王利偉，谷家軍，謝 寬

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艦船海水冷卻系統(tǒng)剖析與優(yōu)化改進(jìn)

王利偉1，谷家軍2，謝 寬1

（1. 91404部隊，河北秦皇島 066001；2. 91910部隊，遼寧大連 116000）

為保證熱部件溫度不致過高而影響正常工作，必須及時而有效地采用海水連續(xù)流經(jīng)受熱部件進(jìn)行冷卻，以保證他們在正常溫度范圍內(nèi)安全可靠地工作，通過對某型艦船冷卻系統(tǒng)的剖析，找出存在的問題，提出海水冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化方法與措施。

海水冷卻系統(tǒng) 通海閥箱 冰堵

0 引言

一些機(jī)械設(shè)備在正常運行中不斷產(chǎn)生熱量，這些熱量必須及時散發(fā)，否則發(fā)熱件溫度將繼續(xù)上升，以致超過容許的限度而破壞機(jī)械設(shè)備的可靠性。作為船舶保障系統(tǒng)的主要組成部分，水面艦船海水冷卻系統(tǒng)是保障水面艦艇主要武器裝備正常運行、艦艇連續(xù)航行的關(guān)鍵要素之一。海水冷卻系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，在一定環(huán)境條件下，無法提供滿足要求的循環(huán)水，就會對艦船的安全運行及航行構(gòu)成威脅，嚴(yán)重時導(dǎo)致作戰(zhàn)能力喪失，艦船進(jìn)入冰區(qū)前一定要做好相應(yīng)防范措施，圖1為惡劣冰區(qū)環(huán)境[1-3]。

1 海水冷卻系統(tǒng)組成及功用

水面艦艇海水冷卻系統(tǒng)通過提供循環(huán)海水，帶走艦艇主要系統(tǒng)設(shè)備工作時產(chǎn)生的大量熱量，降低主要系統(tǒng)、設(shè)備穩(wěn)定工作的溫度環(huán)境，為水面艦艇連續(xù)航行、作戰(zhàn)提供保障。新型水面艦艇海水冷卻系統(tǒng)包括主副機(jī)海水冷卻系統(tǒng)和全艦海水冷卻系統(tǒng)兩大部分，主副機(jī)的海水冷卻系統(tǒng)一般由通海閥箱、海水泵、滑油冷卻器、淡水冷卻器、增壓器、滑油冷卻器及空冷器等組成，主要向動力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組提供循環(huán)的海水；全艦海水冷卻系統(tǒng)由通海閥箱、海水泵及各被冷卻裝置的海水循環(huán)系統(tǒng)組成，主要向全艦空調(diào)柜機(jī)、雷達(dá)水冷機(jī)柜、部分機(jī)電設(shè)備提供循環(huán)的海水。

圖1 “雪龍”號科考船冰區(qū)航行

2 某型水面艦艇海水冷卻系統(tǒng)剖析

該型艦采用柴油機(jī)動力裝置，各艙之間通過海水管系與各自的左右舷通海閥箱相連通。主機(jī)海水冷卻系統(tǒng)包括機(jī)帶海水泵、備用海水泵、滑油冷卻器、淡水冷卻器、通海閥、濾器和閘閥等，系統(tǒng)工作時海水泵將海水自通海閥、濾器、閘閥進(jìn)入海水總管，再進(jìn)入滑油冷卻器和淡水冷卻器后匯集于總管后排至舷外，溫度調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)冷卻水的流量，使滑油溫度和進(jìn)入柴油機(jī)的淡水水溫在允許范圍內(nèi)，該冷卻管路原理圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)海水冷卻管路原理圖

3 影響海水冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定工作的主要要素分析

從上述對某型艦船海水冷卻系統(tǒng)剖析及海水循環(huán)流程分析可見，制約海水冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵部件包括管路上閥門，海水泵，過濾器等[4]。

3.1 調(diào)節(jié)及控制附件

艦船海水管路上的調(diào)節(jié)、控制附件主要包括通海閥、閘閥和截止止回閥，其中通海閥為船底的進(jìn)水閥，控制船外海水進(jìn)入船內(nèi)，以供船上清潔衛(wèi)生和冷卻機(jī)器等用；閘閥只能全開和全關(guān)，不能作調(diào)節(jié)和節(jié)流，用于截斷或接通管路中海水介質(zhì)，閘閥的材料有鑄鐵、鑄鋼和鑄銅等，閘閥普遍存在漏水或生銹現(xiàn)象，應(yīng)用在自來水、污水、建筑、電力、船舶、冶金、能源系統(tǒng)等管線上作為調(diào)節(jié)和截流裝置使用；截止止回閥的閥盤并不隨著閥桿的升降而升降，而是由帶有止動突肩的閥桿松插在閥桿的導(dǎo)孔中央，是具有截止和阻止工作介質(zhì)逆向回流雙重作用的閥件，制造閥體的金屬材料有鑄鐵、鑄鋼和青銅等，依靠海水介質(zhì)本身流動而自動打開、關(guān)閉閥門，常見故障有閥瓣打碎和介質(zhì)倒流，截止止回閥用來防止海水介質(zhì)倒流、防止泵及驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)。各附件性能及適用范圍如下表1所示。

3.2 海水泵

海水泵提供海水循環(huán)的動力，一但出現(xiàn)問題，通常會影響到海水冷卻系統(tǒng)的冷卻效率；嚴(yán)重時會導(dǎo)致主動力裝置停機(jī)，艦船直接失去動力。船用海水泵的產(chǎn)生的泄漏問題最為常見，通常小型離心泵的泄漏是由于軸封失效而產(chǎn)生的。海水泵軸封主要有填料函密封和機(jī)械密封兩種，如圖3、圖4所示。造成這種現(xiàn)象的原因多是海水不清潔，含有泥沙，顆粒狀的硬質(zhì)顆粒進(jìn)入動、靜環(huán)之間造成磨料磨損形成的，我國東海海域較為突出。

圖3 填料函密封圖

圖4 機(jī)械密封圖

3.3 海水濾器

海水濾器主要用在海水泵的吸入管路上，以防止海水中的雜質(zhì)[5]進(jìn)入泵內(nèi)，以保證系統(tǒng)中的機(jī)械和設(shè)備正常工作。在水面艦船處于浮冰區(qū)，因海水冷卻系統(tǒng)連續(xù)吸入海水，船底海水進(jìn)水口濾器很容易被冰凌堵塞，海水冷卻循環(huán)系統(tǒng)受阻，造成機(jī)器高溫停車，這時艦員采取關(guān)閉海底閥的措施，清潔海水濾器，但是由于海上浮冰較多，剛剛清理的海水濾器很快就會被冰凌再次堵塞，再次造成主機(jī)高溫停車。大量碎冰會冰堵通海閥箱中濾器，打開海底門的閘閥就會冰堵其對應(yīng)的濾器，致使該水面艦船無法機(jī)動。

4 海水冷卻系統(tǒng)的典型優(yōu)化

4.1 雙海水循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化

海水冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水艙，在浮冰期之外季節(jié)，使用原海水系統(tǒng)，海水經(jīng)海底閥從舷外吸入，完成冷卻任務(wù)后再從舷側(cè)排出，形成開式循環(huán)；到了浮冰海域，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成增裝的海水系統(tǒng)，海水從壓載艙吸入，完成冷卻任務(wù)后再回到此壓載艙，形成閉式循環(huán)，以保證主機(jī)及輔助設(shè)備的正常工作。以圖1主機(jī)海水冷卻系統(tǒng)為例進(jìn)行雙海水冷卻系統(tǒng)[6]改進(jìn)設(shè)計，具體原理布置圖如圖5虛線部分所示。

圖5 主機(jī)雙海水冷卻系統(tǒng)改裝原理圖

4.2 蒸汽吹洗管路優(yōu)化

蒸汽吹洗管的作用是通過蒸汽或壓縮空氣對附在格柵上的雜物吹洗干凈，吹洗管閥通常是設(shè)置在吸入箱的頂板上?，F(xiàn)有基礎(chǔ)上，在原海水系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝海水蒸汽吹洗管路[7]，可進(jìn)行臟堵和冰堵的吹除，吹洗管的管材要用加厚無縫鋼管，口徑一般為DN25-32，通過現(xiàn)場取樣彎制，使其噴嘴正對著格柵中心進(jìn)行吹洗，具體原理布置圖如圖6虛線部分所示。

圖6 主機(jī)蒸汽吹洗管路加裝原理圖

5 結(jié)束語

目前，芬蘭、俄羅斯、美國、加拿大、我國海軍的破冰船，“雪龍”號科考船，均采用雙海水系統(tǒng)設(shè)計，可以滿足冰區(qū)作業(yè)的要求；某型艦艇經(jīng)加蒸汽吹洗管路定型后，滿足浮冰區(qū)安全航行的要求[8-11]，提高了艦艇機(jī)動的有效保障能力，目前我國新造艦船也考慮在自潔式過濾器方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以適應(yīng)艦船在不同的作戰(zhàn)環(huán)境，提高艦船的不同海區(qū)的作戰(zhàn)適應(yīng)能力。

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The Analysis and Optimization of Marine Seawater Cooling System

Wang Liwei1, Gu Jiajun2, Xie Kuan1

(No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China; No.91910 Unit of PLA, Dalian 116000, Liaoning, China)

U664.814

A

1003-4862（2018）11-0023-03

2018-10-17

王利偉（1981-），男，工程師，研究方向：機(jī)電一體化。E-mail: wangliwei0209@163.com