船用柴油机冷却水节流板节流效果的研究

侯岩舒 郑 雪 史 诗

（1.潍柴动力股份有限公司，潍坊 261061；2.潍柴重机股份有限公司，潍坊 261061）

1 柴油机冷却水节流板的相关介绍

柴油机在工作过程中将一部分柴油燃烧产生的内能转化为机械能，而没有被转化的内能大部分随着废气从排气管中排出。此外，还有约25%的内能传递到柴油机各个零部件上，如果这些热量不能够被及时排出，会造成柴油机零部件因温度过高而发生活塞、活塞环和缸套咬伤，缸盖因热疲劳而产生裂纹，润滑油迅速变质等问题。船用柴油机一般使用冷却液对柴油机进行降温，其中冷却液的温度、流量决定了带走热量的多少。在设计柴油机冷却系统时，通常将冷却液的温升定为5%～7%，以使柴油机工作在最佳的温度范围内[1]。

但是，由于船用柴油机的特殊性，用于高温冷却液降温的热交换器往往不集成在柴油机上，而是由造船厂将热交换器及其管路等布置在船舱中。这样会出现同一种型号的柴油机在安装到不同的船上时，冷却水的压强由于管路的管径、管子长度、阀门数量及压阻、换热器压阻、膨胀水箱高度等因素的不同而有较大幅度的变化。为了保证水压、流量充裕，柴油机高温水泵往往会留有较大的设计余量。所以，当船上管路压阻较小时，可能会出现整个冷却系统流量过大而冷却水进机压强过低的问题。

冷却水流量过大不仅会造成能量浪费，还会造成润滑不良、零部件异常磨损等的发生。进机压强过低，则可能导致冷却水套产生穴蚀。为了解决这一问题，最经济、最简单的方法是在柴油机后的管路上增加节流板，提高系统压阻，减小冷却水流量，同时提高冷却水的进机压强[2]。

节流板有很多种形式。船用柴油机的节流板通常采取如图1所示的形式。该节流板外形与法兰盘一致，有固定孔，中间有节流孔。它可当作法兰焊接到管子末端使用，也可以夹在两法兰中间使用。当节流板当作法兰使用时，厚度需要按照法兰的设计要求来确定。如果节流板夹在法兰中间使用时，只需考虑水流的冲击力对强度的影响和对螺栓长度的影响[3]。

图1 节流板示意图

直观看来，节流板的节流效果主要取决于节流孔直径、倒角的大小和节流板的厚度。为研究节流板各参数对节流效果的影响，这里以某船为例进行阐述，节流位置如图2所示。该船柴油机首次运行时，冷却水进机压强为290 kPa，而设计进机压强为390 kPa。通过一维仿真软件搭建包含水泵、膨胀水箱、止逆阀及温控阀等的冷却系统一维模型并与实测值对标[4]，计算得出需在出水管后加孔径为35 mm、厚度为10 mm的节流板。此时，柴油机冷却水流量为1 037 L·min-1，节流板后绝对压强为206 kPa，节流板前后压降约为184 kPa。由于节流板前有支路流向膨胀水箱，节流后膨胀水箱流量为59 L·min-1，通过节流板的流量为978 L·min-1。

图2 节流位置示意图

2 倒角的影响

为减少试验次数，对节流板参数的研究采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件Star CCM+进行仿真。

使用Creo创建一段流体域来模拟柴油机后管路，管径为80 mm，长为1 000 mm，中间节流位置如图3所示。水流方向为从右向左，a、b、c、d分别为迎水倒角高、迎水倒角宽、背水倒角宽、背水倒角高。仿真时使用质量流量入口16.3 kg·s-1，出口为压强出口200 kPa，计算结果见表1。

从表1序号1、2、3、4可以看出，倒角越小，节流效果越好，但是当倒角大到一定程度后（两倒角总宽8 mm，壁厚10 mm，中间直管段只剩余2 mm）压降反而增加。经分析，此时倒角过大相当于减薄了节流板的厚度。

图3 节流位置示意图（单位：mm）

表1 倒角对节流效果的影响

在节流过程中，局部流速过快会导致静压迅速减小。当静压小于水的饱和蒸汽压时将产生气泡，气泡在管路中不断产生、爆炸会冲击管壁造成气蚀。气蚀在柴油机领域也叫穴蚀，是一种非常严重的失效模式。一旦气蚀产生，将加速孔洞的形成，逐渐穿孔，导致漏水[5]。所以，节流时应保证最小静压大于该温度下水的饱和蒸汽压强（此柴油机工作时冷却液饱和蒸汽压约为40.4 kPa）。从表1序号1、2、3、4可以看出，增大倒角可以提升最小静压。

从表1序号1、3、5、6可以看出，迎水倒角虽然可以显著提升最小静压，但是对节流效果影响更大。背水倒角主要影响节流效果，对提升最小静压效果也有一定的效果。所以，有条件的情况下，应将背水倒角尽量做大，将迎水倒角尽量做小。最小静压发生在迎水倒角下游壁面，见图4。但是，工程上如果将两侧倒角做成不一样的尺寸，且不说倒角尺寸加工不易控制，安装时如果工人不仔细也容易装反。所以，建议节流板倒角能够去毛刺即可，要尽量小。

图4 最小静压位置示意图（水流方向从右至左）

3 厚度的影响

通过对倒角的研究，研究厚度时将倒角定为C0.5。节流板厚度取5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，仿真计算结果见表2。

从表2可以看出，在5～20 mm厚度范围内，节流板的节流效果随着厚度的增加而减弱，同时最小静压升高。为找出最优解，计算厚度为2 mm、3 mm、4 mm节流板的节流效果，结果见表3。

表2 节流板厚度对节流效果的影响

表3 节流板厚度对节流效果的影响

通过表3可以看出，继续减薄节流板可以得到更好的节流效果和更大的最小静压，但是考虑到材料强度与振动问题，将节流板厚度定为2 mm。

4 孔径对节流效果的影响

孔径越小，节流效果越好。但是，在冷却系统一维计算得到节流板处压降需为184 kPa，而现在孔径35 mm、厚度2 mm、倒角C0.5的节流板的压降为253 kPa，最小静压为-8 kPa。因此，需要将孔径调大来减小压降，同时提升最小静压。孔径取35 mm、36 mm、37 mm、38 mm进行仿真计算，结果见表4。

表4 增大节流版孔径后节流效果

表4中，当内径扩大到36 mm后，最小静压随着孔径的增大不再大幅度变化。最终，节流板选取内径36 mm。

5 节流孔排布对节流效果的影响

内径36 mm的节流板，其流通面积为1 018 mm2。若将其分为若干个小孔，节流效果会有所变化。为探究其变化趋势，将其按图5分别分成3小孔、5小孔、7小孔进行仿真，结果见表5[6]。

节流板流通面积相同，在相同流量的情况下，截面流速相同，所以不同分布形式的节流板最小静压相差不大。但是，随着分布孔数的增加，节流板的压降不断减小。这是由于孔数增加，截面上流量分布更加均匀，产生的涡流更小，损失的能量更少。

图5 分布式节流板流场示意图（单位：mm）

表5 分布式节流方案节流效果

6 结语

为了解决船用柴油机冷却水进机压强低的问题，在使用一维软件估算节流板的大概尺寸后，先后对节流板的倒角、厚度、孔径以及节流孔排布形式进行研究，得出以下结论：节流板孔迎水倒角虽然可以显著提升最小静压，但是对节流效果影响更大；背水倒角主要影响节流效果，也对提升最小静压效果有一定的效果；节流板厚度越薄，节流效果越好，最小静压越高；相同流通面积的情况下，仅有一个节流孔的节流板节流效果最好。