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        船用柴油機冷卻水節(jié)流板節(jié)流效果的研究

        2022-05-28 06:25:40侯巖舒
        關(guān)鍵詞:倒角節(jié)流靜壓

        侯巖舒 鄭 雪 史 詩

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

        1 柴油機冷卻水節(jié)流板的相關(guān)介紹

        柴油機在工作過程中將一部分柴油燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能,而沒有被轉(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)能傳遞到柴油機各個零部件上,如果這些熱量不能夠被及時排出,會造成柴油機零部件因溫度過高而發(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,潤滑油迅速變質(zhì)等問題。船用柴油機一般使用冷卻液對柴油機進行降溫,其中冷卻液的溫度、流量決定了帶走熱量的多少。在設(shè)計柴油機冷卻系統(tǒng)時,通常將冷卻液的溫升定為5%~7%,以使柴油機工作在最佳的溫度范圍內(nèi)[1]。

        但是,由于船用柴油機的特殊性,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。這樣會出現(xiàn)同一種型號的柴油機在安裝到不同的船上時,冷卻水的壓強由于管路的管徑、管子長度、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,柴油機高溫水泵往往會留有較大的設(shè)計余量。所以,當(dāng)船上管路壓阻較小時,可能會出現(xiàn)整個冷卻系統(tǒng)流量過大而冷卻水進機壓強過低的問題。

        冷卻水流量過大不僅會造成能量浪費,還會造成潤滑不良、零部件異常磨損等的發(fā)生。進機壓強過低,則可能導(dǎo)致冷卻水套產(chǎn)生穴蝕。為了解決這一問題,最經(jīng)濟、最簡單的方法是在柴油機后的管路上增加節(jié)流板,提高系統(tǒng)壓阻,減小冷卻水流量,同時提高冷卻水的進機壓強[2]。

        節(jié)流板有很多種形式。船用柴油機的節(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,也可以夾在兩法蘭中間使用。當(dāng)節(jié)流板當(dāng)作法蘭使用時,厚度需要按照法蘭的設(shè)計要求來確定。如果節(jié)流板夾在法蘭中間使用時,只需考慮水流的沖擊力對強度的影響和對螺栓長度的影響[3]。

        圖1 節(jié)流板示意圖

        直觀看來,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)對節(jié)流效果的影響,這里以某船為例進行闡述,節(jié)流位置如圖2所示。該船柴油機首次運行時,冷卻水進機壓強為290 kPa,而設(shè)計進機壓強為390 kPa。通過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)一維模型并與實測值對標[4],計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,柴油機冷卻水流量為1 037 L·min-1,節(jié)流板后絕對壓強為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

        為減少試驗次數(shù),對節(jié)流板參數(shù)的研究采用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件Star CCM+進行仿真。

        使用Creo創(chuàng)建一段流體域來模擬柴油機后管路,管徑為80 mm,長為1 000 mm,中間節(jié)流位置如圖3所示。水流方向為從右向左,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。仿真時使用質(zhì)量流量入口16.3 kg·s-1,出口為壓強出口200 kPa,計算結(jié)果見表1。

        從表1序號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,此時倒角過大相當(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 倒角對節(jié)流效果的影響

        在節(jié)流過程中,局部流速過快會導(dǎo)致靜壓迅速減小。當(dāng)靜壓小于水的飽和蒸汽壓時將產(chǎn)生氣泡,氣泡在管路中不斷產(chǎn)生、爆炸會沖擊管壁造成氣蝕。氣蝕在柴油機領(lǐng)域也叫穴蝕,是一種非常嚴重的失效模式。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)流時應(yīng)保證最小靜壓大于該溫度下水的飽和蒸汽壓強(此柴油機工作時冷卻液飽和蒸汽壓約為40.4 kPa)。從表1序號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,但是對節(jié)流效果影響更大。背水倒角主要影響節(jié)流效果,對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,且不說倒角尺寸加工不易控制,安裝時如果工人不仔細也容易裝反。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

        通過對倒角的研究,研究厚度時將倒角定為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,同時最小靜壓升高。為找出最優(yōu)解,計算厚度為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)流板厚度對節(jié)流效果的影響

        表3 節(jié)流板厚度對節(jié)流效果的影響

        通過表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,但是考慮到材料強度與振動問題,將節(jié)流板厚度定為2 mm。

        4 孔徑對節(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)大來減小壓降,同時提升最小靜壓??讖饺?5 mm、36 mm、37 mm、38 mm進行仿真計算,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。若將其分為若干個小孔,節(jié)流效果會有所變化。為探究其變化趨勢,將其按圖5分別分成3小孔、5小孔、7小孔進行仿真,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

        為了解決船用柴油機冷卻水進機壓強低的問題,在使用一維軟件估算節(jié)流板的大概尺寸后,先后對節(jié)流板的倒角、厚度、孔徑以及節(jié)流孔排布形式進行研究,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,但是對節(jié)流效果影響更大;背水倒角主要影響節(jié)流效果,也對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,僅有一個節(jié)流孔的節(jié)流板節(jié)流效果最好。

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