應急柴油機水泵機組冷卻系統(tǒng)方案分析與比較

肖小力　陳超　趙紅崗

摘要：目前，我國的工業(yè)發(fā)展取得了顯著成就，由此為應急柴油機水泵機組的發(fā)展創(chuàng)造了良好條件，柴油機的需求量也大大增加。在應急柴油機的水泵機組結構構成中，冷卻系統(tǒng)占有重要地位，關系著柴油機的整體運轉質量。文章對某企業(yè)應急柴油機水泵機組的各個冷卻方案進行了分析和比較，根據(jù)最終的對比結果選擇了最為合理的冷卻方案。

關鍵詞：應急柴油機；水泵機組；冷卻系統(tǒng)；空冷冷卻方式；水冷冷卻方式 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK424 文章編號：1009-2374（2016）26-0114-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.055

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，柴油機的供應量明顯增加，根據(jù)柴油機水泵機組的實際使用狀況來看，一旦發(fā)生了事故就需要一直保持工作狀態(tài)直至事故狀態(tài)被解除。在柴油機自成套技術的應用下，冷卻系統(tǒng)配套發(fā)揮著重要作用，對于不同的冷卻系統(tǒng)需要有正確的分析，確定出最佳的冷卻系統(tǒng)方案，從而保證柴油機水泵機組的正常運行。

1 應急柴油機水泵機組的冷卻系統(tǒng)

通常情況下，柴油機的冷卻有兩種形式：一種是空冷；一種是水冷。空冷就是依靠風扇所產(chǎn)生的風力來帶走柴油機的熱量，起到一個很好的散熱作用；而水冷則是依靠外循環(huán)水來起到散熱作用，在循環(huán)水的作用下將柴油機的散熱量帶走。由于冷卻系統(tǒng)是柴油機正常穩(wěn)定運行所不可缺失的要素，因此對于冷卻系統(tǒng)也具有以下三點要求：

第一，冷卻系統(tǒng)的正常運行必須要有一個標準，這個標準就是能夠確保整個裝置包括柴油機在內都可以正常穩(wěn)定地進行工作。

第二，在灰塵較多的環(huán)境下也要保證其散熱性能的良好，不會造成熱量溫度過高，從而影響到正常運行。

第三，在高溫地區(qū)或者是海拔高度較高的特殊環(huán)境下，冷卻系統(tǒng)也要保證可以正常工作。

總而言之，作為柴油機運行的重要保障，冷卻系統(tǒng)必須要確保柴油機在各種不同的環(huán)境下對冷卻的介質起到控制作用，例如對于發(fā)動機的冷卻液、機油以及增壓空氣介質等在正常或者是最佳的溫度范圍之內，以此來保證工程機械包括發(fā)動機在內可以安全可靠地工作。

一般情況下，柴油機的正常工作都會對溫度特別敏感，氣缸內部所燃燒的氣體，它的溫度非常高，甚至達到了2000℃，并且在整個工作循環(huán)中，整個環(huán)境的氣體均溫也在700℃～1000℃之間，也是很高的狀態(tài)。此外，那些和高溫燃氣相接觸的部件，例如常見的氣缸套、活塞以及排氣和進氣門等也會由此而受熱溫度增高，如果不及時地進行冷卻降溫，就會導致這些部件出現(xiàn)以下嚴重狀況：

第一，導致所用材料自身所具有的機械性能出現(xiàn)明顯的下降，并且由此還會對正處于運動狀態(tài)下的各個部件帶來影響，使得它們之間的正常間隙受到破壞，進而出現(xiàn)磨損狀況，嚴重的話還會導致活塞出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。

第二，導致各個零部件的熱應力和熱變形力明顯增大，甚至于導致氣缸頭產(chǎn)生熱裂紋。

第三，直接使機油自身的黏度特性大大下降，甚至于喪失。此外，它所引起的氧化變質現(xiàn)象，進一步加劇了部件的磨損，同時還會直接影響燃燒室的密封狀況。

第四，需要注意的是，燃燒室是由各個零部件構成的，那么這些零部件自身的溫度也是會上升的，上升過程比較緩慢，溫度升高會引起充入氣缸內的新鮮空氣的溫度升高，也就使得柴油機在運轉中的功率出現(xiàn)大幅度下降的狀況。

一般來說，較為常用的冷卻系統(tǒng)主要分為兩種：一種是外循環(huán)水冷；另一種是風扇式的水冷。前者外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)指的是軟水在冷卻進行的空間內以及管路管道空間中所形成的一個閉合式循環(huán)狀態(tài)，而外循環(huán)水相對來說，主要是用來對軟水進行冷卻處理的，主要是用以對軟水冷卻功能的維持；而后者的風扇式水冷的不同之處則是利用吹式風扇來對軟水進行冷卻。

2 空冷冷卻方式

空冷冷卻方式采用的是吹風式水箱進行冷卻，這種冷卻方式存在的主要問題就是風扇方面。從它的驅動現(xiàn)狀和構成來看，當前最常用的驅動有三種形式，即電驅動風扇、機械驅動風扇以及液壓驅動風扇。因為柴油機是直接應用于柴油機水泵機組中的，因此在事故發(fā)生時，它的現(xiàn)場是不需要電力供應的，在選擇形式時不會考慮第一種，這與實際狀況不相吻合。

2.1 機械驅動風扇

這種冷卻方式的應用需要考慮到柴油機性質，因為原DEUTZ柴油機主要是為柴油發(fā)電機組使用的柴油機，因此就需要對柴油機的前端蓋部分由技術人員進行相應的改裝和處理，可以從柴油機的內部加裝一根傳動軸，在它的作用下帶動冷卻風扇，那么要采用這種方式就需要從國外進口所有的零部件，整個過程所花費的周期時間較長。具體來說，可能會涉及到100多個零部件，在具體的改裝上并不一定能確保到位，可靠性待商榷。

2.2 液壓驅動風扇

這種驅動方式的運作原理是對柴油機自身已具有的取力口來額外加裝一個齒輪，在齒輪的作用下帶動馬達開始工作，并在這個馬達的作用下對冷卻風扇起到驅動作用進而使其冷卻。該企業(yè)對于取力窗口中的各個參數(shù)信息在取證過程中會有很大難度，并且在當前國內這方面研究中，應急柴油機水泵機組的柴油機技術改造并沒有一個特別準確的型號，具體型號只是以類似為主，確定柴油機原廠之前改裝過的柴油機液壓驅動資料和柴油機的液壓輔助動力輸出驅動部件的簡化圖紙，可以發(fā)現(xiàn)還存在以下兩個問題：

第一，結合柴油機原廠提供的圖紙資料和參數(shù)信息，技術人員經(jīng)過分析可以判定改造之后的柴油機是配有兩個液壓馬達裝置的。基于此，在其他的每一臺柴油機中也需要相應的配套驅動部件，但是實際狀況卻是所完成配套的只有一個。

第二，這些輔助動力零部件是否可以和現(xiàn)在所需改造的柴油機相互配套還不是很確定。

3 水冷冷卻方式

這種冷卻方式相對于前者的空冷方式來說，兩者還是具有一定差別的，從實際應用來看，它主要是在兩個熱交換器的作用下，使其發(fā)揮上述風扇冷卻形式中的中冷器、冷卻風扇以及水箱的作用。但是在現(xiàn)場需要考慮的主要問題，是外循環(huán)水如何獲得？需要以何種方式何處來獲得？如果采用新的一路來提供的話勢必會引起很多不必要的麻煩，單單造價上就會有很多支出，但是在結合之前的施工經(jīng)驗和現(xiàn)有技術來看，對于它的冷卻水提供，可以從應急柴油機水泵機組自身的分流來獲得。需要注意的是，這種設計方案在設計時還需要考慮三個問題：

第一，初步計算外循環(huán)水量大致的用量是73m3/h，循環(huán)水管路DN≥50mm。外循環(huán)水的水溫度越高，對于水量的需求就會越大。此種計算所依據(jù)的參數(shù)是冷卻水的溫度是常溫狀態(tài)，經(jīng)過熱交換器后溫度會上升5℃，水速為2.5m/s，柴油機的散熱功率是386kW。另外，離合器散熱需求的冷卻水含量是5m3/h。而現(xiàn)場應急柴油機水泵機組的額定工作參數(shù)是5500m3/h，兩者相比較，它的分流水量相對額定參數(shù)會比較小，因此對于現(xiàn)場事故狀態(tài)的用水量影響是不大的。它的具體計算公式是：

Q=Cp×m×△t

式中：Q表示的是柴油機散熱功率，不同的散熱功率大小是不一樣的，內循環(huán)水散熱功率是252kW，增壓空氣散熱功率是134kW；Cp表示的是水的比熱容，t的取值范圍是0℃～100℃之間；△t表示的是熱交換器外循環(huán)水進出口溫度的差，需要注意的是，外循環(huán)水溫度的不同，所引起的溫度差也就不同；m表示的是外循環(huán)水的流量大小，那么按照上述的參數(shù)計算，最終所需的水量大約是66377kg/h，也就是67m3/h，按照這一流量的要求，最終的管路DN就要至少在50mm以上。

第二，如果要從應急柴油機水泵機組的水泵出口進行分流，就需要在水泵出水口位置安裝一個分流用閥和管路器件在柴油機熱交換器的進水口位置，此外，還會涉及到熱交換器出水流向的問題，需要依據(jù)現(xiàn)場狀況來進行合理化處理，從而保證水不會大量浪費。

第三，在現(xiàn)場的水溫度高低狀況會對熱交換器的選型計算產(chǎn)生重要影響，還需要對事故狀態(tài)的最差狀況進行考慮，這樣可以保證所設計的水溫可以完全滿足柴油機冷卻系統(tǒng)的散熱要求，使其可以正常工作。

4 冷卻系統(tǒng)對柴油機性能的影響

4.1 柴油機零部件出現(xiàn)磨損

柴油機一旦過熱，它的充氣系數(shù)就會下降，燃燒會處于不正常狀態(tài)，機油編制和燒損，導致零部件的摩擦和磨損程度加劇。此外，按照大多數(shù)實踐經(jīng)驗，柴油機如果是在冷卻之后強行使用，它的零部件磨損會是正常狀態(tài)下的翻倍。

4.2 燃油消耗量較大

導致附件消耗功率增大的原因有很多種，功率增大不僅會使柴油機的動力性下降，還會導致柴油機自身的消耗效率變高，從而使其經(jīng)濟效益下降。

第一，它的冷卻過度會導致柴油機的散熱量變大，使其自身的熱效率下降。

第二，冷卻液流動的阻力變大會直接引起水泵的驅動功率變大，而風扇所需要克服的系統(tǒng)阻力變大也就引起了它的功耗率變大。

4.3 整機的噪音明顯增大

整機的噪音影響中，風扇所產(chǎn)生的噪音占有主要部分。風扇所產(chǎn)生的噪音主要分為空氣動力噪音和驅動裝置所產(chǎn)生的噪音，其中主要是以空氣動力噪音為主，這種空氣動力噪音并不是單一要素構成的，它包含有旋轉噪聲和渦流噪聲兩部分，其中前者的旋轉噪聲和葉片的圓周速度10次方成正比關系；而后者渦流噪聲和葉片圓周速度的6次方成正比關系，這也就充分說明了風扇的葉片圓周速度越大，它所產(chǎn)生的噪聲就會越大。

5 結語

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領域中，柴油機的應用十分普遍。在柴油機的正常運轉中，冷卻系統(tǒng)發(fā)揮著極其重要的作用，它是柴油機性能得以確保的重要保障。由于冷卻系統(tǒng)的多樣性，在對其進行設計和匹配時就需要根據(jù)實際狀況經(jīng)過大量的設計試驗來進行驗證和優(yōu)化，從而選擇最為合適的一種，保證柴油機的正常穩(wěn)定運轉。

參考文獻

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（責任編輯：小 燕）