张红磊

（海军驻哈尔滨汽轮机厂有限责任公司军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150046）

环境适应性是装备在其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下，能实现其所有预定功能、性能和(或)不被破坏的能力，是装备的重要质量特性之一[1]。通常可以理解为装备适应环境变化的能力，其与可靠性、维修性、保障性、测试性和安全性一起并称为装备的“六性”。目前，研究装备环境适应性的文章[2～5]，主要从环境因素如何导致装备失效或发生故障展开的,通过说明装备为何会在温度、湿度、盐雾、沙尘、霉菌、振动、冲击、辐照等不同环境下失效或加速失效，对装备为何只能在某些环境下正常工作给予了合理的解释，装备对环境的适应程度，最终以故障率的高低表现出来。但是，对于舰用汽力装置来讲，这种单纯解释其为何会在特定的环境中发生故障，以及用“适应或不适应某种环境”来说明和度量其环境适应性，显然具有不妥之处。因为在绝大部分情况下，舰船动力装置的工作环境都是偏离设计工况的，但在这些情况下，舰用汽力装置并不一定发生故障，只有以“什么环境下具有多大的能力”来度量舰用汽力装置的环境适应性，才具有意义。

1 风浪带来危害的概述

据有关资料统计，舰艇约60%的时间在风浪条件下航行，由于风浪干扰的影响，舰船会产生各种摇荡运动，其中横摇对舰船的危害最大。其不仅会使航速降低，主机工况变坏，危及舰船航行的安全，还会影响到舰船装备的使用。尤其是在舰船摇摆周期与风浪的作用周期相近时，容易形成共振，使得舰船有倾覆的危险。而风浪对舰用汽力装置的影响十分复杂，现有关于舰船装备对风浪环境适用性的文献大多没有涉及到，只有文献[6]认为，该环境因素将对结构产生影响，并将导致舰船结构损坏，但其未对该因素的影响进行全面分析和说明。本文主要从影响机理上分析风浪对舰用汽力装置的影响，以保证通过正确的使用，在确保舰用汽力装置安全可靠工作的前提下，充分发挥舰用汽力装置的最大能力，提高舰用汽力装置的环境适应性。

2 风浪影响因素

2.1 增大航行阻力

舰船在静水中航行时，除了受到水的阻力之外，舰船的水上部分还会受到空气阻力。在大风浪中航行的舰船，迎面来风的阻力和由于纵横摇摆导致的水面阻力均将显著增加；为了保持航向而频繁使用的舵角也会引起附加阻力；为了减小横摇和颠簸，航向和航速的经常改变也会使附加阻力增加。这些因素都将导致船机桨特性发生变化，导致主机负荷增加。

由于空气密度很小，而水的比重要比空气的比重大得多(约是空气的770倍)，由于空气阻力主要是由于摩擦和涡流产生，尤以涡流为主，舰船的上层建筑相对较低，且联接比较紧凑，不容易产生大的涡流，加之流线型比较好，因此，风对舰船运动的阻力很小，通常不超过总阻力的2%，可以忽略不计[7]。

舰船在风浪中航行时，其阻力增加和航速降低主要是因海浪引起舰船的纵横摇摆，使得螺旋桨及汽力装置的工作条件恶化等所致。由于存在阻力时大时小的不稳定因素，因此螺旋桨的工作亦不稳定，当舰船的纵摇角度比较大时，螺旋桨的入水深度时深时浅，甚至会出现螺旋桨部分出水的现象，这些情况都会使得螺旋桨的推进效率降低。而螺旋桨出水使得主涡轮转子转速急剧增大，甚至能达到极限值，这对主汽轮齿轮机组是很有害的。为了不使主汽轮齿轮机组出现极限转速，就必须减小主机发出的功率，进而约束舰船的最大航速。

因而，在大风浪航行时，舰船的航速必须降低。当舰船在9级风中逆风航行时，大部分舰船的航速将只有原来的一半。而动力装置的经济性和工作可靠性，在许多方面取决于波前航向角和航速，这两者除保证舰艇在规定航向上行驶外，还应将海风和海浪对舰艇的作用减到最小，舰艇首部和尾端的最大飞浪发生在5级海况以上、波前航向角0°～30°的时候，而上浪发生在7级海况和相同波前航向角的时候。因此，在航行的时候应该尽量减小这些因素带来的影响，在保证舰用汽力装置安全可靠工作的情况下，充分发挥汽力装置的最工作能力。

2.2 恶化吸入条件

舰船在暴风航行时，为了保证汽力装置的安全可靠工作，应该让全部主机投入工作。但是主机不能发出最大的的功率，舰船的航速下降很大。主要原因是：大风浪时，尤其是甲板上浪后，海水流入汽轮鼓风机或涡轮增压机组进气筒的概率很大，会导致汽轮鼓风机或涡轮增压机组吸入的空气中含有大量的水份。为了防止压气机进水，避免设备损坏，需要转为从机炉舱吸入空气，应当用盖子盖住上甲板的进气口和供机炉舱空气排出的通风道。由于进气口的通过截面积减小，空气流量下降，燃料燃烧质量变差，锅炉产汽量减少，供往主机的蒸汽量减少，导致主机所能发出的最大功率减少。某型舰规定，在甲板上浪后，最高航速不得超过原最大航速的44%，同时由于在使用过程中不可避免的会有少量海水进入涡轮增压机组压气机，引起压气机的通流管路含盐量增加，加速压气机叶片腐蚀，整个蒸汽动力装置的经济性就会降低，上甲板上浪后，海水容易通过通风管进入燃油柜，造成燃油掺水。上甲板上浪时一般用专用的帆布盖好日用燃油柜的通风顶盖。

大风浪带来的大幅度纵横摇摆，可能使海底门不时靠近或露出水面，也可能使各种泵的吸入口接近或高于油(水)柜的液面，特别是当油(水)柜中的油(水)量很少时，从而显著劣化其吸入条件。频繁变化的吸入压力和偶然吸入的空气，都是一种“突甩—突增负荷”冲击，泵的转速会急剧的变化，有时会达到极值，进而导致泵的转速会忽高忽低，引起排量不均匀。例如日用燃油泵的供油不均匀使得燃烧质量变差，锅炉经济性降低；滑油泵供油不足，使得主汽轮机组和轴承的工作环境恶化，甚至会出现烧瓦和轴承抱死的现象。在这种情况下，如果设备运行在高负荷状态，大量吸入空气时的突甩负荷，极有可能使转子达到其极限值，出现飞车现象，给机组和操作人员带来很大的安全隐患。而从小排量突然变为大排量的突增负荷现象，又是一种很大的载荷冲击，频繁的负荷变化，容易导致设备损坏。因此，为避免吸入条件恶化引起机组的设备损坏，在舰体纵横摇摆幅度较大时，应降低工作旋转机械的转速和负荷。从而约束主汽轮机组的最大发出功率，并加强对旋转设备的监测，确保机组的安全运行。

2.3 破坏液面稳定

大风浪带来的动力装置突然加速度和大幅度纵横摇摆，除了会恶化各种泵的吸入条件外，还会破坏液面的稳定，甚至导致锅炉、除氧器、海水淡化装置等无法正常工作。

摇摆对锅炉的产汽影响非常大，对于锅炉来讲，锅炉内保持一定的水位是锅炉安全工作的首要条件。大风浪带来的大幅度前后纵摇和左右横摇将导致汽筒中的炉水，时而向前端，时而向后端靠近，时而向下降管靠近，时而向上升管靠近。这些变化，可能导致汽水的共腾，也可能因局部缺水而导致受热面瞬时过热现象，由于无法准确测量而难以控制锅炉水位、保证锅炉安全。在锅炉负荷很高时，瞬时的过热都可能烧坏换热管，带来非常严重的后果。因此，每台锅炉都有两个独立工作的水位指示器，在大风浪中航行时，一方面要特别注意锅炉水位的检测工作；另一方面要降低锅炉的负荷，从而确保锅炉的工作安全。

对于海水淡化装置来讲，由于大风浪带来船体的大幅度纵横摇摆，使得海水淡化装置中自由水面水位的波动很大，波动的水粒有可能甩入位于制淡装置上部的分离器中，破坏海水淡化装置的正常工作，生产出来的蒸馏水含盐度升高，引起造水品质的变坏。为了保证海水淡化装置的可靠稳定的工作，就必须保持海水淡化装置中低水位，这样单位时间内海水淡化装置的生产量就会降低，有时可能需要暂停造水。

对于燃油和滑油系统来讲，由于日用油柜中存在自由液面，大风浪带来船体的大幅度纵横摇摆，破坏了原来的自由液面，引起燃油和滑油的液面发生较大波动，导致主锅炉燃油泵和主汽轮齿轮机组滑油泵工作突然中断，给锅炉和泵的工作带来危害，为了防止这种现象，必须通过经常补充日用油柜，保持日用燃油柜中的燃油和循环油柜中的滑油数量不少于70%。同时，燃油柜的激烈晃动，使原来已澄析出的水及污物又混入燃油中，致使炉膛温度降低，甚至引起炉膛爆炸或熄火。

2.4 产生陀螺力矩

舰用汽力装置中有大量的旋转机械，如压气机、汽轮机、发电机、燃油泵、滑油泵、循环水泵、柴油机等，这类设备的主要部件有转子、轴承、定子和机组壳体、联轴器等，它们以每分钟几千甚至上万转的转速旋转，它们的转子具有很大的陀螺稳定性。转子是旋转机械的核心部件，通常转子是用油膜轴承、滚动轴承或其它类型轴承支承在轴承座或机壳、箱体及基础等非转动部件上,构成了所谓的“转子—支承系统”。一台旋转机械能否安全可靠地工作主要决定于转子的运动是否正常，如果转子的中心轴不变，则不会产生陀螺力矩。但是，大风浪带来的舰体大幅度的纵横摇摆，不断改变转子中心轴的空间位置，产生了陀螺力矩，在轴承上产生了附加力和力矩，使旋转机械的轴承等零件的工作负荷大幅度增加，导致轴颈局部受力过大，轴受载荷作用变形导致轴颈在轴承中处于倾斜状态，轴颈在轴承孔中处于倾斜状态时，对轴承油膜压力分布和最大油膜压力、油膜厚度分布和最小油膜厚度有明显的影响。随着载荷量增加，轴变形导致的轴颈倾斜加大，油膜压力产生了偏布，轴承最大油膜压力位置向端部移动，同时最大油膜压力数值显著增加。在轴颈倾斜时，最小油膜厚度位于轴承端部，且随轴颈倾斜角度的增加，其数值明显减小。轴承的工作性能发生了变化，轴承温度升高。转速越高、转子尺寸和质量越大、转子中心轴改变越频繁、改变速度越快，所产生的陀螺力矩效应就越大。由于舰体的左右摇摆(横摇)的幅度(角度)和频度较大，所以，立式安装的旋转设备，将遭受更大的陀螺力矩效应。为避免陀螺力矩效应引起的设备损坏，在舰体摇摆幅度较大、频度较高时，应降低工作机械的转速和负荷。加强对滑油温度的监测，避免发生旋转机械的轴承故障、机械运行失稳、产生异常，确保机组的安全运行。

3 结束语

本文提出了以“什么环境下具有多大的能力”来度量舰用汽力装置的环境适应性，为定量分析舰用汽力装置的环境适应性奠定了基础，在舰船执行任务海域不断扩展的新形势下，不同环境对舰用汽力装置的最大航速、经济航速、战斗经济航速、安全性等都会产生影响。因此，只有针对具体使用环境，以全新的认识和新的方法，全面准确地掌握动力装置的各种作战使用特性，深入探讨在不同风浪作用下舰船所能达到的最大作战使用能力，在确保汽力装置安全的情况下，发挥机组的最大使用效能。

[1]GJB4239-2001，装备环境工程通用要求[S].

[2]方书甲.海洋环境对海军装备性能的影响分析[J].舰船科学技术，2004，26(2):5-10.

[3]马丽娥.舰船武器装备环境适应性研究与分析[J].舰船科学技术,2006,28(2):42-44.

[4]吴红光，董洪远，齐 强.舰载武器装备海洋环境适应性研究[J].海军航空工程学院学报，2007，22(1):161-165.

[5]林武强，徐定海.舰艇环境及其影响和存在问题分析[J].装备环境工程，2005，2(2):48-52.

[6]赵进刚.舰用蒸汽动力装置特有的环境适应性[J].船舶工程，2010，32(5)：19-22．

[7]翟守恒，郝亚平，范尚雍，等.舰船原理[M].武汉：海军工程学院印刷所，1980．