刘程鹏
中国船级社广州分社
摘要：船舶主机排烟管作为船舶管路系统中具有特殊性的管道系统，期待运行期间所展现出的可靠性直接决定了动力系统的安全与稳定。因此本文在了解当前传播排烟管研究情况的基础上，根据气体管道振动分析，研究船舶主机排烟管系统的模态及未来发展与应用。
关键词：高速；排烟管；模态；振动；气流脉动
0引言：在船舶工作状态中，排烟管会受柴油机结构和排出废弃气体的气流脉动所影响，很容易在系统运行期间出现振动现象。由于柴油机在设计研发期间，排烟管等不关键区域的特性很少被关注道，所以不管是研发设计还是后期应用，这一区域的性能都没有进行深入了解和研究。
1.研究背景
流体输送管道在多项工程领域中都占据重要地位，但了解实践发展与应用情况可知，其与管道连接的压缩机和柴油机等发生振动，以及管内气体流动状态发生改变，都会导致管路系统在振动的影响下发生变化。由于其内部动力学特征较为复杂，所以针对这一方面的科研探讨项目一直都是工程界关注的焦点。经过几十年的不断探索与发现，我国城市化和工业化建设水平都在稳步提升，此时流体输送关系，也在各领域的工业生产中得到了全面应用。在这一过程中，管路系统作为保障国家经济持续发展和社会生活或平稳运行的重要环节，为了减少管道结构振动和流体脉动造成的干扰，必须要结合各领域应用系统及其所处环境进行深入探讨。本文以船舶动力装置系统为例，结合其中存在的传输流体的管路分析，发现在传输流体的过程中，受流体压力脉动和管路结构振动所影响，船舶动力装置系统的传输速度在持续下降，严重的还会导致管路结构振动疲劳影响正常的船舶运行。其中主机排烟管作为管到系统较为特殊的组成部分之一，其具有管径大、管壁包等特征，主要连接柴油机，在实践运行中会受柴油机结构振动和排出废气气体的气流脉动所影响 [1] 。由于这与区域会出现断裂或破损的现象，严重影响着动力装置的正常运行，请会产生过大的经济损失，所以在系统运行中，准确预测主机排烟管道的震动特性，是实践理论探讨的关键点[2] 。
2.气体管道振动分析
本文针对气体管道振动的研究主要从两方面入手，一方面要研究管路结构的振动，另一方面要研究管路内部气流脉动的现象。因为气体密度过低，对管路自身的特性并没有过多影响，所以可以忽略不计[3] 。其中，前者的结构振动是指管路结构在平稳区域发生的往复性运动，常见震动类型有自由振动、强迫振动以及共振。而后者管道内气体的气流脉动是指，假设气体的固有频率和激励频率都在同一范围内，此时管内气体压力的不均匀都会持续上升，这样就会产生共振，且难以保证管路内部的安全质量。本文研究利用有限元计算方法，根据数值模拟计算软件，能准确且便捷的预测出管路系统的振动水平。所选有限元计算分析软件如下图所示，而分析得到的船舶左右舷的主机排烟管道固有频率如下表1所示：
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3.船舶主机排烟管系统的模态分析
由于船舶主机排烟管会与主机相连，所以其在振动激励影响中很容易出现损耗。假设内部发生共振，那么其不仅会受到干扰，而且会降低应用寿命。因此本文在研究时，首先要了解排烟管连接的主机情况，具体如下表2所示[4] 。
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在完成准备工作后，要结合有限元计算软件A N S Y A S对实际工程中的船舶排烟管进行建模，并根据网格划分获取有限元模型，而后结合模态分析理论计算，获取排烟管的固有频率和相应阵型。按照有关规定评估管道不同测量区域的频率储备情况，对不符合要求的去进行约束管理，就能得到满足要求的排烟管模型。同时，还要研究船舶主机排烟管的激励源，一般情况下，主要分为两种，一种为主机的机械激励，另一种为气流脉动的激励，两者着重分析管内气流脉动的计算方式，并以典型的弯管模型为案例，获取气流压力脉动对其产生的激振力。另外，还要计算激励源的具体情况，并结合有限元对其进行相应分析，以此获取不同激励源对排烟管产生振动的特征和规律。
根据上述研究可以得出以下结论：首先，在研究模态计算结果的过程中，不需要思考管道静相拉伸或压缩的振型，而是要从管道整体摆动的振型入手进行探索。假设管道结构的固有频率的储备不符合预先要求，那么能按照振型图寻找共振的区域，以此设置约束要求来调整管道的刚度。比如说，安装掉价或支撑等能用于改变正与管道的壁厚；其次，在特殊情况下也能通过提升质量块降低固有频率以此避开激励频率。此时，要做好谐响应分析，并保障振动幅度满足预期要求；最后，与排烟管有关的谐振主要分为两种激励源，前者为主机，而后者气流脉动。在处理前者时，可以选择在适宜的区域安装减振设施或软垫片，一次降低管道振动的响应，同时也可以在适宜区域安装膨胀节，以此用来缓冲某些区域的振动；而后者可以在设计管道期间按照船舶舱室的具体情况，科学规划排烟管的走向。此时，根据气流压力所产生的脉动激振力原理分析可知，在设计规划时要减少弯头的出现，这样有助于降低气流脉动对其构成的影响。同时，也能根据调整变经管进行科学处理[5] 。
结语
综上所述，一方面，由于对排烟管及船舶管道结构系统的认识不完善，其中包含的各类元件理解不深入，所以在构建有限元模型时无法准确模拟实践运行情况，这样必然会影响后期振动特点及特性优化的分析；另一方面，本文研究并没有考虑管道内部气体温度变化和管壁摩擦构成的影响，而在内部结构运行期间，相关非线性因素也会产生震动现象，严重的还会改变管道结构。因此，在未来进行相关科研探讨时，必须要从这一角度入手继续深入研究排烟管道的振动及其优化对策。这样不仅能降低船舶运输的成本消耗，而且可以从基础上保障内部员工和船舶运输安全，同时也可以为同领域相关科研项目提供新的研究方向。
参考文献
[1] 陈国锋、李伟、王博、李盼. 管路弹性穿舱件隔振与密封技术[J]. 舰船科学技术, 2020, v.42(21):68-70.
[2] 朱海涛. 浮筏隔振系统拓扑优化研究与振动特性分析[D]. 大连理工大学, 2020.
[3] 靳利红, 董洪全, 张福生. 汽车变速箱振动特性研究和优化[J]. 新型工业化, 2020, 010(002):110-114.
[4] 王煜、黄燕晓、李书明. 飞机发动机驱动泵出口管路振动分析与优化[J]. 液压与气动, 2020, No.349(09):120-126.
[5] 张帆. AutoCAD与CATIA软件在船舶轴系振动特性分析的应用[J]. 舰船科学技术, 2020, v.42(22):95-97.