船舶发动机冷却系统方案.docx

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船舶发动机冷却系统方案

第六章冷却系统

第一节冷却系统的功用、组成和布置

一、冷却系统的功用

柴油机工作时的燃气温度高达1800℃左右，使与燃气直接接触的气缸盖、气缸套、活塞、气阀、喷油器等部件严重受热。

严重的受热会造成：

①材料的机械性能下降，产生较大的热应力与变形，导致上述部件产生疲劳裂纹或塑性变形；

②破坏运动部件之间的正常间隙，引起过度磨损，甚至发生相互咬死或损坏事故；③燃烧室周围部件温度过高，使进气温度升高，密度降低，从而减少进气量；增压后的空气温度也会升高，并影响进气量；

④润滑油的温度也逐渐升高，粘度下降，不利于摩擦表面油膜的形成，甚至失去润滑作用。

综上所述，为了保证柴油机可靠工作必须对柴油机受热机件，滑油及增压后的空气

等进行冷却。

然而从能量利用观点来看，柴油机的冷却是一种能量损失，过分冷却将导致燃油滞燃期延长，产生爆燃和燃烧不完全，增加加散热损失；机件内外温度差过大，以致热应力超过材料本身的强度而产生裂纹，润滑油粘度变大而增加摩擦功的消耗；在燃用含硫量较高的重油时，将产生低温腐蚀，使缸套严重腐蚀等。

因此，在管理中应既不使柴油机因缺乏冷却而导致机件过热，也不使柴油机因过分冷却而造成不良后果，应有所兼顾。

冷却系统的主要任务应是保证柴油机在最适宜的温度状态下工作，达到既能避免零件的损坏和减小其磨损，又能充分发出它的有效功率。

近代，从尽量减少冷却损失以充分利用燃烧能量出发，国内、外正在进行绝热发动机的研究，相应发展了一批耐高温的受热部件材料，如陶瓷材料等。

目前，柴油机的冷却方式分为强制液体冷却和风冷两种，绝大多数柴油机使用前者。

而液体冷却的介质通常有淡水、海水、滑油等三种。

淡水的水质稳定，传热效果好并可采用水处理解决其腐蚀和结垢的缺陷，因而它是

目前使用最广泛的一种理想冷却介质；

海水的水源充裕但水质难以控制且其腐蚀和结垢问题比较突出，为减少腐蚀和结垢应限制海水的出口温度不应超过55℃；

滑油的比热小，传热效果较差，在高温状态易在冷却腔内产生结焦，但它不存在因

漏泄而污染曲轴箱油的危险，因而适于作为活塞的冷却介质。

二、冷却系统的组成和布置

柴油机冷却系统一般是用海水强制冷却淡水和其它载热流体（如滑油、增压空气等）。

在系统布置上，海水系统属开式循环，淡水及滑油等属于闭式循环，两者组成的冷却系统称“闭式冷却系统”。

（一）开式循环冷却系统

开式循环冷却系统是直接利用舷外水（海水或河水）冷却各受热部件，然后再排至舷外。

图6-1所示为135系列柴油机的开式循环冷却系统。

淡水泵1将舷外水泵经滑油冷却器3冷却滑油后，一路由机体进水管4进机，冷却气缸套和气缸盖；另一路去冷却增压器。

冷却过柴油机和增压器的冷却水，经出水管8排至舷外。

为了控制冷却水进机温度，缸盖出水管6末端内装有调温器7用以旁通已升温的淡水，使它从回水管5至淡水泵进口。

图6-2是6300C型船舶柴油机的开式循环冷却系统线路图。

柴油机前端盖板上装有可逆转离心式水泵5，由曲轴齿轮直接冲动。

海水经机舱统海阀1、进水阀2、海水滤器3和止回阀4由冷却水泵5吸入后，经三通旋塞20被输送滑油冷却器18，再经柴油机的进水总管6进入机体冷却水腔，冷却气缸套后由弯管接入气缸盖，最后经调节旋塞11转入排气总管的冷却水腔，汇集于出水总管16排出舷外。

在滑油冷却器后，有一支路海水通往单环式推力轴承底部的滑油冷却器，推力轴承因摩擦产生的热量经滑油传给冷却水带走。

管系中海水滤器3用来拦阻杂物进入管系，防止管系被堵塞。

止回阀4用来防止水泵吸入管路的水倒流，使停车后仍能保持满水，以保证水泵起动可靠。

调压阀21用来保证管系所需压头，压头可以通过调节调压阀弹簧压力（即启阀压力）来达到。

当压力超过时，调压阀开启，一部分出水又流回水泵入口，从而使系统的压力限制在一定的数值。

调温阀22用来调节进水温度，它使从柴油机排出的部分热水经旁通管直接回到水泵进口，这样就可以在各种负荷和不同的环境条件下，调节和控制进水温度，以保持发动机冷却温差和热力状况稳定，同时，在起动后的短时间内，发动机即能达到正常的热力状况。

三通旋塞20用来控制流过滑油冷却器的水流量，以控制滑油的温度。

当滑油不需要冷却时，可利用三通旋塞转换水的通路，冷却水就会绕开冷却器直接进入冷却机体的进水总管。

调节旋塞11用来调节各缸的出水量，从而控制水温。

压力表7，水银温度计10和遥测温度计8分别用来测量进水压力，各缸出水温度和排气总管出水温度。

开式循环冷却系统的优点是装置简单、维护方便，水源充裕，但存在如下缺点：

1．水中含有较多的杂质和盐分，容易生成水垢。

水垢不但会因其热阻大妨碍冷却散热影响冷却效果。

而且水垢的生成和增厚还会使水容积和水通道变小，阻力增大，流水不畅，致使机件产生局部过热。

2．用海水作冷却水源时，为了防止盐分大量析出，出水温度不得超过55℃，否则将会柴油机冷却水腔结垢严重，传热效果降低，零件的热应力增加。

所以，开式循环冷却系统仅用于技术指标不高的中、小型柴油机中。

随着船用柴油机强化程度的不断提高，很少再采用开式循环冷却系统。

（二）闭式循环冷却系统

为了克服开式循环冷却系统的缺点，在闭式循环冷却系统中用经过处理的淡水冷却柴油机受热部件，并在冷却系统内形成封闭循环线路。

作封闭循环的冷却淡水再由一个开式循环的舷外水通过淡水冷却器进行冷却。

图6-3为6NVD36型柴油机的闭式循环冷却系统示意图。

在其海水系统中，海水由海水泵15经通海阀11和滤器12吸入，并压送至滑油冷却器14冷却滑油，然后又进入淡水冷却器22冷却淡水，最后经排出阀9排出舷外。

海水泵排出管路接出一支管去冷却压气机l0。

在淡水系统中，冷却柴油机的淡水由淡水泵19压入进水总管，由此进入柴油机各气缸的冷却水腔，并上行转入气缸盖中，再经气缸盖上的出水管流至出水总管，然后被引至淡水冷却器22由海水冷却，冷却后的淡水又被淡水泵19吸入，再压送到柴油机中去，形成封闭的循环冷却。

在淡水泵19的出口处另有一支管路将冷却水引至废气涡轮增压器7的涡轮壳体中进行冷却，然后流入出水总管与从气缸盖中流出的淡水汇合，一起进入淡水冷却器。

在淡水系统的最高处设置了一个高位膨胀水箱6，其底部用一较细的管子通至冷却水泵入口端附近。

为了检视淡水循环是否流畅和放泄系统中的气体，在出水总管最高处设有检视器4和放气旋塞5，放气管通至膨胀水箱上部，气体由此逸出，以免影响水的循环。

为了控制淡水温度，设有自动调温器21，可使淡水温度自动控制在规定的范围内，柴油机进口最高温度为76℃，出口最高温度为86℃。

各缸的气缸盖出水口处设有调节阀2和温度表。

当各缸出水温度不一时，可通过调整调节阀工作开度来调节各缸的冷却水流量，使各缸的出水温度趋于一致。

为了保证系统工作可靠，设有备用淡水泵17和备用海水泵13。

此外，利用管路上装置的三通旋塞16的适当转换组合成应急管路。

当淡水缺乏或淡水泵发生故障时，可通过旋转滑油冷却器、淡水泵和检视器后的三通旋塞（图示为顺时针旋转90°），改变水流路线，使海水流过滑油冷却器14后即行改道，直接进入柴油机去冷却缸套和缸盖，然后流入出水总管，从备用排出阀8排至舷外。

显然，应急管路是开式循环。

闭式循环冷却系统具有以下优点：

1．淡水中所含杂质和盐分较少，腐蚀和结垢不严重，能保持机件良好的散热。

2．出水温度可提高到75℃～90℃，进水温度也不受自然环境的影响，而且温度还可以自动调节，使进出口温差较小，因此机件所受热应力不致过大。

3．燃气与冷却水之间的温度降减小，减小了传给冷却水的热损失，可以提高工作循环的热效率。

缺点是整个系统较为复杂。

大型低速柴油机的冷却系统一般是由几个独立的管系组成，分别输送冷却介质去冷却气缸套和气缸盖、活塞、喷油器、增压器、增压后的空气等。

9ESDZ58／100型柴油机冷却系统有如下四个独立冷却管系。

1．空气冷却器管系：

增压后的空气经过空气冷却器由海水进行冷却，海水泵将海水从舷外吸入经进水总管及支管通入空气冷却器，然后从出水支管汇于出水总管排出。

在进、出支管上均设有截止阀，以便调节或切断进入各空气冷却器（本机有三个）的海水量，如图6-4所示。

2．气缸、气缸盖及增压器冷却管系：

淡水由淡水泵打入主机的进水总管，由此分别进入各气缸水套空间下部，沿导向槽往上流动，经气缸套上部隔圈从旁通弯管引入气缸盖，再由气缸盖进入出水总管，然后一部分直接流回到循环水柜，一部分经管路引到增压器，冷却废气和排气蜗壳，两部分的水量分配可以调节，以利于冷却增压器。

通过阀门的关和开，可把对增压器和对气缸的冷却改为并联式如图6-5所示。

3．活塞冷却管系：

由淡水泵来的冷却水经进水总管到各支管，再由伸缩管引入活塞头部，冷却活塞头部后的冷却水经旁孔回到伸缩管的外部空间（本机活塞冷却水套管是同心的单拉管式），经出口流回到活塞冷却水循环柜，如图6-6所示。

4．喷油器冷却管系：

该机喷油器也用水冷却（有的船上改用柴油冷却），为了避免柴油混入整个冷却水中，喷油器采用独立冷却系统，如图6-7所示。

由淡水泵来的淡水经总管、各支管进入喷油器冷却水腔，冷却后的淡水汇集到排水总管回到循环水柜。

（三）中央冷却系统

自70年代初开始，出现了一种“中央冷却系统”的新型柴油机冷却系统。

其特点是使用不同工作温度的两个单独淡水循环系统，即高温的热淡水和低温的温淡水闭式系统。

前者用于冷却主机，后者用于冷却高温淡水和各种冷却器。

受热后的温淡水再在一个中央冷却器中由开式的海水系统进行冷却。

由此，可保证只使用一个用海水作为冷却液的冷却器，简化了海水管系的布置，并可保证柴油机在工况变化时其冷却水参数变化较小。

由于这种中央冷却系统较前述传统的冷却水系统有明显优点，因而它已陆续在新型柴油机动力装置中得到应用。

第六节冷却系统的设备

冷却系统的设备主要有淡水泵、海水泵、滤器、淡水冷却器、自动调温器、压力表、温度表、膨胀水箱以及阀门和管路等。

小型柴油机结构紧凑，往往将膨胀水箱，淡水冷却器，自动调温器布置在一起，如图6-8所示。

下面就冷却系统中的主要机件作简单介绍。

一、水泵

水泵的功用是使冷却水有一定的压力，加速循环流动。

离心式水泵因其结构简单、尺寸小、排量大、工作可靠、制造容易，以及当水泵由于故障而停止工作时，冷却水仍可进行自然循环，防止柴油机因局部过热而损坏等优点，在冷却系统中被广泛采用。

缺点是吸头低。

扬程小。

二、膨胀水箱

膨胀水箱设置在淡水系统的高处，各冷却水管系出口的最高处均有细管与膨胀水箱相通，水箱底部用管子与淡水泵的进口相通。

膨胀水箱是闭式淡水系统中的重要机件，它有如下功用：

当系统中的淡水受热后膨胀或冷却后收缩时，它能提供膨胀收缩的余地；它能及时排出系统中的气体；当淡水蒸发或系统有漏泄时能及时给系统补水；高置的膨胀水箱还保证了淡水泵具有一定的吸入压力；膨胀水箱还可作为水处理的投药处；暖缸时也可通过它对淡水进行加

三、冷却器

淡水冷却器是用海水来冷却封闭循环的淡水；滑油冷却器是用水来冷却润滑系统中温度升高的滑油；空气冷却器是用水来冷却增压后温度升高的空气。

从热交换的角度来看，它们都是热交换器。

近年来出现了一些较新式的板式热交换器，但目前船舶柴油机上使用较广泛的仍是管式热交换器。

淡水冷却器结构原理与前述滑油冷却器相近。

四、调温器

调温器是柴油机冷却系统中的温度自动调节设备。

柴油机运转时，要求冷却水温能维持在一定范围。

然而冷却水温是随柴油机的负荷大小和转速高低而变化的，要想维持恒温，必须随时调节冷却水的进口温度，这就是当水温较低时，使冷却水不去淡水冷却器冷却，只进行有利于提高进水温度的“小循环”；当水温升高到一定数值时，再使冷却水全部通过淡水冷却器，进行有利于降低进水温度的“大循环”；或者是一部分冷却水作大循环，另一部分作小循环，使冷却水汇合时得到适宜的进水温度。

冷却水的循环路线和流量由自动调温器来控制。

目前调温器的型式较多，但较常用的是波纹管调温器和蜡质调温器。

图6-9是波纹管调温器工作原理图。

在波纹型密封容器2内装有易于挥发的乙醇或乙醚与蒸馏水溶液（比例为l∶2）。

波纹管浸在冷却水的出水流中，感受着出水温度的高低，并产生不同的伸长或收缩。

当水温低于所要求的数值时，主阀6关小或关闭，旁通阀3打开，使得一部分或全部冷却水直接流向循环冷却水泵的入口，不通过冷却器。

如果水温达最大值时，波纹管膨胀到使主阀全开，旁通阀全关，致使冷却水全部流向冷却器。

经冷却后再流至循环水泵入口。

波纹管型式调温器结构简单，但是由薄金属片做成的波纹管工作可靠性差，使用寿命也短。

图6-l0是蜡质调温器的一种结构型式。

它的感温元件是由感应器体8及密封在其中的石蜡组成，为了提高导热性能，常在石蜡中加入铜粉。

石蜡在82.5℃～83℃熔化成液体时体积膨胀特别大，通过胶管6推动推杆4，控制与推杆相连的主阀1和旁通阀2。

当水温达到最高值时，主阀1全开，通往循环冷却水泵入口的旁通阀关闭，冷却水全部进入冷却器经冷却后至水泵入口。

这种调温器对冷却系统中的工作压力不敏感，工作可靠，使用寿命较长，但结构比较复杂。

第三节冷却系统的维护与管理

柴油机工作中，只有确保冷却系统各设备、管路正常工作，才能使柴油机处于良好的工作状态。

冷却系统在使用中必须注意以下几点：

（1）淡水泵出口压力应调整在正常工作范围。

淡水压力应高于海水压力，防止冷却器泄漏时海水漏入淡水中，引起其变质。

流量的大小一般是通过水压来反映的。

从水压的变化情况往往可反映系统某些设备发生了故障。

如压力下降表示吸入口堵塞或漏入空气，或者水泵效率降低。

压力逐步上升则表示内部水垢增厚而使通路狭窄，阻力增加，必须清洗，或者是由于循环路线上的阀门未开定。

（2）淡水温度应根据说明书的规定调整至正常工作范围。

勿使淡水出口温度过低（造成热损失增加、热应力增大、低温腐蚀）或过高（使缸壁滑油膜蒸发，缸壁磨损加剧、冷却腔内发生汽化、缸套密封圈迅速老化）。

对于中高速柴油机，一般出口温度可控制在70℃～80℃，低速机可控制在60℃～70℃；进出口温差不大于12℃。

一般淡水出口温度以接近允许上限为宜。

在管理维护中，当个别气缸出现水温不正常时，首先应结合排烟温度判明该缸的热负荷情况是否正常，当断定供油量和喷油器正常后，可调整该缸的出水调节阀，改变其循环水量使水温达到正常。

当柴油机已出现过热，应先减小或卸掉负荷，使水温逐渐降低，切不可立即停止运转，更不得将热水放掉加入冷水，以免机件聚冷收缩而将活塞咬死，甚至引起炸缸事故。

（3）海水出口温度不应超过55℃，以免盐分析出而沉淀积垢，影响传热。

（4）检查各缸冷却水的流动情况，如需调整冷却水的流量，应调整淡水泵的出口阀，调节速度应尽量缓慢。

淡水泵的进口阀应始终处于全开的位置。

（5）注意膨胀水箱和淡水循环柜的水位变化。

应水位降低过快，应迅速查明原因，加以排除。

（6）在进出港机动航行时，可关掉海水泵或控制其流量，以保证淡水温度不致波动过大。

主机完车后，不应立即关闭淡水泵，应使淡水泵继续运行一段时间（如30min），以带走缸内残留的热量防止缸壁表面滑油膜蒸发。

（7）在备车时，应开动淡水泵进行冷却系统驱气，一般使淡水在系统内循环15min～30min。

在需要时，还应同时进行暖缸，使水温达到45℃左右。

暖缸有利于缸内发火，易于起动，还可以使滑油均匀布散，防止缸套严重磨损，并可降低缸壁的热应力。

（8）平时应注意检查海底阀是否被杂物堵塞。

在寒冷地区航行时，应注意海水管系的管理，防止海底阀被冰块卡死。

此外，应定期对水泵加注滑油，检查其水封。

定期清洗冷却系统的杂物、水垢。

定期检查调温器等。