潛艇柴油機廢氣低壓吹除系統動態性能研究

勞星勝，張克龍，曾 宏

(武漢第二船舶設計研究所中船重工集團公司蒸汽動力系統實驗室，湖北武漢430064)

0 引言

潛艇上浮過程中，甲板浮出水面后可利用柴油機廢氣吹除壓載水艙，直至水線露出水面的過程稱為低壓吹除［1］。低壓吹除過程中，柴油機廢氣排出壓力基本與壓載水艙內液面壓力相同。

潛艇上浮過程中，艙內外液位高度差增大，壓載水艙內氣體壓力隨之增大，傳統計算方法采用集總參數法計算低壓吹除時間［2-3］，直接引用柴油機通氣管狀態時的排氣流量作為輸入條件，忽視了壓載水艙液面下降時吹除背壓與柴油機排氣流量的相互影響，不能描述潛艇上浮過程中壓載水艙液位和艇吃水深度隨時間的變化關系，無法為潛艇操縱系統提供準確的輸入條件，不利于潛艇和柴油機的狀態預報。

考慮到壓載水艙內外液面高度差在吹除過程中逐漸增大，柴油機背壓逐漸升高，本文建立低壓吹除系統壓載水艙液位動態變化過程方程，得出壓載水艙內液位和潛艇吃水深度隨時間變化的具體關系，揭示了壓載水艙形狀結構參數不同時低壓吹除過程中潛艇的運動規律，為潛艇操縱控制提供了實時參數，為潛艇低壓吹除系統設計提供了新思路。

1 數學模型

為考慮壓載水艙內廢氣背壓與柴油機廢氣流量的相互影響，耦合柴油機工作過程方程與壓載水艙內廢氣動態過程方程，建立的吹除過程模型可更加準確地模擬吹除過程。

1.1 過程方程

假設柴油機廢氣為理想氣體;忽略自柴油機排氣管到壓載水艙間廢氣的流動壓力損失;柴油機廢氣到達壓載水艙時溫度與環境海水溫度一致。

壓載水艙吹除過程中，任意t時刻壓載水艙內廢氣容積Vh滿足以下關系式:

低壓吹除背壓滿足如下關系式:

p0為大氣壓力，根據理想氣體狀態方程，有

聯立式(1)～式(3)，得

式中:R為氣體常數;T為壓載水艙溫度;ρ為密度;g為重力加速度;H為吃水深度;下標H2O表示海水。

柴油機工作過程模擬基于一維流動與傳熱方程和集總燃燒方程。連續性方程、動量方程和能量方程用于描述缸內和管道流動過程，采用Woschni公式的一維傳熱方程描述管壁和缸壁的傳熱過程，采用Wiebe零維模型描述缸內燃燒過程，具體方程表達式見文獻 ［4］。

潛艇外形尺寸已知時，H可決定潛艇浮出水面部分的艇體體積VH;液艙結構尺寸已知時，h可決定艙內廢氣容積Vh。且根據阿基米德原理，有

根據艇和壓載水艙外形參數確定Vh與H和h的函數關系，將柴油機工作過程方程組、式(4)和式(5)聯立，對微分方程組進行求解可得到柴油機廢氣容積隨時間的變化關系，進一步分析可知水艙內液面下降速度、艇吃水深度隨時間的變化關系。

1.2 模型參數

假設潛艇為對稱圓柱殼，模型基本參數見表1，本文中的參數設定均用于設計研究，未直接引用實艇數據。

表1 模型基本參數Tab.1 Basic parameters of the model

2 計算結果及討論

根據模型參數表，壓載水艙橫截面積由艇外形及水線高度確定。應用本文模型計算了不同壓載水艙截面形狀時柴油機廢氣低壓吹除系統的吹除過程動態性能。

本文設定的壓載水艙橫截面分別為圓形截面、拋物線截面和圓底梯形截面，如圖1所示，假設壓載水艙吹除閥設在最底部。

圖1 艇和壓載水艙形狀參數Fig.1 Configuration parameters of the submarine and ballast tank

2.1 模型驗證

本模型采用的某型柴油機常壓工況下的排氣流量為4.33 kg/s。針對某型船柴油機廢氣低壓吹除系統，本文模型計算得到的吹除過程中柴油機排氣背壓隨時間的變化關系與試驗數據基本吻合，如圖2所示。

計算吹除時間略短主要是因為沒有考慮系統中柴油機排氣的壓力損失，此外實艇中柴油機廢氣到達壓載水艙時溫度尚未完全冷卻至環境溫度，廢氣溫度繼續下降、體積減小、壓力降低，也引起實際吹除時間比計算時間長。

圖2 低壓吹除過程中的柴油機背壓變化Fig.2 Diesel exhaust pressure variation as deballasting

2.2 吹除過程動態性能

為分析不同壓載水艙設計截面對吹除過程的影響，按相同壓載水艙容積和縱向長度設計了拋物線和圓底梯形截面，比較了這2種截面與圓形截面情況下吹除過程中各參數的動態變化。初始狀態時，液面高度分別為圓弧截面4.8 m，拋物線截面5.64 m，圓底梯形截面5.5 m(圓底高度0.5 m)。

圖3描述了3種截面形式下吹除過程中柴油機排氣背壓的動態變化。吹除時間基本相同，均為10.8 min左右。可以看出，拋物線形截面對廢氣背壓的要求最低，圓形截面吹除壓力要求最高，柴油機排氣條件最苛刻，柴油機零部件的工作強度和壽命受到不利影響。

初始壓載水艙內液位低，則初始柴油機排氣背壓高，因梯形截面積與艙內液位呈線性關系，所以圓底梯形截面條件下的柴油機排氣背壓與時間也基本呈線性關系。

圖3 截面形狀對柴油機排氣背壓的影響Fig.3 Effect of cross section configuration on diesel exhaust pressure

圖4描述了3種截面形式下吹除過程中潛艇吃水深度的動態變化。可以看出，拋物線形截面條件下，低壓吹除過程中的艇吃水深度低于其他2種截面形式。這是因為壓載水艙截面為拋物線形時，艙內海水位勢能較高，在吹除過程中柴油機排氣背壓較低，排氣流量較大，吹除功率較大，引起吹除過程中潛艇上浮較快，實時吃水深度較其他2種截面型式低。

圖4 截面形狀對艇吃水深度的影響Fig.4 Effect of cross section configuration on submarine draft

圖5描述了3種截面形式下吹除過程中壓載水艙內液面高度下降速度的動態變化。可以看出，液面下降速度均呈先減小后增大的趨勢，實艇低壓吹除過程也表現出相同趨勢。

在吹除過程前半段，拋物線形截面壓載水艙對應的吹除速度介于其他兩者之間，在后半段，拋物線形截面對應的吹除速度明顯較高。圓形截面對應的吹除速度最低，但圓形截面對應的液面下降速度變化幅度最小。

圖5 截面形狀對液面下降速度的影響Fig.5 Effect of cross section configuration on decreasing velocity of water level in tank

低壓吹除系統的設計輸入條件來自潛艇總體，受到潛艇外形和壓載水艙容量的影響，針對圓弧形截面，進一步分析不同系統設計參數對吹除時間和艇吃水深度變化的影響，可為潛艇總體和系統設計提供參考依據。

柴油機型號不變、潛艇殼體直徑不變、壓載水艙容積和潛艇排水量比值不變時，低壓吹除時間和艇的吃水深度隨總體外形參數的變化情況如圖6所示。隨潛艇外形增大，吹除時間增加，但增幅減小。

圖6 潛艇總體外形參數對吹除時間的影響Fig.6 Effect of submarine configuration on deballasting duration

3 結語

考慮潛艇低壓吹除過程中壓載水艙內空氣壓力的變化及其與柴油機工作過程的相互影響，耦合柴油機流動、傳熱和燃燒過程方程和低壓吹除系統壓載水艙液位動態變化過程方程，建立柴油機廢氣低壓吹除模型，根據實艇情況對模型進行了驗證。

根據模型分析不同壓載水艙截面形狀對吹除過程中壓氣機背壓、艇吃水深度和壓載水艙內液面下降速度的影響。拋物線形截面對柴油機排氣背壓的需求最低，吹除過程中壓載水艙內液位平均下降速度最大，潛艇實時吃水深度最低，圓形截面時壓載水艙內液位下降速度最平穩。

針對圓形壓載水艙截面，分析潛艇總體外形參數對吹除過程的影響。隨潛艇外形增大，吹除時間增大，增幅減小。

本文研究揭示了柴油機廢氣低壓吹除過程中潛艇的運動規律，可為系統設計提供參考，為潛艇的操縱控制提供實時依據。

下一步研究將考慮柴油機廢氣在壓載水艙內的流動和傳熱過程對吹除過程的影響。

［1］GABLER U.Submarine design［M］.Casemate UK Ltd，2011.

［2］王曉東，李維嘉，謝江輝，等.潛艇潛浮系統仿真研究初探［J］.艦船科學技術，2004，26(1):14-19.WANG Xiao-dong，LI Wei-jia，XIE Jiang-hui，et al.The pilot study for the submarine submerging and surfacing system emulator［J］.Ship Science and Technology，2004，26(1):14-19.

［3］WILGENHOF J D.Ballasting system design and application on a new submarine［M］.UDT Conference，2009.

［4］王娟.機車用增壓紫油機建模與仿真［D］.大連:大連交通大學，2007.WANG Juan.Model and simulation of turbocharged locomotive diesel［D］.Dalian Jiaotong University，2007.