运用隧道风机的客滚船滚装处所通风设计数值计算

徐 谦，赵自兵，赵永波，吕明广

（1.招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海200137；2.招商局金陵船舶（威海）有限公司，山东威海 264205）

0 引 言

在客滚船设计中，为实现经济效益最大化，通常会尽可能地增加车道米长度，留给通风系统的空间非常有限，而规范对滚装处所通风的要求是每小时换气次数不少于10 次，风量巨大，需在滚装处所布置大量风机和风道，在此情况下，如何在狭小的空间内完成通风设计是一个难题。滚装处所的通风方式一般有4 种（见图1），具体包括：

图1 滚装处所基本通风方式

1）自然通风，该方式无需通风设备和风道，但需在两舷布置大量开孔，一方面会导致滚装处所的环境恶化，雨水易进入室内，整个滚装处所等同于室外，另一方面会减弱结构强度和外部结构的美观性；

2）使用隧道风机产生射流纵向通风，该方式相比其他机械通风方式能大量减少风道，这对于空间狭小的客滚船而言是非常有利的；

3）侧向排补式全横向通风；

4）压入式半横向通风。

隧道风机是一种无风管诱导通风装置，可通过射流纵向通风构建流场，解决一些设计难题，已在公路隧道和地下车库得到广泛应用，已有学者对这种通风装置在船舶通风系统设计中的应用进行研究。例如：刘亚琴等和王少鹏等采用射流通风减少机舱的局部高温和空气滞留区；杨勇等采用诱导风机替代通风风管，改善机舱内的气流组织；卜锋斌采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究在大型船舶车辆舱内布置无风管诱导通风装置的主要影响因素。

目前有关在滚装处所通风系统设计中采用隧道风机的计算方法很少，因此本文根据机械行业标准《隧道用射流风机的技术条件》（JB/T 10489—2004），结合滚装处所的特点，提出滚装处所采用隧道风机的计算方法和常用的设计参考数据。以某型客滚船为例，着重介绍隧道风机在滚装处所通风设计中运用的计算选型和优化比较。

1 隧道风机的特点和滚装处所推力计算方法

1.1 隧道风机的特点

隧道风机是一种特殊的轴流风机，主要应用于隧道等纵向通风空间内，客滚船的滚装处所比较狭长，类似于隧道，适合运用隧道风机，一般将隧道风机悬挂在通风空间顶部或两侧，不占用车道空间。隧道风机运行时，通风空间内的一部分空气从风机的一端吸入，经叶轮加速之后，从风机的另一端高速喷出，这部分高速气流将能量传递给通风空间内的其他空气，产生一定的空气压差，从而推动通风空间内的空气沿风机喷射气流方向运动。

隧道风机有单向和双向2 种，评判风机大小的主要指标是风机推力，其计算公式为

式（1）中：为风机推力；ρ为空气密度；为风机出口的风速；为风机出口的流量。

隧道风机运行时可带动周围气体运动，能带动几倍于风机风量的气体运动。

按隧道风机射流的气流组织（见图2），距离风机出口处的风量与风机本身风量的比值为

图2 隧道风机射流的气流组织

式（2）中：为隧道风机的直径。

以DN400，10 000 m/h 的隧道风机为例进行计算，当距离风机3 m处的风量放大倍数为8.56 时，即可推动85 600 m/h的气体运动。

1.2 滚装处所需求推力的计算方法

隧道风机的总推力用于克服滚装处所的空气阻力，该阻力主要由3 部分组成。

1）滚装处所进口空气阻力Δ，通常取滚装处所内空气动压的1.5 倍，有

式（3）中：为滚装处所的设计风速。

2）滚装处所内表面摩擦损失Δ，考虑到滚装处所表面有很多结构，主要是大梁，摩擦因数取0.4，有

式（4）中：为滚装处所的长度；为滚装处所的当量直径取4 倍的横截面积与截面周长的比值。

3）滚装处所进出口的局部压降Δ，主要是面积变化产生的压力损失，有

式（5）中：为滚装处所进出口的横截面积；为滚装处所的横截面积。

滚装处所内的总推力为

2 隧道风机在滚装处所通风设计中的应用

选用某型客滚船5 ～7 甲板的滚装处所为研究对象，其中：滚装处所长为170 m，宽为27 m，高为6 m；艏门宽为7 m，高为5 m。货舱的通风设计需满足10 次/h的换气次数要求，即通风量为275 400 m/h，滚装处所内的风速为0.5 m/s。

滚装处所艏部布置有抽风机，当艏门关闭时，该风机能满足滚装处所10 次/h的换气次数要求，但当艏门打开时，艏部风机会形成短路，可运用隧道风机解决该问题。隧道风机布置图见图3。

图3 隧道风机布置图

艏门打开时，仅使用隧道风机满足10 次/h的换气次数要求。滚装处所内的风速为0.5 m/s；艏门处的风速为2.2 m/s；滚装处所内的当量直径为10 m。按照式（3）～式（6）进行计算，滚装处所内需求的水平总推力为400 N。考虑滚装处所内的大梁，隧道风机出口的气流为避开大梁，有向下30°的倾角，隧道风机安装图见图4，因此需求的隧道风机总推力为457 N。

图4 隧道风机安装图

根据需求的隧道风机总推力，设计以下3 套方案：

1）方案一，选用12 台推力为38 N或6 台推力为76 N的可逆隧道风机，使风机的气流方向与外部风向一致，这样在计算时可不用考虑外部自然风对滚装处所通风的影响。

2）方案二，若选用不可逆隧道风机，需考虑外部自然风的影响，自然风产生的外部推力的计算公式为

式（7）中：为外部自然风风速。

当自然风的风速能克服滚装处所的总推力时，可不启动风机，即当外部自然风的推力为400 N 时，外部自然风的风速为4.4 m/s；当风速小于4.4 m/s时，隧道风机需同时克服滚装处所的总推力和艏门的自然风阻力，需要2 倍的水平推力，即800 N，需选用12 台推力76 N的不可逆隧道风机。

3）方案三，当选用不可逆隧道风机时，可考虑隧道风机与艏部的4 台抽风机（每台抽风机的通风量为68 850 m/h，功率为40 kW）同时使用，隧道风机的作用是抑制艏门打开时短路的风，即克服自然风产生的阻力，隧道风机需求的总推力为457 N，可用12 台推力为38 N的隧道风机。

隧道风机3 套应用方案对比见表1。考虑到艏部抽风机本来就需要布置，艏门关闭时用于抽风，方案三的初期投资最少，且控制简单，隧道风机的开关取决于艏门的开闭状态，但因需要启动艏部抽风机，电力负荷远大于另外2 套方案；方案一的初期投资少于方案二，隧道风机的推力为方案二的1/2，功耗比较少，缺点是控制复杂，需根据外部自然风的方向选择不同的运作方向，而该风向是不确定的。

表1 隧道风机3 套应用方案对比

在该客滚船项目中选用方案二，能成功解决滚装处所装卸货时，艏门打开后的通风问题，省去很多结构风口，大大简化货舱通风装置的布置，12 台隧道风机分成3 组，每组4 台。在实船测试中，通过烟雾试验证明该隧道风机应用方案是有效的。

3 结 语

隧道风机不仅能改善滚装处所的气流组织，而且能满足大风量的换气次数要求，这是滚装处所通风系统设计的新思路，可减少结构风管，解决设计中存在的一些难题，比如艉部永久敞开的滚装处所在艏门打开时的气流组织问题。本文详细阐述了隧道风机选型的计算公式，该公式参考了隧道用射流风机的机械行业标准，结合了滚装处所结构的特殊性。此外，以实船为研究对象，设计了3 套隧道风机应用方案，并进行了对比分析，其有效性得到了实船验证。