船用柴油機冷卻水節流板節流效果的研究

侯巖舒 鄭 雪 史 詩

（1.濰柴動力股份有限公司，濰坊 261061；2.濰柴重機股份有限公司，濰坊 261061）

1 柴油機冷卻水節流板的相關介紹

柴油機在工作過程中將一部分柴油燃燒產生的內能轉化為機械能，而沒有被轉化的內能大部分隨著廢氣從排氣管中排出。此外，還有約25%的內能傳遞到柴油機各個零部件上，如果這些熱量不能夠被及時排出，會造成柴油機零部件因溫度過高而發生活塞、活塞環和缸套咬傷，缸蓋因熱疲勞而產生裂紋，潤滑油迅速變質等問題。船用柴油機一般使用冷卻液對柴油機進行降溫，其中冷卻液的溫度、流量決定了帶走熱量的多少。在設計柴油機冷卻系統時，通常將冷卻液的溫升定為5%～7%，以使柴油機工作在最佳的溫度范圍內[1]。

但是，由于船用柴油機的特殊性，用于高溫冷卻液降溫的熱交換器往往不集成在柴油機上，而是由造船廠將熱交換器及其管路等布置在船艙中。這樣會出現同一種型號的柴油機在安裝到不同的船上時，冷卻水的壓強由于管路的管徑、管子長度、閥門數量及壓阻、換熱器壓阻、膨脹水箱高度等因素的不同而有較大幅度的變化。為了保證水壓、流量充裕，柴油機高溫水泵往往會留有較大的設計余量。所以，當船上管路壓阻較小時，可能會出現整個冷卻系統流量過大而冷卻水進機壓強過低的問題。

冷卻水流量過大不僅會造成能量浪費，還會造成潤滑不良、零部件異常磨損等的發生。進機壓強過低，則可能導致冷卻水套產生穴蝕。為了解決這一問題，最經濟、最簡單的方法是在柴油機后的管路上增加節流板，提高系統壓阻，減小冷卻水流量，同時提高冷卻水的進機壓強[2]。

節流板有很多種形式。船用柴油機的節流板通常采取如圖1所示的形式。該節流板外形與法蘭盤一致，有固定孔，中間有節流孔。它可當作法蘭焊接到管子末端使用，也可以夾在兩法蘭中間使用。當節流板當作法蘭使用時，厚度需要按照法蘭的設計要求來確定。如果節流板夾在法蘭中間使用時，只需考慮水流的沖擊力對強度的影響和對螺栓長度的影響[3]。

圖1 節流板示意圖

直觀看來，節流板的節流效果主要取決于節流孔直徑、倒角的大小和節流板的厚度。為研究節流板各參數對節流效果的影響，這里以某船為例進行闡述，節流位置如圖2所示。該船柴油機首次運行時，冷卻水進機壓強為290 kPa，而設計進機壓強為390 kPa。通過一維仿真軟件搭建包含水泵、膨脹水箱、止逆閥及溫控閥等的冷卻系統一維模型并與實測值對標[4]，計算得出需在出水管后加孔徑為35 mm、厚度為10 mm的節流板。此時，柴油機冷卻水流量為1 037 L·min-1，節流板后絕對壓強為206 kPa，節流板前后壓降約為184 kPa。由于節流板前有支路流向膨脹水箱，節流后膨脹水箱流量為59 L·min-1，通過節流板的流量為978 L·min-1。

圖2 節流位置示意圖

2 倒角的影響

為減少試驗次數，對節流板參數的研究采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件Star CCM+進行仿真。

使用Creo創建一段流體域來模擬柴油機后管路，管徑為80 mm，長為1 000 mm，中間節流位置如圖3所示。水流方向為從右向左，a、b、c、d分別為迎水倒角高、迎水倒角寬、背水倒角寬、背水倒角高。仿真時使用質量流量入口16.3 kg·s-1，出口為壓強出口200 kPa，計算結果見表1。

從表1序號1、2、3、4可以看出，倒角越小，節流效果越好，但是當倒角大到一定程度后（兩倒角總寬8 mm，壁厚10 mm，中間直管段只剩余2 mm）壓降反而增加。經分析，此時倒角過大相當于減薄了節流板的厚度。

圖3 節流位置示意圖（單位：mm）

表1 倒角對節流效果的影響

在節流過程中，局部流速過快會導致靜壓迅速減小。當靜壓小于水的飽和蒸汽壓時將產生氣泡，氣泡在管路中不斷產生、爆炸會沖擊管壁造成氣蝕。氣蝕在柴油機領域也叫穴蝕，是一種非常嚴重的失效模式。一旦氣蝕產生，將加速孔洞的形成，逐漸穿孔，導致漏水[5]。所以，節流時應保證最小靜壓大于該溫度下水的飽和蒸汽壓強（此柴油機工作時冷卻液飽和蒸汽壓約為40.4 kPa）。從表1序號1、2、3、4可以看出，增大倒角可以提升最小靜壓。

從表1序號1、3、5、6可以看出，迎水倒角雖然可以顯著提升最小靜壓，但是對節流效果影響更大。背水倒角主要影響節流效果，對提升最小靜壓效果也有一定的效果。所以，有條件的情況下，應將背水倒角盡量做大，將迎水倒角盡量做小。最小靜壓發生在迎水倒角下游壁面，見圖4。但是，工程上如果將兩側倒角做成不一樣的尺寸，且不說倒角尺寸加工不易控制，安裝時如果工人不仔細也容易裝反。所以，建議節流板倒角能夠去毛刺即可，要盡量小。

圖4 最小靜壓位置示意圖（水流方向從右至左）

3 厚度的影響

通過對倒角的研究，研究厚度時將倒角定為C0.5。節流板厚度取5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，仿真計算結果見表2。

從表2可以看出，在5～20 mm厚度范圍內，節流板的節流效果隨著厚度的增加而減弱，同時最小靜壓升高。為找出最優解，計算厚度為2 mm、3 mm、4 mm節流板的節流效果，結果見表3。

表2 節流板厚度對節流效果的影響

表3 節流板厚度對節流效果的影響

通過表3可以看出，繼續減薄節流板可以得到更好的節流效果和更大的最小靜壓，但是考慮到材料強度與振動問題，將節流板厚度定為2 mm。

4 孔徑對節流效果的影響

孔徑越小，節流效果越好。但是，在冷卻系統一維計算得到節流板處壓降需為184 kPa，而現在孔徑35 mm、厚度2 mm、倒角C0.5的節流板的壓降為253 kPa，最小靜壓為-8 kPa。因此，需要將孔徑調大來減小壓降，同時提升最小靜壓。孔徑取35 mm、36 mm、37 mm、38 mm進行仿真計算，結果見表4。

表4 增大節流版孔徑后節流效果

表4中，當內徑擴大到36 mm后，最小靜壓隨著孔徑的增大不再大幅度變化。最終，節流板選取內徑36 mm。

5 節流孔排布對節流效果的影響

內徑36 mm的節流板，其流通面積為1 018 mm2。若將其分為若干個小孔，節流效果會有所變化。為探究其變化趨勢，將其按圖5分別分成3小孔、5小孔、7小孔進行仿真，結果見表5[6]。

節流板流通面積相同，在相同流量的情況下，截面流速相同，所以不同分布形式的節流板最小靜壓相差不大。但是，隨著分布孔數的增加，節流板的壓降不斷減小。這是由于孔數增加，截面上流量分布更加均勻，產生的渦流更小，損失的能量更少。

圖5 分布式節流板流場示意圖（單位：mm）

表5 分布式節流方案節流效果

6 結語

為了解決船用柴油機冷卻水進機壓強低的問題，在使用一維軟件估算節流板的大概尺寸后，先后對節流板的倒角、厚度、孔徑以及節流孔排布形式進行研究，得出以下結論：節流板孔迎水倒角雖然可以顯著提升最小靜壓，但是對節流效果影響更大；背水倒角主要影響節流效果，也對提升最小靜壓效果有一定的效果；節流板厚度越薄，節流效果越好，最小靜壓越高；相同流通面積的情況下，僅有一個節流孔的節流板節流效果最好。