0 引　言

为维护国家海洋利益、勘探海洋资源，发展海洋高技术装备是当务之急。从近年国内、外发展形势来分析，世界各国海洋开发已逐渐从近海向远海及深海区域推进，各种海洋探测设备应运而生，尤其是无人装备^{[1 − 2]}，特别是具备探测能力强、航行时间长等优势军民两用的柴油机驱动式无人自主半潜式航行体^[3]发展尤为迅猛，然而该类航行体正常工作时，排气管一部分位于水下，一部分露出水面，为柴油机提供排放废气通道，然而在涌浪或雨天工况条件下作业时，排气口如无任何保护装置时，大量涌浪或雨水进入排气管内，意外情况下没入水下海水直接灌入排气管，致使柴油机损坏，导致重大的经济损失。国内外对于柴油机排气管路排气口防护装置，如常规潜艇排气口设置舌阀和舱内排气系统中设置手动截止阀^[4]，其他一些高温气道加装高温蝶阀^[5]，电动或手动切断通道，防止海水倒灌，舌阀适应于背压较高大型柴油机，手动截止阀靠人关闭和打开，然对于该低背压小型柴油机驱动式无人自主式航行体并不适用。为此，本文设计一种体积小、重量轻和高度集成的排气防浪止水装置，并将其加工成样机，开展性能试验测试。

1 结构组成及工作原理 1.1 结构组成

排气防浪止水装置主要由防浪护罩、滑管、挡水翻板、排气浮子和底板等组成，通过螺钉将排气壳体底板与桅杆排气管口法兰连接为一体，其与桅杆排气管之间采用耐高温抗腐蚀石棉橡胶板密封，结构如图1所示。防浪护罩主要由排气壳体底板、排气壳体、排气隔板和翻转耳相互焊接而成，结构如图2所示；排气浮子主要由填充泡沫、滑套、橡胶垫I和橡胶垫II组成，滑套预埋入浮体内，滑套上端面开有2道沟槽，结构如图3所示。

为减少航行器高速航行时阻力，排气防浪止水装置外形设计为鸭头状，排气隔板设计为L型，通过隔板将防水护罩分隔成两部分，一部作为排气气道，另一部为排气浮子提供安装空间，排气口布置在隔板下方防水护罩上，翻转耳焊接在排气口上方，挡水翻板安装在翻转耳上，能够绕翻转耳轴旋转，在航行体不工作时，排气隔板靠重力压在排气口上，使得涌浪和雨水无法直接进入排气气道。为防止航行体意外没入水下海水倒灌入排气管，在隔板与底板之间安装滑管，将浮子装入滑管，浮子沿滑管能够上下灵活移动，在浮子滑套上端面内、外沟槽中安装橡胶垫I和橡胶垫II，为使两密封垫能同时达到预定的密封效果，在设计时将内橡胶垫I硬度（50°）稍低于橡胶垫II硬度（55°），当浮子没入水下时，浮子沿着滑管迅速上移，橡胶垫I和橡胶垫II同时与隔板贴合并被压缩，阻止水从隔板进入排气气道。

为减轻重量，承受废气经冷却器冷却后仍高达180 ℃温度，排气浮子采用轻质、耐高温非金属闭式PMI填充泡沫^[6]，长期使用温度不低于180 ℃，材料实测性能参数：密度为110 kg/m³，压缩强度为3.5 MPa，在0.15 MPa，静水保压24 h后实测吸水率为0.52%，密封垫I和密封垫II采用氟橡胶，长期能够耐200 ℃以上温度，其余金属部分采用轻质抗腐蚀钛合金TC4^[7]，力学性能：拉伸强度880 MPa，屈服强度815 MPa，弹性模量100 GPa，泊松比0.3，密度4500 kg/m³。

1.2 工作原理

当航行体内柴油机停止工作时，挡水翻板在重力作用下压在防浪护罩上，起到遮风挡雨的作用；当航行体正常工作时，柴油机的废气通过排气管进入防浪护罩内，极少量气体通过防浪护罩的漏水孔排出，绝大部分通过排气壳体气道、排气隔板，到达挡水翻板，排气压力推动挡水翻板绕翻转耳上旋转轴旋转，打开挡水翻板，排放到大气中，排气示意图如图4所示。当海况恶劣涌浪大时，大量涌浪被柴油机排气推力和防浪护罩挡在外边，仅少量的浪水溅入至防浪护罩内，进入防浪护罩内的水大部通过防浪护罩底面的漏水孔排出，极少量水进入排气管，积聚于航行体底部换热器内，被柴油机排出的高温气体汽化；当航行体由于意外事故没入水下时，防浪护罩内的排气浮子随水位的上升沿滑管迅速上移，将排气隔板上的排气口堵住，其没入水下浮子上浮后示意图如图5所示，随着深度增加压在排气隔板上的压力亦增大，使得浮子上的橡胶垫I和橡胶垫II压缩量增大，起到密封作用防止海水倒灌功能，当排气防浪止水装置露出水面时排气浮子在重力作用下沿滑道迅速回落至原位，排气通道打开。

2 排气防浪止水装置计算 2.1 挡水翻板旋转力计算

柴油机的废气通过桅杆排气管进入排气防浪止水装置，推开挡水翻板，排放到大气中，该产品选用的柴油机为小型高速船用柴油机，排气背压约7 kPa，经过各个排气管道压损后达到排气防浪止水装置的实测压力为0.7 kPa。为确保排气顺畅，减少排气背压，提供柴油机效率^[8]，对挡水翻板旋转力进行数学建模，如式(1)，并将设计参数代入式(2)，计算结果如下：

挡水翻板重量

$ G = 9.8{\text π} \times {{r}}_1^2{{h}}\rho \approx 1.7{\text{64}}\ {\rm N} 。$

(1)

排气压力对挡水翻板推力：

$ F = 0.7 \times {10^3} \times {\text{π}} {{r}}_1^2 \approx 14\ {\rm N} 。$

(2)

式中：$ {{{r}}_{\text{1}}} $为挡水翻板半径，取值为80 mm；$ {{h}} $为挡水翻板厚度，取值为2 mm；$ \rho $为挡水翻板材料密度，取值为$ 4.5 \times {10^3}\ {\text{kg}}/{{\text{m}}^3} $。

可知，排气压力对挡水翻板推力远大于挡水翻板重量，排气顺畅。

2.2 浮子上浮能力计算

浮子沿滑道上浮力越大，对浮子密封圈压缩力越大，防浪阀密封性越好^[9]，漏水率越低。排气防浪止水装置没入水下瞬间，浮子沿滑管向上运动，主要受排开水体积水产生的浮力、自身重力以及运动过程中与滑道之间摩擦力，浮子受力示意图如图6所示。浮力、重力、摩擦力和防浪阀倾斜角间关系如下式：

浮子沿滑道上浮力

$ F=({F}_{1}-G)\mathrm{cos}{ a}-{F}_{2}，$

(3)

浮子与滑道之间摩擦力

$ {F}_{2}= f \times ({F}_{1})-G\times \sin a ，$

(4)

式 (4) 代入式 (3) 得

$ F=({F}_{1})- G\times (\mathrm{cos}{a}-f\text{sin}a) 。$

(5)

式中：$ F $为浮子沿滑道上浮力，N；$ {F_1} $为浮子浮力，N；$ G $为浮子重量；$ {F_2} $为浮子与滑道之间摩擦力，N；$ {{f}} $为浮子与滑道之间的摩擦系数，取0.2；$ {{a}} $为防浪阀倾斜角度。

本方案排气浮子设计浮力$ {F_1} $=21.3 N，重量$ G $=5.5 N，代入式(3)，得到不同倾斜角排气浮子沿滑道上浮力，如表1所示。

由排气浮子沿滑道上浮力计算公式可知：在浮子正浮力不变情况下，防浪阀倾斜角度增大，上浮力逐渐变小，当达到79°，浮子为负浮力，不具备上浮性能。

3 主要性能测试 3.1 排气通道密封测试

由排气防浪止水装置功能和结构可知，排气通道由排气壳体、排气隔板和排气壳体底板组成的空间，其密封性对防浪阀至关重要，一方面起到防浪止水作用，阻止雨水和涌浪进入排气管，另一方面，当防浪阀没入水下时，浮子上浮，其上的密封圈压紧排气隔板上法兰面，与排气通道建立密闭空间，该空间是漏水率测试前提条件。根据装置使用工况和要求，故对密闭空间进行排气通道密封性测试。首选将排气壳体底板和排气隔板封起来，充0.05 MPa气体，放入水中检验。经测试：在0.05 MPa压力下，保压30 min，在水中无气泡产生，判定排气通道无泄漏^[10]。

3.2 水下漏水率测试

排气防浪止水装置安装在柴油机排气管口，如航行体由于意外原因瞬间没入水下，排气防浪止水装置内的浮子靠水的浮力迅速上移，将排气隔板上的排气口堵住，然由于排气浮子体积受到空间有限，提供的浮力不足以将密封垫1和密封垫2完全压缩到位，特别是在排气防浪阀倾斜一定角度时，浮子受压不均匀，极有可能存在一定的泄漏量。根据设计要求，漏水率在最大倾斜角度15°时需控制在2 min/L以内，故水下漏水率是衡量排气防浪止水装置性能好坏极其重要指标。为测试排气防浪止水装置水下的漏水率，设计了一套可翻转式试验筒，绕旋转轴从0°可翻转至5°、10°、15°和20°，分别用于模拟航行体不同俯仰角下排气防浪止水装置漏水率，测试分5种角度，分别为0°、5°、10°、15°和20°，计时均为1 min，各测量1次，记录表如表2所示。

可知：浮子能够沿着滑管迅速上移，两道密封同时贴合，当排气防浪阀露出水面时，浮子靠自重能够迅速下移，打开排气通道，然随着倾斜角度增大，两橡胶密封垫处气泡逐渐增多，特别是离水面较近的一端，漏水量也逐渐增大，0°时漏水量最小，15°时漏水量为1.86 L/min，满足要求，然20°漏水量4.31 L/min不能满足要求。由于浮子沿滑管上浮过程中，由式(3)可知，随着倾斜角度增大，正浮力即对两橡胶密封垫压紧力逐渐减小，同时出现压力不均匀性增大，出现一端紧一端松现象。

4 结　语

1）通过对排气通道结构设计和密封测试可知，该密封通道在0.05 MPa充气压力下不泄露，能够阻止雨水和涌浪进入排气通道。

2）排气防浪止水装置没入水下瞬间，浮子能够沿着滑管迅速上移，两道密封同步贴合，当排气防浪止水装置露出水面时，浮子能够迅速下移，排气通道打开。

3）从排气防浪止水装置水下漏水率测试数据可以看出，排气防浪止水装置在0°倾斜角时漏水率最小，在15°倾斜角时漏水率，能够满足漏水率指标要求，然20°时，漏水量远远不能满足指标。

4）从浮子上浮计算公式可以看出，排气防浪止水装置漏水率与浮子向上正浮力成反比，正浮力是浮子沿滑管竖直向上浮力和重力之差，为排气防浪止水装置更深入研究指明了方向，为航行体俯仰角安全控制提供一定的参考。