船舶機艙主齒輪機組的油氣釋放特性研究

章葉川，冷文軍，余 濤,2，趙俊濤，施紅旗，蘇洪濤

(1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2. 北京航空航天大學，北京 100083)

0 引 言

船舶系統存在著大量的機械設備，如主機系統、汽輪機、水泵等設備，需要應用機油對機械設備進行潤滑、冷卻和調速。在高溫環境和高速旋轉工況下，機油會釋放出大量的油氣，在船舶狹小的機艙內，會嚴重影響機艙內的空氣品質[1]。隨著船舶設計、建造和使用水平的不斷提高，對船舶機艙的油氣污染控制提出了更高的要求，需要對機艙的油氣釋放特性和凈化方法進行深入研究[2–3]。

近年來，我國的研究人員針對船舶機艙的油氣污染開展了一些研究工作，如組織了機艙空氣組分定性定量實測[1–2]，研究了船舶汽輪機油揮發物的組成特征[3]，分析了油氣污染的傳播特性[4]等。但是，針對機艙內系統設備在運行時釋放油氣的特性研究相對較為薄弱，尤其是對不同運行工況下，油氣釋放速率變化規律的研究。

船舶機艙中的油氣主要是以氣溶膠形式存在，本文采用環境監測領域廣泛應用的氣溶膠監測儀，對某船主機艙空氣中油氣濃度進行監測，分析不同轉速工況下的艙室環境油氣濃度變化規律，再根據艙室油氣質量平衡方程和凈化系統配置，推算主機的油氣釋放速率，研究不同轉速工況下的油氣釋放速率。

1 研究方法

1.1 測量原理

由于船舶機艙內存在著相應的空氣凈化裝置和通風管，其氣溶膠監測儀所測定的油氣濃度是油氣釋放、二次反應、凈化和通風等因素共同作用后的油氣濃度，假定系統運行期間，機艙油氣呈均勻分布狀態，艙室污染控制系統簡化模型如圖1 所示。

圖 1 船舶機艙油氣控制簡化模型Fig. 1 Simplified model of oil and gas control in ship engine room

圖中，C0為外界大氣污染物濃度，mg/m3；C（t）為t 時刻艙室污染物濃度，mg/m3；V 為艙室空氣凈容積，m3；Q 為送風（排風）風量，m3/h；M 為給定工況下艙室污染源單位體積釋放強度，m g/h/m3；CADR 為凈化設備潔凈空氣量，m3/h。

機艙油氣濃度實測數據如圖2 所示，當主齒輪機組轉速穩定時，油氣釋放強度恒定，整個機艙油氣濃度會達到平衡狀態；在油氣的釋放過程中，各粒徑范圍內的油氣濃度保持穩定，說明油氣在機艙中并不發生二次反應和轉化。

圖 2 船舶主機艙油氣實測濃度分布Fig. 2 Oil and gas measured concentration distribution in the main engine compartment of the ship

據上述推論和船舶機艙環境實際特點，可對油氣控制模型進行簡化處理：1）機械動力系統轉速穩定時，油氣釋放強度恒定；2）除設備凈化和通風排出外，不發生二次反應、轉化；3）艙室內的油氣分布均勻；4）外界大氣為潔凈大氣，即C0=0。根據質量守恒，艙室油氣濃度變化量等于釋放量減去消除量，可得集總參數模型：

對微分方程積分后得到：

當艙室處于通風工況時，機械設備在一定時間內保持

工況不變，此時平衡濃度C、油氣釋放強度M 分別為：

故在通風工況下，根據通風風量、凈化設備潔凈空氣量和機艙污染物平衡濃度，可得到主齒輪機組的油氣釋放速率。

1.2 測量方法

本文以交付船東使用1 年后的某型船主機艙室為研究對象，該主機艙內的主齒輪機組是艙室內唯一的油氣釋放源。風機盤管送排風口位于艙室內且分布均勻，在通風工況下，僅用于該艙室的降溫除濕，盤管內不含空氣凈化模塊，但是可以保證艙室的油氣擴散處于均勻狀態，艙室內的新風系統在通風工況下打開，其凈化風量為3 000 m3/h。

為獲取艙室油氣釋放速率，船舶在穩定狀態下正常航行，主齒輪機組的輸出轉速依次穩定在75/110/145/170/200 r/min，艙室通風處于受控狀態，應用氣溶膠監測儀不間斷監測主機艙室的油氣濃度實時變化。應用TSI8533 型氣溶膠檢測儀對油氣濃度進行連續檢測，如圖3 所示，該監測儀由數據記錄系統和光散射激光光度計組成，可以給出實時的油氣濃度讀數，可同時測量和顯示多個粒徑的油氣質量濃度和計數個數。

圖 3 TSI8533 型氣溶膠監測儀Fig. 3 TSI8533 aerosol monitor

2 結果及分析

2.1 機艙油氣釋放速率

由實際船舶設計及運行參數顯示，該型船的主機艙艙容體積為500 m3，其綜合凈化風量Q+CADR=3 000 m3/h。測試期間，艙室內空氣的溫度為25 ℃±2 ℃，相對濕度為50%±5%，壓力為102.9 kPa。根據1.1 節的測量原理可知，當主機處于穩定轉速時，可根據公式（4）計算主齒輪機組的油氣釋放速率。試驗中依次提高主機轉速，分別在75/110/145/170/200 r/min 轉速下穩定航行，對各轉速下的油氣平衡計重濃度進行監測，得到5 種轉速對應的油氣釋放速率，如表1 所示。

表 1 油氣釋放速率Tab. 1 Oil and gas release rate

將不同轉速對應的油氣釋放速率代入集總參數模型式（2），可得機艙油氣濃度在連續變工況下的油氣濃度實時變化規律，與實際氣溶膠監測儀測量的油氣濃度對比，如圖4 所示。可以看出，實時油氣濃度監測值與集總參數模型預測值的偏差在10%以內，說明根據船舶主機艙的油氣釋放特性和環境特點，應用集總參數控制模型能較為準確地計算主齒輪機組的實際油氣釋放速率，對機艙油氣實時濃度進行很好的預測。

圖 4 油氣釋放速率曲線圖Fig. 4 Oil and gas release rate curve

2.2 機艙油氣釋放速率的影響因素

帶有滑油潤滑的旋轉機械在運轉時，會產生大量的油氣，這些油氣主要是來自于高溫蒸發、離心力作用和氣液轉化，Gunter 和Sutherland[5]對機械車削機床的油氣釋放進行過研究，其研究表明轉速是影響油氣產生的主要因素。本文在試驗期間，其主齒輪機組溫度和環境參數基本保持不變，通過測試得到不同穩定轉速對應的油氣釋放速率，如圖5 所示，其擬合曲線表明，油氣的釋放速率與主齒輪機組輸出轉速的平方成正比，從理論上分析可知，油氣的釋放是主機內滑油隨著旋轉機械進行高速旋轉運動，當微小液態油滴所需向心力大于油的粘性力時，就會被甩出進行形成各種粒徑的液態氣溶膠，由向心力公式F=m（2πN）2r（m 為油滴質量；N 為轉速；r 為旋轉半徑）可知，向心力與轉速的平方成正比，隨著轉速增加，向心力不斷增加，被甩出的油滴數量也就會相應增加，因此油氣的釋放速率與轉速的平方成正比關系是有一定的理論依據的。

圖 5 轉速與油氣釋放速率的關系Fig. 5 Relationship between rotational speed and oil and gas release rate

3 結 語

本文根據船舶機艙主齒輪機組的油氣釋放特性和環境特點，應用艙室環境集總參數控制模型和穩定轉速下的油氣平衡濃度實際監測值，計算得到了某典型船舶主齒輪機組在穩定工況下的油氣釋放速率，并通過對比得到集總參數模型對連續變工況下的機艙油氣濃度預測值與實際監測值的偏差在10%以內，說明該方法計算得到的油氣釋放速率和機艙油氣在連續變工況下的預測值相對準確可靠。同時，初步發現并分析了主齒輪機組油氣釋放速率與輸出轉速的平方成正比例關系。以上內容對船舶油氣凈化系統設計和污染控制具有一定的指導意義，下一步將結合機械設備的幾何特性、運行工況，進一步研究類似旋轉機的油氣發生機理。