舰艇柴油机防海水倒灌动力减压装置的优化以及探索

摘要：海水倒灌会让舰艇柴油机面临严重的后果，甚至可能造成舰艇发动机损坏，失去动力。文章对可能引起海水倒灌因素进行了分析，最终对避免海水倒灌提出了可行的建议，旨在促进我国舰艇柴油机放海水倒灌水平的不断提升与发展。

关键词：水下柴油机；海水倒灌；压力

舰艇中安装的柴油机排气管由于其自身需要，通常会位于水下2m左右，这就造成在发动机启动、停机或是运转的过程中发动机面临着海水倒灌的危险，一旦海水倒灌入发动机内，发动机将会被损坏，甚至可能使舰艇失去前进的动力，影响十分严重。下文通过模拟计算的方式，对发动机在水下的运转状态进行了研究，探寻防海水倒灌动力减压装置的优化措施。

1.计算模型的构建

柴油机在水下想要正常的发动，需要一个复杂的启动过程。想要实现对此过程的模拟，就需要对舰艇柴油机在水下时气缸、排气管、消音器等用容积法进行模拟计算，还要在全面考虑的基础上建立后排气管的容积法计算模型。为真实重现启动、停机及天气等外部因素对水下柴油机运转情况的影响，需要在计算过程中充分考虑水面波动状态，最终在力学的基础上构建发动机轴系、涡轮增压系统等动态模型的计算方程，构建PID控制方程。通过对上述方程的计算，得出在不同情况下水下发动机的气缸、排气进气管道、温度、气体成分等等各项的变化规律。

1.1.构建柴油机计算公式

本次研究的主要内容是防海水倒灌动力减压装置的优化，所以关于发动机废气的排放并未在此次研究包括的内容中。根据发动机燃烧具体情况的变工况经验放热率模型并利用双韦伯曲线对发动机缸体内发生的反应进行描述，这里参数的确定是依据实际测量的数据设置的，在使用经验参数时需要用实际测量对经验参数进行精确。构建了如下的PID控制方程式：

（1）

上式中， 指的是在i时刻中发动机齿条的位置， 指的是在i时刻发动机的转速与设定转速的差值， 指的是比例常数， 指的是积分常数， 指的是微分常数， 则是计算步长。

1.2.构建后排气管计算公式

水下柴油机发动或者停机时都有一定的持续时间，即存在一个过程。在此过程中会发生海水外排或者内灌的现象。也就是说在排气管中可能存在两种物质的流动，气体和海水。想要完成其计算公式的构建，必须将水下柴油发动机的后排气管排放过程进行一定程度的简化。通常情况下，舰艇的涡轮后会有一个排气消声器存在，排气消声器后是后排气管。排气消声器的容量通常情况下都比较大，能让排气过程中排气管中的气压维持稳定的状态。所以说通常后排气管中的压力变化幅度都会保持在一定的水平之内，不会产生较大的波动。利用一定的计算手段可知，在后排气管道单线循环的情况下其压力的波动幅度<0.13kPa，这个时候为了实现计算方式的简化，可以将后排气管也视为一个特殊容积进行计算考量，需要注意的是在构建公式时需要对排气管中气流的速度以及温度变化有所把握。构建后排气管的容积变化率公式为：

（2）

在上述公式中，V指的是后排气管道的瞬时容积大小，A指的是后排气管的管道横截面积，u为企业边界的运动速度。想要确定u值的大小，需要进行以下方式的计算：

（3）

上式中，p指的是后排气管的压力值，pw是后排气管道出气口的静水压力值， 为油水的密度值，而plos为气体排出过程中排气管沿途损耗的压力值。

2.柴油机水下运行的计算方式以及数据研究

2.1.如何判定发动机会否发生倒灌现象

根据后排气管水下排气过程中的水下流体动力学模型可知，在不同排气速度下排气管的倒灌情况是不相同的。在此基础之上进行一定的计算能够得出如下结论：当排气管的速度小于20m/s时，在排气过程中，气泡脱离排气管口后会有一定量的海水流入排气管道之内，并沿排气管向下流动，当排气速度提升至20m/s以上时，就不再会发生此种情况。

开展了最低不倒灌转速实验，实验结果为：当当前水深为最大水深的82.8%时，柴油发动机的相对转速需要保持在至少0.69以上，最好≥0.75，此时不会发生倒灌现象，当相对转速≤0.69时会发生倒灌现象；当当前水深为最大水深时，相对转速至少要在0.72以上，最好≥0.75，就不会发生导管现象。

将两项实验结果进行对比，发现当相对转速为0.72，水深为最大水深的82.8%时，尾排气管排放的气体流速为17m/s；当相对转速为0.75，水深为最大水深时，尾排气管气体流速为17.3m/s。据此，上述两个实验的结果是合理有效的。

2.2.停机过程中如何防治海水倒灌

当舰艇发动机停机时，何时关闭排气外舌阀是需要注意的问题。过早的关闭舌阀会让排气管内的气压过高，对舰艇整体运行可靠性有影响；关闭的太晚则会因为排气速度降低至一定的程度而引起海水倒灌。当发动机停机时，停止喷油后失去了油料燃烧产生的能量，排气管内的压力也会有很大幅度的下降，也可能引起海水的倒灌。所以应当在停止供油的同时关闭排气外舌阀。虽然在停机过程中，排气管的排气压力会远低于排气管的耐受力，但是需要意识到排气管外舌阀长期过早关闭，会让管道内的烟气在内壁积碳，影响运行中的安全。最好的办法就是采用排气阀渐关，将管道内的压力控制在合理范围之内，同时避免海水倒灌现象的发生。

3.结论

3.1.利用虚拟模型、构建计算公式以及利用实验研究的形式，探索当水下柴油机处于启动、运转元以及停机状态时后排气管中的气流流速变化可知，当排气管气流速度在20m/s以上时，能有效防止海水的倒灌。

3.2.在水下柴油发动机启动过程中，排气流速变化会让管道内压力产生一定程度的波动，此时很有可能发生倒灌现象。

3.3.想要防止水下发动机停机时海水的倒灌，需要做到在停止供油的同时关闭排气管外舌阀，或者根据排气管内压力的具体情况适时对舌阀的控制，保证管内压力的同时防止海水倒灌。

参考文献：

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[2]李新，颜伏伍，资新运.柴油机排气加热燃烧器热力特性数值模拟[J]. 燃烧科学与技术》，2009（6）

[3]韩固勇，邓建，周骏.泵气平均有效压力与排气压力波关系的试验研究[J].车用发动机，2010（5）

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