某V型柴油機(jī)冷卻水溫度低案例介紹

荀向紅

摘要：某V型柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)冷卻水溫度呈現(xiàn)偏低現(xiàn)象，初步判斷為A排恒溫閥過早打開，造成系統(tǒng)淡水溫度偏低。勘驗(yàn)時(shí)通過關(guān)閉相應(yīng)閥門，檢測相關(guān)接口溫度變化，確認(rèn)A排恒溫閥工作正常，出現(xiàn)了違背直覺判斷的情況。隨著試驗(yàn)和檢測的深入進(jìn)行，確認(rèn)故障原因?yàn)锽排恒溫閥溫包失效。

關(guān)鍵詞：恒溫閥;蝶閥;匯集水箱;正對(duì)沖射流;夾角

0 ?引言

柴油機(jī)冷卻水恒溫閥的核心部件是傳感器，即溫包。本案例采用內(nèi)置式，溫包內(nèi)充有感溫介質(zhì)，能夠感應(yīng)環(huán)境溫度，隨感應(yīng)溫度的變化產(chǎn)生體積變化，帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生位移，進(jìn)而調(diào)節(jié)至冷卻器的通水量來改變冷卻器的散熱量。

1 ?冷卻水系統(tǒng)

某船采用兩臺(tái)V型柴油機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)，柴油機(jī)在工作時(shí)冷卻水分別由A、B排機(jī)帶水泵將冷卻水經(jīng)兩側(cè)的滑油冷卻器壓入柴油機(jī)A、B兩側(cè)的冷卻水進(jìn)水管路，然后再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體冷卻水腔。冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)自下而上冷卻氣缸套并經(jīng)過渡孔進(jìn)入氣缸蓋的冷卻水腔。從各氣缸蓋中來的冷卻水匯集到兩側(cè)出水總管內(nèi)，如圖1所示，在自由端的匯集水箱內(nèi)匯流后再分兩路至兩側(cè)的A、B排冷卻水恒溫閥。恒溫閥根據(jù)其溫度狀況將冷卻水直接送到淡水泵泵前或旁通至淡水冷卻器再輸送回至冷卻水泵泵前。

2 ?現(xiàn)場描述

兩舷柴油機(jī)推進(jìn)至進(jìn)一工況運(yùn)行約半小時(shí)后，左機(jī)匯集水箱冷卻水溫度TW約73℃，右機(jī)約78℃，左機(jī)冷卻水溫度偏低?，F(xiàn)場檢查A、B排恒溫閥旁通和回水管段溫度，手感檢查閥F1、F2管段溫度，閥F1處溫度較高，F(xiàn)2處溫度明顯低于F1;閥F3、F4管段溫度高，且基本一致，由此可知左機(jī)A排恒溫閥有顯著經(jīng)過冷卻的回水，恒溫閥已打開;B排恒溫閥無回水，未打開。右機(jī)兩側(cè)恒溫閥均打開，均有溫度較低的回水，工作正常。推進(jìn)至進(jìn)六工況后，左機(jī)冷卻水溫度TW為76℃，滑油溫度TL為83℃，B排恒溫閥仍未打開;右機(jī)冷卻水溫度為80℃，滑油溫度84℃，兩側(cè)恒溫閥工作正常。

3 ?初步判斷

該型柴油機(jī)所采用冷卻水恒溫閥設(shè)定值為75℃打開，90℃全開，動(dòng)作狀態(tài)如圖2、圖3所示。初步判斷左機(jī)A排冷卻水恒溫閥開啟溫度設(shè)定值偏低，因過早打開，造成柴油機(jī)冷卻水溫度偏低，B排恒溫閥因達(dá)不到開啟溫度而保持關(guān)閉狀態(tài)。

4 ?恒溫閥工作示意圖

冷卻水溫度低于75℃時(shí)，見圖2，調(diào)節(jié)閥保持閉合狀態(tài)，冷卻水直接回至泵前。

冷卻水溫度達(dá)到90℃時(shí)，見圖3，調(diào)節(jié)閥全開，冷卻水全部旁通至板式淡水冷卻器。

5 ?排查和試驗(yàn)

5.1 關(guān)閉閥F3、F4

柴油機(jī)帶軸運(yùn)行至進(jìn)一低工況，關(guān)閉碟閥F3和F4，即B排恒溫閥的回水和旁通蝶閥。隨著水溫上升，用點(diǎn)溫槍檢查測點(diǎn)T1和T2溫度變化。經(jīng)檢測，確認(rèn)A排恒溫閥在75℃時(shí)打開，設(shè)定值標(biāo)定準(zhǔn)確。

5.2 關(guān)閉閥F2

上述試驗(yàn)后，打開碟閥F3和F4，然后關(guān)閉碟閥F2，此時(shí)F3管段處溫度迅速降低，確認(rèn)B排恒溫閥至淡水冷卻器的管路沒有污堵情況。

5.3 試驗(yàn)小結(jié)

上述試驗(yàn)結(jié)果違背了原因分析時(shí)形成的初步共識(shí)。那么左柴油機(jī)冷卻水溫度較低問題的原因趨向由B排恒溫閥故障所致，這初看起來可能是個(gè)錯(cuò)誤。

6 ?深入進(jìn)行的排查

6.1 繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，關(guān)閉F1

關(guān)閉碟F1，使F1和F2同時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。測點(diǎn)TW溫度逐步上升至77℃，測點(diǎn)T3、T4同步上升至約77℃，表明B排恒溫閥仍未能打開。

再打開F1、F2，測點(diǎn)溫度TW逐步降低，然后回復(fù)到初期的73℃。

6.2 進(jìn)行全面的冷卻水系統(tǒng)溫度檢測

如圖1所示，檢測時(shí)增加了四個(gè)測點(diǎn)溫度，即柴油機(jī)A、B排恒溫閥進(jìn)水溫度TA和TB;板式淡水冷卻器淡水進(jìn)、出口溫度T5和T6。以下是加載至進(jìn)六工況時(shí)各參數(shù)記錄如表1。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)分析，A排冷卻水壓力0.29MPa，而B排為0.33MPa，當(dāng)前僅A排恒溫閥正常打開，說明A排恒溫閥旁通出的冷卻水因受到板式冷卻器的管路阻力，造成A排冷卻水壓力低于B排。

結(jié)合各測點(diǎn)溫度進(jìn)行分析，匯集水箱水溫TW=76℃，A排恒溫閥進(jìn)口、旁通、回水溫度TA、T1、T2分別為78℃、78℃、46℃，B排TB、T3、T4分別為76℃、75℃、76℃，板式冷卻器進(jìn)、出口溫度T5、T6分別為77℃、47℃。對(duì)比右機(jī)參數(shù)，是否可以推斷出由于B排泵出口壓力略大于A排，匯集水箱內(nèi)壓力、溫度略高的B排冷卻水在與A排冷卻水匯合后其主力部分進(jìn)入A排冷卻水管道;同理，A排壓力、溫度較低的冷卻水主力部分則進(jìn)入了B排恒溫閥，然后直接回流至泵前。

6.3 匯集水箱內(nèi)兩股射流匯合后的狀態(tài)分析

匯集水箱A、B排進(jìn)口的兩股射流在同一軸心線上，系正對(duì)沖射流。兩個(gè)噴口直徑相等，如果兩股射流動(dòng)量相等，射流相互撞擊后，有一個(gè)擠壓和轉(zhuǎn)向的過程，向著與初始射流軸心線垂直的方向均勻流去，而且很對(duì)稱，這是在一個(gè)很大的自由空間內(nèi)的理想流動(dòng)過程。

在實(shí)際匯集水箱內(nèi)，由于兩股射流壓力的偏差，B排射流壓力略大于A排，流速也大于A排。射流相互撞擊后，經(jīng)擠壓和旋轉(zhuǎn)后匯合流不再垂直初始射流方向，而是向A排偏移呈軸對(duì)稱的傘狀體。

設(shè)兩個(gè)噴口直徑同為d，匯合后總流量Q合等于兩個(gè)射流的流量Q1和Q2之和。

即Q合=Q1+Q2=（V1+V2）×πd2/4

根據(jù)動(dòng)量方程，可以反應(yīng)出夾角θ與密度ρ及流速V合、V1、V2的關(guān)系。

ρQ合V合cosθ-[ρQ1V1-ρQ2V2]=0

→（πd2/4V1+πd2/4V2）V合cosθ=πd2/4（V12-V22）

→cosθ=（V1-V2）/V合

這樣，如圖4所示，在匯集水箱內(nèi)的兩股正對(duì)沖射流因流速的差異，射流相互撞擊后，匯流方向與初始軸心線形成夾角θ。B排冷卻水的主力部分隨夾角θ流入對(duì)側(cè)A排恒溫閥進(jìn)口管;由于受到上部和右側(cè)水腔側(cè)壁的限制，匯合流的其余部分形成強(qiáng)烈的紊流進(jìn)入左側(cè)B排恒溫閥進(jìn)口管。

6.4 結(jié)合射流分析確定問題原因

兩股正對(duì)沖射流因動(dòng)量不同，匯合流角度不再垂直于軸心線，發(fā)生偏移后壓力、溫度較高的B排冷卻水主力部分進(jìn)入A排冷卻水管道至A排恒溫閥，而溫度較低的A排冷卻水主力部分則進(jìn)入B排管道。從而形成了在A排恒溫閥能夠正常打開工作，B排恒溫閥始終關(guān)閉條件下，實(shí)際進(jìn)行著“A B排一線式串聯(lián)”循環(huán)冷卻狀態(tài)，即B排冷卻水→匯集水箱→A排恒溫閥→板式冷卻器→A排淡水泵→A排冷卻水→匯集水箱→B排恒溫閥→B排淡水泵→B排冷卻水。

7 ?拆檢、處置和驗(yàn)證

拆下B排恒溫閥，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥移動(dòng)的相關(guān)部位有銹蝕、卡滯痕跡。將溫包加熱至95～100℃，調(diào)節(jié)閥仍不能打開，確認(rèn)溫包已失效。

隨后更換了B排恒溫閥，經(jīng)后續(xù)航行驗(yàn)證，左機(jī)各工況冷卻水溫度恢復(fù)正常。

8 ?結(jié)束語

利用關(guān)閉相應(yīng)閥門的方法作為恒溫閥工作狀態(tài)的檢查手段在低工況時(shí)短時(shí)間運(yùn)行是可行的。本案例介紹了V型柴油機(jī)在只有一個(gè)恒溫閥正常工作情況下，并沒有出現(xiàn)冷卻水溫度過高的情況，反而出現(xiàn)略低于鄰機(jī)的情況。此案例作為特殊個(gè)案介紹，后續(xù)有待進(jìn)一步研究探討。

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