風浪作用下艦用汽力裝置的環境適應性分析

張紅磊

（海軍駐哈爾濱汽輪機廠有限責任公司軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150046）

環境適應性是裝備在其壽命期預計可能遇到的各種環境的作用下，能實現其所有預定功能、性能和(或)不被破壞的能力，是裝備的重要質量特性之一[1]。通?？梢岳斫鉃檠b備適應環境變化的能力，其與可靠性、維修性、保障性、測試性和安全性一起并稱為裝備的“六性”。目前，研究裝備環境適應性的文章[2～5]，主要從環境因素如何導致裝備失效或發生故障展開的,通過說明裝備為何會在溫度、濕度、鹽霧、沙塵、霉菌、振動、沖擊、輻照等不同環境下失效或加速失效，對裝備為何只能在某些環境下正常工作給予了合理的解釋，裝備對環境的適應程度，最終以故障率的高低表現出來。但是，對于艦用汽力裝置來講，這種單純解釋其為何會在特定的環境中發生故障，以及用“適應或不適應某種環境”來說明和度量其環境適應性，顯然具有不妥之處。因為在絕大部分情況下，艦船動力裝置的工作環境都是偏離設計工況的，但在這些情況下，艦用汽力裝置并不一定發生故障，只有以“什么環境下具有多大的能力”來度量艦用汽力裝置的環境適應性，才具有意義。

1 風浪帶來危害的概述

據有關資料統計，艦艇約60%的時間在風浪條件下航行，由于風浪干擾的影響，艦船會產生各種搖蕩運動，其中橫搖對艦船的危害最大。其不僅會使航速降低，主機工況變壞，危及艦船航行的安全，還會影響到艦船裝備的使用。尤其是在艦船搖擺周期與風浪的作用周期相近時，容易形成共振，使得艦船有傾覆的危險。而風浪對艦用汽力裝置的影響十分復雜，現有關于艦船裝備對風浪環境適用性的文獻大多沒有涉及到，只有文獻[6]認為，該環境因素將對結構產生影響，并將導致艦船結構損壞，但其未對該因素的影響進行全面分析和說明。本文主要從影響機理上分析風浪對艦用汽力裝置的影響，以保證通過正確的使用，在確保艦用汽力裝置安全可靠工作的前提下，充分發揮艦用汽力裝置的最大能力，提高艦用汽力裝置的環境適應性。

2 風浪影響因素

2.1 增大航行阻力

艦船在靜水中航行時，除了受到水的阻力之外，艦船的水上部分還會受到空氣阻力。在大風浪中航行的艦船，迎面來風的阻力和由于縱橫搖擺導致的水面阻力均將顯著增加；為了保持航向而頻繁使用的舵角也會引起附加阻力；為了減小橫搖和顛簸，航向和航速的經常改變也會使附加阻力增加。這些因素都將導致船機槳特性發生變化，導致主機負荷增加。

由于空氣密度很小，而水的比重要比空氣的比重大得多(約是空氣的770倍)，由于空氣阻力主要是由于摩擦和渦流產生，尤以渦流為主，艦船的上層建筑相對較低，且聯接比較緊湊，不容易產生大的渦流，加之流線型比較好，因此，風對艦船運動的阻力很小，通常不超過總阻力的2%，可以忽略不計[7]。

艦船在風浪中航行時，其阻力增加和航速降低主要是因海浪引起艦船的縱橫搖擺，使得螺旋槳及汽力裝置的工作條件惡化等所致。由于存在阻力時大時小的不穩定因素，因此螺旋槳的工作亦不穩定，當艦船的縱搖角度比較大時，螺旋槳的入水深度時深時淺，甚至會出現螺旋槳部分出水的現象，這些情況都會使得螺旋槳的推進效率降低。而螺旋槳出水使得主渦輪轉子轉速急劇增大，甚至能達到極限值，這對主汽輪齒輪機組是很有害的。為了不使主汽輪齒輪機組出現極限轉速，就必須減小主機發出的功率，進而約束艦船的最大航速。

因而，在大風浪航行時，艦船的航速必須降低。當艦船在9級風中逆風航行時，大部分艦船的航速將只有原來的一半。而動力裝置的經濟性和工作可靠性，在許多方面取決于波前航向角和航速，這兩者除保證艦艇在規定航向上行駛外，還應將海風和海浪對艦艇的作用減到最小，艦艇首部和尾端的最大飛浪發生在5級海況以上、波前航向角0°～30°的時候，而上浪發生在7級海況和相同波前航向角的時候。因此，在航行的時候應該盡量減小這些因素帶來的影響，在保證艦用汽力裝置安全可靠工作的情況下，充分發揮汽力裝置的最工作能力。

2.2 惡化吸入條件

艦船在暴風航行時，為了保證汽力裝置的安全可靠工作，應該讓全部主機投入工作。但是主機不能發出最大的的功率，艦船的航速下降很大。主要原因是：大風浪時，尤其是甲板上浪后，海水流入汽輪鼓風機或渦輪增壓機組進氣筒的概率很大，會導致汽輪鼓風機或渦輪增壓機組吸入的空氣中含有大量的水份。為了防止壓氣機進水，避免設備損壞，需要轉為從機爐艙吸入空氣，應當用蓋子蓋住上甲板的進氣口和供機爐艙空氣排出的通風道。由于進氣口的通過截面積減小，空氣流量下降，燃料燃燒質量變差，鍋爐產汽量減少，供往主機的蒸汽量減少，導致主機所能發出的最大功率減少。某型艦規定，在甲板上浪后，最高航速不得超過原最大航速的44%，同時由于在使用過程中不可避免的會有少量海水進入渦輪增壓機組壓氣機，引起壓氣機的通流管路含鹽量增加，加速壓氣機葉片腐蝕，整個蒸汽動力裝置的經濟性就會降低，上甲板上浪后，海水容易通過通風管進入燃油柜，造成燃油摻水。上甲板上浪時一般用專用的帆布蓋好日用燃油柜的通風頂蓋。

大風浪帶來的大幅度縱橫搖擺，可能使海底門不時靠近或露出水面，也可能使各種泵的吸入口接近或高于油(水)柜的液面，特別是當油(水)柜中的油(水)量很少時，從而顯著劣化其吸入條件。頻繁變化的吸入壓力和偶然吸入的空氣，都是一種“突甩—突增負荷”沖擊，泵的轉速會急劇的變化，有時會達到極值，進而導致泵的轉速會忽高忽低，引起排量不均勻。例如日用燃油泵的供油不均勻使得燃燒質量變差，鍋爐經濟性降低；滑油泵供油不足，使得主汽輪機組和軸承的工作環境惡化，甚至會出現燒瓦和軸承抱死的現象。在這種情況下，如果設備運行在高負荷狀態，大量吸入空氣時的突甩負荷，極有可能使轉子達到其極限值，出現飛車現象，給機組和操作人員帶來很大的安全隱患。而從小排量突然變為大排量的突增負荷現象，又是一種很大的載荷沖擊，頻繁的負荷變化，容易導致設備損壞。因此，為避免吸入條件惡化引起機組的設備損壞，在艦體縱橫搖擺幅度較大時，應降低工作旋轉機械的轉速和負荷。從而約束主汽輪機組的最大發出功率，并加強對旋轉設備的監測，確保機組的安全運行。

2.3 破壞液面穩定

大風浪帶來的動力裝置突然加速度和大幅度縱橫搖擺，除了會惡化各種泵的吸入條件外，還會破壞液面的穩定，甚至導致鍋爐、除氧器、海水淡化裝置等無法正常工作。

搖擺對鍋爐的產汽影響非常大，對于鍋爐來講，鍋爐內保持一定的水位是鍋爐安全工作的首要條件。大風浪帶來的大幅度前后縱搖和左右橫搖將導致汽筒中的爐水，時而向前端，時而向后端靠近，時而向下降管靠近，時而向上升管靠近。這些變化，可能導致汽水的共騰，也可能因局部缺水而導致受熱面瞬時過熱現象，由于無法準確測量而難以控制鍋爐水位、保證鍋爐安全。在鍋爐負荷很高時，瞬時的過熱都可能燒壞換熱管，帶來非常嚴重的后果。因此，每臺鍋爐都有兩個獨立工作的水位指示器，在大風浪中航行時，一方面要特別注意鍋爐水位的檢測工作；另一方面要降低鍋爐的負荷，從而確保鍋爐的工作安全。

對于海水淡化裝置來講，由于大風浪帶來船體的大幅度縱橫搖擺，使得海水淡化裝置中自由水面水位的波動很大，波動的水粒有可能甩入位于制淡裝置上部的分離器中，破壞海水淡化裝置的正常工作，生產出來的蒸餾水含鹽度升高，引起造水品質的變壞。為了保證海水淡化裝置的可靠穩定的工作，就必須保持海水淡化裝置中低水位，這樣單位時間內海水淡化裝置的生產量就會降低，有時可能需要暫停造水。

對于燃油和滑油系統來講，由于日用油柜中存在自由液面，大風浪帶來船體的大幅度縱橫搖擺，破壞了原來的自由液面，引起燃油和滑油的液面發生較大波動，導致主鍋爐燃油泵和主汽輪齒輪機組滑油泵工作突然中斷，給鍋爐和泵的工作帶來危害，為了防止這種現象，必須通過經常補充日用油柜，保持日用燃油柜中的燃油和循環油柜中的滑油數量不少于70%。同時，燃油柜的激烈晃動，使原來已澄析出的水及污物又混入燃油中，致使爐膛溫度降低，甚至引起爐膛爆炸或熄火。

2.4 產生陀螺力矩

艦用汽力裝置中有大量的旋轉機械，如壓氣機、汽輪機、發電機、燃油泵、滑油泵、循環水泵、柴油機等，這類設備的主要部件有轉子、軸承、定子和機組殼體、聯軸器等，它們以每分鐘幾千甚至上萬轉的轉速旋轉，它們的轉子具有很大的陀螺穩定性。轉子是旋轉機械的核心部件，通常轉子是用油膜軸承、滾動軸承或其它類型軸承支承在軸承座或機殼、箱體及基礎等非轉動部件上,構成了所謂的“轉子—支承系統”。一臺旋轉機械能否安全可靠地工作主要決定于轉子的運動是否正常，如果轉子的中心軸不變，則不會產生陀螺力矩。但是，大風浪帶來的艦體大幅度的縱橫搖擺，不斷改變轉子中心軸的空間位置，產生了陀螺力矩，在軸承上產生了附加力和力矩，使旋轉機械的軸承等零件的工作負荷大幅度增加，導致軸頸局部受力過大，軸受載荷作用變形導致軸頸在軸承中處于傾斜狀態，軸頸在軸承孔中處于傾斜狀態時，對軸承油膜壓力分布和最大油膜壓力、油膜厚度分布和最小油膜厚度有明顯的影響。隨著載荷量增加，軸變形導致的軸頸傾斜加大，油膜壓力產生了偏布，軸承最大油膜壓力位置向端部移動，同時最大油膜壓力數值顯著增加。在軸頸傾斜時，最小油膜厚度位于軸承端部，且隨軸頸傾斜角度的增加，其數值明顯減小。軸承的工作性能發生了變化，軸承溫度升高。轉速越高、轉子尺寸和質量越大、轉子中心軸改變越頻繁、改變速度越快，所產生的陀螺力矩效應就越大。由于艦體的左右搖擺(橫搖)的幅度(角度)和頻度較大，所以，立式安裝的旋轉設備，將遭受更大的陀螺力矩效應。為避免陀螺力矩效應引起的設備損壞，在艦體搖擺幅度較大、頻度較高時，應降低工作機械的轉速和負荷。加強對滑油溫度的監測，避免發生旋轉機械的軸承故障、機械運行失穩、產生異常，確保機組的安全運行。

3 結束語

本文提出了以“什么環境下具有多大的能力”來度量艦用汽力裝置的環境適應性，為定量分析艦用汽力裝置的環境適應性奠定了基礎，在艦船執行任務海域不斷擴展的新形勢下，不同環境對艦用汽力裝置的最大航速、經濟航速、戰斗經濟航速、安全性等都會產生影響。因此，只有針對具體使用環境，以全新的認識和新的方法，全面準確地掌握動力裝置的各種作戰使用特性，深入探討在不同風浪作用下艦船所能達到的最大作戰使用能力，在確保汽力裝置安全的情況下，發揮機組的最大使用效能。

[1]GJB4239-2001，裝備環境工程通用要求[S].

[2]方書甲.海洋環境對海軍裝備性能的影響分析[J].艦船科學技術，2004，26(2):5-10.

[3]馬麗娥.艦船武器裝備環境適應性研究與分析[J].艦船科學技術,2006,28(2):42-44.

[4]吳紅光，董洪遠，齊 強.艦載武器裝備海洋環境適應性研究[J].海軍航空工程學院學報，2007，22(1):161-165.

[5]林武強，徐定海.艦艇環境及其影響和存在問題分析[J].裝備環境工程，2005，2(2):48-52.

[6]趙進剛.艦用蒸汽動力裝置特有的環境適應性[J].船舶工程，2010，32(5)：19-22．

[7]翟守恒，郝亞平，范尚雍，等.艦船原理[M].武漢：海軍工程學院印刷所，1980．