船舶主机缸套冷却水系统的管路水力计算模型.pdf

船舶主机缸套冷却水系统的管路水力计算模型 马量，张均东 大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 （116026） E-mail：pigbong1983@ 摘 要：利用流体力学的相关理论，对船舶主机缸套冷却水系统的管路进行了分析，给出了 船舶主机缸套水冷却系统的管路水力计算模型。计算结果表明，该模型具有一定的精确度。 关键词：船舶主机；缸套冷却水系统；水力计算；模型； 中图分类号：U664.81+4 1. 引言 船舶主机缸套冷却水系统作为船舶柴油机主要的动力系统之一，其工作要求是：主机 在整个工作范围内，系统能对主机进行适度、可靠的冷却，特别是保证主机缸套冷却水出口 温度稳定，防止主机缸套过冷或过热。设计适合工作要求的主机缸套水冷却系统，这就需要 对系统中各点的流量、压力等参数进行数值计算 。本文通过对系统进行简化，得到主机缸 套冷却水系统的管路水力计算的数学模型，然后应用于实际系统，对系统中各点的流量、压 力等参数进行数值计算。 ]1[ 2. 计算原理 缸套冷却水泵大多采用离心泵，而泵的排量与泵本身的特性和管路的水力特性有关， 只有在泵的排出压力与管路在当前流量下的总压降相等时，泵才能稳定工作在这个流量下 ， ]2[ 图 1 管路压降与流量特性曲线示意图 如图所示： 其中水泵的特性曲线可以从说明书中计算得到，因此，只要计算出管路特性曲线即可， 即要得到冷却水流过某管路时所需的压头 H 和流量Q间的函数关系。 3. 系统建模 利用离心泵的特性曲线必须和缸套冷却水管路的水力特性曲线相匹配这一原理，就可以 - 1 - 对缸套冷却水管路进行管网水力计算，得到各点的流量、压力等参数。 3.1 管网水力计算 管网水力计算的主要目的就是确定管路水力特性曲线 。 ]3[ 流体在管道内流动时，由于流体分子间及其管壁间的摩擦，就要损失能量，这称为沿程 损失（沿程摩擦阻力）；而当流体通过管道的一些附件时，如阀门、弯头等，由于流体流动 的方向或速度的改变，产生局部漩涡和撞击，也要产生能量损失，这称为局部损失 （局 部阻力）。 ]4[ 冷却水管道的流动阻力包括：沿程阻力损失（取决于雷诺数 Re 和管内壁粗糙度Δ/d）， 局部阻力损失（取决于管流速度和局部阻力系数）。 3.1.1 沿程阻力损失 沿程阻力损失表达式： g V d lh f 2 2 λ= 252 8 Q dg l π λ = 式中： λ ——沿程阻力系数； l ——管长， ； m d ——管道直径， ； m V ――管道内流体流速， ； sm / Q——管道内流体流量， ； 小时/3m g ——重力加速度， ； 2/ sm 沿程阻力系数λ可以根据一些经验公式以及沿程阻力系数曲线求得。 由于当水温变化不大时，水的运动粘度随温度的变化也不大，因此可以取水在 75℃时 的运动粘度作为缸套冷却水管内冷却水的平均运动粘度，水在 75℃时的运动粘度为 0.00380 m2/s。而且缸套冷却水管路中冷却水的设计流动速度一般为 1-3 m/s，本系统的主淡水管路 的直径为 80mm，则雷诺数： 6 100038.0 08.03Re 44 ×=× × == ?γ vd 可见，高温冷却水管路中冷却水的流动状态处于旺盛的紊流。在整个紊流区，沿程阻力 系数的确定可采用下面统一的公式计算： 柯列勃洛克公式 ) 72.3Re 51.2lg(21 dK+?= λλ 或阿里特苏里公式 25.0) Re 68(11.0 += d Kλ 3.1.2 局部阻力损失 - 2 - 局部阻力损失表达式： == g Vhi 2 2 ξ ξ 252 8 Q dgπ 式中：ξ ——局部阻力系数； V ――管道内流体流速， ； sm / 局部阻力系数ζ值，一般用实验方法确定的。缸套冷却水系统中大多数元件（通用元件） 的局部阻力系数值可以查具体的相关参考资料，如水力学手册等。其中较难确定的是柴油机 内部的局部阻力系数、缸套水冷却器内的局部阻力系数以及三通调节阀调节过程中，三通阀 在两个支路的局部阻力系数。 其中柴油机内部的局部阻力系数可以通过试验的方法得到。在主管路流量已知（由流量 计测出）的情况下，测出进、出柴油机的冷却水压力，根据压力的变化值就可以计算出柴油 机内部的局部阻力系数。而局部阻力系数一旦确定，便不再变化。 由于缸套水冷却器的局部阻力系数难以确定，因此可以考虑用经验公式直接求冷却水流 经缸套水冷却器的压降，即： ncVhi 2= 上式中： ――待定系数，可以通过试验方