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        高速巡邏船濕式排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-09-07 17:32:06袁金永
        船舶 2021年4期
        關(guān)鍵詞:消音器排氣管水封

        袁金永 楊 帆

        (中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011)

        引 言

        船舶上柴油機(jī)的排氣管,根據(jù)排氣口位置的不同,主要有煙囪排氣、舷側(cè)排氣、尾部排氣和水下排氣等。按照廢氣是否與冷卻水混合排出,排氣方式一般分為干式排氣和濕式排氣。

        干式排氣,柴油機(jī)排出的煙氣,容易熏黑船體外板和甲板設(shè)備,將極大影響船舶美觀;整個(gè)排氣管路溫度較高,可達(dá)到400~600℃,排氣管外壁一般需設(shè)置絕緣包扎以隔熱,占用機(jī)艙更多空間,增加整船重量,機(jī)艙的通風(fēng)量也要考慮整段排氣管的散熱;同時(shí)由于排氣溫度越高,聲音在管路中傳輸?shù)乃俣纫苍娇?,噪聲污染也比較嚴(yán)重。高速船舶,如巡邏船、游艇,尤其注重外觀,同時(shí)機(jī)艙空間緊湊,對(duì)設(shè)備自重敏感。軍用艦船對(duì)噪聲和紅外輻射要求高,因此不適合采用干式排氣方式。

        為此,高速船舶上一般采用濕式排氣系統(tǒng),采用海水噴淋,其較之干式排氣系統(tǒng),具有排氣溫度低、自重輕和噪聲低等優(yōu)點(diǎn),綠色環(huán)保。濕式排氣系統(tǒng)中,柴油機(jī)煙氣通過(guò)排氣管出口和柴油機(jī)冷卻水管中的冷卻水混合后,排出船外,煙氣無(wú)難聞氣味,且對(duì)船體污染較??;煙氣溫度可降低到40~60℃,排氣管可不包覆絕緣,甚至可使用耐高溫的撓性橡膠軟管,減輕排氣管質(zhì)量,且更利于機(jī)艙的布置和安裝;煙氣和冷卻水混合后,聲音傳播速度降低,排氣噪聲也有明顯改善。

        濕式排氣系統(tǒng)一般有如下布置型式:尾部排氣、舷側(cè)排氣和水下排氣。

        1 濕式排氣系統(tǒng)的布置和設(shè)計(jì)

        高速船上主機(jī)一般外部采用機(jī)帶海水泵冷卻,其冷卻熱交換器后,分一路冷卻齒輪箱及排舷外,另一路接至排氣噴淋裝置(圖1)和排氣擋板。若主機(jī)外部為淡水冷卻,或主機(jī)無(wú)接至噴淋裝置的接口,則船上需配置電動(dòng)海水泵供水。

        圖1 噴淋裝置

        高速巡邏船的推進(jìn)系統(tǒng)一般為主機(jī)通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)FPP槳,主機(jī)轉(zhuǎn)速為怠速至最大轉(zhuǎn)速,機(jī)帶海水泵的流量壓力、主機(jī)排煙量與主機(jī)功率轉(zhuǎn)速正相關(guān)。因此,在主機(jī)負(fù)荷較低時(shí),亦能保證水噴淋;而在全速航行時(shí),海水泵的工作點(diǎn)移至工作曲線上最大工作點(diǎn),此時(shí)海水與排氣充分摻混換熱后排出。

        1.1 尾部排氣

        尾部排氣一般由干式消音器、噴淋裝置和排氣擋板組成,排氣口位于水線以上。排氣擋板與主機(jī)啟動(dòng)聯(lián)鎖,可采用電動(dòng)(或氣動(dòng))方式操縱,失電或電器元件/線路故障時(shí),可提供聲光報(bào)警信號(hào)。

        該系統(tǒng)技術(shù)成熟,且較為安全,不容易引起海水倒灌,應(yīng)用較多。尾部排氣避免了煙氣和噪聲污染,但消音器尺寸相對(duì)較大,需要占用一部分尾部舵機(jī)艙空間,同時(shí)排氣管由于穿過(guò)水密艙壁需要增設(shè)通艙管件。

        設(shè)計(jì)布置時(shí),為防止噴淋后排氣管路積水而引起虹吸,及因風(fēng)浪或倒車時(shí)海水倒灌,噴淋裝置后的排氣管在設(shè)計(jì)安裝時(shí)必須有向下的傾斜角度,同時(shí)排氣出口高出滿載水線一定高度(如下頁(yè)圖2所示)。由于排氣擋板和噴淋裝置在主機(jī)運(yùn)行時(shí)為全通式,噴水引起的排氣壓降較小,因此管路的排氣阻力主要表現(xiàn)為消音器壓降、管路沿程阻力損失和局部阻力損失。設(shè)計(jì)時(shí),盡量降低消音器的壓降,將能較好地滿足柴油機(jī)的背壓要求。

        圖2 尾部排氣

        根據(jù)《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》,高速船應(yīng)進(jìn)行故障模式和影響分析(FMEA)。主機(jī)排氣擋板分別與左右舷主機(jī)啟動(dòng)聯(lián)鎖,排氣擋板的控制系統(tǒng)應(yīng)為各自獨(dú)立的24 V供電,以免影響主機(jī)使用和船舶的控制狀態(tài)。

        1.2 舷側(cè)排氣

        舷側(cè)排氣一般由氣水混合管、水封罐(濕式消音器)和防虹吸閥等(如下頁(yè)圖3,該圖示意的尺寸為一型奧南發(fā)電機(jī)組的要求)組成。

        圖3 濕式排氣

        此種型式的排氣方式布置時(shí)需注意以下幾點(diǎn):

        (1)柴油機(jī)出口經(jīng)氣水混合管后至水封罐這段管路,需設(shè)置一定的傾斜角,因此,水封罐布置時(shí)應(yīng)保證其排氣進(jìn)口低于主機(jī)排氣口一定高度,以確保水封罐內(nèi)的海水在柴油機(jī)停機(jī)后不回流入柴油機(jī)。

        (2)水封罐出口排氣管設(shè)置鵝頸彎,其最高點(diǎn)與舷外排口有一定高度差,同時(shí)舷外排口高于水線約350 mm。

        (3)柴油機(jī)出口氣水混合點(diǎn)(防虹吸點(diǎn)),如其位置低于最大載重水線約150 mm時(shí),必須安裝防虹吸閥。柴油機(jī)可以都配置防虹吸閥,防止因船上實(shí)際安裝布置不滿足免設(shè)防虹吸閥條件,而發(fā)生虹吸現(xiàn)象,對(duì)柴油機(jī)造成損害(注:在柴油機(jī)停機(jī)而機(jī)帶海水泵不工作時(shí),噴淋冷卻的海水在管路中形成一段連續(xù)的液柱,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生虹吸;防虹吸閥設(shè)置在管路頂部,相當(dāng)于一個(gè)透氣口,其在水流壓力降至一定值時(shí)會(huì)打開(kāi),將空氣引至管路中,從而破壞液體的連續(xù)流動(dòng))。

        柴油機(jī)和消音器布置時(shí),需滿足以上限制尺寸的要求。

        為了防止舷外海水倒灌,可在舷外排氣口外部設(shè)置不銹鋼蓋。柴油機(jī)工作時(shí),排氣頂開(kāi)蓋子,非工作狀態(tài),靠重力關(guān)上;有些設(shè)計(jì)為了更安全,在排氣出口設(shè)置排氣擋板。當(dāng)然,主機(jī)或發(fā)電機(jī)組若靠近尾部,此種水封罐的型式亦可用于尾部排氣。

        管路的排氣阻力主要表現(xiàn)為水封罐壓降、管路沿程阻力損失和局部阻力損失,由于鵝頸彎的存在,故局部阻力較大。根據(jù)水封罐的原理(參見(jiàn)圖4)可看出,其壓降為水封的高度差,其高度差

        H

        一般應(yīng)控制在

        H

        ≤1/2

        H

        H

        為柴油機(jī)最大允許背壓)。

        圖4 水封罐

        功率小的柴油機(jī),排氣管通徑較小,水封罐尺寸可以較小,故適用于高速船的緊湊機(jī)艙空間。若大功率的主機(jī)采用此排氣型式,隨著排氣管通徑增加,水封罐的尺寸也需放大。這不僅不利于機(jī)艙布置,且高度

        H

        也會(huì)增大。而如果用于尾部排氣,由于排氣管路加長(zhǎng),故更不利于排氣系統(tǒng)的背壓。

        因此,該型式適用于小功率的主機(jī)及發(fā)電機(jī)組,較多的案例應(yīng)用于舷側(cè)排氣;在背壓允許的情況下,也可用于尾部排氣。

        1.3 水下排氣

        水下排氣型式由排煙管、消音器、噴淋水套和旁通管組成。排煙出口位于水下(其與水平線有一定夾角),旁通管排舷外口位于水上。出口處一般還設(shè)有一個(gè)導(dǎo)流板(位于船體外表面,見(jiàn)圖5),保證煙氣和水充分混合,并在船底形成負(fù)壓區(qū),滿足柴油機(jī)排氣的要求。當(dāng)然,此導(dǎo)流板會(huì)增加一些船體阻力,從而可能影響航速。

        圖5 水下排氣導(dǎo)流板

        排煙口一般遠(yuǎn)離螺旋槳,以防止螺旋槳?dú)馕g和效率損失。由于排煙口位于水下,背壓較大,故有些船可不設(shè)消音器。此外,為防止海水虹吸倒灌,排煙管從主機(jī)排氣口出來(lái)時(shí)一般設(shè)置一個(gè)鵝頸頭高點(diǎn),然后傾斜向下排煙,形成高度差;同時(shí)設(shè)置旁通管路及電動(dòng)蝶閥,在水下排氣背壓較大時(shí)或主機(jī)低負(fù)荷不足以克服水下排氣阻力時(shí),可開(kāi)啟該蝶閥往舷側(cè)水面以上排氣。

        圖6 水下排氣典型圖

        水下排氣口一般可位于舷側(cè)(管路需注意不干涉主機(jī)的維護(hù)空間),或位于螺旋槳后的船底。

        2 高速巡邏船上應(yīng)用介紹

        上海海事局30 m鋁合金船采用濕式排氣系統(tǒng),配置高速主機(jī)1 432 kW ,船體為深V型線型,型寬6.4 m,設(shè)計(jì)吃水1.2 m。由于吃水較淺,且是深V型線型,故在舷側(cè)水下上外板結(jié)構(gòu)有折邊,如圖7紅框處。若采用水下排氣,排氣口只能設(shè)置在較靠船舯處,靠近螺旋槳,從而影響螺旋槳的使用,造成排氣被吸入螺旋槳而產(chǎn)生空泡氣蝕。

        圖7 主機(jī)橫剖面布置

        舷側(cè)排氣在船舶舷側(cè)外板有較大開(kāi)孔,為保證外形美觀,故本船不采用。而水封罐的排氣型式,只在小型功率主機(jī)上應(yīng)用。

        因此,本船主機(jī)采用了尾部水線上排氣的型式,即采用干式消音器、噴淋裝置和擋板。該方案由于在前部消音器的降噪基礎(chǔ)上,通過(guò)氣水混合,進(jìn)一步降低了噪聲,經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證,降噪效果較好,且排出口無(wú)煙。柴油機(jī)出口的背壓測(cè)試,滿足主機(jī)廠的背壓值要求,保證柴油機(jī)的滿負(fù)荷輸出。

        發(fā)電機(jī)組由于靠近尾部,實(shí)際采用了水封罐型式濕式系統(tǒng)排向尾部,見(jiàn)圖8。

        圖8 發(fā)電機(jī)組尾部排氣

        3 結(jié) 語(yǔ)

        近年來(lái),為進(jìn)一步加強(qiáng)水上安全監(jiān)管和應(yīng)急處置能力,海事系統(tǒng)對(duì)巡邏船的需求有了較大發(fā)展,對(duì)船舶的美觀和綠色環(huán)保有了更高要求。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目濕式排氣系統(tǒng)的布置方案和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述和總結(jié),并介紹了布置安裝時(shí)需注意的問(wèn)題,可為民用高速船的設(shè)計(jì)提供一些借鑒。

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