船舶發(fā)動機冷卻系統(tǒng)

1、第六章 冷卻系統(tǒng)第一節(jié) 冷卻系統(tǒng)的功用、組成和布置 一、冷卻系統(tǒng)的功用柴油機工作時的燃氣溫度高達1800左右，使與燃氣直接接觸的氣缸蓋、氣缸套、活塞、氣閥、噴油器等部件嚴重受熱。嚴重的受熱會造成：材料的機械性能下降,產生較大的熱應力與變形，導致上述部件產生疲勞裂紋或塑性變形；破壞運動部件之間的正常間隙，引起過度磨損,甚至發(fā)生相互咬死或損壞事故；燃燒室周圍部件溫度過高,使進氣溫度升高,密度降低,從而減少進氣量；增壓后的空氣溫度也會升高，并影響進氣量;潤滑油的溫度也逐漸升高，粘度下降，不利于摩擦表面油膜的形成,甚至失去潤滑作用。綜上所述,為了保證柴油機可靠工作必須對柴油機受熱機件，滑油及增壓后的空

2、氣等進行冷卻.然而從能量利用觀點來看，柴油機的冷卻是一種能量損失，過分冷卻將導致燃油滯燃期延長，產生爆燃和燃燒不完全，增加加散熱損失；機件內外溫度差過大,以致熱應力超過材料本身的強度而產生裂紋，潤滑油粘度變大而增加摩擦功的消耗;在燃用含硫量較高的重油時，將產生低溫腐蝕，使缸套嚴重腐蝕等。因此,在管理中應既不使柴油機因缺乏冷卻而導致機件過熱,也不使柴油機因過分冷卻而造成不良后果，應有所兼顧。冷卻系統(tǒng)的主要任務應是保證柴油機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作,達到既能避免零件的損壞和減小其磨損，又能充分發(fā)出它的有效功率。近代，從盡量減少冷卻損失以充分利用燃燒能量出發(fā),國內、外正在進行絕熱發(fā)動機的研究，相應發(fā)

3、展了一批耐高溫的受熱部件材料,如陶瓷材料等。 目前，柴油機的冷卻方式分為強制液體冷卻和風冷兩種，絕大多數柴油機使用前者。而液體冷卻的介質通常有淡水、海水、滑油等三種。淡水的水質穩(wěn)定，傳熱效果好并可采用水處理解決其腐蝕和結垢的缺陷,因而它是目前使用最廣泛的一種理想冷卻介質；海水的水源充裕但水質難以控制且其腐蝕和結垢問題比較突出，為減少腐蝕和結垢應限制海水的出口溫度不應超過55；滑油的比熱小，傳熱效果較差，在高溫狀態(tài)易在冷卻腔內產生結焦，但它不存在因漏泄而污染曲軸箱油的危險,因而適于作為活塞的冷卻介質。二、冷卻系統(tǒng)的組成和布置 柴油機冷卻系統(tǒng)一般是用海水強制冷卻淡水和其它載熱流體(如滑油、增壓空氣

4、等）。在系統(tǒng)布置上，海水系統(tǒng)屬開式循環(huán),淡水及滑油等屬于閉式循環(huán)，兩者組成的冷卻系統(tǒng)稱“閉式冷卻系統(tǒng)”。 （一）開式循環(huán)冷卻系統(tǒng) 開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)是直接利用舷外水（海水或河水）冷卻各受熱部件，然后再排至舷外。圖6-1所示為135系列柴油機的開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。淡水泵1將舷外水泵經滑油冷卻器3冷卻滑油后，一路由機體進水管4進機，冷卻氣缸套和氣缸蓋；另一路去冷卻增壓器。冷卻過柴油機和增壓器的冷卻水，經出水管8排至舷外。為了控制冷卻水進機溫度，缸蓋出水管6末端內裝有調溫器7用以旁通已升溫的淡水，使它從回水管5至淡水泵進口.圖6-1 135系列柴油機的開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)1-淡水泵；2-滑油冷卻器進水管；3

5、-滑油冷卻器；4-機體進水管；5-回水管；6-氣缸蓋出水管；7-調溫器；8-出水管；9-增壓器出水管；10-增壓器進水管圖6-2是6300C型船舶柴油機的開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)線路圖。圖6-2 開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)線路圖1-通海閥；2-進水閥；3-海水濾器；4-止回閥；5-冷卻水泵；6-進水總管；7-壓力表；8-遙測溫度計；9-出水支管；10-水銀溫度計；11-調節(jié)旋塞；12-出水觀察器；13-單環(huán)式推力軸承；14-調壓閥；15-軸承出水管；16-出水總管；17-防水閥；18-滑油冷卻器；19-旁觀管；20-三通旋塞；21-調壓閥；22-調溫閥 柴油機前端蓋板上裝有可逆轉離心式水泵5，由曲軸齒輪直接沖動

6、。海水經機艙統(tǒng)海閥1、進水閥2、海水濾器3和止回閥4由冷卻水泵5吸入后，經三通旋塞20被輸送滑油冷卻器18，再經柴油機的進水總管6進入機體冷卻水腔，冷卻氣缸套后由彎管接入氣缸蓋，最后經調節(jié)旋塞11轉入排氣總管的冷卻水腔,匯集于出水總管16排出舷外。 在滑油冷卻器后,有一支路海水通往單環(huán)式推力軸承底部的滑油冷卻器，推力軸承因摩擦產生的熱量經滑油傳給冷卻水帶走。 管系中海水濾器3用來攔阻雜物進入管系，防止管系被堵塞.止回閥4用來防止水泵吸入管路的水倒流，使停車后仍能保持滿水，以保證水泵起動可靠。調壓閥21用來保證管系所需壓頭，壓頭可以通過調節(jié)調壓閥彈簧壓力（即啟閥壓力）來達到。當壓力超過時，調壓閥

7、開啟，一部分出水又流回水泵入口,從而使系統(tǒng)的壓力限制在一定的數值。調溫閥22用來調節(jié)進水溫度,它使從柴油機排出的部分熱水經旁通管直接回到水泵進口，這樣就可以在各種負荷和不同的環(huán)境條件下,調節(jié)和控制進水溫度,以保持發(fā)動機冷卻溫差和熱力狀況穩(wěn)定，同時，在起動后的短時間內，發(fā)動機即能達到正常的熱力狀況。三通旋塞20用來控制流過滑油冷卻器的水流量,以控制滑油的溫度.當滑油不需要冷卻時，可利用三通旋塞轉換水的通路，冷卻水就會繞開冷卻器直接進入冷卻機體的進水總管。調節(jié)旋塞11用來調節(jié)各缸的出水量，從而控制水溫。壓力表7,水銀溫度計10和遙測溫度計8分別用來測量進水壓力，各缸出水溫度和排氣總管出水溫度。 開

8、式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點是裝置簡單、維護方便，水源充裕，但存在如下缺點： 1水中含有較多的雜質和鹽分，容易生成水垢。水垢不但會因其熱阻大妨礙冷卻散熱影響冷卻效果。而且水垢的生成和增厚還會使水容積和水通道變小,阻力增大,流水不暢,致使機件產生局部過熱。 2用海水作冷卻水源時，為了防止鹽分大量析出，出水溫度不得超過55,否則將會柴油機冷卻水腔結垢嚴重，傳熱效果降低,零件的熱應力增加。 所以，開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)僅用于技術指標不高的中、小型柴油機中。隨著船用柴油機強化程度的不斷提高,很少再采用開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。 （二)閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)圖6-3 閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)循環(huán)示意圖1-壓力表；2-出水調節(jié)閥；3-溫度計

9、；4-監(jiān)視器；5-放氣旋塞；6-膨脹水箱；7-廢氣渦輪增壓器；8-備用排出閥；9-排出閥；10-壓氣機；11-通海閥；12-濾器；13-備用海水閥；14-滑油冷卻器；15-海水活塞泵；16-三通旋塞；17-備用淡水離心泵；18-預熱供給水泵；19-淡水離心泵；20-預熱供給水管；21-自動調溫器；22-淡水冷卻器為了克服開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的缺點,在閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中用經過處理的淡水冷卻柴油機受熱部件，并在冷卻系統(tǒng)內形成封閉循環(huán)線路。作封閉循環(huán)的冷卻淡水再由一個開式循環(huán)的舷外水通過淡水冷卻器進行冷卻。 圖63為6NVD36型柴油機的閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)示意圖。 在其海水系統(tǒng)中，海水由海水泵15經通海閥

10、11和濾器12吸入，并壓送至滑油冷卻器14冷卻滑油，然后又進入淡水冷卻器22冷卻淡水,最后經排出閥9排出舷外.海水泵排出管路接出一支管去冷卻壓氣機l0。在淡水系統(tǒng)中，冷卻柴油機的淡水由淡水泵19壓入進水總管，由此進入柴油機各氣缸的冷卻水腔,并上行轉入氣缸蓋中，再經氣缸蓋上的出水管流至出水總管，然后被引至淡水冷卻器22由海水冷卻，冷卻后的淡水又被淡水泵19吸入，再壓送到柴油機中去，形成封閉的循環(huán)冷卻.在淡水泵19的出口處另有一支管路將冷卻水引至廢氣渦輪增壓器7的渦輪殼體中進行冷卻，然后流入出水總管與從氣缸蓋中流出的淡水匯合，一起進入淡水冷卻器.在淡水系統(tǒng)的最高處設置了一個高位膨脹水箱6，其底部用

11、一較細的管子通至冷卻水泵入口端附近。為了檢視淡水循環(huán)是否流暢和放泄系統(tǒng)中的氣體，在出水總管最高處設有檢視器4和放氣旋塞5，放氣管通至膨脹水箱上部，氣體由此逸出，以免影響水的循環(huán)。為了控制淡水溫度,設有自動調溫器21，可使淡水溫度自動控制在規(guī)定的范圍內，柴油機進口最高溫度為76,出口最高溫度為86。各缸的氣缸蓋出水口處設有調節(jié)閥2和溫度表.當各缸出水溫度不一時，可通過調整調節(jié)閥工作開度來調節(jié)各缸的冷卻水流量，使各缸的出水溫度趨于一致。為了保證系統(tǒng)工作可靠，設有備用淡水泵17和備用海水泵13。此外，利用管路上裝置的三通旋塞16的適當轉換組合成應急管路.當淡水缺乏或淡水泵發(fā)生故障時，可通過旋轉滑油冷

12、卻器、淡水泵和檢視器后的三通旋塞（圖示為順時針旋轉90°）,改變水流路線,使海水流過滑油冷卻器14后即行改道,直接進入柴油機去冷卻缸套和缸蓋，然后流入出水總管，從備用排出閥8排至舷外。顯然，應急管路是開式循環(huán)。 閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 1淡水中所含雜質和鹽分較少，腐蝕和結垢不嚴重,能保持機件良好的散熱. 2出水溫度可提高到7590,進水溫度也不受自然環(huán)境的影響，而且溫度還可以自動調節(jié)，使進出口溫差較小,因此機件所受熱應力不致過大。 3燃氣與冷卻水之間的溫度降減小，減小了傳給冷卻水的熱損失，可以提高工作循環(huán)的熱效率。 缺點是整個系統(tǒng)較為復雜。 大型低速柴油機的冷卻系統(tǒng)一般是由幾

13、個獨立的管系組成,分別輸送冷卻介質去冷卻氣缸套和氣缸蓋、活塞、噴油器、增壓器、增壓后的空氣等. 9ESDZ58100型柴油機冷卻系統(tǒng)有如下四個獨立冷卻管系. 1空氣冷卻器管系：增壓后的空氣經過空氣冷卻器由海水進行冷卻，海水泵將海水從舷外吸入經進水總管及支管通入空氣冷卻器，然后從出水支管匯于出水總管排出。在進、出支管上均設有截止閥，以便調節(jié)或切斷進入各空氣冷卻器（本機有三個）的海水量,如圖6-4所示。 2氣缸、氣缸蓋及增壓器冷卻管系：淡水由淡水泵打入主機的進水總管，由此分別進入各氣缸水套空間下部，沿導向槽往上流動，經氣缸套上部隔圈從旁通彎管引入氣缸蓋，再由氣缸蓋進入出水總管,然后一部分直接流回到

14、循環(huán)水柜，一部分經管路引到增壓器，冷卻廢氣和排氣蝸殼，兩部分的水量分配可以調節(jié)，以利于冷卻增壓器。通過閥門的關和開，可把對增壓器和對氣缸的冷卻改為并聯式如圖6-5所示。 3活塞冷卻管系：由淡水泵來的冷卻水經進水總管到各支管，再由伸縮管引入活塞頭部,冷卻活塞頭部后的冷卻水經旁孔回到伸縮管的外部空間（本機活塞冷卻水套管是同心的單拉管式），經出口流回到活塞冷卻水循環(huán)柜，如圖66所示. 圖6-4 空氣冷卻器冷卻管系 圖6-5 氣缸蓋、氣缸及增壓器的冷卻管系 4噴油器冷卻管系:該機噴油器也用水冷卻（有的船上改用柴油冷卻），為了避免柴油混入整個冷卻水中，噴油器采用獨立冷卻系統(tǒng)，如圖67所示。由淡水泵來的淡

15、水經總管、各支管進入噴油器冷卻水腔,冷卻后的淡水匯集到排水總管回到循環(huán)水柜。圖6-7 噴油器冷卻水管系 圖6-6 活塞冷卻水管系 (三）中央冷卻系統(tǒng) 自70年代初開始，出現了一種“中央冷卻系統(tǒng)"的新型柴油機冷卻系統(tǒng).其特點是使用不同工作溫度的兩個單獨淡水循環(huán)系統(tǒng)，即高溫的熱淡水和低溫的溫淡水閉式系統(tǒng).前者用于冷卻主機，后者用于冷卻高溫淡水和各種冷卻器。受熱后的溫淡水再在一個中央冷卻器中由開式的海水系統(tǒng)進行冷卻.由此，可保證只使用一個用海水作為冷卻液的冷卻器，簡化了海水管系的布置，并可保證柴油機在工況變化時其冷卻水參數變化較小。由于這種中央冷卻系統(tǒng)較前述傳統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)有明顯優(yōu)點，因而

16、它已陸續(xù)在新型柴油機動力裝置中得到應用。圖6-8 6135 型船舶柴油機的淡水冷卻器第六節(jié) 冷卻系統(tǒng)的設備 冷卻系統(tǒng)的設備主要有淡水泵、海水泵、濾器、淡水冷卻器、自動調溫器、壓力表、溫度表、膨脹水箱以及閥門和管路等.小型柴油機結構緊湊,往往將膨脹水箱，淡水冷卻器，自動調溫器布置在一起，如圖68所示。下面就冷卻系統(tǒng)中的主要機件作簡單介紹。 一、水泵 水泵的功用是使冷卻水有一定的壓力，加速循環(huán)流動。離心式水泵因其結構簡單、尺寸小、排量大、工作可靠、制造容易，以及當水泵由于故障而停止工作時,冷卻水仍可進行自然循環(huán)，防止柴油機因局部過熱而損壞等優(yōu)點，在冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用.缺點是吸頭低.揚程小.二、膨

17、脹水箱 膨脹水箱設置在淡水系統(tǒng)的高處，各冷卻水管系出口的最高處均有細管與膨脹水箱相通，水箱底部用管子與淡水泵的進口相通。膨脹水箱是閉式淡水系統(tǒng)中的重要機件,它有如下功用：當系統(tǒng)中的淡水受熱后膨脹或冷卻后收縮時，它能提供膨脹收縮的余地；它能及時排出系統(tǒng)中的氣體;當淡水蒸發(fā)或系統(tǒng)有漏泄時能及時給系統(tǒng)補水；高置的膨脹水箱還保證了淡水泵具有一定的吸入壓力；膨脹水箱還可作為水處理的投藥處；暖缸時也可通過它對淡水進行加三、冷卻器 淡水冷卻器是用海水來冷卻封閉循環(huán)的淡水；滑油冷卻器是用水來冷卻潤滑系統(tǒng)中溫度升高的滑油；空氣冷卻器是用水來冷卻增壓后溫度升高的空氣.從熱交換的角度來看，它們都是熱交換器.近年來出

18、現了一些較新式的板式熱交換器，但目前船舶柴油機上使用較廣泛的仍是管式熱交換器.淡水冷卻器結構原理與前述滑油冷卻器相近。四、調溫器 調溫器是柴油機冷卻系統(tǒng)中的溫度自動調節(jié)設備。柴油機運轉時，要求冷卻水溫能維持在一定范圍。然而冷卻水溫是隨柴油機的負荷大小和轉速高低而變化的，要想維持恒溫，必須隨時調節(jié)冷卻水的進口溫度，這就是當水溫較低時，使冷卻水不去淡水冷卻器冷卻，只進行有利于提高進水溫度的“小循環(huán)"當水溫升高到一定數值時,再使冷卻水全部通過淡水冷卻器，進行有利于降低進水溫度的“大循環(huán)”;或者是一部分冷卻水作大循環(huán)，另一部分作小循環(huán)，使冷卻水匯合時得到適宜的進水溫度.冷卻水的循環(huán)路線和流量

19、由自動調溫器來控制。 目前調溫器的型式較多，但較常用的是波紋管調溫器和蠟質調溫器。圖6-9 波紋管調溫器原理1-殼體；2-波紋管型密封容器；3-旁通閥；4、5-水管；6-主閥；7-冷卻器；8-柴油機冷卻水出水管；9-冷卻水泵進水管圖6-10 臘質調溫器結構1-主閥；2-旁通閥；3-殼體；4-推桿；5-密封器；6-膠管；7-石蠟；8-感應器體 圖6-9是波紋管調溫器工作原理圖。在波紋型密封容器2內裝有易于揮發(fā)的乙醇或乙醚與蒸餾水溶液(比例為l2）。波紋管浸在冷卻水的出水流中，感受著出水溫度的高低，并產生不同的伸長或收縮。當水溫低于所要求的數值時，主閥6關小或關閉,旁通閥3打開，使得一部分或全部冷

20、卻水直接流向循環(huán)冷卻水泵的入口,不通過冷卻器。如果水溫達最大值時，波紋管膨脹到使主閥全開,旁通閥全關,致使冷卻水全部流向冷卻器。經冷卻后再流至循環(huán)水泵入口。 波紋管型式調溫器結構簡單，但是由薄金屬片做成的波紋管工作可靠性差，使用壽命也短。 圖6-l0是蠟質調溫器的一種結構型式。它的感溫元件是由感應器體8及密封在其中的石蠟組成，為了提高導熱性能，常在石蠟中加入銅粉。石蠟在82.583熔化成液體時體積膨脹特別大，通過膠管6推動推桿4，控制與推桿相連的主閥1和旁通閥2。當水溫達到最高值時,主閥1全開，通往循環(huán)冷卻水泵入口的旁通閥關閉，冷卻水全部進入冷卻器經冷卻后至水泵入口。這種調溫器對冷卻系統(tǒng)中的工

21、作壓力不敏感，工作可靠，使用壽命較長,但結構比較復雜.第三節(jié) 冷卻系統(tǒng)的維護與管理柴油機工作中，只有確保冷卻系統(tǒng)各設備、管路正常工作，才能使柴油機處于良好的工作狀態(tài).冷卻系統(tǒng)在使用中必須注意以下幾點: （1）淡水泵出口壓力應調整在正常工作范圍.淡水壓力應高于海水壓力，防止冷卻器泄漏時海水漏入淡水中，引起其變質.流量的大小一般是通過水壓來反映的.從水壓的變化情況往往可反映系統(tǒng)某些設備發(fā)生了故障。如壓力下降表示吸入口堵塞或漏入空氣，或者水泵效率降低。壓力逐步上升則表示內部水垢增厚而使通路狹窄，阻力增加，必須清洗,或者是由于循環(huán)路線上的閥門未開定。(2）淡水溫度應根據說明書的規(guī)定調整至正常工作范圍。勿使淡水出口溫度過低（造成熱損失增加、熱應力增大、低溫腐蝕）或過高（使缸壁滑油膜蒸發(fā),缸壁磨損加