高速巡邏船濕式排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁金永 楊 帆

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

引 言

船舶上柴油機(jī)的排氣管，根據(jù)排氣口位置的不同，主要有煙囪排氣、舷側(cè)排氣、尾部排氣和水下排氣等。按照廢氣是否與冷卻水混合排出，排氣方式一般分為干式排氣和濕式排氣。

干式排氣，柴油機(jī)排出的煙氣，容易熏黑船體外板和甲板設(shè)備，將極大影響船舶美觀；整個(gè)排氣管路溫度較高，可達(dá)到400~600℃，排氣管外壁一般需設(shè)置絕緣包扎以隔熱，占用機(jī)艙更多空間，增加整船重量，機(jī)艙的通風(fēng)量也要考慮整段排氣管的散熱；同時(shí)由于排氣溫度越高，聲音在管路中傳輸?shù)乃俣纫苍娇欤肼曃廴疽脖容^嚴(yán)重。高速船舶，如巡邏船、游艇，尤其注重外觀，同時(shí)機(jī)艙空間緊湊，對(duì)設(shè)備自重敏感。軍用艦船對(duì)噪聲和紅外輻射要求高，因此不適合采用干式排氣方式。

為此，高速船舶上一般采用濕式排氣系統(tǒng)，采用海水噴淋，其較之干式排氣系統(tǒng)，具有排氣溫度低、自重輕和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，綠色環(huán)保。濕式排氣系統(tǒng)中，柴油機(jī)煙氣通過(guò)排氣管出口和柴油機(jī)冷卻水管中的冷卻水混合后，排出船外，煙氣無(wú)難聞氣味，且對(duì)船體污染較小；煙氣溫度可降低到40~60℃，排氣管可不包覆絕緣，甚至可使用耐高溫的撓性橡膠軟管，減輕排氣管質(zhì)量，且更利于機(jī)艙的布置和安裝；煙氣和冷卻水混合后，聲音傳播速度降低，排氣噪聲也有明顯改善。

濕式排氣系統(tǒng)一般有如下布置型式：尾部排氣、舷側(cè)排氣和水下排氣。

1 濕式排氣系統(tǒng)的布置和設(shè)計(jì)

高速船上主機(jī)一般外部采用機(jī)帶海水泵冷卻，其冷卻熱交換器后，分一路冷卻齒輪箱及排舷外，另一路接至排氣噴淋裝置（圖1）和排氣擋板。若主機(jī)外部為淡水冷卻，或主機(jī)無(wú)接至噴淋裝置的接口，則船上需配置電動(dòng)海水泵供水。

圖1 噴淋裝置

高速巡邏船的推進(jìn)系統(tǒng)一般為主機(jī)通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)FPP槳，主機(jī)轉(zhuǎn)速為怠速至最大轉(zhuǎn)速，機(jī)帶海水泵的流量壓力、主機(jī)排煙量與主機(jī)功率轉(zhuǎn)速正相關(guān)。因此，在主機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，亦能保證水噴淋；而在全速航行時(shí)，海水泵的工作點(diǎn)移至工作曲線上最大工作點(diǎn)，此時(shí)海水與排氣充分摻混換熱后排出。

1.1 尾部排氣

尾部排氣一般由干式消音器、噴淋裝置和排氣擋板組成，排氣口位于水線以上。排氣擋板與主機(jī)啟動(dòng)聯(lián)鎖，可采用電動(dòng)（或氣動(dòng)）方式操縱，失電或電器元件/線路故障時(shí)，可提供聲光報(bào)警信號(hào)。

該系統(tǒng)技術(shù)成熟，且較為安全，不容易引起海水倒灌，應(yīng)用較多。尾部排氣避免了煙氣和噪聲污染，但消音器尺寸相對(duì)較大，需要占用一部分尾部舵機(jī)艙空間，同時(shí)排氣管由于穿過(guò)水密艙壁需要增設(shè)通艙管件。

設(shè)計(jì)布置時(shí)，為防止噴淋后排氣管路積水而引起虹吸，及因風(fēng)浪或倒車(chē)時(shí)海水倒灌，噴淋裝置后的排氣管在設(shè)計(jì)安裝時(shí)必須有向下的傾斜角度，同時(shí)排氣出口高出滿載水線一定高度（如下頁(yè)圖2所示）。由于排氣擋板和噴淋裝置在主機(jī)運(yùn)行時(shí)為全通式，噴水引起的排氣壓降較小，因此管路的排氣阻力主要表現(xiàn)為消音器壓降、管路沿程阻力損失和局部阻力損失。設(shè)計(jì)時(shí)，盡量降低消音器的壓降，將能較好地滿足柴油機(jī)的背壓要求。

圖2 尾部排氣

根據(jù)《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》，高速船應(yīng)進(jìn)行故障模式和影響分析（FMEA）。主機(jī)排氣擋板分別與左右舷主機(jī)啟動(dòng)聯(lián)鎖，排氣擋板的控制系統(tǒng)應(yīng)為各自獨(dú)立的24 V供電，以免影響主機(jī)使用和船舶的控制狀態(tài)。

1.2 舷側(cè)排氣

舷側(cè)排氣一般由氣水混合管、水封罐（濕式消音器）和防虹吸閥等（如下頁(yè)圖3，該圖示意的尺寸為一型奧南發(fā)電機(jī)組的要求）組成。

圖3 濕式排氣

此種型式的排氣方式布置時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

（1）柴油機(jī)出口經(jīng)氣水混合管后至水封罐這段管路，需設(shè)置一定的傾斜角，因此，水封罐布置時(shí)應(yīng)保證其排氣進(jìn)口低于主機(jī)排氣口一定高度，以確保水封罐內(nèi)的海水在柴油機(jī)停機(jī)后不回流入柴油機(jī)。

（2）水封罐出口排氣管設(shè)置鵝頸彎，其最高點(diǎn)與舷外排口有一定高度差，同時(shí)舷外排口高于水線約350 mm。

（3）柴油機(jī)出口氣水混合點(diǎn)（防虹吸點(diǎn)），如其位置低于最大載重水線約150 mm時(shí)，必須安裝防虹吸閥。柴油機(jī)可以都配置防虹吸閥，防止因船上實(shí)際安裝布置不滿足免設(shè)防虹吸閥條件，而發(fā)生虹吸現(xiàn)象，對(duì)柴油機(jī)造成損害（注：在柴油機(jī)停機(jī)而機(jī)帶海水泵不工作時(shí)，噴淋冷卻的海水在管路中形成一段連續(xù)的液柱，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生虹吸；防虹吸閥設(shè)置在管路頂部，相當(dāng)于一個(gè)透氣口，其在水流壓力降至一定值時(shí)會(huì)打開(kāi)，將空氣引至管路中，從而破壞液體的連續(xù)流動(dòng)）。

柴油機(jī)和消音器布置時(shí)，需滿足以上限制尺寸的要求。

為了防止舷外海水倒灌，可在舷外排氣口外部設(shè)置不銹鋼蓋。柴油機(jī)工作時(shí)，排氣頂開(kāi)蓋子，非工作狀態(tài)，靠重力關(guān)上；有些設(shè)計(jì)為了更安全，在排氣出口設(shè)置排氣擋板。當(dāng)然，主機(jī)或發(fā)電機(jī)組若靠近尾部，此種水封罐的型式亦可用于尾部排氣。

管路的排氣阻力主要表現(xiàn)為水封罐壓降、管路沿程阻力損失和局部阻力損失，由于鵝頸彎的存在，故局部阻力較大。根據(jù)水封罐的原理（參見(jiàn)圖4）可看出，其壓降為水封的高度差，其高度差

H

一般應(yīng)控制在

H

≤1/2

H

（

H

為柴油機(jī)最大允許背壓）。

圖4 水封罐

功率小的柴油機(jī)，排氣管通徑較小，水封罐尺寸可以較小，故適用于高速船的緊湊機(jī)艙空間。若大功率的主機(jī)采用此排氣型式，隨著排氣管通徑增加，水封罐的尺寸也需放大。這不僅不利于機(jī)艙布置，且高度

H

也會(huì)增大。而如果用于尾部排氣，由于排氣管路加長(zhǎng)，故更不利于排氣系統(tǒng)的背壓。

因此，該型式適用于小功率的主機(jī)及發(fā)電機(jī)組，較多的案例應(yīng)用于舷側(cè)排氣；在背壓允許的情況下，也可用于尾部排氣。

1.3 水下排氣

水下排氣型式由排煙管、消音器、噴淋水套和旁通管組成。排煙出口位于水下（其與水平線有一定夾角），旁通管排舷外口位于水上。出口處一般還設(shè)有一個(gè)導(dǎo)流板（位于船體外表面，見(jiàn)圖5），保證煙氣和水充分混合，并在船底形成負(fù)壓區(qū)，滿足柴油機(jī)排氣的要求。當(dāng)然，此導(dǎo)流板會(huì)增加一些船體阻力，從而可能影響航速。

圖5 水下排氣導(dǎo)流板

排煙口一般遠(yuǎn)離螺旋槳，以防止螺旋槳?dú)馕g和效率損失。由于排煙口位于水下，背壓較大，故有些船可不設(shè)消音器。此外，為防止海水虹吸倒灌，排煙管從主機(jī)排氣口出來(lái)時(shí)一般設(shè)置一個(gè)鵝頸頭高點(diǎn)，然后傾斜向下排煙，形成高度差；同時(shí)設(shè)置旁通管路及電動(dòng)蝶閥，在水下排氣背壓較大時(shí)或主機(jī)低負(fù)荷不足以克服水下排氣阻力時(shí)，可開(kāi)啟該蝶閥往舷側(cè)水面以上排氣。

圖6 水下排氣典型圖

水下排氣口一般可位于舷側(cè)（管路需注意不干涉主機(jī)的維護(hù)空間），或位于螺旋槳后的船底。

2 高速巡邏船上應(yīng)用介紹

上海海事局30 m鋁合金船采用濕式排氣系統(tǒng)，配置高速主機(jī)1 432 kW ，船體為深V型線型，型寬6.4 m，設(shè)計(jì)吃水1.2 m。由于吃水較淺，且是深V型線型，故在舷側(cè)水下上外板結(jié)構(gòu)有折邊，如圖7紅框處。若采用水下排氣，排氣口只能設(shè)置在較靠船舯處，靠近螺旋槳，從而影響螺旋槳的使用，造成排氣被吸入螺旋槳而產(chǎn)生空泡氣蝕。

圖7 主機(jī)橫剖面布置

舷側(cè)排氣在船舶舷側(cè)外板有較大開(kāi)孔，為保證外形美觀，故本船不采用。而水封罐的排氣型式，只在小型功率主機(jī)上應(yīng)用。

因此，本船主機(jī)采用了尾部水線上排氣的型式，即采用干式消音器、噴淋裝置和擋板。該方案由于在前部消音器的降噪基礎(chǔ)上，通過(guò)氣水混合，進(jìn)一步降低了噪聲，經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，降噪效果較好，且排出口無(wú)煙。柴油機(jī)出口的背壓測(cè)試，滿足主機(jī)廠的背壓值要求，保證柴油機(jī)的滿負(fù)荷輸出。

發(fā)電機(jī)組由于靠近尾部，實(shí)際采用了水封罐型式濕式系統(tǒng)排向尾部，見(jiàn)圖8。

圖8 發(fā)電機(jī)組尾部排氣

3 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，為進(jìn)一步加強(qiáng)水上安全監(jiān)管和應(yīng)急處置能力，海事系統(tǒng)對(duì)巡邏船的需求有了較大發(fā)展，對(duì)船舶的美觀和綠色環(huán)保有了更高要求。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目濕式排氣系統(tǒng)的布置方案和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述和總結(jié)，并介紹了布置安裝時(shí)需注意的問(wèn)題，可為民用高速船的設(shè)計(jì)提供一些借鑒。