運用隧道風機的客滾船滾裝處所通風設計數值計算

徐 謙，趙自兵，趙永波，呂明廣

（1.招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海200137；2.招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東威海 264205）

0 引 言

在客滾船設計中，為實現經濟效益最大化，通常會盡可能地增加車道米長度，留給通風系統的空間非常有限，而規范對滾裝處所通風的要求是每小時換氣次數不少于10 次，風量巨大，需在滾裝處所布置大量風機和風道，在此情況下，如何在狹小的空間內完成通風設計是一個難題。滾裝處所的通風方式一般有4 種（見圖1），具體包括：

圖1 滾裝處所基本通風方式

1）自然通風，該方式無需通風設備和風道，但需在兩舷布置大量開孔，一方面會導致滾裝處所的環境惡化，雨水易進入室內，整個滾裝處所等同于室外，另一方面會減弱結構強度和外部結構的美觀性；

2）使用隧道風機產生射流縱向通風，該方式相比其他機械通風方式能大量減少風道，這對于空間狹小的客滾船而言是非常有利的；

3）側向排補式全橫向通風；

4）壓入式半橫向通風。

隧道風機是一種無風管誘導通風裝置，可通過射流縱向通風構建流場，解決一些設計難題，已在公路隧道和地下車庫得到廣泛應用，已有學者對這種通風裝置在船舶通風系統設計中的應用進行研究。例如：劉亞琴等和王少鵬等采用射流通風減少機艙的局部高溫和空氣滯留區；楊勇等采用誘導風機替代通風風管，改善機艙內的氣流組織；卜鋒斌采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究在大型船舶車輛艙內布置無風管誘導通風裝置的主要影響因素。

目前有關在滾裝處所通風系統設計中采用隧道風機的計算方法很少，因此本文根據機械行業標準《隧道用射流風機的技術條件》（JB/T 10489—2004），結合滾裝處所的特點，提出滾裝處所采用隧道風機的計算方法和常用的設計參考數據。以某型客滾船為例，著重介紹隧道風機在滾裝處所通風設計中運用的計算選型和優化比較。

1 隧道風機的特點和滾裝處所推力計算方法

1.1 隧道風機的特點

隧道風機是一種特殊的軸流風機，主要應用于隧道等縱向通風空間內，客滾船的滾裝處所比較狹長，類似于隧道，適合運用隧道風機，一般將隧道風機懸掛在通風空間頂部或兩側，不占用車道空間。隧道風機運行時，通風空間內的一部分空氣從風機的一端吸入，經葉輪加速之后，從風機的另一端高速噴出，這部分高速氣流將能量傳遞給通風空間內的其他空氣，產生一定的空氣壓差，從而推動通風空間內的空氣沿風機噴射氣流方向運動。

隧道風機有單向和雙向2 種，評判風機大小的主要指標是風機推力，其計算公式為

式（1）中：為風機推力；ρ為空氣密度；為風機出口的風速；為風機出口的流量。

隧道風機運行時可帶動周圍氣體運動，能帶動幾倍于風機風量的氣體運動。

按隧道風機射流的氣流組織（見圖2），距離風機出口處的風量與風機本身風量的比值為

圖2 隧道風機射流的氣流組織

式（2）中：為隧道風機的直徑。

以DN400，10 000 m/h 的隧道風機為例進行計算，當距離風機3 m處的風量放大倍數為8.56 時，即可推動85 600 m/h的氣體運動。

1.2 滾裝處所需求推力的計算方法

隧道風機的總推力用于克服滾裝處所的空氣阻力，該阻力主要由3 部分組成。

1）滾裝處所進口空氣阻力Δ，通常取滾裝處所內空氣動壓的1.5 倍，有

式（3）中：為滾裝處所的設計風速。

2）滾裝處所內表面摩擦損失Δ，考慮到滾裝處所表面有很多結構，主要是大梁，摩擦因數取0.4，有

式（4）中：為滾裝處所的長度；為滾裝處所的當量直徑取4 倍的橫截面積與截面周長的比值。

3）滾裝處所進出口的局部壓降Δ，主要是面積變化產生的壓力損失，有

式（5）中：為滾裝處所進出口的橫截面積；為滾裝處所的橫截面積。

滾裝處所內的總推力為

2 隧道風機在滾裝處所通風設計中的應用

選用某型客滾船5 ～7 甲板的滾裝處所為研究對象，其中：滾裝處所長為170 m，寬為27 m，高為6 m；艏門寬為7 m，高為5 m。貨艙的通風設計需滿足10 次/h的換氣次數要求，即通風量為275 400 m/h，滾裝處所內的風速為0.5 m/s。

滾裝處所艏部布置有抽風機，當艏門關閉時，該風機能滿足滾裝處所10 次/h的換氣次數要求，但當艏門打開時，艏部風機會形成短路，可運用隧道風機解決該問題。隧道風機布置圖見圖3。

圖3 隧道風機布置圖

艏門打開時，僅使用隧道風機滿足10 次/h的換氣次數要求。滾裝處所內的風速為0.5 m/s；艏門處的風速為2.2 m/s；滾裝處所內的當量直徑為10 m。按照式（3）～式（6）進行計算，滾裝處所內需求的水平總推力為400 N。考慮滾裝處所內的大梁，隧道風機出口的氣流為避開大梁，有向下30°的傾角，隧道風機安裝圖見圖4，因此需求的隧道風機總推力為457 N。

圖4 隧道風機安裝圖

根據需求的隧道風機總推力，設計以下3 套方案：

1）方案一，選用12 臺推力為38 N或6 臺推力為76 N的可逆隧道風機，使風機的氣流方向與外部風向一致，這樣在計算時可不用考慮外部自然風對滾裝處所通風的影響。

2）方案二，若選用不可逆隧道風機，需考慮外部自然風的影響，自然風產生的外部推力的計算公式為

式（7）中：為外部自然風風速。

當自然風的風速能克服滾裝處所的總推力時，可不啟動風機，即當外部自然風的推力為400 N 時，外部自然風的風速為4.4 m/s；當風速小于4.4 m/s時，隧道風機需同時克服滾裝處所的總推力和艏門的自然風阻力，需要2 倍的水平推力，即800 N，需選用12 臺推力76 N的不可逆隧道風機。

3）方案三，當選用不可逆隧道風機時，可考慮隧道風機與艏部的4 臺抽風機（每臺抽風機的通風量為68 850 m/h，功率為40 kW）同時使用，隧道風機的作用是抑制艏門打開時短路的風，即克服自然風產生的阻力，隧道風機需求的總推力為457 N，可用12 臺推力為38 N的隧道風機。

隧道風機3 套應用方案對比見表1。考慮到艏部抽風機本來就需要布置，艏門關閉時用于抽風，方案三的初期投資最少，且控制簡單，隧道風機的開關取決于艏門的開閉狀態，但因需要啟動艏部抽風機，電力負荷遠大于另外2 套方案；方案一的初期投資少于方案二，隧道風機的推力為方案二的1/2，功耗比較少，缺點是控制復雜，需根據外部自然風的方向選擇不同的運作方向，而該風向是不確定的。

表1 隧道風機3 套應用方案對比

在該客滾船項目中選用方案二，能成功解決滾裝處所裝卸貨時，艏門打開后的通風問題，省去很多結構風口，大大簡化貨艙通風裝置的布置，12 臺隧道風機分成3 組，每組4 臺。在實船測試中，通過煙霧試驗證明該隧道風機應用方案是有效的。

3 結 語

隧道風機不僅能改善滾裝處所的氣流組織，而且能滿足大風量的換氣次數要求，這是滾裝處所通風系統設計的新思路，可減少結構風管，解決設計中存在的一些難題，比如艉部永久敞開的滾裝處所在艏門打開時的氣流組織問題。本文詳細闡述了隧道風機選型的計算公式，該公式參考了隧道用射流風機的機械行業標準，結合了滾裝處所結構的特殊性。此外，以實船為研究對象，設計了3 套隧道風機應用方案，并進行了對比分析，其有效性得到了實船驗證。