不同進(jìn)出口接管方案下自流冷卻系統(tǒng)的特性試驗(yàn)研究

姚 露 ，周宗和 ，孫洪山 ，韓燦峰 ，陶海坤

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；2.海軍駐武漢第七一九研究所軍代室，湖北 武漢 430064；3.渤海造船廠集團(tuán)有限公司，遼寧 葫蘆島 125004)

不同進(jìn)出口接管方案下自流冷卻系統(tǒng)的特性試驗(yàn)研究

姚 露1，周宗和2，孫洪山3，韓燦峰1，陶海坤1

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；2.海軍駐武漢第七一九研究所軍代室，湖北 武漢 430064；3.渤海造船廠集團(tuán)有限公司，遼寧 葫蘆島 125004)

針對自流冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用背景，采用縮比原理性試驗(yàn)，對進(jìn)出口接管形式進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)出口接管形式影響著系統(tǒng)的自流特性，矩形過渡的進(jìn)口接管其自流特性好，垂直圓擴(kuò)的出口形式不利于自流。進(jìn)出口接管組合方案一下系統(tǒng)自流特性最好。進(jìn)出口接管的相對靜壓差-相對速度特性曲線是其固有水力特性。自流回路的自流流量隨著流動阻力的增加而降低，且降低率越來越少。最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選了進(jìn)出口接管方案，為自流冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

自流冷卻系統(tǒng)；原理試驗(yàn)；接管形式；水力特性

0 引 言

現(xiàn)代艦船動力裝置中廣泛采用了自流冷卻系統(tǒng)[1 – 2]，其利用艦船航行時(shí)迎面水流所產(chǎn)生的動壓頭，在一定速度范圍內(nèi)，可僅憑自流滿足冷凝器所需的冷卻水量，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵的停運(yùn)，減少泵運(yùn)轉(zhuǎn)引起的振動噪聲；循環(huán)水泵只是在低航速及高航速工況下使用，功耗大大降低，并能有效地減小泵的尺寸，釋放空間[3 – 5]。

進(jìn)出口接管是自流冷卻系統(tǒng)的重要部件。進(jìn)出口接管的形式?jīng)Q定了自流冷卻系統(tǒng)的流量、壓頭，是能否形成自流滿足主冷凝器冷卻水需要的關(guān)鍵。另外由于進(jìn)出口接管一部分伸出舷外，會使船舶航行阻力增加。因此，自流冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口接管的布置和幾何參數(shù)的選擇，要保證在附加拖曳阻力最小的情況下，系統(tǒng)有可靠的壓頭以滿足冷卻水量的需求。已有研究表明：進(jìn)口接管的工作特性直接影響自流系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，出口接管的水力性能與整個(gè)系統(tǒng)的損失及流量特性密切相關(guān)[6 – 7]。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算分析的方法在該技術(shù)上得到廣泛使用[7 – 9]，但由于實(shí)際約束，計(jì)算結(jié)果難以得到有效試驗(yàn)驗(yàn)證。本文在理論分析的基礎(chǔ)上采用了縮比原理性試驗(yàn)，對進(jìn)出口接管進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)研究。通過不同方案下進(jìn)出口接管方案的試驗(yàn)組合，測定相對靜壓頭與相對流速之間的關(guān)系曲線，獲得不同工況下自流冷卻系統(tǒng)的流量特性，為自流冷卻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)臺架由水箱、循環(huán)水泵、控制閥、自流冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口裝置、管路、流量計(jì)、差壓計(jì)等搭建組成，試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。試驗(yàn)水道是長為L的矩形水道，尺寸為W×H；自流冷卻水道為內(nèi)徑φD的圓形水道。試驗(yàn)水道和自流冷卻管路上分別設(shè)置超聲流量測量儀和電磁流量計(jì)進(jìn)行冷卻水流量測量；自流冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口接管的管路間設(shè)置差壓計(jì)進(jìn)行壓差測量。

圖1 自流冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺架示意圖Fig.1 Test-bed sketchmatic of scoop cooling system

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中按照Re相似和Eu相似來模擬實(shí)際工況。

試驗(yàn)臺架、測量儀表等安裝完畢后，進(jìn)行系統(tǒng)緊密性、水泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、閥門操作靈活性、儀表指示準(zhǔn)確性等檢查，確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行正常后進(jìn)行試驗(yàn)。啟動循環(huán)水泵，通過試驗(yàn)水道上的閥門開度進(jìn)行循環(huán)泵的流量調(diào)節(jié)，測得實(shí)驗(yàn)水道的流量Q1；調(diào)節(jié)自流冷卻管路上閥門的開度，從0開度到100%，共8個(gè)開度，測量自流冷卻水道的流量Q2以及進(jìn)出口接管水道間自流產(chǎn)生的靜壓差h。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了6種進(jìn)口接管方案，3種出口接管方案，如圖2所示（D為圓形水道內(nèi)徑，下同）。

通過不同進(jìn)出口結(jié)構(gòu)方案的組合，試驗(yàn)方案共8組，具體方案如表1所示。

圖2 進(jìn)、出口接管結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sketchmatic of inlet/outlet tubes

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Experiment scheme

1.4 試驗(yàn)工況

通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)水道流量控制水道流速來模擬船舶速度，試驗(yàn)工況共4個(gè)，如表2所示。

2 特性試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同進(jìn)出口接管對系統(tǒng)流動特性的影響分析

進(jìn)出口的相對靜壓差h/（ρV12/2）與相對流速V2/V1之間的關(guān)系是自流冷卻系統(tǒng)的特性，該特性曲線反映了進(jìn)出口結(jié)構(gòu)將迎面水流的動能轉(zhuǎn)化為壓力能的能力，在相同的相對速度下相對靜壓差越大越好。

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Experiment conditions

圖3顯示了不同出口接管方案下自流系統(tǒng)的特性。從圖中可以看出，在相同相對速度下，組合方案1的相對靜壓差相對較大，組合方案2、組合方案3以及組合方案4的特性曲線相差不大。對比4種方案可知，矩形過渡的進(jìn)口接管形式（1）下系統(tǒng)將迎面水流的動能轉(zhuǎn)化為壓力能的能力較高，其原因是該方案下的進(jìn)口面積相對較大，試驗(yàn)水道推入自流回路的流體更多，使得其自流流量更大。該結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中模擬結(jié)果一致。

圖3 不同進(jìn)口方案下特性曲線對比圖Fig.3 Comparision of characteristic curves according to different inlet tubes

圖4 展示了不同進(jìn)出口接管組合方案下系統(tǒng)的自流特性。從圖中可知，組合方案5的相對速度-相對靜壓差曲線最低，方案6和方案8的曲線基本重合。對比4種組合方案可知，在相同的相對速度下，出口接管形式（2）方案下系統(tǒng)自流能力相對較差，即垂直圓擴(kuò)的出口形式不利于系統(tǒng)自流。

從圖3和圖4 的綜合對比可以看出，不同進(jìn)出口接管方案下，系統(tǒng)的自流特性各不相同；在出口接管形式（1）組合方案下系統(tǒng)的自流特性皆優(yōu)于出口接管形式（2）和（3）組合方案，這說明圓管垂直的出口形式能最大化利用迎面水流的動能，進(jìn)口接管伸出艇體的形式好于與艇平齊的形式，且組合方案1下系統(tǒng)的自流特性最好。

圖4 不同進(jìn)出口接管方案下特性曲線對比圖Fig.4 Comparison of characteristic curves according to different inlet/outlet tubes

2.2 變工況運(yùn)行對系統(tǒng)流動特性的影響分析

對于船舶而言，變工況運(yùn)行時(shí)存在，自流系統(tǒng)需要能利用一定范圍內(nèi)迎面水流的動能，而不僅僅是某一固定工況，即在較廣的工況范圍內(nèi)都能自流。以自流特性最好的組合方案1和出口接管形式自流特性相對較好的方案8為例分析不同工況下自流系統(tǒng)的特性。其中各工況對應(yīng)的水道流量的大小為QA1＜QB1＜QC1＜QD1。

圖5（a）和圖5（b）分別為組合方案1和組合方案8在不同工況下自流系統(tǒng)的特性曲線，從圖5（a）中可以看出不同水道流量下系統(tǒng)的特性曲線趨勢基本一致，從表2可知，工況D與工況A的試驗(yàn)水道流量關(guān)系近2倍，但是系統(tǒng)的特性曲線之間相差卻不到10%。從圖5（b）可以明顯看出，不同工況下，系統(tǒng)的相對速度-相對靜壓差關(guān)系曲線幾乎不變，相互之間差距在2%左右，說明試驗(yàn)水道流量變化對組合方案8的特性曲線幾乎無影響。

圖5 不同工況下系統(tǒng)的自流特性Fig.5 Artesian characters of the system in different conditions

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同工況下的系統(tǒng)相對速度-相對靜壓差關(guān)系曲線趨勢一致，相對靜壓差均隨著相對速度的增加而降低，這與能量守恒定律相符。同一進(jìn)出口接管形式下不同工況曲線間差異很小，可以認(rèn)為該曲線與水道流速（即船舶航速）無關(guān)，是個(gè)固有特性曲線。已有理論研究[7]也表明自流特性僅取決于進(jìn)出口接管的形狀等。

2.3 系統(tǒng)阻力對自流流量的影響分析

從試驗(yàn)結(jié)果可知，組合方案1的自流特性較好，以此為基礎(chǔ)分析相同試驗(yàn)水道流量下不同流動阻力的系統(tǒng)自流量。

圖6展現(xiàn)了不同系統(tǒng)阻力下自流回路自流量的大小。試驗(yàn)結(jié)果表明，在某一固定工況下，自流回路系統(tǒng)的自流量隨著流動阻力的增加而降低，且降低率越來越少。同時(shí)可以看出，系統(tǒng)的流動阻力越小，同一工況下系統(tǒng)的自流量就越大。但是自流量也不可能無限大，這是因?yàn)橄到y(tǒng)總是存在一定阻力元件，采取有效措施降低這些部件的流阻系數(shù)以降低整個(gè)系統(tǒng)的流動阻力，從而獲得最大的系統(tǒng)自流量，是自流冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。從不同工況下系統(tǒng)的自流特性曲線對比圖中可以看出，不同工況下，自流曲線也各不相同，但曲線趨勢基本一致，且試驗(yàn)水道流速越大，系統(tǒng)的自流流量也越大。試驗(yàn)水量流量增加一倍，系統(tǒng)的自流量也增加了將近1倍。

圖6 不同工況和不同流阻系數(shù)下系統(tǒng)的自流流量Fig.6 Artesian flux of the system in different flow resistance coefficient

3 結(jié) 語

1）本文采用縮比原理性試驗(yàn)，對8種進(jìn)出口接管形式，在4種不同試驗(yàn)工況下進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示組合方案1下系統(tǒng)的自流特性相對較好。

2）進(jìn)出口接管形式關(guān)系著自流冷卻系統(tǒng)的自流特性，接管形式不同，系統(tǒng)自流特性也各有差異。矩形過渡的進(jìn)口接管其自流特性好，垂直圓擴(kuò)的出口形式不利于系統(tǒng)自流。

3）同一進(jìn)出口接管形式下自流冷卻系統(tǒng)的相對速度-相對靜壓差關(guān)系曲線在不同工況下表現(xiàn)出相同的規(guī)律，該特性曲線是系統(tǒng)的固有水力特性。

4）自流回路系統(tǒng)的自流量隨著流動阻力的增加而降低，且降低幅度越來越少。不同工況下的自流流量隨系統(tǒng)阻力系數(shù)變化趨勢基本一致，同一阻力系數(shù)下，試驗(yàn)水道流速越大，系統(tǒng)自流量也相對越大，且基本成線性關(guān)系。

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Experiment research on scoop cooling system characters of different inlet/outlet tubes

YAO Lu1,ZHOU Zong-he2,SUN Hong-shan3,HAN Can-feng1,TAO Hai-kun1
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Science and Technology on Thermal Energy and Power Laboratory,Wuhan 430064,China; 2.Military Representative Office of Navy Stationed in 719 Research Institute,Wuhan 430064,China; 3.Bohai Shipyard Group Co.Ltd,Huludao 125004,China)

Under the background of scoop cooling system,the theory experiment research by narrow scale on optimization of inlet/outlet tubes was accomplished.The results indicated that:tube types has an effect on artesian character of the system.Rectangular outlet type performed well,while vertial flared-outlet tube showed bad,combination scheme one is the best.The curve of relative differential pressure and relative velocity is the inherent hydraulic character for the inlet/outlet tubes.The flux of the auto-flow circulation drops with the flow resistance increase,the decrease ratio is less and less.This paper has provided a basis for the design of scoop cooling system.

scoop cooling system；theory experiment；tube type；hydraulic character

U644.1

A

1672 – 7649(2017)10 – 0103 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.020

2016 – 11 – 30；

2017 – 03 – 09

姚露(1991 – )，女，碩士研究生，工程師，主要從事艦船動力裝置冷卻系統(tǒng)技術(shù)研究。