船舶發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)工作時(shí)的燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1800匕左右，使與燃?xì)庵苯咏佑| 的氣缸蓋、氣缸套、活塞、氣閥、噴油器等部件嚴(yán)重受熱。嚴(yán)重的 受熱會(huì)造成：材料的機(jī)械性能下降，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力與變形，導(dǎo)致上述 部件產(chǎn)生疲勞裂紋或塑性變形；破壞運(yùn)動(dòng)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(jìn)氣溫度 升高，密度降低，從而減少進(jìn)氣量；增壓后的空氣溫度也會(huì)升 高，并影響進(jìn)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(jī)可靠工作必須對柴油機(jī)受熱機(jī)件, 滑油

2、及增壓后的空氣等進(jìn)行冷卻。然而從能量利用觀點(diǎn)來看，柴油機(jī)的冷卻是一種能量損失，過 分冷卻將導(dǎo)致燃油滯燃期延長，產(chǎn)生爆燃和燃燒不完全，增加加散 熱損失；機(jī)件內(nèi)外溫度差過大，以致熱應(yīng)力超過材料本身的強(qiáng)度而 產(chǎn)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(shí)，將產(chǎn)生低溫腐蝕，使缸套嚴(yán)重腐蝕等。因此，在管理中應(yīng)既不使柴油機(jī)因缺乏冷卻而導(dǎo)致機(jī)件過熱， 也不使柴油機(jī)因過分冷卻而造成不良后果，應(yīng)有所兼顧。冷卻系統(tǒng) 的主要任務(wù)應(yīng)是保證柴油機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，達(dá)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(nèi)、外正在

3、進(jìn)行 絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，相應(yīng)發(fā)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(jī)的冷卻方式分為強(qiáng)制液體冷卻和風(fēng)冷兩種，絕大多數(shù)柴油機(jī)使用前者。而液體冷卻的介質(zhì)通常有淡水、海水、 滑油等三種。淡水的水質(zhì)穩(wěn)定，傳熱效果好并可采用水處理解決其腐蝕和結(jié) 垢的缺陷，因而它是目前使用最廣泛的一種理想冷卻介質(zhì)；海水的水源充裕但水質(zhì)難以控制且其腐蝕和結(jié)垢問題比較突 出，為減少腐蝕和結(jié)垢應(yīng)限制海水的出口溫度不應(yīng)超過55匕；滑油的比熱小，傳熱效果較差，在高溫狀態(tài)易在冷卻腔內(nèi)產(chǎn)生 結(jié)焦，但它不存在因漏泄而污染曲軸箱油的危險(xiǎn)，因而適于作為活塞的冷卻介質(zhì)。二、冷卻系統(tǒng)的組成和布置柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)一般是用海水強(qiáng)制冷

4、卻淡水和其它載熱流體 （如滑油、增壓空氣等）。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(jī)的開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。淡水泵1 將舷外水泵經(jīng)滑油冷卻器3冷卻滑油后，一路由機(jī)體進(jìn)水管4進(jìn)機(jī)， 冷卻氣缸套和氣缸蓋；另一路去冷卻增壓器。冷卻過柴油機(jī)和增壓 器的冷卻水，經(jīng)出水管8排至舷外。為了控制冷卻水進(jìn)機(jī)溫度，缸蓋出水管6末端內(nèi)裝有調(diào)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(jìn)口。圖6-2是6300C型船舶柴油

5、機(jī)圖6-1 135系列柴油機(jī)的開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)5Q114的開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)線路圖。柴油機(jī)前端蓋板上裝有可逆轉(zhuǎn)離心式水泵5,由曲軸齒輪直接 沖動(dòng)。海水經(jīng)機(jī)艙統(tǒng)海閥1、進(jìn)水閥2、海水濾器3和止回閥4由 冷卻水泵5吸入后，經(jīng)三通旋塞20被輸送滑油冷卻器18,再經(jīng)柴 油機(jī)的進(jìn)水總管6進(jìn)入機(jī)體冷卻水腔,冷卻氣缸套后由彎管接入氣 缸蓋，最后經(jīng)調(diào)節(jié)旋塞11轉(zhuǎn)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(chǎn)生的熱量經(jīng)滑油傳給冷卻水帶走。管系中海水濾器3用來攔阻雜物進(jìn)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

6、流，使停車后仍能保持滿 水，以保證水泵起動(dòng)可靠。調(diào)壓閥21用來保證管系所需壓頭，壓 頭可以通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥彈簧壓力（即啟閥壓力）來達(dá)到。當(dāng)壓力超 過時(shí)，調(diào)壓閥開啟，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(shù)值。調(diào)溫閥22用來調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度，它使從柴油 機(jī)排出的部分熱水經(jīng)旁通管直接回到水泵進(jìn)口，這樣就可以在各種 負(fù)荷和不同的環(huán)境條件下，調(diào)節(jié)和控制進(jìn)水溫度，以保持發(fā)動(dòng)機(jī)冷 卻溫差和熱力狀況穩(wěn)定，同時(shí)，在起動(dòng)后的短時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)即能 達(dá)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(dāng)滑油不需要冷卻時(shí)，可利用三通旋塞 轉(zhuǎn)換水的通路，冷卻水就會(huì)繞開冷卻器直

7、接進(jìn)入冷卻機(jī)體的進(jìn)水總 管。調(diào)節(jié)旋塞11用來調(diào)節(jié)各缸的出水量，從而控制水溫。壓力表 7,水銀溫度計(jì)10和遙測溫度計(jì)8分別用來測量進(jìn)水壓力，各缸出 水溫度和排氣總管出水溫度。開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單、維護(hù)方便，水源充裕, 但存在如下缺點(diǎn)：1 .水中含有較多的雜質(zhì)和鹽分，容易生成水垢。水垢不但會(huì)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(huì)使水容積和水通道變小，阻力增大，流水不暢，致使機(jī)件產(chǎn)生局 部過熱。2 .用海水作冷卻水源時(shí)，為了防止鹽分大量析出，出水溫度 不得超過55,否則將會(huì)柴油機(jī)冷卻水腔結(jié)垢嚴(yán)重，傳熱效果降 低，零件的熱應(yīng)力增加。所以，開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)僅用于技術(shù)指

8、標(biāo)不高的中、小型柴油 機(jī)中。隨著船用柴油機(jī)強(qiáng)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/ Y L 七 八 .! .!> 'E -W- 'G - 、G 4 . ?4a。 L 、，. W為了克服開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的缺點(diǎn)，在閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中用 經(jīng)過處理的淡水冷卻柴油機(jī)受熱部件,并在冷卻系統(tǒng)內(nèi)形成封閉循 環(huán)線路。作封閉循環(huán)的冷卻淡水再由一個(gè)開式循環(huán)的舷外水通過淡 水冷卻器進(jìn)行冷卻。圖6-3為6NVD36型柴油機(jī)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(jīng)通海閥11和濾器12吸入，并壓送至滑油冷卻器14冷

9、卻滑油，然后又進(jìn)入淡水冷卻器22 冷卻淡水，最后經(jīng)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(jī)I0o在淡水系統(tǒng)中，冷卻柴油機(jī)的淡水由淡水泵19壓入進(jìn)水總管， 由此進(jìn)入柴油機(jī)各氣缸的冷卻水腔，并上行轉(zhuǎn)入氣缸蓋中，再經(jīng)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(jī)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(jìn)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(jìn)入淡水冷卻器。在淡水系統(tǒng)的最高處設(shè)置了 一個(gè)高位膨脹水箱6,其底部用一較細(xì)的管子通至冷卻水泵入

10、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(shè)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(shè)有自動(dòng)調(diào)溫器21,可使淡水溫度自動(dòng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，柴油機(jī)進(jìn)口最高溫度為76,出口最高溫度 為86o各缸的氣缸蓋出水口處設(shè)有調(diào)節(jié)閥2和溫度表。當(dāng)各缸 出水溫度不一時(shí)，可通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥工作開度來調(diào)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(shè)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(dāng)轉(zhuǎn)換組合成應(yīng)急 管路。當(dāng)?shù)狈虻冒l(fā)生故障時(shí)，可通過旋轉(zhuǎn)滑油冷卻器、 淡水

11、泵和檢視器后的三通旋塞（圖示為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)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(jìn)入柴油機(jī) 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(yīng)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(diǎn)：1 .淡水中所含雜質(zhì)和鹽分較少，腐蝕和結(jié)垢不嚴(yán)重，能保持 機(jī)件良好的散熱。2 .出水溫度可提高到7590,進(jìn)水溫度也不受自然環(huán)境的影響，而且溫度還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，使進(jìn)出口溫差較小，因此機(jī)件所受熱應(yīng)力不致過大。3 .燃?xì)馀c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(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜。大型低速柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)一般是由

12、幾個(gè)獨(dú)立的管系組成，分 別輸送冷卻介質(zhì)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。9ESDZ58 / 100型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)有如下四個(gè)獨(dú)立冷卻管系。1 .空氣冷卻器管系：增壓后的空氣經(jīng)過空氣冷卻器由海水進(jìn) 行冷卻，海水泵將海水從舷外吸入經(jīng)進(jìn)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(jìn)、出支管上均設(shè)有截 止閥，以便調(diào)節(jié)或切斷進(jìn)入各空氣冷卻器（本機(jī)有三個(gè)）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(jī)的進(jìn)水總管，由此分別進(jìn)入各氣缸水套空間下部，沿導(dǎo)向槽往上流 動(dòng)，經(jīng)氣缸套上部隔圈從旁通彎管引入氣缸蓋，再由氣缸蓋進(jìn)入出 水

13、總管，然后一部分直接流回到循環(huán)水柜，一部分經(jīng)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(diào)節(jié)，以利于冷 卻增壓器。通過閥門的關(guān)和開，可把對增壓器和對氣缸的冷卻改為 并聯(lián)式如圖6-5所示。3 .活塞冷卻管系：由淡水泵來的冷卻水經(jīng)進(jìn)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(jīng)旁孔回到伸 縮管的外部空間（本機(jī)活塞冷卻水套管是同心的單拉管式），經(jīng)出 口流回到活塞冷卻水循環(huán)柜，如圖6-6所示。4 .噴油器冷卻管系：該機(jī)噴油器也用水冷卻（有的船上改用海水進(jìn)u柴油冷卻），為了避免柴油混入整個(gè)冷卻水中，噴油器采用獨(dú)立冷卻系統(tǒng)，如圖6-7所示。由淡水泵來的淡水經(jīng)總管、各支管進(jìn)

14、入噴由淡水泵來至其它各缸活系油器冷卻水腔，冷卻后的淡水匯集到排水總管回到循環(huán)水柜。(1加沙麗、水柜中4 奸山廿加1央 一由淡水泵來冷一 卻系統(tǒng)自70年代初開始，出現(xiàn)了一種“中央冷卻系統(tǒng)”的新型柴油 機(jī)冷卻系統(tǒng)。其特點(diǎn)是使用不同工作溫度的兩個(gè)單獨(dú)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(jī), 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(gè)中 央冷卻器中由開式的海水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。由此，可保證只使用一個(gè) 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(jī)在工況變化時(shí)其冷卻水參數(shù)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(diǎn)，因而它已

15、陸續(xù)在新型柴油機(jī) 動(dòng)力裝置中得到應(yīng)用。第六節(jié)冷卻系統(tǒng)的設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)備主要有淡水泵、海水泵、濾器、淡水冷卻器、 自動(dòng)調(diào)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(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，往往將膨脹水箱，淡水冷卻器，自動(dòng)調(diào)溫器布置在一起，如圖6-8所示。下面就冷卻系統(tǒng)中的主要機(jī)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(dòng)。離心式 水泵因其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、排量大、工作可靠、制造容易，以及 當(dāng)水泵由于故障而停止工作時(shí)，冷卻水仍可進(jìn)行自然循環(huán)，防止柴 油機(jī)因局部過熱而損壞等優(yōu)點(diǎn)，在冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用。缺點(diǎn)是 吸頭低。揚(yáng)程小。二、膨脹水箱膨脹水箱設(shè)置在淡水系統(tǒng)的高處，各冷

16、卻水管系出口的最高處 均有細(xì)管與膨脹水箱相通，水箱底部用管子與淡水泵的進(jìn)口相通。 膨脹水箱是閉式淡水系統(tǒng)中的重要機(jī)件，它有如下功用：當(dāng)系統(tǒng)中 的淡水受熱后膨脹或冷卻后收縮時(shí)，它能提供膨脹收縮的余地；它 能及時(shí)排出系統(tǒng)中的氣體；當(dāng)?shù)舭l(fā)或系統(tǒng)有漏泄時(shí)能及時(shí)給系 統(tǒng)補(bǔ)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(shí)也可通過它對淡水進(jìn)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。 近年來出現(xiàn)了 一些較新式的板式熱交

17、換器，但目前船舶柴油機(jī)上使 用較廣泛的仍是管式熱交換器。淡水冷卻器結(jié)構(gòu)原理與前述滑油冷 卻器相近。四、調(diào)溫器調(diào)溫器是柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)中的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)，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(jī)的 負(fù)荷大小和轉(zhuǎn)速高低而變化的，要想維持恒溫，必須隨時(shí)調(diào)節(jié)冷卻 水的進(jìn)口溫度，這就是當(dāng)水溫較低時(shí)，使冷卻水不去淡水冷卻器冷 卻，只進(jìn)行有利于提高進(jìn)水溫度的“小循環(huán)”；當(dāng)水溫升高到一定 數(shù)值時(shí)，再使冷卻水全部通過淡水冷卻器，進(jìn)行有利于降低進(jìn)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(shí)得到適宜的進(jìn)水溫度。冷卻水的循環(huán)路線和流 量由自動(dòng)調(diào)溫器來

18、控制。目前調(diào)溫器的型式較多，但較常用的是波紋管調(diào)溫器和蠟質(zhì)調(diào) 溫器。圖6-9是波紋管調(diào)溫器工作原理圖。在波紋型密封容器2內(nèi)裝圖6-9 波紋管調(diào)溫器 圖6-10 臘質(zhì)調(diào)溫器 原理 結(jié)構(gòu)有易于揮發(fā)的乙醇或乙醒與蒸餡水溶液（比例為I : 2）。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(chǎn)生不同的伸長 或收縮。當(dāng)水溫低于所要求的數(shù)值時(shí)，主閥6關(guān)小或關(guān)閉，旁通閥 3打開，使得一部分或全部冷卻水直接流向循環(huán)冷卻水泵的入口， 不通過冷卻器。如果水溫達(dá)最大值時(shí)，波紋管膨脹到使主閥全開, 旁通閥全關(guān)，致使冷卻水全部流向冷卻器。經(jīng)冷卻后再流至循環(huán)水 泵入口。波紋管型式調(diào)溫器結(jié)構(gòu)簡單，但是由薄金屬片做成

19、的波紋管工 作可靠性差，使用壽命也短。圖6-10是蠟質(zhì)調(diào)溫器的一種結(jié)構(gòu)型式。它的感溫元件是由感 應(yīng)器體8及密封在其中的石蠟組成，為了提高導(dǎo)熱性能，常在石蠟 中加入銅粉。石蠟在°C83熔化成液體時(shí)體積膨脹特別大，通過 膠管6推動(dòng)推桿4,控制與推桿相連的主閥1和旁通閥2。當(dāng)水溫 達(dá)到最高值時(shí)，主閥1全開，通往循環(huán)冷卻水泵入口的旁通閥關(guān)閉， 冷卻水全部進(jìn)入冷卻器經(jīng)冷卻后至水泵入口。這種調(diào)溫器對冷卻系 統(tǒng)中的工作壓力不敏感，工作可靠，使用壽命較長，但結(jié)構(gòu)比較復(fù) 雜。第三節(jié)冷卻系統(tǒng)的維護(hù)與管理柴油機(jī)工作中，只有確保冷卻系統(tǒng)各設(shè)備、管路正常工作，才 能使柴油機(jī)處于良好的工作狀態(tài)。冷卻系統(tǒng)在使用中

20、必須注意以下 幾點(diǎn)：(1)淡水泵出口壓力應(yīng)調(diào)整在正常工作范圍。淡水壓力應(yīng)高于 海水壓力，防止冷卻器泄漏時(shí)海水漏入淡水中，引起其變質(zhì)。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(shè)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(nèi)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(yīng)根據(jù)說明書的規(guī)定調(diào)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(yīng)力增大、低溫腐蝕)或 過高(使缸壁滑油膜蒸發(fā)，缸壁磨損加劇、冷卻腔內(nèi)發(fā)生汽化、缸 套密封圈迅速老化)。對于中高速柴油機(jī)，一般出口溫度可控制在 7080,低速機(jī)可控制在60