某艇用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化

齊寶丹　侯帥　蔣劍雄　石魁　李榮玖　王榮博　李春鋒

摘要：為解決某高速艇用發(fā)動機水溫高、中冷后氣溫高及變速箱潤滑油溫高的問題，進行故障艇系泊試驗、航行試驗及首臺樣艇測試分析，排查故障原因；利用Creo三維設計軟件提取管路流體域，導入Simerics MP+軟件進行模型處理及參數(shù)設置，建立海水冷卻系統(tǒng)仿真模型，設計不同管路方案，進行壓降分析。優(yōu)化海底門、海水管路、海水過濾器結構，進行系泊試驗與航行試驗驗證。結果表明：發(fā)動機水溫高的根本原因是海水泵前管路壓降大；將海底門、海水管路、海水過濾器直徑由65 mm增大為80 mm，可以降低該艇冷卻系統(tǒng)海水泵前管路壓降，發(fā)動機水溫、中冷后氣溫和變速箱潤滑油溫都在合理范圍內，解決故障問題。

關鍵詞：艇用發(fā)動機；水溫高；海水泵；海底門

中圖分類號：TK424.2文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0062-06

引用格式：齊寶丹，侯帥，蔣劍雄，等.某艇用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化［J］.內燃機與動力裝置，2023，40（5）：62-67.

QI Baodan， HOU Shuai， JIANG Jianxiong， et al. Analysis of the cooling system for a marine engine and its optimization［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：62-67.

0 引言

冷卻系統(tǒng)是柴油機的重要組成部分，冷卻系統(tǒng)的設計應能保證柴油機在各工況下受熱零部件的溫度均處于正常范圍，避免出現(xiàn)過熱或過冷，對柴油機動力性、經(jīng)濟性、可靠性、耐久性以及排放有重要影響[1-2]。發(fā)動機水溫過高，機油黏度降低，將導致零部件潤滑不足，長期水溫過高易引發(fā)拉缸、化瓦等嚴重故障；發(fā)動機水溫過低，機油黏度增大，會增加發(fā)動機內部摩擦功，降低發(fā)動機有效輸出功率[3-4]。

根據(jù)工作特點，船用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)一般分為開式冷卻管路和閉式冷卻管路。開式冷卻管路是發(fā)動機通過自帶海水泵，吸取舷外海水直接對發(fā)動機和變速箱潤滑油進行冷卻，這種冷卻方式設備少、管路簡單、維護方便，在船用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)上廣泛應用[5-6]。但當冷卻水雜質較多時，容易堵塞濾網(wǎng)，導致水溫過高，影響發(fā)動機正常工作；而且海水腐蝕性較強，容易腐蝕熱交換器及冷卻水管路[7-8]。

本文中針對艇用發(fā)動機水溫過高問題，開展系泊試驗、航行試驗、樣艇測試分析等確定故障原因，結合仿真分析，提出優(yōu)化方案并進行試驗驗證，解決該類艇用發(fā)動機水溫過高問題，為高速艇海水管路設計與匹配提供解決思路。

1 海水管路冷卻系統(tǒng)分析

1.1 工作原理

多艘某型號海上高速艇在正常使用時出現(xiàn)發(fā)動機水溫高、中冷后氣溫高和變速箱潤滑油溫高的現(xiàn)象，超過發(fā)動機水溫設定報警溫度，影響高速艇的正常工作。

該型艇采用雙機-雙槳布置，最高航速超過30 kn，左、右發(fā)動機各有一套冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)原理如圖1所示。

由圖1可知：該艇冷卻系統(tǒng)由海水冷卻系統(tǒng)和淡水冷卻系統(tǒng)組成，舷外海水經(jīng)過海底門進入海水過濾器，通過海水泵前管路由海水泵吸入，經(jīng)過出水法蘭分流，分別冷卻發(fā)動機增壓空氣、淡水系統(tǒng)和變速箱潤滑油；藍色虛線框內是發(fā)動機自身零部件，海水依次經(jīng)過級間中冷器、主中冷器和熱交換器，在熱交換器海水出水口與冷卻變速箱潤滑油后的海水匯合后流向舷外，完成一個循環(huán)，將發(fā)動機和變速箱潤滑油多余的熱量帶走，使發(fā)動機淡水溫度、中冷后氣溫和變速箱潤滑油溫度處于正常工作范圍，保證發(fā)動機工作的經(jīng)濟性和可靠性[9-10]。當海水冷卻系統(tǒng)海水體積流量下降時，進入級間中冷器、主中冷器、熱交換器和變速箱潤滑油冷卻系統(tǒng)的海水減少，容易出現(xiàn)柴油機水溫過高的現(xiàn)象，應依次排查海水泵、海底門、海水管路、海水過濾器、熱交換器、中冷器相關部件。

1.2 故障分析

1.2.1 海水泵

海水泵是海水冷卻系統(tǒng)中海水流動的動力來源，如果海水泵出現(xiàn)故障，海水的流動失去動力或經(jīng)過海水泵后的出水壓力降低[11]。

將海水泵從機器上拆卸下來進行檢查，發(fā)現(xiàn)海水泵葉輪、驅動齒輪完好，無異常。用手轉動泵軸，阻力適中，無卡滯及間隙異?，F(xiàn)象，排除海水泵因素。

1.2.2 海底門

海底門是海水進入海水冷卻系統(tǒng)的第一道防線，海洋垃圾、漁網(wǎng)等異物可能吸附到海底門上，導致海水冷卻系統(tǒng)堵塞，引起海水溫度和淡水溫度升高。通過水下內窺鏡排查，發(fā)現(xiàn)海底門無異物堵塞，海底門閥門正常打開，排除海底門因素。

1.2.3 海水管路

如果海水管路設計不合理，可能導致管路中壓降過大，通常海水泵前的管路進水壓力（相對于大氣壓力）應不低于-30 kPa，若不符合規(guī)定，進入發(fā)動機的海水體積流量減少，熱量不能及時帶走、排出，導致發(fā)動機水溫過高，應優(yōu)化海水管路設計并核查驗證。

1.2.4 海水過濾器

海水過濾器安裝在海底門與海水泵之間管路上，過濾海水管路中的殼類物質、海草、海洋垃圾等雜質，使進入海水泵、中冷器和熱交換器的海水中無較大異物，防止出現(xiàn)海水泵葉輪損壞、中冷器堵塞、熱交換器堵塞等故障。檢查海水過濾器，重新清洗后，發(fā)動機水溫依然過高，排除海水過濾器因素。

1.2.5 熱交換器

熱交換器通過海水與內循環(huán)水的熱量交換，降低發(fā)動機淡水溫度，使發(fā)動機的工作水溫保持穩(wěn)定[11]。熱交換器故障主要有海水管路堵塞、管路腐蝕，由于熱交換器中的海水管內徑小，泥沙、海草和海底生物堵塞海水管，海水冷卻系統(tǒng)阻力增大，海水體積流量減少，造成發(fā)動機淡水溫度升高。拆檢熱交換器端蓋，無異物堵塞及腐蝕，排除熱交換器因素。

1.2.6 中冷器

中冷器與熱交換器結構類似，只是海水冷卻介質由淡水變成了增壓后的高溫空氣[12]，中冷器故障主要有海水管路堵塞、腐蝕。中冷器應定期清洗并更換鋅極，使中冷器壓降小于等于15 kPa，避免造成海水管路體積流量減少。拆檢中冷器端蓋，無異物堵塞及腐蝕問題，排除中冷器因素。

2 故障艇試驗分析

分別在該艇左發(fā)動機、右發(fā)動機（簡稱左、右機）的海水泵前、后管路安裝壓力傳感器，在海水泵前管路安裝海水管路體積流量計，結合發(fā)動機轉速，采集試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 系泊試驗

將發(fā)動機與變速箱脫排，進行系泊試驗。發(fā)動機轉速于原地升高至1 700 r/min左右，海水過濾器透明觀察窗內無氣泡、泡沫，為正常狀態(tài)；左、右機海水泵前管路進水相對壓力均為-50～-40 kPa，超出不得低于-30 kPa的要求；海水泵處于空化工作狀態(tài)，即海水泵內多為空氣，吸入海水較少，冷卻管路海水體積流量減少。

2.2 航行試驗

該艇正常航行至速度為45 kn左右，進行航行試驗。發(fā)動機轉速約為1 800 r/min時，海水過濾器透明觀察窗內有大量氣泡、泡沫，海水中氣體的體積分數(shù)較大，海水泵性能下降，工作效率降低，導致海水冷卻系統(tǒng)中海水體積流量減小，發(fā)動機水溫過高，引起報警；左、右機海水泵前的管路進水相對壓力為15～20 kPa，出水相對壓力（相對于大氣壓力）為30～45 kPa，左、右2臺發(fā)動機海水泵前的進水相對壓力不同，左機的進水相對壓力比右機的進水相對壓力低4～5 kPa，原因可能是左、右機海水泵前的進水管路布置的差異，使左機進水相對壓力低于右機。左、右機海水泵前進水管路布置示意如圖2所示。

2.3 首臺樣艇測試分析

2.3.1 原地試驗

對首臺樣艇發(fā)動機進行原地脫排，發(fā)動機轉速由850 r/min升高至額定轉速2 300 r/min，海水泵體積流量、海水泵前管路進水壓力與發(fā)動機轉速的關系如表1所示。

由表1可知：發(fā)動機轉速為850～1 800 r/min時，海水泵體積流量隨轉速的增加而增大；發(fā)動機轉速為1 800～2 300 r/min時，海水泵體積流量趨于穩(wěn)定，不再隨轉速變化；發(fā)動機轉速為1 300 r/min左右時，隨著轉速的升高，海水泵前管路進水相對壓力不符合不得低于-30 kPa的要求。原因可能是海水泵前管路壓降大，管路進水相對壓力超出使用限值，高速時海水泵體積流量減少，導致發(fā)動機淡水溫度過高、中冷后氣溫及變速箱潤滑油溫過高，引起高溫報警。

2.3.2 水面高速航行試驗

將樣艇駕駛到寬闊水面進行高速航行試驗，試驗工況包括高速（航速為30 kn以上）直線航行10 min，連續(xù)左（或右）轉彎1 min后行駛一段時間進行過渡，再連續(xù)右（或左）轉彎1 min，在寬闊水面進行航行試驗，左、右機水溫及轉速隨時間的變化如圖3所示，左、右機海水泵體積流量及轉速隨時間的變化如圖4所示。

由圖3可知：高速直線航行10 min后，發(fā)動機水溫由75 ℃逐漸上升到81 ℃；連續(xù)左轉彎1 min后，左機水溫高達92 ℃，超過報警溫度為90 ℃的規(guī)定；連續(xù)右轉彎1 min，右機水溫最高87 ℃，未超過報警限值。由圖4可知：左轉彎時左機海水泵體積流量波動大，可能導致左機出現(xiàn)發(fā)動機水溫高故障。

對比該艇海底門、海水過濾器與其他高速艇相應結構，該艇海底門結構有待優(yōu)化，增加海水流通面積；同時高速水流撞擊海底門，形成渦流及氣泡，造成大量氣泡進入海水泵，降低了海水泵體積流量；海水過濾器直徑偏小，流通面積較小，短時間內造成堵塞，需頻繁清理。

3 仿真分析與優(yōu)化驗證

利用Creo三維設計軟件提取海水泵前管路流體域，導入Simerics MP+軟件，進行模型處理及參數(shù)設置，建立海水冷卻系統(tǒng)仿真模型[12-13]。將海水泵前管路流體域切分為入口、出口及壁面，采用通用網(wǎng)格進行劃分，最大網(wǎng)格邊長為0.02 mm，最小網(wǎng)格邊長為0.000 2 mm，面網(wǎng)格邊長為0.005 mm；模型入口壓力為101.325 kPa，出口體積流量為39 m3/h，介質為水，密度為1 000 kg/m3，動力黏度為2.98 mPa·s。

3.1 管路模型

不考慮海水過濾器的影響，設計3種管路模型方案。1）方案1。與目前整船管路相同，海底門和海水泵前管路直徑均為65 mm。2）方案2。海底門直徑為65 mm，海水泵前管路直徑由65 mm增大為80 mm。3）方案3。海底門和海水泵前管路直徑均由65 mm增大為80 mm。

3.2 壓降分析

采用Simerics MP+軟件仿真計算3種方案管路壓降分布如表2所示。由表2可知：1）海底門直徑對海底門壓降及管路總壓降影響最大；2）海水泵前管路直徑各部位壓降及管路總壓降影響較??；3）對管路總壓降的影響從大到小依次為海底門、海水泵前管路、海水泵法蘭。

3.3 系泊試驗

將海底門、海水管路、海水過濾器直徑由65 mm增大為80 mm，使發(fā)動機和變速箱原地脫排，將發(fā)動機轉速由850 r/min升高到額定轉速2 300 r/min，進行系泊試驗，優(yōu)化后海水泵體積流量及海水泵前管路進水壓力與發(fā)動機轉速關系如表3所示。

由表3可知：優(yōu)化后海水泵前管路進水相對壓力最小為-19 kPa，滿足限值要求；發(fā)動機轉速為1 500～2 300 r/min時，對比優(yōu)化前，優(yōu)化后海水泵體積流量隨著轉速升高明顯增大，增加了12%～35%。

3.4 水面高速航行試驗

將海底門、海水管路、海水過濾器直徑由65 mm增大為80 mm，安裝到樣艇上，進行寬闊水面高速航行試驗，試驗工況與2.3.2節(jié)相同，優(yōu)化后，樣艇在寬闊水面進行航行試驗，左、右機水溫及轉速隨時間的變化如圖5所示，左、右機海水泵體積流量及轉速隨時間的變化如圖6所示。

由圖5、6可知：優(yōu)化后樣艇高速航行時，發(fā)動機水溫均在79 ℃左右，優(yōu)化效果良好；連續(xù)左轉彎和連續(xù)右轉彎時，發(fā)動機水溫為78～79 ℃，均位于正常范圍；左轉彎及右轉彎時，左、右機海水泵體積流量變化較一致，無明顯波動。

4 結論

1）海底門直徑對海水泵前管路總壓降影響較大，海水過濾器直徑和海水泵前管路直徑影響海水泵前管路進水壓力，但影響較小。

2）隨著發(fā)動機轉速升高，海水泵管路進水壓力降低，增大海底門直徑，當發(fā)動機達到額定轉速時，海水泵前管路進水壓力均在規(guī)定限值內，保證冷卻系統(tǒng)正常工作。

3）海水泵體積流量隨著海底門直徑的增大而增大，優(yōu)化后的海水泵體積流量增加了12%～35%，進行海水泵前管路系統(tǒng)布置時，應提前進行仿真分析，合理選擇海底門直徑。

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Analysis of the cooling system for a marine engine and

its optimization

QI Baodan 2， HOU Shuai 2， JIANG Jianxiong 3， SHI Kui 2，

LI Rongjiu3， WANG Rongbo 2， LI Chunfeng 3

Abstract：In order to solve the high temperature problems of cooling water， intercooling intake gases and lubricating oil for a high-speed boat， mooring tests， navigation tests， and testing analysis of the first sample boat are conducted to identify the source of the problem. The fluid domain of the pipeline is extracted using Creo software， and then imported into Simerics MP+software for model processing and parameter settings， a simulation model of the seawater cooling system is established. Pressure drop of different pipeline schemes is analysed. The structure of the sea gate， seawater pipeline and seawater filter are optimized and validated by mooring and navigation tests. The results indicate that the main cause of high temperature is the large pressure drop in the pipeline before the seawater pump. Increasing the diameter of the sea gate， seawater pipeline， and seawater filter from 65 mm to 80 mm could reduce the pressure drop in the seawater pump front pipeline of the ship′s cooling system， and keep the engine water temperature， intercooling temperature， and gearbox lubricating oil temperature within a reasonable range.

Keywords：submarine engine;high water temperature; sea water pump; submarine gate

（責任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2023-01-04

第一作者簡介：齊寶丹（1989—），男，吉林樺甸人，工程師，主要研究方向為船用發(fā)動機研發(fā)，E-mail：qibd@weichai.com。