潜艇柴油机和螺杆压缩机低压吹除系统动态性能比较

王建伟，劳星胜，王 丹

(1.海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北 武汉 430064;2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;3.中国舰船研究院，北京 100192）

潜艇柴油机和螺杆压缩机低压吹除系统动态性能比较

王建伟1，劳星胜2，王 丹3

(1.海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北 武汉 430064;2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;3.中国舰船研究院，北京 100192）

为比较柴油机和螺杆压缩机作为低压吹除气源对潜艇及舱内压载水运动规律的影响、提供潜艇低压吹除系统设计依据，将柴油机工作过程方程和螺杆压缩机工作过程方程分别与压载水吹除过程方程耦合，建立考虑压载水舱内排气背压与吹除气体流量间相互影响的吹除过程动态模型。根据假定的潜艇和压载水舱参数，应用模型计算分析2种吹除气源条件下低压吹除过程中压载水舱液面高度和潜艇吃水深度的影响。研究结果表明，相同设计流量条件下，使用柴油机废气吹除比螺杆压缩机吹除可节省吹除时间约3%。

柴油机;螺杆压缩机;低压吹除;动态模型

0 引言

潜艇上浮过程中，甲板浮出水面后可利用低压气体吹除压载水舱，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，吹除气体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，压载水舱内气体压力随之增大，传统方法采用集总参数法计算低压吹除时间［2］，直接引用设计工况时的低压气源输出流量作为输入条件，忽视了压载水舱液面下降时吹除背压与低压气源输出流量的相互影响，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，不利于潜艇和低压气源设备的状态预报。劳星胜建立的压气机动态模型［3］没有考虑吹除背压升高引起的气体泄漏问题。

压载水舱内外液面高度差在吹除过程中逐渐增大，低压吹除机械背压逐渐升高，排气流量逐渐降低，将柴油机和螺杆压缩机工作过程方程与压载水舱液位动态变化过程方程相耦合，建立潜艇低压吹除系统动态变化性能模型，得出2种吹除气源条件下压载水舱内液位和潜艇吃水深度随时间变化的具体关系。比较2种吹除气源对低压吹除过程中潜艇运动规律的影响，为潜艇低压吹除系统设计提供思路。

1 数学模型

为考虑压载水舱内吹除背压与柴油机和螺杆压缩机排气流量的相互影响，将柴油机和螺杆压缩机工作过程方程与压载水舱内液位变化方程相耦合，建立的动态吹除过程模型可更加准确地模拟吹除过程。

1.1 吹除过程方程

作如下假设:

1）柴油机废气和空气为理想气体;

2）忽略排气管到压载水舱间的气体流动压力损失;

3）低压吹除气体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，任意t时刻压载水舱内低压气体容积Vh满足以下关系式:

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。

1.2 吹除机械工作过程方程

柴油机工作过程模拟基于一维流动和传热方程和集总燃烧方程。连续性方程、动量方程和能量方程用于描述缸内和管道流动过程、采用Woschni公式的一维传热方程描述管壁和缸壁的传热过程、采用Wiebe零维模型描述缸内燃烧过程，具体方程表达式见文献 ［4］。

根据该模型可计算得到柴油机排气流量随排气背压不同的变化规律。

考虑螺杆压缩机气体泄漏的工作过程数学模型见文献［5］，预测排气量的误差不超过3%。

1.3 潜艇结构和外形

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可决定舱内吹除气体容积Vh。且根据阿基米德原理，有

根据艇和压载水舱外形参数确定Vh与H和h的函数关系，将柴油机和螺杆压缩机工作过程方程组与式(4）和式(5）联立，对微分方程组进行求解可以得到压载水舱内低压气容积随时间的变化关系，进一步分析可知压载水舱内液面下降速度、艇吃水深度随时间的变化关系。

1.4 模型参数

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

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。应用本文模型分别计算应用柴油机和螺杆压缩机作为低压吹除系统气源的吹除过程动态性能。

本文设定的压载水舱横截面为抛物线截面，如图1所示，假设压载水舱吹除阀设在最底部。

图1 艇和压载水舱形状示意图Fig.1 Submarine and tank sketch

针对某型艇低压吹除系统，本模型采用的某型柴油机和螺杆压缩机在常压工况下的排气流量均为4.33 kg/s，根据该设计流量对柴油机和螺杆压缩机进行选型，对比选定的2种吹除机械，根据柴油机和螺杆压缩机工作过程模型计算得到的柴油机排气流量和螺杆压缩机排气流量随排气背压的变化关系如图2所示，图中纵坐标为低压气流量相对标准大气压背压条件下吹除机械流量的比值。

受排气泄漏影响，排气背压升高引起螺杆压缩机排气流量下降的速率高于柴油机废气流量下降的速率，背压越高，降幅差越大，背压1.8 bar时，柴油机排气流量比螺杆压缩机排气流量高10%以上。

图2 低压吹除过程中的螺杆压缩机背压变化Fig.2 Deballastingmachine backpressure

图3和图4分别描述了压载水舱为抛物线截面型式下吹除过程中潜艇吃水深度的动态变化和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，与采用柴油机废气进行低压吹除相比，采用相同设计流量的螺杆压缩机低压气吹除过程中潜艇上浮的时间约增加3%。吹除过程前期，2种吹除机械对应的艇吃水深度相差不大;吹除过程后期，螺杆压缩机吹除到相同艇深需要的吹除时间逐渐增大。

根据图2，随吹除过程进行，吹除背压逐渐升高，螺杆压缩机排气流量下降速率高于柴油机排气流量下降速率，因此吹除后期螺杆压缩机吹除能力弱于柴油机排气吹除能力。

图3 吹除过程中艇吃水深度的变化Fig.3 Evolution of submarine draught

图4 吹除过程中压载水舱液面下降速度的变化Fig.4 Evolution of tank water surface dropping speed

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及其与柴油机、螺杆压缩机工作过程的相互影响，耦合柴油机、螺杆压缩机工作过程方程和低压吹除系统压载水舱液位动态变化过程方程，建立低压吹除过程模型，应用模型对分别应用柴油机和螺杆压缩机作为吹除机械时低压吹除系统的动态性能。

在相同设计流量条件下，受排气泄漏影响，排气背压增大时螺杆压缩机对应的排气流量下降速率大于柴油机排气流量下降速率，针对本文假设模型参数，螺杆压缩机吹除时间比柴油机吹除时间增加3%左右。吹除过程前期，螺杆压缩机和柴油机排气吹除效果相差不大;吹除后期，由于排气流量下降较快，螺杆压缩机吹除速度比柴油机废气吹除较慢。

研究比较分别采用柴油机和螺杆压缩机作为低压吹除机械时低压吹除过程中潜艇的运动规律，可为潜艇低压吹除系统设计提供参考。

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Dynam ic performance study of submarine diesel exhaust and screw com pressor low pressure deballast system

WANG Jian-wei1，LAO Xing-sheng2，WANG Dan3
(1.Wuhan Military Representative Bureau of Navy Equipment Department，Wuhan 430064，China;2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;3.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China）

Operating equations of diesel engine and screw compressor are employed to calculate effect of gas backpressure on gasmass flow rate，coupled with the dynamic gas compression equation，dynamic models taking the effect of back pressure change of deballasting machine on deballsting process into considered are developed.Using assumptive parameters of submarine and water tank，dynamic performance of diesel engine deballasting system and screw compressor deballasting system is compared.The results show that deballasting duration would achieve 3% reduction around while using diesel other than screw compressor as deballastingmachine because its higher gas flow rate decreasewhile back pressure increases.

diesel;screw compressor;low pressure deballast system;submarine;dynamic model

U664.83

A

1672－7649(2014）05－0093－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.019

2013－06－03;

2013－07－04

王建伟(1978－），男，工程师，研究方向为船舶动力系统设计。