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水上水下环境中,常规潜艇的柴油机如何进气排气?有几种系统?

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干练水手

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发表于 2020-1-9 22:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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早期的潜艇大部时间在水面航行,新鲜空气直接从潜艇进气管进入艇内,供人员呼吸和柴油机工作。水下航行时则关闭柴油机、关闭进气管,仅靠蓄电池能量驱动螺旋桨旋转。

20世纪30年代荷兰人率先发明了通气管技术,后来德军入侵将技术窃为己有。1944年德国人在新型21型潜艇上使用通气管技术,希望借此挽回败局。结果第三帝国没救成,潜艇却从此进入崭新时代,从以往传统意义上的潜水舰,变成了真正在水下航行的潜艇。通气管成为提升战力的革命性装备,美英苏联等国也纷纷跟进。

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▲粗大的通气管

此后很多潜艇上同时装备2套进排气设备,一套供水面航行使用,一套在水下十几米通气管深度航行使用。两套系统管道之间有连通的部分,也可以用阀门分隔密闭。

现代潜艇由于水面航行时间很少,通气管状态航行时间多,所以常依据通气管工作环境要求来设计柴油机,以保证通气管功率。也有潜艇不设置专门的水上进气系统,只用单一的通气管兼作水上进气和水下进气使用。

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▲柴油机与进气、排气管路系统
一、水上进排气系统。

水上进排气系统由进气围栏、膨胀接头、舌阀、水上排气口、机舱空气量调节阀及进排气管路等部件组成。

潜艇在水面航行时,海面空气由水上进气道经舌阀、进气管道进入机舱,柴油机从机舱中吸取空气工作。废气经内舌阀、排气管、外舌阀和排气管口排出艇外。

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二、水下进排气系统。

水下进排气系统由防浪阀、活动空气筒、固定空气简,舌阀、舱内进气围壁、机舱空气量调节阀、排气膨胀接头、止回阀和进排气管道等组成。进气内舌阀之前的那段管道经常与水上进气系统共用。

两套系统的安装位置不同。水上进、排气系统通常在艇身上,排气口位于进气口之后且尽量远离,以免排出的废气被进气口重新吸入。水下进、排气系统在指挥台围壳里面和周边,也就是著名的通气管和排气管。

通气管结构较复杂,由固定空气筒和活动空气筒两段组成。固定空气筒与艇身相连,活动空气筒安装在固定空气筒内部,一般由液压升降机控制伸出回缩。

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▲通气管固定和活动空气筒

活动通气管的顶端有防浪浮阀。当海况恶劣波浪较大时,进气口被海水淹没,防浪浮阀中的浮子向上浮起使进气口自动关闭,阻止海水涌入艇内;等波浪过后浮子落下,进气口再重新打开恢复进气。这要求通气管的升起高度要恰到好处,一般以四级海况下浮阀不频繁开启为宜。

排气管结构相对简单,但却对潜艇隐身有重大影响。因为柴油机排出的废气温度很高,如果随意排放会使潜艇周边的海水温度迅速升高,形成明显的红外辐射信号。

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▲用柴油机返航的核潜艇,白色烟雾排气

现代反潜机和驱逐舰上的红外探测水平提升很快。理论研究表明,海水温差超过0.001℃就能满足红外探测需求。与海水背景温差越大,对潜艇红外探测、识别距离就越远。现代反潜机上搭载的前视红外探测仪,甚至能探测到水下40米深处的老式潜艇。

因此,为提高潜艇隐身性,减小红外探测概率,柴油机排出的高温废气必须要经过冷却、吸收后再排入海中,以降低对周边海水温度的影响。

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▲潜艇排气形成的羽流
冷却高温废气方法有以下几种:

①、空气冷却法。将冷空气引入排气管,在高温废气和排气管壁之间形成一层薄冷却层。通过减少气体和管壁的热对流交换降低排气管温度,抑制壁面红外辐射。如英国“支持者”级常规潜艇就采用空气冷却方式降低红外特征。

②、喷淋冷却法。向排气管内喷入海水形成水雾,通过水蒸发带走废气热能,使排气温度降低,还同时抑制排气嗓声。日本“亲潮”级常规潜艇通过喷射海水使排气温度由500℃降至60℃,效果显著。

③、对流水冷法。在排气管外安装冷却水套、夹层等设备,通过热对流交换使排气温度降低,在各种舰船上广泛使用。

④、水下排气法。将柴油机废气排入海水中冷却吸收。因排气管内压力高于周边海水压力,所以海水并不会倒灌入艇。

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▲AIP中的斯特林发动机系统

当潜艇在水下使用AIP系统潜航时,提供动能的燃料电池、闭式循环柴油机、闭式循环汽轮机、斯特林发动机等也同样会产生高温废气。这些废气中一部分可以增氧后再次循环利用,一部分水蒸气冷却回收,另一部分二氧化碳经过降温和吸收后,最终无气泡排放溶解于海水中。和风漫谈原创,禁止抄袭。

另外,潜艇的进排气系统安全性要求很高,既要通畅高效,也要容易维护操纵,并能有效应对各种紧急情况。若水下航行时进气管不慎关闭,柴油机将在数分钟内将艇内空气消耗一空,造成艇毁人亡的重大事故。所以,潜艇进排气系统不如鱼雷、导弹那样耀眼夺目,却是艇上最关键的设备之一。

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