潜艇低压吹除系统动态性能研究

劳星胜，曾 宏，张克龙

(武汉第二船舶设计研究所中国船舶重工集团公司 蒸汽动力系统实验室，湖北 武汉 430064)

0 引言

潜艇上浮过程中，甲板浮出水面后利用低压气吹除压载水舱，直至水线露出水面的过程称为低压吹除［1］。低压吹除过程中，低压气排出压力基本与压载水舱内液面压力相同。

潜艇上浮过程中，舱内外液位高度差增大，压载水舱内低压气压力随之增大，传统计算方法采用集总参数法计算低压吹除时间［2］，忽视了低压气压力变化对压载水舱液面下降速度的影响，不能描述潜艇上浮过程中压载水舱液位和艇吃水深度随时间的变化关系，无法为潜艇操纵系统提供准确的输入条件，不利于艇的状态预报。压载水舱高压吹除过程模型需考虑的影响因素较多，一般较为复杂［3－5］，不宜直接应用于低压吹除系统。

考虑压载水舱内低压气压力在吹除过程中逐渐增大，本文建立低压吹除系统压载水舱液位动态变化过程方程，得出压载水舱内液位和潜艇吃水深度随时间变化的具体关系，揭示了压载水舱形状结构参数不同时低压吹除过程中潜艇的运动规律，为潜艇操纵控制提供了实时参数，为潜艇低压吹除系统设计提供了新思路。

1 数学模型

1.1 过程方程

作如下假设:

1)低压气为理想气体;

2)忽略自压气机出口到压载水舱流动管道内低压气的流动压力损失;

3)低压气到达压载水舱时温度与环境海水温度一致。

压载水舱吹除过程中，低压空气一部分用于补充舱内原有空气因压力升高引起的容积损失，另一部分用于吹除舱内海水，任意t时刻压载水舱内低压气吹除容积Vh满足以下关系式:

螺杆压气机为容积泵，具有进气容积流量基本不随排气背压变化的特点，变背压管路系统。背压式压气机用于低压吹除，满足如下关系式:

根据理想气体状态方程，有

联立式(1)～式(3)，得到式中 ρair为低压气密度。

式中:R为气体常数;T为压载水舱温度;ρ为密度;g为重力加速度;H为吃水深度;下标H2O表示海水。

潜艇外形尺寸已知时，H可决定潜艇浮出水面部分的艇体体积VH;液舱结构尺寸已知时，h可决定舱内低压气吹除容积 Vh。且根据阿基米德原理，有

潜艇外形尺寸和液舱结构尺寸已知后，根据传统计算方法确定螺杆压气机风量。设系统要求吹除时间为td，压载水舱总容积为Vd，则低压气设计平均流量为

将由式(6)得到的低压气流量和式(5)得到的关系式整理后代入式(4)，根据艇和压载水舱外形参数确定Vh与H和h的函数关系，对微分方程进行求解可以得到低压气吹除容积随时间的变化关系，进一步分析可知水舱内海水体积、液面高度、艇吃水深度随时间的变化关系。

1.2 模型参数

假设潜艇为对称圆柱壳，模型基本参数见表1。本文中的参数设定均用于设计研究，未直接引用实艇数据。

表1 模型基本参数Tab.1 Basic parameters of the model

2 计算结果及讨论

根据模型参数表，压载水舱横截面积由艇外形及水线高度确定。应用本文模型计算了不同压载水舱截面形状时螺杆压气机低压吹除系统的吹除过程动态性能。

本文设定的压载水舱横截面分别为圆截面、抛物线截面和圆底梯形截面，如图1所示。

图1 艇和压载水舱形状参数Fig.1 Confiiguration parameters of the submarine and ballast tank

2.1 模型验证

根据式(6)，按吹除终了的空气密度计算得到本模型参数条件下质量流量为4.33 kg/s。将各模型参数代入方程(4)，计算得出与船体同外形的压载水舱内液位和艇吃水深度随时间变化关系如图2所示。

低压吹除时间约为8.9 min，比设计时间缩短10%。该比例值跟实艇情况接近，验证了本文建立模型的有效性。

实际吹除时间比设计时间短是因为低压气设计压力是按吹除终了时的液位状态确定，而实际吹除过程中，压气机出口压力是逐渐增大至吹除终了状态压力的。

图2 低压吹除过程中的液位变化Fig.2 Water level variation as deballasting

2.2 吹除过程动态性能

为分析不同压载水舱设计截面对吹除过程的影响，按相同压载水舱容积和纵向长度设计了抛物线和圆底梯形截面，比较了这2种截面与圆形截面情况下吹除过程中各参数的动态变化。初始状态时，液面高度分别为圆弧截面4.8 m，抛物线截面5.64 m，圆底梯形截面5.5 m(圆底高度0.5 m)。

图3描述了3种截面形状下吹除过程中压气机吹除背压的动态变化。吹除时间分别为圆弧截面8.89 min，抛物线截面9.14 min，圆底梯形截面9.19 min。可以看出，与船体同外形的压载水舱完成吹除需要的时间最短，引起的吹除过程压气机背压也最大，抛物线形截面对压气机背压的要求最低，而圆底梯形截面导致的吹除时间最长。

图3 截面形状对吹除背压的影响Fig.3 Effect of cross section configuration on deballasting back pressure

初始压载水舱内液高，则压气机初始背压高，因梯形截面积与液高呈线性关系，所以圆底梯形截面条件下的压气机背压与时间也基本呈线性关系。

图4描述了3种截面形状下吹除过程中潜艇吃水深度的动态变化。可以看出，不同截面形状条件下，低压吹除过程中的艇吃水深度随时间变化过程基本一致。

压气机对系统所做的功用于使潜艇上浮，压气机吸入流量一定时，艇的上浮量主要取决于压载水舱容积和艇的排水量，基本不受截面形状的影响。

图4 截面形状对艇吃水深度的影响Fig.4 Effect of cross section configuration on submarine draft

图5描述了3种截面形状下吹除过程中压载水舱内液面高度下降速度的动态变化。可以看出，液面下降速度均呈先下降后升高的趋势，实艇低压吹除过程也表现出相同趋势。

如前所述，梯形截面的面积线性关系引起较大的液面下降速度，圆形截面与抛物线截面条件下的液面下降速度趋势相近，但圆形截面对应的液面下降速度变化幅度最小。

图5 截面形状对液面下降速度的影响Fig.5 Effect of cross section configuration on decreasing velocity of water level in tank

低压吹除系统的设计输入条件来自潜艇总体，受到潜艇外形和压载水舱容量的影响，针对圆弧形截面，进一步分析不同系统设计参数对吹除时间和艇吃水深度变化的影响，可为潜艇总体和系统设计提供参考依据。

图6描述了不同低压气流量对应的吹除时间和各条件下的吃水深度随时间变化过程，可以看出，随流量增大，吹除时间缩短速率降低，实艇装备选型时应考虑提高压气机流量引起外形增大的不利影响。

图6 设计流量对吹除时间的影响Fig.6 Effect of gas flow rate on deballasting durations

潜艇壳体直径不变、压载水舱容积和潜艇排水量比值不变时，低压吹除时间和艇的吃水深度随总体外形参数的变化情况如图7所示。随潜艇外形增大，吹除时间增加的速率增大。

图7 潜艇总体外形参数对吹除时间的影响Fig.7 Effect of submarine configuration on deballasting duration

3 结语

考虑潜艇低压吹除过程中压载水舱内空气压力的变化，建立低压吹除系统压载水舱液位动态变化过程方程，建立了螺杆压气机低压吹除模型，根据实艇情况对模型进行验证。

根据模型分析不同压载水舱截面形状对吹除过程中压气机背压、艇吃水深度和压载水舱内液面下降速度的影响。抛物线型截面对压气机的背压需求最低，截面形状对吹除过程中的艇吃水深度影响不大，圆形截面时压载水舱内液面下降速度最平稳。

针对圆形压载水舱截面，分析了总体和系统设计参数如压气机流量和艇外形参数对吹除过程的影响。压气机流量增大，吹除时间缩短速率降低，随潜艇外形增大，吹除时间增加的速率增大。

本文研究揭示了低压吹除过程中潜艇的运动规律，可为系统设计提供参考，为潜艇的操纵控制提供实时依据。

下一步研究将考虑背压升高导致的压气机泄漏量变化对吹除过程的影响。

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