潛艇低壓吹除系統動態性能研究

勞星勝，曾 宏，張克龍

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

0 引言

潛艇上浮過程中，甲板浮出水面后利用低壓氣吹除壓載水艙，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，低壓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，壓載水艙內低壓氣壓力隨之增大，傳統計算方法采用集總參數法計算低壓吹除時間［2］，忽視了低壓氣壓力變化對壓載水艙液面下降速度的影響，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，不利于艇的狀態預報。壓載水艙高壓吹除過程模型需考慮的影響因素較多，一般較為復雜［3－5］，不宜直接應用于低壓吹除系統。

考慮壓載水艙內低壓氣壓力在吹除過程中逐漸增大，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

1.1 過程方程

作如下假設:

1)低壓氣為理想氣體;

2)忽略自壓氣機出口到壓載水艙流動管道內低壓氣的流動壓力損失;

3)低壓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，低壓空氣一部分用于補充艙內原有空氣因壓力升高引起的容積損失，另一部分用于吹除艙內海水，任意t時刻壓載水艙內低壓氣吹除容積Vh滿足以下關系式:

螺桿壓氣機為容積泵，具有進氣容積流量基本不隨排氣背壓變化的特點，變背壓管路系統。背壓式壓氣機用于低壓吹除，滿足如下關系式:

根據理想氣體狀態方程，有

聯立式(1)～式(3)，得到式中 ρair為低壓氣密度。

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。

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可決定艙內低壓氣吹除容積 Vh。且根據阿基米德原理，有

潛艇外形尺寸和液艙結構尺寸已知后，根據傳統計算方法確定螺桿壓氣機風量。設系統要求吹除時間為td，壓載水艙總容積為Vd，則低壓氣設計平均流量為

將由式(6)得到的低壓氣流量和式(5)得到的關系式整理后代入式(4)，根據艇和壓載水艙外形參數確定Vh與H和h的函數關系，對微分方程進行求解可以得到低壓氣吹除容積隨時間的變化關系，進一步分析可知水艙內海水體積、液面高度、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螺桿壓氣機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截面、拋物線截面和圓底梯形截面，如圖1所示。

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

2.1 模型驗證

根據式(6)，按吹除終了的空氣密度計算得到本模型參數條件下質量流量為4.33 kg/s。將各模型參數代入方程(4)，計算得出與船體同外形的壓載水艙內液位和艇吃水深度隨時間變化關系如圖2所示。

低壓吹除時間約為8.9 min，比設計時間縮短10%。該比例值跟實艇情況接近，驗證了本文建立模型的有效性。

實際吹除時間比設計時間短是因為低壓氣設計壓力是按吹除終了時的液位狀態確定，而實際吹除過程中，壓氣機出口壓力是逐漸增大至吹除終了狀態壓力的。

圖2 低壓吹除過程中的液位變化Fig.2 Water level 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種截面形狀下吹除過程中壓氣機吹除背壓的動態變化。吹除時間分別為圓弧截面8.89 min，拋物線截面9.14 min，圓底梯形截面9.19 min。可以看出，與船體同外形的壓載水艙完成吹除需要的時間最短，引起的吹除過程壓氣機背壓也最大，拋物線形截面對壓氣機背壓的要求最低，而圓底梯形截面導致的吹除時間最長。

圖3 截面形狀對吹除背壓的影響Fig.3 Effect of cross section configuration on deballasting back pressure

初始壓載水艙內液高，則壓氣機初始背壓高，因梯形截面積與液高呈線性關系，所以圓底梯形截面條件下的壓氣機背壓與時間也基本呈線性關系。

圖4描述了3種截面形狀下吹除過程中潛艇吃水深度的動態變化。可以看出，不同截面形狀條件下，低壓吹除過程中的艇吃水深度隨時間變化過程基本一致。

壓氣機對系統所做的功用于使潛艇上浮，壓氣機吸入流量一定時，艇的上浮量主要取決于壓載水艙容積和艇的排水量，基本不受截面形狀的影響。

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種截面形狀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下降后升高的趨勢，實艇低壓吹除過程也表現出相同趨勢。

如前所述，梯形截面的面積線性關系引起較大的液面下降速度，圓形截面與拋物線截面條件下的液面下降速度趨勢相近，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。

圖6描述了不同低壓氣流量對應的吹除時間和各條件下的吃水深度隨時間變化過程，可以看出，隨流量增大，吹除時間縮短速率降低，實艇裝備選型時應考慮提高壓氣機流量引起外形增大的不利影響。

圖6 設計流量對吹除時間的影響Fig.6 Effect of gas flow rate on deballasting durations

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7所示。隨潛艇外形增大，吹除時間增加的速率增大。

圖7 潛艇總體外形參數對吹除時間的影響Fig.7 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，建立低壓吹除系統壓載水艙液位動態變化過程方程，建立了螺桿壓氣機低壓吹除模型，根據實艇情況對模型進行驗證。

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。拋物線型截面對壓氣機的背壓需求最低，截面形狀對吹除過程中的艇吃水深度影響不大，圓形截面時壓載水艙內液面下降速度最平穩。

針對圓形壓載水艙截面，分析了總體和系統設計參數如壓氣機流量和艇外形參數對吹除過程的影響。壓氣機流量增大，吹除時間縮短速率降低，隨潛艇外形增大，吹除時間增加的速率增大。

本文研究揭示了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。

下一步研究將考慮背壓升高導致的壓氣機泄漏量變化對吹除過程的影響。

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

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

［3］葉劍平，戴余良，等.潛艇主壓載水艙高壓氣吹除系統數學模型［J］.艦船科學技術，2007，29(2):112－115，126.YE Jian-ping，DAI Yu-liang，et al.The mathematical model of the pneumatic blowing system of the submarine’s ballast tanks［J］.Ship Science and Technology，2007，29(2):112 －115，126.

［4］陳曉洪，劉輝，等.高壓氣吹除時機對潛艇應急吹除性能的影響分析［J］.軍械工程學院學報，2008，20(6):45－49.CHEN Xiao-hong，LIU Hui，et al.Analysis of influence of high pressure blowing timing upon submarine performance［J］.Journal of Ordnance Engineering College，2008，20(6):45－49.

［5］劉輝，浦金云，等.潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統模型研究［J］.艦船科學技術，2010，32(9):26 －30.LIU Hui，PU Jin-yun，et al.Research on system model of high pressure air blowing submarine＇s main ballast tanks［J］.Ship Science and Technology，2010，32(9):26 －30.