船用柴油機(jī)冷卻水節(jié)流板節(jié)流效果的研究

侯巖舒 鄭 雪 史 詩(shī)

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261061；2.濰柴重機(jī)股份有限公司，濰坊 261061）

1 柴油機(jī)冷卻水節(jié)流板的相關(guān)介紹

柴油機(jī)在工作過(guò)程中將一部分柴油燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而沒(méi)有被轉(zhuǎn)化的內(nèi)能大部分隨著廢氣從排氣管中排出。此外，還有約25%的內(nèi)能傳遞到柴油機(jī)各個(gè)零部件上，如果這些熱量不能夠被及時(shí)排出，會(huì)造成柴油機(jī)零部件因溫度過(guò)高而發(fā)生活塞、活塞環(huán)和缸套咬傷，缸蓋因熱疲勞而產(chǎn)生裂紋，潤(rùn)滑油迅速變質(zhì)等問(wèn)題。船用柴油機(jī)一般使用冷卻液對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行降溫，其中冷卻液的溫度、流量決定了帶走熱量的多少。在設(shè)計(jì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)時(shí)，通常將冷卻液的溫升定為5%～7%，以使柴油機(jī)工作在最佳的溫度范圍內(nèi)[1]。

但是，由于船用柴油機(jī)的特殊性，用于高溫冷卻液降溫的熱交換器往往不集成在柴油機(jī)上，而是由造船廠將熱交換器及其管路等布置在船艙中。這樣會(huì)出現(xiàn)同一種型號(hào)的柴油機(jī)在安裝到不同的船上時(shí)，冷卻水的壓強(qiáng)由于管路的管徑、管子長(zhǎng)度、閥門數(shù)量及壓阻、換熱器壓阻、膨脹水箱高度等因素的不同而有較大幅度的變化。為了保證水壓、流量充裕，柴油機(jī)高溫水泵往往會(huì)留有較大的設(shè)計(jì)余量。所以，當(dāng)船上管路壓阻較小時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)整個(gè)冷卻系統(tǒng)流量過(guò)大而冷卻水進(jìn)機(jī)壓強(qiáng)過(guò)低的問(wèn)題。

冷卻水流量過(guò)大不僅會(huì)造成能量浪費(fèi)，還會(huì)造成潤(rùn)滑不良、零部件異常磨損等的發(fā)生。進(jìn)機(jī)壓強(qiáng)過(guò)低，則可能導(dǎo)致冷卻水套產(chǎn)生穴蝕。為了解決這一問(wèn)題，最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)單的方法是在柴油機(jī)后的管路上增加節(jié)流板，提高系統(tǒng)壓阻，減小冷卻水流量，同時(shí)提高冷卻水的進(jìn)機(jī)壓強(qiáng)[2]。

節(jié)流板有很多種形式。船用柴油機(jī)的節(jié)流板通常采取如圖1所示的形式。該節(jié)流板外形與法蘭盤一致，有固定孔，中間有節(jié)流孔。它可當(dāng)作法蘭焊接到管子末端使用，也可以?shī)A在兩法蘭中間使用。當(dāng)節(jié)流板當(dāng)作法蘭使用時(shí)，厚度需要按照法蘭的設(shè)計(jì)要求來(lái)確定。如果節(jié)流板夾在法蘭中間使用時(shí)，只需考慮水流的沖擊力對(duì)強(qiáng)度的影響和對(duì)螺栓長(zhǎng)度的影響[3]。

圖1 節(jié)流板示意圖

直觀看來(lái)，節(jié)流板的節(jié)流效果主要取決于節(jié)流孔直徑、倒角的大小和節(jié)流板的厚度。為研究節(jié)流板各參數(shù)對(duì)節(jié)流效果的影響，這里以某船為例進(jìn)行闡述，節(jié)流位置如圖2所示。該船柴油機(jī)首次運(yùn)行時(shí)，冷卻水進(jìn)機(jī)壓強(qiáng)為290 kPa，而設(shè)計(jì)進(jìn)機(jī)壓強(qiáng)為390 kPa。通過(guò)一維仿真軟件搭建包含水泵、膨脹水箱、止逆閥及溫控閥等的冷卻系統(tǒng)一維模型并與實(shí)測(cè)值對(duì)標(biāo)[4]，計(jì)算得出需在出水管后加孔徑為35 mm、厚度為10 mm的節(jié)流板。此時(shí)，柴油機(jī)冷卻水流量為1 037 L·min-1，節(jié)流板后絕對(duì)壓強(qiáng)為206 kPa，節(jié)流板前后壓降約為184 kPa。由于節(jié)流板前有支路流向膨脹水箱，節(jié)流后膨脹水箱流量為59 L·min-1，通過(guò)節(jié)流板的流量為978 L·min-1。

圖2 節(jié)流位置示意圖

2 倒角的影響

為減少試驗(yàn)次數(shù)，對(duì)節(jié)流板參數(shù)的研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件Star CCM+進(jìn)行仿真。

使用Creo創(chuàng)建一段流體域來(lái)模擬柴油機(jī)后管路，管徑為80 mm，長(zhǎng)為1 000 mm，中間節(jié)流位置如圖3所示。水流方向?yàn)閺挠蚁蜃?，a、b、c、d分別為迎水倒角高、迎水倒角寬、背水倒角寬、背水倒角高。仿真時(shí)使用質(zhì)量流量入口16.3 kg·s-1，出口為壓強(qiáng)出口200 kPa，計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1序號(hào)1、2、3、4可以看出，倒角越小，節(jié)流效果越好，但是當(dāng)?shù)菇谴蟮揭欢ǔ潭群螅▋傻菇强倢? mm，壁厚10 mm，中間直管段只剩余2 mm）壓降反而增加。經(jīng)分析，此時(shí)倒角過(guò)大相當(dāng)于減薄了節(jié)流板的厚度。

圖3 節(jié)流位置示意圖（單位：mm）

表1 倒角對(duì)節(jié)流效果的影響

在節(jié)流過(guò)程中，局部流速過(guò)快會(huì)導(dǎo)致靜壓迅速減小。當(dāng)靜壓小于水的飽和蒸汽壓時(shí)將產(chǎn)生氣泡，氣泡在管路中不斷產(chǎn)生、爆炸會(huì)沖擊管壁造成氣蝕。氣蝕在柴油機(jī)領(lǐng)域也叫穴蝕，是一種非常嚴(yán)重的失效模式。一旦氣蝕產(chǎn)生，將加速孔洞的形成，逐漸穿孔，導(dǎo)致漏水[5]。所以，節(jié)流時(shí)應(yīng)保證最小靜壓大于該溫度下水的飽和蒸汽壓強(qiáng)（此柴油機(jī)工作時(shí)冷卻液飽和蒸汽壓約為40.4 kPa）。從表1序號(hào)1、2、3、4可以看出，增大倒角可以提升最小靜壓。

從表1序號(hào)1、3、5、6可以看出，迎水倒角雖然可以顯著提升最小靜壓，但是對(duì)節(jié)流效果影響更大。背水倒角主要影響節(jié)流效果，對(duì)提升最小靜壓效果也有一定的效果。所以，有條件的情況下，應(yīng)將背水倒角盡量做大，將迎水倒角盡量做小。最小靜壓發(fā)生在迎水倒角下游壁面，見圖4。但是，工程上如果將兩側(cè)倒角做成不一樣的尺寸，且不說(shuō)倒角尺寸加工不易控制，安裝時(shí)如果工人不仔細(xì)也容易裝反。所以，建議節(jié)流板倒角能夠去毛刺即可，要盡量小。

圖4 最小靜壓位置示意圖（水流方向從右至左）

3 厚度的影響

通過(guò)對(duì)倒角的研究，研究厚度時(shí)將倒角定為C0.5。節(jié)流板厚度取5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，仿真計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，在5～20 mm厚度范圍內(nèi)，節(jié)流板的節(jié)流效果隨著厚度的增加而減弱，同時(shí)最小靜壓升高。為找出最優(yōu)解，計(jì)算厚度為2 mm、3 mm、4 mm節(jié)流板的節(jié)流效果，結(jié)果見表3。

表2 節(jié)流板厚度對(duì)節(jié)流效果的影響

表3 節(jié)流板厚度對(duì)節(jié)流效果的影響

通過(guò)表3可以看出，繼續(xù)減薄節(jié)流板可以得到更好的節(jié)流效果和更大的最小靜壓，但是考慮到材料強(qiáng)度與振動(dòng)問(wèn)題，將節(jié)流板厚度定為2 mm。

4 孔徑對(duì)節(jié)流效果的影響

孔徑越小，節(jié)流效果越好。但是，在冷卻系統(tǒng)一維計(jì)算得到節(jié)流板處壓降需為184 kPa，而現(xiàn)在孔徑35 mm、厚度2 mm、倒角C0.5的節(jié)流板的壓降為253 kPa，最小靜壓為-8 kPa。因此，需要將孔徑調(diào)大來(lái)減小壓降，同時(shí)提升最小靜壓?？讖饺?5 mm、36 mm、37 mm、38 mm進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 增大節(jié)流版孔徑后節(jié)流效果

表4中，當(dāng)內(nèi)徑擴(kuò)大到36 mm后，最小靜壓隨著孔徑的增大不再大幅度變化。最終，節(jié)流板選取內(nèi)徑36 mm。

5 節(jié)流孔排布對(duì)節(jié)流效果的影響

內(nèi)徑36 mm的節(jié)流板，其流通面積為1 018 mm2。若將其分為若干個(gè)小孔，節(jié)流效果會(huì)有所變化。為探究其變化趨勢(shì)，將其按圖5分別分成3小孔、5小孔、7小孔進(jìn)行仿真，結(jié)果見表5[6]。

節(jié)流板流通面積相同，在相同流量的情況下，截面流速相同，所以不同分布形式的節(jié)流板最小靜壓相差不大。但是，隨著分布孔數(shù)的增加，節(jié)流板的壓降不斷減小。這是由于孔數(shù)增加，截面上流量分布更加均勻，產(chǎn)生的渦流更小，損失的能量更少。

圖5 分布式節(jié)流板流場(chǎng)示意圖（單位：mm）

表5 分布式節(jié)流方案節(jié)流效果

6 結(jié)語(yǔ)

為了解決船用柴油機(jī)冷卻水進(jìn)機(jī)壓強(qiáng)低的問(wèn)題，在使用一維軟件估算節(jié)流板的大概尺寸后，先后對(duì)節(jié)流板的倒角、厚度、孔徑以及節(jié)流孔排布形式進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：節(jié)流板孔迎水倒角雖然可以顯著提升最小靜壓，但是對(duì)節(jié)流效果影響更大；背水倒角主要影響節(jié)流效果，也對(duì)提升最小靜壓效果有一定的效果；節(jié)流板厚度越薄，節(jié)流效果越好，最小靜壓越高；相同流通面積的情況下，僅有一個(gè)節(jié)流孔的節(jié)流板節(jié)流效果最好。