潛艇柴油機和螺桿壓縮機低壓吹除系統動態性能比較

王建偉，勞星勝，王 丹

(1.海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北 武漢 430064;2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;3.中國艦船研究院，北京 100192）

潛艇柴油機和螺桿壓縮機低壓吹除系統動態性能比較

王建偉1，勞星勝2，王 丹3

(1.海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北 武漢 430064;2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;3.中國艦船研究院，北京 100192）

為比較柴油機和螺桿壓縮機作為低壓吹除氣源對潛艇及艙內壓載水運動規律的影響、提供潛艇低壓吹除系統設計依據，將柴油機工作過程方程和螺桿壓縮機工作過程方程分別與壓載水吹除過程方程耦合，建立考慮壓載水艙內排氣背壓與吹除氣體流量間相互影響的吹除過程動態模型。根據假定的潛艇和壓載水艙參數，應用模型計算分析2種吹除氣源條件下低壓吹除過程中壓載水艙液面高度和潛艇吃水深度的影響。研究結果表明，相同設計流量條件下，使用柴油機廢氣吹除比螺桿壓縮機吹除可節省吹除時間約3%。

柴油機;螺桿壓縮機;低壓吹除;動態模型

0 引言

潛艇上浮過程中，甲板浮出水面后可利用低壓氣體吹除壓載水艙，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，吹除氣體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，傳統方法采用集總參數法計算低壓吹除時間［2］，直接引用設計工況時的低壓氣源輸出流量作為輸入條件，忽視了壓載水艙液面下降時吹除背壓與低壓氣源輸出流量的相互影響，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，不利于潛艇和低壓氣源設備的狀態預報。勞星勝建立的壓氣機動態模型［3］沒有考慮吹除背壓升高引起的氣體泄漏問題。

壓載水艙內外液面高度差在吹除過程中逐漸增大，低壓吹除機械背壓逐漸升高，排氣流量逐漸降低，將柴油機和螺桿壓縮機工作過程方程與壓載水艙液位動態變化過程方程相耦合，建立潛艇低壓吹除系統動態變化性能模型，得出2種吹除氣源條件下壓載水艙內液位和潛艇吃水深度隨時間變化的具體關系。比較2種吹除氣源對低壓吹除過程中潛艇運動規律的影響，為潛艇低壓吹除系統設計提供思路。

1 數學模型

為考慮壓載水艙內吹除背壓與柴油機和螺桿壓縮機排氣流量的相互影響，將柴油機和螺桿壓縮機工作過程方程與壓載水艙內液位變化方程相耦合，建立的動態吹除過程模型可更加準確地模擬吹除過程。

1.1 吹除過程方程

作如下假設:

1）柴油機廢氣和空氣為理想氣體;

2）忽略排氣管到壓載水艙間的氣體流動壓力損失;

3）低壓吹除氣體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時刻壓載水艙內低壓氣體容積Vh滿足以下關系式:

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。

1.2 吹除機械工作過程方程

柴油機工作過程模擬基于一維流動和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］。

根據該模型可計算得到柴油機排氣流量隨排氣背壓不同的變化規律。

考慮螺桿壓縮機氣體泄漏的工作過程數學模型見文獻［5］，預測排氣量的誤差不超過3%。

1.3 潛艇結構和外形

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可決定艙內吹除氣體容積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，將柴油機和螺桿壓縮機工作過程方程組與式(4）和式(5）聯立，對微分方程組進行求解可以得到壓載水艙內低壓氣容積隨時間的變化關系，進一步分析可知壓載水艙內液面下降速度、艇吃水深度隨時間的變化關系。

1.4 模型參數

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

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。應用本文模型分別計算應用柴油機和螺桿壓縮機作為低壓吹除系統氣源的吹除過程動態性能。

本文設定的壓載水艙橫截面為拋物線截面，如圖1所示，假設壓載水艙吹除閥設在最底部。

圖1 艇和壓載水艙形狀示意圖Fig.1 Submarine and tank sketch

針對某型艇低壓吹除系統，本模型采用的某型柴油機和螺桿壓縮機在常壓工況下的排氣流量均為4.33 kg/s，根據該設計流量對柴油機和螺桿壓縮機進行選型，對比選定的2種吹除機械，根據柴油機和螺桿壓縮機工作過程模型計算得到的柴油機排氣流量和螺桿壓縮機排氣流量隨排氣背壓的變化關系如圖2所示，圖中縱坐標為低壓氣流量相對標準大氣壓背壓條件下吹除機械流量的比值。

受排氣泄漏影響，排氣背壓升高引起螺桿壓縮機排氣流量下降的速率高于柴油機廢氣流量下降的速率，背壓越高，降幅差越大，背壓1.8 bar時，柴油機排氣流量比螺桿壓縮機排氣流量高10%以上。

圖2 低壓吹除過程中的螺桿壓縮機背壓變化Fig.2 Deballastingmachine backpressure

圖3和圖4分別描述了壓載水艙為拋物線截面型式下吹除過程中潛艇吃水深度的動態變化和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，與采用柴油機廢氣進行低壓吹除相比，采用相同設計流量的螺桿壓縮機低壓氣吹除過程中潛艇上浮的時間約增加3%。吹除過程前期，2種吹除機械對應的艇吃水深度相差不大;吹除過程后期，螺桿壓縮機吹除到相同艇深需要的吹除時間逐漸增大。

根據圖2，隨吹除過程進行，吹除背壓逐漸升高，螺桿壓縮機排氣流量下降速率高于柴油機排氣流量下降速率，因此吹除后期螺桿壓縮機吹除能力弱于柴油機排氣吹除能力。

圖3 吹除過程中艇吃水深度的變化Fig.3 Evolution of submarine draught

圖4 吹除過程中壓載水艙液面下降速度的變化Fig.4 Evolution of tank water surface dropping speed

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、螺桿壓縮機工作過程的相互影響，耦合柴油機、螺桿壓縮機工作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，建立低壓吹除過程模型，應用模型對分別應用柴油機和螺桿壓縮機作為吹除機械時低壓吹除系統的動態性能。

在相同設計流量條件下，受排氣泄漏影響，排氣背壓增大時螺桿壓縮機對應的排氣流量下降速率大于柴油機排氣流量下降速率，針對本文假設模型參數，螺桿壓縮機吹除時間比柴油機吹除時間增加3%左右。吹除過程前期，螺桿壓縮機和柴油機排氣吹除效果相差不大;吹除后期，由于排氣流量下降較快，螺桿壓縮機吹除速度比柴油機廢氣吹除較慢。

研究比較分別采用柴油機和螺桿壓縮機作為低壓吹除機械時低壓吹除過程中潛艇的運動規律，可為潛艇低壓吹除系統設計提供參考。

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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

王建偉(1978－），男，工程師，研究方向為船舶動力系統設計。