的功率，但這些功并不是有效功。因此，排氣背壓升高會(huì)直接導(dǎo)致燃油消耗量上升。

由此可知，排氣管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其布置方法所導(dǎo)致的排氣背壓?jiǎn)栴}，背壓的計(jì)算應(yīng)是排氣管布置的一個(gè)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(gè)流線(xiàn)型的保護(hù)罩。在船舶航行時(shí)，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(guò)導(dǎo)流帽時(shí)的狀態(tài)，以測(cè)算該導(dǎo)流帽是否會(huì)對(duì)背壓產(chǎn)生正面影響。

3.3.1 計(jì)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(jì)算時(shí)采用的是STAR-CCM+13版本。本計(jì)算模型區(qū)域建立時(shí)忽略了復(fù)雜自然環(huán)境可能對(duì)氣體流動(dòng)造成的影響，也就是將大氣中的氣流流動(dòng)初始值設(shè)定為0 m/s的無(wú)風(fēng)狀態(tài)，并且將船體壁面設(shè)定為為光滑壁面。本次計(jì)算所采用雷諾平均納維-斯托克斯方程（Reynolds-Averaged Continuity and Navier-Stokes Equations）來(lái)模擬氣體流過(guò)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(jì)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(gè)流線(xiàn)型的導(dǎo)流帽，氣流將自船首經(jīng)過(guò)導(dǎo)流帽流至船尾。模擬時(shí)的流速設(shè)置則是采用航速所轉(zhuǎn)化而來(lái)的風(fēng)速進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jì)算域進(jìn)行計(jì)算。而左側(cè)則為壓力出口。

圖7 網(wǎng)格示意

3.3.2 計(jì)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(guò)導(dǎo)流帽時(shí)，導(dǎo)流帽外側(cè)的流速會(huì)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(shí)，在壓力標(biāo)量視圖也清晰可見(jiàn)，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(shuō)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(jí)上幫助排氣管來(lái)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(duì)壓力的影響

表2以及下頁(yè)圖12中的數(shù)據(jù)顯示的為排氣口附近各個(gè)不同空氣流速下的壓力變化趨勢(shì)。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(shí)空氣流速的設(shè)定值為1～15 m/s，分別對(duì)每個(gè)速度進(jìn)行模擬計(jì)算。測(cè)試結(jié)果表明，在有導(dǎo)流帽的情況下，空氣流過(guò)導(dǎo)流帽時(shí)，在排氣口附近的確會(huì)形成一個(gè)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(shuō)明導(dǎo)流帽的存在確實(shí)可以幫助排氣管來(lái)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(gè)- 41 Pa的負(fù)壓區(qū)，對(duì)于排氣管的整體背壓并無(wú)太大幫助。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(duì)背壓的影響等方面對(duì)舷側(cè)排氣的前期設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)估及計(jì)算，這些計(jì)算的數(shù)據(jù)可以幫助設(shè)計(jì)師在前期設(shè)計(jì)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(shí)，通過(guò)對(duì)排氣管管徑的預(yù)估，則可預(yù)測(cè)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(jì)方案。最后，對(duì)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(duì)于主機(jī)可以承受的總背壓來(lái)說(shuō)，這個(gè)負(fù)壓的數(shù)值并不大。所以設(shè)計(jì)師并無(wú)必要考慮導(dǎo)流帽所帶來(lái)的排氣背壓減少，但設(shè)計(jì)時(shí)還是需要計(jì)算整個(gè)排氣管的背壓數(shù)值。