某高速巡邏艇主機排氣系統改進

毛斌峰 楊曉威 彭乃東 毛福考

摘? ? 要：本文介紹了某高速巡邏艇主機排氣系統布置方案及改進設計。該艇在試驗過程中發現主機排氣背壓超標現象，通過CFD仿真計算和理論估算論證改進方案可行性，經實船驗證表明，改進方案的管道阻力與理論估算結果相當吻合。

關鍵詞：排氣系統;排氣溫度;背壓;排氣擋板閥

中圖分類號：U664.81 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper briefly describes the arrangement and improvement of the main engine exhaust system for a high speed patrol vessel. During the test， the exhaust back pressure of the main engine exceeds the standard， and the CFD simulation and theoretical estimation proved the feasibility of the improved scheme. The actual ship verifies that the pipeline resistance of the improved scheme is in good agreement with the theoretical estimation results.

Key words： Exhaust system; Exhaust temperature; Back pressure; Exhaust damper valve

1? ? ?前言

某高速巡邏艇航行試驗過程中，推進柴油機在額定轉速、全負荷運行時，外界環境溫度39 ℃，實測最高排氣溫度～500 ℃;而改機在廠家臺架試驗時，外界環境溫度34 ℃，最高排氣溫度～430 ℃，兩者相差～70 ℃，屬排溫偏高現象。經分析認為，可能是由于排氣背壓過高或軸功率過大導致。為此，增加了該柴油機排氣背壓及軸功率檢測項目。經檢測發現，該機在額定轉速運轉時，軸功率在設計指標內，而排氣背壓測量值卻遠高于廠家提供的背壓限值，需要對排氣系統進行改進。

2? ? 排氣系統設計方案

該艇為單體船型，采用四機、四槳推進形式。艇長約46 m、排水量約230 t，設有前、后兩個機艙，每個機艙設2臺船用高速柴油機作為推進主機（1016 kW/1 800 r/min）。

船舶排氣系統通常是根據總體設計要求，采用不同的布置型式，常見的有：煙囪式向上排氣;舷側式排氣;尾部排氣等幾種方式。其中，舷側式排氣或尾部排氣還可采用水下排氣方式。

（1）煙囪式向上排氣

是一種傳統的排氣方式，有較大的布置空間，排氣管順暢、背壓小，且排煙對甲板上人員影響少;但需在上建設置煙囪，占用較大的上建艙室空間，排煙管路長、重量重;

（2）舷側排氣

管路短、占用空間小、重量輕;但因布置空間有限，管路彎頭多、彎管角度大、背壓大，其排出的煙氣容易熏黑船側外板，影響船舶的美觀，且排煙對甲板上人員有一定影響;

（3）尾部排氣

可避免煙氣熏黑船側外板，減小排煙對甲板上人員的影響;但管路較長、重量重，且排氣管往往需穿過水密艙壁，對通艙管件有較高的要求;

（4）水下排氣

可減少熱輻射和噪音，隱身性較好;但因其出口有水封，會增加一定的排氣背壓，需采用特殊結構防止停機后水通過排氣管進入氣缸內，因此該型式往往用于對噪聲和紅外輻射有較高要求的船舶。

該型船為小型高速巡邏艇，甲板位置空間有限，需控制嚴格重量，故宜選用舷側的排氣方式。其排氣系統由廢氣波紋管、排氣管道等組成，舷側排出口位于水線之上;因受空間限制，該排氣系統未設置消音器;同時為降低排氣出口的溫度，在排氣尾管上設有海水冷卻水套，冷卻海水通過水套內的噴水口注入排氣尾管內，與排氣混合后排出艙外。

由于排氣出口與水線的距離較小，為防止主機停運時海水倒灌進排氣管內，按規范要求在其出口處需設置防浪擋板，選用固定式防浪擋板。

該艇推進柴油機排氣系統布置，如圖1所示。

3? ? 現有排煙系統試驗

該排氣系統按設計圖紙施工完成后進行主機負荷試驗，發現主機排煙溫度偏高。為查明排氣溫度過高問題，增加軸功率測定試驗和排氣背壓測定試驗。

試驗結果表明，主機在額定轉速下，其額定功率在限值范圍內，但其排氣背壓為13 000 Pa，遠超柴油機廠家對排氣背壓不大于2 500 Pa的限值。

4? ? 背壓理論計算方法

根據上述測試結果，該型艇的排氣系統需要進行改進才能滿足使用要求。為了避免出現反復修改現象，需要對改進方案進行背壓理論計算。眾所周知，因人員不同、所取管路阻力系數不同，其計算結果差異較大。為此，在進行改進計算前需核實計算方法的正確性。

根據該艇主機排氣管道布置圖（如圖1），分別利用CFD計算方法和理論估算方法，對排氣系統進行阻力估算，比較計算結果與實測值的差距。

4.1? ?CFD計算方法

柴油機排氣系統為典型的不可壓縮流體湍流模型，可選用ANSYS FLUENT進行建模及仿真計算。由于本艇的4臺推進柴油機排氣管走向基本一致，僅建立前右推進柴油機排氣系統的CFD計算模型并進行仿真計算。建模過程、邊界條件設置、網格劃分均在計算軟件內完成，經計算得到排氣管道壓力場分布情況，如圖2所示。

由圖2可知，在兩片內置固定式防浪擋板處出現阻力峰值，阻力值約12 750 Pa，排氣管道總阻力約14000 Pa。

4.2? ?排氣管路阻力估算

為驗證上述結果的準確性，根據《船舶設計實用手冊》（輪機分冊）中的相關估算公式，對主機排氣管道進行阻力估算。

主機排氣管道阻力主要由排氣管道摩擦阻力和排氣管道附件局部摩擦阻力組成，排氣管總阻力為上述兩個阻力之和，詳見表1。

根據表1估算結果：主機排氣管道總阻力為12834Pa，其中由內置固定式防浪擋板產生的局部阻力占總阻力比例約88%。

4.3? 小結

理論估算、CFD計算和實艇測量三種排氣管阻力數據較為接近，說明該理論估算方法可行。由理論估算和CFD計算結果可知，本艇主機排氣背壓偏高是由主機排氣管道阻力過大引起的，而阻力主要產生于排氣管道冷卻水套內置的2片固定式防浪擋板。

5? ? ?改進設計

5.1? ?改進方案

由以上分析可知，導致本艇推進柴油機排氣背壓過高的原因為排氣管道冷卻水套內置的2片固定式防浪擋板所致。為此，綜合考慮本艇機艙空間限制及改造進度等因素，選用將主機排氣管道內置的固定式防浪擋板更換為排氣擋板閥的方案。

具體實施方案如下：拆除固定式防浪擋板更換為活動式排氣擋板閥，并增設排氣擋板閥行程開關與主機起動聯鎖功能，修改排氣尾管冷卻水管結構，如圖3所示。

按照上述估算方法，對改進方案進行總阻力理論核算，其估算結果約為1 600 Pa，其中排氣管道附件（排氣擋板閥）局部摩擦阻力約100 Pa，其局部阻力系數根據經驗取值0.05。為此，初步確定改進方案可行。

5.2? 方案驗證

根據上述改進方案對該排氣系統改進后，按要求進行背壓測定試驗，結果如下：推進柴油機在額定轉速下的排氣背壓值介于1 200～1 400 Pa之間，滿足主機廠家對柴油機的背壓要求。試驗過程中，推進柴油機的排氣溫度介于430 ℃～445 ℃（進氣溫度為35℃），與主機臺架試驗數據相近。

6? ? 結語

針對某高速巡邏艇排氣溫度高問題，通過分析和實測方法尋求解決方案，并利用CFD計算和理論估算方法認證改進方案可行性并確定改進方案。

參考文獻

[1]? 黃恒祥.船舶設計實用手冊（輪機分冊）.[M]. 北京：國防工業出版社，?2013.