某民用船舶海水閥箱的優化改進

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

現行規范(如《鋼質海船入級與建造規范》《海上高速船入級與建造規范》等)較少涉及海水閥箱具體的設計和布置。海水閥箱設計一旦有缺陷，往往在系泊試驗階段才會暴露。為此，以某民用高速客船為研究對象，針對出現的問題，提出增大進水量和降低吸口高度兩種解決方案，并總結出吃水淺的高速客船海水閥箱的一般設計經驗。

本文中的民用船舶按標準規范設計，但在航行試驗中，當主機到達2 100 r/min最高轉速時，主機冷卻水進口的壓力為60 kPa，撓性接頭變形，主機海水泵存在吸空現象，當時實測風力為5級。在高速轉彎時，外側主機也同樣出現吸空現象，淡水溫度在300 s內升至報警值。此時，采取緊急停機的方法使淡水溫度降至報警值以下，再正常起動主機。但停機后海水泵停止工作，淡水無法從海水循環中進行熱交換，溫度下降很慢;另一方面，海水泵吸空，容易造成葉輪損壞[1]。

1 問題分析

本船的海水閥箱對稱分布在機艙甲板以下，靠機艙前壁兩舷部分。采用CB/T 615中的標準平格柵。

海水總管通徑：DN=250，其截面積s為

將單個格柵上所有間隙相加，得到海水閥箱海底門流通面積為：0.135 64 m2，約為2.8倍海水總管截面積。經計算核實，海底門格柵開口大小滿足規范要求。

進一步分析發現，在機艙布置圖對應剖視圖中模擬船橫搖的情況時，當橫搖超過10°時船體如圖1所示，船上兩個海水閥箱進水格柵部分開始離開水面。因此，可以預見，船在風浪中航行以及海況良好情況下的高速轉彎時，易出現主機海水泵吸空現象。

圖1 橫搖10°情況下的縱剖圖

另一方面，本船采用的標準平底格柵沒有兜水作用，由于吃水較淺船高速航行時格柵吸入口處的負壓較大，在某些情況下會導致海水泵前負壓較大，從而造成海水泵吸空、柴油機動力裝置海水冷卻系統癱瘓[2]。

2 解決方案分析

問題的關鍵在于解決海水閥箱吸管吸進空氣的問題，若能增大進水量或降低吸口高度，海水閥箱吸進空氣的幾率將大大降低。

基于以上思路，考慮對海水閥箱進行改進。

2.1 增大進水量

由于船舶建造已經基本結束，若以增大海水閥箱海底門的開口面積或者改變海水閥箱分布的方法來增大進水量需要對船體結構重新切割，不僅工作量大，而且一旦分割加強筋、扶強材將對船體強度造成影響[3]。

另一方面，船在高速航行時船底產生較大負壓力，在平底格柵沒有兜水作用的情況下，不能通過得到動壓頭來降低格柵吸入口處的負壓力，直接導致海水泵前負壓升高。因此，若能設計一種具有兜水效果的格柵來增大進水量，問題便可以得到解決。

經過分析，將海底門格柵由標準格柵改為兜水型格柵，具體形式見圖2。

圖2 優化后的兜水格柵

將海底門格柵，考慮底航速、水的流速小，海底門進水流量小的極端情況。

估算格柵高度h=160+(170+63)=626 mm。

兜水板高度為50 mm，在水流方向的投影長度l=66 mm。

在水流速方向的投影面積S=h×l=626×66=41 316 mm2。

假定航速只有10 kn，流速v=5 m/s

兜水流量Q=v×S=5×0.041 316=0.206 58 m3/s=743.688 m3/h。

本船使用兩臺MTU主機：12V4000M93，單臺主機冷卻系統海水泵流量為201 m3/h。

從理論計算來看，在風浪中有1/3的格柵在水面以下，兜水高度50 mm的格柵，其兜水量遠大于一臺主機海水泵的最大排量。而且格柵露出水面只是短時現象，并且在主機低速時海水泵的排量也是下降的。經過計算，改型后的格柵可以實現一個海水閥箱的進水量達到兩臺主機需求量的目標。

2.2 降低吸口高度

為降低吸口高度，避免船在大幅度橫搖及高速轉彎的情況下海水總管中進入空氣，考慮在閥箱內增加一個向下的進水彎管，使彎管的進水口距船底板約80 mm，使閥箱上部形成一個較大的集氣空間。這樣，進水口至閥箱頂部有約350 mm的高度差。見圖3。

圖3 加裝彎管的海水閥箱

3 效果檢驗

實施以上優化方案后，隨即進行實船試驗。為模擬大風浪海況，試驗中采用減搖鰭人為造浪，使船保持16°～20°橫搖。主機最大轉速從1 200、1 600、1 800、2 100 r/min逐檔加速，每檔轉速運行5～6 min，主機淡水溫度始終保持在87～90 ℃，距報警溫度(97 ℃)有較大余量，其余參數也都正常。

4 結論

通過驗證，改進后的兜水型格柵相對于標準的平底格柵可在同等面積海底門開口的情況下獲取更大進水量。在吃水淺的、航速高的小型民船中使用兜水型格柵比標準格柵更合適，在后續設計中可適當考慮使用兜水格柵替代平底格柵。

由于兩個對稱的高位海水閥箱存在在大風浪中航行或者高速轉彎時容易出現海水泵吸空的隱患，在船舶設計中考慮將兩個海水閥箱設計成一高一低位的布置方式。只要滿足一個海水閥箱的進水量達到兩臺主機需求量的要求，在航行中即使遇到大風浪加劇船的橫搖，也可通過選擇關閉高位海水閥箱，僅使用低位海水閥箱來避免空氣吸入海水總管；在泥沙多的水域航行時開啟高位海水閥箱，就可有效減少泥沙進入。這樣巧妙地選擇性開啟或關閉海水閥箱可以大幅度提高其性能。

以上兩種方式，以形式和布置為出發點進行

改進，使其更適合吃水淺的高速船海水冷卻系統。特別是兜水格柵的設計，使同樣的海底門面積可獲得更大的進水量，這本船改進的亮點之一。但是，這種兜水格柵的兜水角度有一定講究。若角度過大，可能出現倒車時吸入空氣的現象；角度過小則無法滿足進水需求。其角度選取或針對倒車吸空的優化方案值得進一步研究。

[1] 李海興.小型船用柴油機故障分析及應對措施[J] .江蘇船舶，2010(5)：40-41.

[2] 張 倩.海底閥箱結構動響應分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[3] 張金鋒.“長亭”輪主機轉速故障分析及排除[J].中國修船，1995(5)：15-17.