浅析舱柜空气管的尺寸选取.docx

浅析舱柜空气管的尺寸选取陈敬炜石如璋(英国劳氏船级社上海审图中心) 关键词 空气管; 局部阻力; 沿程阻力 摘 要 本文将从流体力学角度对空气管系统的设计进行分析, 并对几个主要船级社对该系统的要求进行介绍。 中图分类号 U 664. 84 文献标识码 A 文章编号 1001 29855 (2001) 0620039204Onthe s iz in g of a ir p ipe s f or tan k sC h en J in gw e id rag th ro u gh p ip eSh i R u zh an gKeyword s: a ir p ip e; lo ca l d rag;A bstra c t: T h e p ap e r an a ly se s th e a ir p ip e sy stem de sign f rom f lu id - m ech an ic s po in t o f v iew , an d in t ro 2du ce s th e requ irem en t o f va r io u s c la ssif ica t io n so c ie t ie s fo r th is sy stem.空气管系是船舶安全密切相关的系统, 各船级社对空气管的选取都有明确规定。 本文将从流体力 学角度对该系统进行分析, 并对几个主要船级社对该系统的要求进行介绍。ava ilab le p um p.D o cum en ta t io n o f ca lcu la ted p re ssu re d rop s in a ir p ip e s fo r w a te r o ve rf low is to b e su bm it ted.T h e ca lcu la t io n s a re to ve r ify th a t th e dyn am ic p re ssu re in c rea se du r in g w a te r o ve rf low do e s no tex ceed P dyn ( see P t. 3 C h. 1 Sec. 4 C 300). A lte r2n a t ive ly,a r ran gem en t s fo r p reven t io n o f o ve r2p um p in g o f tan k s m ay b e accep ted.L R 规范 P t. 5 C h. 13 Sec. 10 Item 10. 8. 1 中规 定:Fo r eve ry tan k w h ich can b e f illed b y th e sh ip s p um p s, th e to ta l c ro ss2sec t io n a l a rea o f th e a ir p ip e s an d th e de sign o f th e a ir p ip e c lo sin g de2 v ice s is to b e su ch th a t w h en th e tan k is o ve rf low 2 in g a t th e m ax im um p um p in g cap ac ity ava ilab le fo r th e tan k , it w ill no t b e su b jec ted to a p re ssu re g rea te r th an th a t fo r w h ich it is de sign ed.GL 规 范 P t. 1 C h. 2 Sec. 11 Item R 1. 1. 16T ab le 11. 14 中规定:规范引述1在 L R , GL , DN V 和 A B S 规范中, 对于可用泵注入的舱柜, 其空气管的面积要求是一致的。即至少 是注入管截面积的 1. 25 倍。通常在计算中选取的空 气管面积会稍大于该最低要求。 但这样是否就安全 了呢?仔细看一下各船级社的规范中与空气管系相关的章节, 就可以发现除大于 1. 25 倍注入管截面积的 要求外还有其它要求:DN V 规范 P t. 4 C h.1 Sec. 4 Item K 201 中 规定:Fo r tan k s w h ich can b e p um p ed up an d fo rw h ich o ve rf low p ip e s a re no t a r ran ged, th e sec2 t io n a l a rea o f a ir p ip e s is to b e d im en sio n ed su ch th a t th e st ru c tu re is ab le to w ith stan d th e p re ssu rew h en th e tan k is o ve rp um p ed w ith th e la rge st1. 25 fis th e c ro ss2sec t io n a l a rea o f tan k( ff illin g p ip e) a s th e to ta l c ro ss2sec t io n a l a rea is su f2f ic ien t if it can b e p ro ved th a t th e re sistan ce to f low o f th e a ir an d o ve rf low p ip e s in c lu d in g th e a ir p ip e 收稿日期 2001- 07- 30 作者简介 陈敬炜 ( 1972. 1- ) , 男, 汉族, 上海人, 工程师, 主要从事船舶轮机设计工作。 石如璋 ( 1973. 7- ) , 女, 汉族, 上海人, 工程师, 主要从事船舶轮机设计工作。392001 年 12 月第 6 期船舶D ecem be r, 2001N O. 6SH IP & BOA TIAl d V空气管进口的局部阻力系数, 取 0. 5;空气管头的局部阻力系数, 取 5; 空气管的摩擦系数, 取 0. 02; 空气管的长度, 取 0. 76 m ; 空气管的内参径, 取 0. 3306 m ; 压载水溢流时的流速。c lo sin g dev ice sa t th e p ropo sed f low ra te can no tcau se u n accep tab ly h igh p re ssu re s inth e even t o f o ve rf low.th e tan k s inA B S 规范 P t.规定:4 C h.6 Sec.49.3.3 ( b ) 中Itemth e tan k is su b jec ted to a p um p p re s2W h e resu re, an d th e ven t p ip e is th e o n ly m ean s o f o ve r2f low in g, th e p um p cap ac ity an d th e p re ssu re h ead a re to b e tak en in to co n side ra t io n s in th e sizin g o f th e ven to ve rf low p ip e. W h e re h igh cap ac ity o rh igh h ead p um p s a re u sed, ca lcu la t io n s dem o n2Q 2V =3600 (14) d 223002=3600 (14) 0. 330623. 72 m s=st ra t in g th e adequ acy o fb e su bm it ted.th e ven to ve rf lowa reto因此:20. 763. 72P d y n = (0. 5 += 3. 92 m) 其实, 在各家的规范都要求空气管在溢流时相关 舱柜所承受的压力应小于其设计压力。 现在除 DN V 船级社外, 其它船级社没有明确要求提交相关 的溢流计算, 但不使舱柜超压仍应作为在设计所有 空气管系时的一个原则。 以下我们用实例来分析一 下。5 + 0. 02 0. 33062 9. 8在溢流情况下顶板所承受的压力:H =P d y n + hA ir3. 92 + 0. 764. 68 m其中: H在溢流情况下, 流体经过空气管及空气管头的沿程阻力;2实例分析hA ir: 空气管的高度, 取 0. 76 m 。以上的计算表示, 当压载水从空气管中溢流时,以在大连造船新厂建造的秦皇岛 15 万吨 F P 2SO 为例, 分析压载水舱空气管系统的设计。 系统相 关的参数如下:专 用压载泵 ( 离心泵) 两台: 排量: 2 300 m 3 h ,扬程: 30 m各压载水舱注入管内径: 400 mm按照空气管截面积应大于注入管截面积的1. 25倍计算, 压载水舱的空气管截面积应至少为:流经空气管 及 空 气 管 头 的 阻 力 会 达 到 4.68 m水柱, 即, 此时压载水舱的顶部的水压为 0. 043 M P a。其中因管路阻力而增加的压力升为 3. 92 m 水柱。 现在的问题是, 压载水舱是否能承受得了这样的压力呢? 压载水舱的承压是根据DN V 规范 P t. 3 C h. 1Sec. 4C 的要求来确定的, 其中条文 C 302 的公式 4如下:1. 25 1 4002 = 157 080 mm 20. 67 (g 0 h p + P d y n )p =4如每个压载水舱选用两根相同口径的空气管,则每根空气管的内径应大于:其中: Ph p液舱的设计压力;装载液体的密度;液舱的高度。157 080 P d y n: DN V P t. 4 C h. 1 Sec. 4Item K 201 中定= 316. 3 mm20. 252义的溢流阻力, 一般情况下推荐取 25 kN m 。也就是说, 在计算压载水舱的设计承压时, 所假由此, 每个压载水舱选用两根 35612. 7 的空气管。但是, 这样做是否足够安全呢? 可以粗略校核 一下一台专用压载泵以全排量注入一个压载水舱 时, 由于在溢流而产生的压力升为:2 (设的空气管溢流阻力 P d y n 为 25 kN m即 2. 5 m水柱)。而上面的计算表明, 压载水通过两根 35612. 7 的空气管溢流时, P d y n = 3. 92 m , 压载水舱将 处于超压状态。通过上述实例分析表明, 设计中如果只是根据1. 25 倍注入管截面积来选取空气管, 往往会忽略了V 2l P d y n = (I + A + d ) 2g(式 1)其中: P d y n在溢流情况下, 流体经过空气管及空气管头的沿程阻力;40浅析舱柜空气空的尺寸选取空气系统设计的关键: 保证液舱在注入时所承受的压力在结构设计压力范围内。在本船的设计中, 经反 复校核, 每个压 载 水 舱 选 用 了 两 根 口 径 为 457 12. 7 mm 的空气管, 空气管的截面积为注入管的 2倍。阻力的变化而变化的。在溢流工况中, 其流量不一定正好是额定流量。 为更准确地得到溢流工况时压载 水舱的承压, 我们来分析一下压载水舱的实际溢流 流量。注入系统的管路阻力越小, 离心泵工作点的流量越大, 溢流时通过空气管及空气管头的阻力越大, 舱柜超压的可能性也就越大。 因此我们选取离泵舱 最近的第一压载水舱进行计算。根据管系放样情况, 与第一压载水舱有关的专 用压载管路及空气管路如图 1 所示。进一步分析3从上面的分析中, 得知压载水舱溢流工况中所使用的流量是专用压载泵的额定流量 2 300 m 3 h。 根据离心泵的性能, 专用压载泵的流量是随系统的图 1 第一压载水舱专用压载管路及空气管路示意图分析图 1, 管路中各管系附件 ( 如阀, 弯头, 异径和进出口等) 造成的局部阻力可用公式表示:力为:102 r v 2L h f =rrd2g2hm = r v15 22gr L r 8 r 10 r Q (式 3)=52 2d3600 r r g1228 r 10 r Q= r(式 2)36002 r d 4 r 2 r g其中: 摩擦系数;Q 流量, m 3 h;d 管子内径, mm ;L 管子长度, m 。由式 2 和式 3, 可以分段计算系统的管路阻力,41其中: 阻力系数;Q 流量, m 3 h;管子内径, mm 。d根据 D a rcy2W e isb a sh 公式, 图中管系的沿程阻2001 年 12 月第 6 期船舶D ecem be r, 2001N O. 6SH IP & BOA T包括: 专用压载泵的吸入管路的阻力。 专用压载泵注入至第一压载水舱的管路阻 力。 压载水从空气管头溢流的溢阻力。同时还应加上系统的静压差, 即压载水的最高 液位与水线之间的高度差。 这里可以取空气管头的 高度作为压载水的最高液位, 水线取压载水线高度。 于是, 系统的总阻力可以表示为: ( Q 2 ) 223600 (14) d0. 761(0. 5 + 5. 0 + 0. 02 ) =0. 33062 9. 82674. 72) 2 (3600 (14) (0. 457 - 2 0. 0127) 2= 1. 83 m这时, 我们可以放心的说, 所选取的空气管的截 面积足够了。H = h + 2 h f其中: H离心泵压头, m ;h 系统静压头, m 。+ 2 hm(式 4)总结4从上面的分析中, 我们可以得出以下结论:11 注入管的截面积并不是设计空气管时唯一 考虑的因素。21 设计空气管的主要目的是保护相关舱柜, 使 之在所有可能的工况下不会超压。尤其在以下情况, 应适当放大空气管管径:11 当注入管的设计流速较高时。21 当相关泵的设计压力较高, 在某些工况下, 泵的工作点会偏离设计点, 使得工作流量大于设计 流量时。31 为满足破舱稳性的要求, 或因空间条件的限 制, 使得空气管走向复杂, 弯头较多时。41 选用的空气管头阻力系数较大时。空气管头 的阻力系数一般在 4 至 8 之间。如条件允许, 应尽量 选用在设计流量下, 阻力系数小于 4. 5 的空气管头。上面所举的实例是一个简单的压载系统模型, 在实际设计过程中可能碰到的情况要多得多, 亦可 能复杂的多。 例如:11 决 定 液 柜 设 计 压 力 的 因 素 有 很 多, 例 如DN V 规范