浅谈船舶机舱通风管道的设计改进
[摘 要]根据多年来船舶机舱通风系统修改的经验，提出了在生产设计阶段改进的问题。在生产设计中，即事先已经把风道位置与管子及电缆等统一安排好，同时又要考虑到在修船中，拆卸更换的问题，为生产和将来的维修创造良好的工作条件。故在本文中我们主要对船舶机舱通风管道设计的改进进行了简单的分析与探讨。
[关键词]船舶机舱；管道；通风设计；改进
中图分类号：U266 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0061-01
导言
船舶机舱是船舶的动力枢纽部位，机舱内发热设备多，空间狭窄，合理的气流组织设计一方面能排除舱内废热，防止局部热量、油雾及有害气体聚集，为设备及工作人员提供良好的工作环境；另一方面也能有效地节省通风资源，降低通风能耗。现代船舶机舱管道通风大部分采用机械送、抽风与自然排风相结合的方式。本文模拟船舶以汽轮机为主动力驱动，汽轮机与燃油锅炉均放置在同一舱室，整体机舱空间较大，因此采用机械送、抽风及自然排风共同作用以达到良好的通风效果。通过设置隔屏并调整机械抽风口位置来改变舱内的气流组织形式，有效地解决了舱内气流漩涡。
1 船舶机舱机械通风系统的物理模型
以某海监船为研究对象，采用Pro/E来建立其机舱及舱内设备的三维模型。该海监船机舱参数如下：机舱长13m，宽10m，最高处5.1m，且机电设备较多、管系复杂，因此，必须对机舱进行简化，以使所建物理模型能够适合数值模拟计算。首先，根据船舶机舱段型线图建立机舱外板物理模型，其中对机舱热环境影响较小的油泵、水泵、油水管路及附件、配电板和控制器等机电设备可忽略不计。随后，应对舱内气流流场和热环境影响较大的设备物理模型进行建模：2台主机及其排烟管、3台发电机、燃油锅炉、双热源洗涤装置、空气瓶和岸电稳压装置、鼓风机和进气围井等。物理建模过程中，这些影响较大设备的外形尺寸应与实际尺寸相同，进排气围井可用立方体代替，并对边界做无厚度壁面处理。
2 关于机舱强力通风管路生产设计程序及方法问题
（1）通风管道舾装阶段的划分
通风管道舾装阶段是指决定所绘制的风道归于哪个阶段舾装，即预装，预装是在某个分段上预装还是在某单元中预装。预装的风道要确认板厚要足够，防止后续工程将它因挤压和其他原因导致变形。对预装和船装阶段在划分过程中必须注意涂装的可能，涂装时钢板除锈，涂料种类及涂几度漆等应说明。
（2）绘制机舱通风管路的计划图
根据阶段划分，划出走向的初稿即计划图，计划图是安装图的基础，应精心策划，统筹通风管路、电缆的位置，尺寸及走向。还应注意风道主管，支管及拐弯处的排放旋塞。
（3）关于机舱安装图的绘制
把机舱通风按区域分四部分按编号绘制安装图。注明预装在分段中的界限。无论是独立或扒壁风管在穿过船体结构时，都要注意开孔要领及角隅的规定，并对甲板间高度及拱度、挠度，船侧的结构及尺寸都应标记清楚。
对于安装图的具体画法，要注意风道本体、风挡，管支架、净高及为了风道安装而须与其他舾装件的净距离等。
风道的分段取决于法兰的位置，法兰位置要设于变形部位上。在变截面，有圆角及平行弯处均设法兰。
直风道一般长度2400mm，最长3000mm。合扰管要标出合拢安装法兰，一般留100mm装配量。
支架以防震动产生为原则决定跨度，要考虑管路与电缆同用联合支架修船时拆卸问题。属大型风道时要注意加设搬运和吊运的眼板，穿过甲板的风道应设通舱件或附强材。
（4）通风管道的托盘、纳期及分类表
生产设计是管理设计，应将托盘作为实施托盘管理。按照船段舾装区域决定托盘，按照船段的舾装日程决定配材日期，作成按不同进度划分的托盘表。其内容包括：通风管符号，重量，管支架、调风档等，并注明所属图号，纳期等。
3 通风管道系统优化方案
优化措施如下：将机械送风口改为机械抽风口，风机通风量保持不变；将压力进口改为压力出口，保证负压在人的舒适度范围内；其它边界条件不变。同样，进行上述非结构网格划分和求解设置，计算收敛后，观察相同位置的速度场和温度场。
（1）机舱后侧的气流死区流速提高3～4.5m/s，该处温度由42℃降低到33℃；
（2）机舱整体气流分布更加均匀，速度梯度明显减小，气相组织明显改善，人活动区域的最高流速为7.2m/s（出现在进风口底部），抽风口底部流速降为3～4m/s，主、副机之间的活动区域温度降为37～40℃。这是因为：采用机械抽风加自然进风的通风形式后，新鲜空气的换热行程增加，从而避免了机舱进风和主机的进风短路，气相组织湍流特性增加。同时，优化前的进气围井截面平均流速为-3.85m/s，优化后的该处平均流速为7.6m/s，可知，机舱实际进风量增加了近50%，这是由于主、副机进风端的抽吸作用所致。
但是，在机舱中段右侧出现了较大气流漩涡，气流速度为0～1m/s，使得该处温度为47～53℃，因此，需对此处进行改进。可在该处上甲板增加1个600mm×600mm的新增风口。
与上述设置相同，计算收敛后，观察相同位置的气流速度场、温度场和静压场。改动后的气流分布更加均匀，速度梯度明显减小，气相组织明显改善，最大风速在机舱进风口处为5.5m/s。同时，机舱内部没有气流漩涡和气流死区，温度分布明显改善，工作区域绝大部分为34～40℃之间。温度最高处在左主机和锅炉之间，约50℃，但是该处地方狭窄，没有需要经常操作的机电设备，因此可以接受。此外，机舱环境负压为-80～-66Pa，在人的舒适度范围内。
布置新增风口时要注意避开上甲板系泊设备及其工作区域，可以考虑采用自然通风头或者进气滤水百叶窗的型式，这样施工方便、安全美观，且满足规范要求。
4 今后工作的重点
机舱通风管道生产设计是机舱生产设计的重要组成部分，甚至是先行作用的，必须严格按照舾装阶段划分。计划图，安装图，零件图，托盘表及进度划分表等严格程序来实施，它将使风道的生產做到预制，预装，实行按进度划分和区域划分托盘管理来组织生产。实现轮机舾装的高效率、高质量，不仅满足壳、舾、涂一体化，完整性区域造船的需要而且利于将来修船的拆卸。贯彻落实托盘管理、配材工序、纳期进度划分表的统一实施。
5 结论
（1）对于某些船舶的机舱机械通风系统，可以采用机械送风取代机械抽风的换气模式，这样能够取得更好的供气换热效果。
（2）对机械抽风和自然进风组合的机舱机械通风形式，可以进一步优化处理，通过在上甲板开一个新增风口后，人员活动区域的温度更加符合设计和规范要求。
（3）有效简化机舱物理模型，并合理设置机电设备和舱壁边界条件是进行机舱通风数值模拟的有效手段。
随着计算机性能的提高和设备资料的完善，可以建立更为真实的机舱模拟，以提高模拟效果。此外，机舱通风管道的优化方式有多种，如改变风口位置、大小、数量，在舱内增加隔板，或采用空气射流技术等，这些有待进一步研究。
参考文献
[1] 陈宁，张栋.船舶机舱机械通风的计算与气流组织分析[J].舰船科学技术.2009（03）.
[2] 陈艳华，伍东.50500DWT系列船机舱通风系统的设计[J].广船科技.2007（03）.
[3] 于学兴，孙培廷，夏治发，郝俊利.船舶机舱的自然通风[J].大连海事大学学报.2004（02）.
[4] 陈宁，张栋.船舶机舱机械通风的计算与气流组织分析[J].舰船科学技术.2009（03）.