某高速巡逻艇主机排气系统改进

毛斌峰 杨晓威 彭乃东 毛福考

摘    要：本文介绍了某高速巡逻艇主机排气系统布置方案及改进设计。该艇在试验过程中发现主机排气背压超标现象，通过CFD仿真计算和理论估算论证改进方案可行性，经实船验证表明，改进方案的管道阻力与理论估算结果相当吻合。

关键词：排气系统;排气温度;背压;排气挡板阀

中图分类号：U664.81                              文献标识码：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

某高速巡逻艇航行试验过程中，推进柴油机在额定转速、全负荷运行时，外界环境温度39 ℃，实测最高排气温度～500 ℃;而改机在厂家台架试验时，外界环境温度34 ℃，最高排气温度～430 ℃，两者相差～70 ℃，属排温偏高现象。经分析认为，可能是由于排气背压过高或轴功率过大导致。为此，增加了该柴油机排气背压及轴功率检测项目。经检测发现，该机在额定转速运转时，轴功率在设计指标内，而排气背压测量值却远高于厂家提供的背压限值，需要对排气系统进行改进。

2    排气系统设计方案

该艇为单体船型，采用四机、四桨推进形式。艇长约46 m、排水量约230 t，设有前、后两个机舱，每个机舱设2台船用高速柴油机作为推进主机（1016 kW/1 800 r/min）。

船舶排气系统通常是根据总体设计要求，采用不同的布置型式，常见的有：烟囱式向上排气;舷侧式排气;尾部排气等几种方式。其中，舷侧式排气或尾部排气还可采用水下排气方式。

（1）烟囱式向上排气

是一种传统的排气方式，有较大的布置空间，排气管顺畅、背压小，且排烟对甲板上人员影响少;但需在上建设置烟囱，占用较大的上建舱室空间，排烟管路长、重量重;

（2）舷侧排气

管路短、占用空间小、重量轻;但因布置空间有限，管路弯头多、弯管角度大、背压大，其排出的烟气容易熏黑船侧外板，影响船舶的美观，且排烟对甲板上人员有一定影响;

（3）尾部排气

可避免烟气熏黑船侧外板，减小排烟对甲板上人员的影响;但管路较长、重量重，且排气管往往需穿过水密舱壁，对通舱管件有较高的要求;

（4）水下排气

可减少热辐射和噪音，隐身性较好;但因其出口有水封，会增加一定的排气背压，需采用特殊结构防止停机后水通过排气管进入气缸内，因此该型式往往用于对噪声和红外辐射有较高要求的船舶。

该型船为小型高速巡逻艇，甲板位置空间有限，需控制严格重量，故宜选用舷侧的排气方式。其排气系统由废气波纹管、排气管道等组成，舷侧排出口位于水线之上;因受空间限制，该排气系统未设置消音器;同时为降低排气出口的温度，在排气尾管上设有海水冷却水套，冷却海水通过水套内的喷水口注入排气尾管内，与排气混合后排出舱外。

由于排气出口与水线的距离较小，为防止主机停运时海水倒灌进排气管内，按规范要求在其出口处需设置防浪挡板，选用固定式防浪挡板。

该艇推进柴油机排气系统布置，如图1所示。

3    现有排烟系统试验

该排气系统按设计图纸施工完成后进行主机负荷试验，发现主机排烟温度偏高。为查明排气温度过高问题，增加轴功率测定试验和排气背压测定试验。

试验结果表明，主机在额定转速下，其额定功率在限值范围内，但其排气背压为13 000 Pa，远超柴油机厂家对排气背压不大于2 500 Pa的限值。

4    背压理论计算方法

根据上述测试结果，该型艇的排气系统需要进行改进才能满足使用要求。为了避免出现反复修改现象，需要对改进方案进行背压理论计算。众所周知，因人员不同、所取管路阻力系数不同，其计算结果差异较大。为此，在进行改进计算前需核實计算方法的正确性。

根据该艇主机排气管道布置图（如图1），分别利用CFD计算方法和理论估算方法，对排气系统进行阻力估算，比较计算结果与实测值的差距。

4.1   CFD计算方法

柴油机排气系统为典型的不可压缩流体湍流模型，可选用ANSYS FLUENT进行建模及仿真计算。由于本艇的4台推进柴油机排气管走向基本一致，仅建立前右推进柴油机排气系统的CFD计算模型并进行仿真计算。建模过程、边界条件设置、网格划分均在计算软件内完成，经计算得到排气管道压力场分布情况，如图2所示。

由图2可知，在两片内置固定式防浪挡板处出现阻力峰值，阻力值约12 750 Pa，排气管道总阻力约14000 Pa。

4.2   排气管路阻力估算

为验证上述结果的准确性，根据《船舶设计实用手册》（轮机分册）中的相关估算公式，对主机排气管道进行阻力估算。

主机排气管道阻力主要由排气管道摩擦阻力和排气管道附件局部摩擦阻力组成，排气管总阻力为上述两个阻力之和，详见表1。

根据表1估算结果：主机排气管道总阻力为12834Pa，其中由内置固定式防浪挡板产生的局部阻力占总阻力比例约88%。

4.3  小结

理论估算、CFD计算和实艇测量三种排气管阻力数据较为接近，说明该理论估算方法可行。由理论估算和CFD计算结果可知，本艇主机排气背压偏高是由主机排气管道阻力过大引起的，而阻力主要产生于排气管道冷却水套内置的2片固定式防浪挡板。

5     改进设计

5.1   改进方案

由以上分析可知，导致本艇推进柴油机排气背压过高的原因为排气管道冷却水套内置的2片固定式防浪挡板所致。为此，综合考虑本艇机舱空间限制及改造进度等因素，选用将主机排气管道内置的固定式防浪挡板更换为排气挡板阀的方案。

具体实施方案如下：拆除固定式防浪挡板更换为活动式排气挡板阀，并增设排气挡板阀行程开关与主机起动联锁功能，修改排气尾管冷却水管结构，如图3所示。

按照上述估算方法，对改进方案进行总阻力理论核算，其估算结果约为1 600 Pa，其中排气管道附件（排气挡板阀）局部摩擦阻力约100 Pa，其局部阻力系数根据经验取值0.05。为此，初步确定改进方案可行。

5.2  方案验证

根据上述改进方案对该排气系统改进后，按要求进行背压测定试验，结果如下：推进柴油机在额定转速下的排气背压值介于1 200～1 400 Pa之间，满足主机厂家对柴油机的背压要求。试验过程中，推进柴油机的排气温度介于430 ℃～445 ℃（进气温度为35℃），与主机台架试验数据相近。

6    结语

针对某高速巡逻艇排气温度高问题，通过分析和实测方法尋求解决方案，并利用CFD计算和理论估算方法认证改进方案可行性并确定改进方案。

参考文献

[1]  黄恒祥.船舶设计实用手册（轮机分册）.[M]. 北京：国防工业出版社， 2013.