洪水操舟機防沙改造中冷卻器容積的設計

高俊生+張小成+陳文濤+何志平+李建軍

摘要：操舟機是目前水文測驗的主要測驗設備和重要交通工具。黃河洪水時期的特點是含沙量大，水草多，不利于操舟機的正常運行，容易導致冷卻管路堵塞或燒壞機器，洪水中操舟機故障將威脅工作人員的生命。因此，在實際使用過程中，進行操舟機防沙改造是十分必要的。

關鍵詞：黃河 高含沙量 操舟機 防沙 冷卻

1 概述

操舟機是目前水文測驗的主要測驗設備和重要交通工具。操舟機工作時需要由冷卻水對機器進行冷卻，保證機器溫度不超標，否則，機器溫度超標后，將燒壞活塞氣缸，造成操舟機損壞。洪水測驗及黃河搶險中突發操舟機故障，有可能產生較大的安全事故，后果嚴重。操舟機工作時由自身的水泵抽取河水對機器進行冷卻，由于原設計時沒有考慮水流含沙量的影響，在多沙河流水域使用時，由于含沙量高、水草多，易造成操舟機冷卻水路堵塞，機器無法獲得冷卻效果。因此，改造操舟機的冷卻系統使其適應高含沙水流環境，對于保護機器具有重要意義。

2 操舟機防沙設計與改造

2.1 操舟機防沙設計

操舟機防沙設計的方法是變原來的開放式冷卻系統為循環式冷卻系統。

操舟機防沙設計包括七個方面：冷卻系統總體設計、操舟機進水口、內冷卻管路、操舟機出水口、外冷卻管路、冷卻器、補給水箱等。

冷卻系統總體設計是將冷卻系統分為內冷卻管路、外冷卻管路、操舟機進水口、操舟機出水口、冷卻器、補給水箱等六部分。連接圖見圖1。

■

圖1 操舟機循環式冷卻系統圖

內冷卻管路與外冷卻管路主要為冷卻系統提供一個水流循環通道，設計時保證這個通道輸水通暢，不存在漏水，無水流散失。進水口設計既解決原進水口的封堵問題，又保證滿足新進水口的進水要求。出水口設計主要是選擇合適的位置，保證正常的循環水流。冷卻器設計盡可能的從河水中獲得循環水的冷卻效果。補給水箱設計主要能保證循環系統的循環水補給及對循環水二次冷卻。

新加工船體應設計底倉冷卻水箱。對舊船體實際應用中，加工倉底水箱難度較大，船尾只需放置一個盛水容器，接上進出水管即可。如果操舟機使用時間不長，僅用船尾冷卻水箱即可。

2.2 操舟機防沙冷卻系統改造

操舟機改造的重點為內冷卻管路，即從操舟機進水口到操舟機出水口的冷卻管路。內部管路需要對所有開放的漏水部分進行封堵，使原來的開放式冷卻系統成為循環式冷卻系統。

根據操舟機船殼情況加工了冷卻器，冷卻器形狀見圖2。

3 操舟機冷卻管道分析

操舟機冷卻系統抽取河水經水泵及上水管進入發動機冷卻管道，然后一少部分從冷卻水監視孔流出散落于河水中，大部分進入中間箱體冷卻排氣管，最后經螺旋槳轂排入河水中。雖然冷卻后的水落入河水中，但由于河水多是流動的，排出的水一般不能重新進入冷卻管道，不能構成循環，因此冷卻系統是開放的。

操舟機改造后的冷卻系統工作情況分為冷卻管路循環輸送冷卻水、操舟機機器對冷卻水加熱、河水對冷卻器降溫三部分，水體在三部分形成循環。

操舟機改造后的冷卻系統為封閉循環系統，機器冷卻用水采用封閉式循環系統的清水，循環系統的清水通過冷卻器讓河水給冷卻，降低循環系統清水的溫度。

操舟機改造后冷卻系統包括兩個過程：其一為升溫過程：冷卻器的循環水進入機器被加熱，送回冷卻器；其二為降溫過程：送回冷卻器的熱水被冷卻器外的河水冷卻，然后再進入機器。

操舟機發動機正常工作需要的溫度為40～70℃，溫度低不利于機器正常工作，溫度高容易損壞機器。需要通過設計的方法使機器溫度控制在40～70℃之間。

4 操舟機冷卻容積計算

正常情況下，操舟機每小時燃油18～20L，合13.05～14.5kg，平均13.78kg。汽油燃燒值為4.7×107J/kg，13.78kg汽油完全燃燒放出的熱量為64.766×107J。每分鐘燃油0.230kg，完全燃燒放出的熱量為1.079×107J。由于汽缸內汽油燃燒不可能是完全的，據有關技術人員估計，燃燒的汽油可能達到70%左右，因此實際燃燒放出的熱量為7.56×106J左右。

汽油機可燃燒的混合氣體在汽缸內燃燒時所產生的溫度很高（約在1500℃以上），在工作中，燃燒的總熱量約有25%的熱量作為有用功，10%的熱量損失于摩擦中，25%的熱量由廢氣帶走，40%的熱量要傳給汽缸外的冷卻水。對操舟機來說，需要冷卻系統進行冷卻的除發動機缸體外，排氣管也需要冷卻，估計實際需要冷卻的熱量可能是總熱量的50%左右，另有15%左右由廢氣帶走。

通過實際測試，冷卻系統在低速、中速、高速三種情況下每分鐘的循環水量分別為11.78kg、12.32kg、12.36kg，其數值差別不大，平均每分鐘循環冷卻水量12.315kg。實測操舟機機器進出水溫度差28℃。

試驗證明，冷卻器冷卻速度與冷卻器內、外水的溫差成正比（如圖3）。當溫差大時，冷卻速度快；當溫差小時，冷卻速度慢。冷卻系統的水體總是由低溫到高溫，由小溫差到大溫差，由冷卻速度慢到冷卻速度快。因此，冷卻系統最終總能趨于一個穩定的工作點。冷卻器的選擇就是要保證這個工作點在40～70℃之間。

■

圖3 冷卻器冷卻速度與冷卻器內、外水的溫差

由于操舟機冷卻系統循環水的流量及進出機器冷卻水溫差變化不大，因此控制水溫的方法可以在冷卻器上考慮。冷卻器管路流量變化不大，當冷卻器材質及型號確定以后，決定冷卻效果的是冷卻器的容積。當冷卻器的容積選的大時，冷卻管路的熱水在冷卻器內冷卻時間長，溫度降低較多，使進入操舟機機器的冷卻水溫度低，加熱后出水溫度也低，平衡后的工作點溫度低。當冷卻器選的小時，冷卻管路的熱水在冷卻器內存留時間短，溫度降低較少，使進入操舟機機器的冷卻水溫度高，加熱后出水溫度也高，平衡后的工作點溫度高。endprint

假設河水溫度為T0，進入操舟機機器水溫T1，排出操舟機機器水溫T2，則進出操舟機機器的水溫差為Tjc=T2- T1。當達到溫度穩定工作時，進入操舟機機器水溫始終為T1，排出操舟機機器水溫始終為T2，冷卻器冷卻過程中的平均溫差為Tp=（（T1-T0）+（T2-T0））/2=（2T1+Tjc-2T0）/2。

試驗可得，冷卻管材不同溫差的降溫速度Vt為：

Vt=kTp-C

式中：

k：冷卻器管隨溫差散熱速度系數；

C：冷卻器管隨溫差散熱速度常數。

冷卻器中水體循環一次的時間為：

t=Tjc/Vt=Tjc/（k（2T1+Tjc-2T0）/2-C）

操舟機每分鐘循環冷卻水量用Q表示，則冷卻器容積為：

V=Qt

若選定冷卻器材料，即可算出冷卻器用料長度。

實測水星55操舟機進出機器冷卻水的溫度差Tjc為28℃，1分鐘循環冷卻水量為12.315kg，Q=12.315 L/min。假設河水溫度T0為20℃，保證操舟機進水溫度T1為55℃。

選用φ25園不銹鋼管，實測k為0.0222，C為0.0238。則可計算出冷卻器一個循環的時間為26.3s，冷卻器容積為5.4L，管長11m。可以此為依據進行冷卻器的加工。實際實施中，在操舟機尾部水流淹沒的空間有限，采用φ25園不銹鋼管無法滿足需要冷卻的長度。改用方管不銹鋼冷卻器由40×40不銹鋼管制作，寬度1.45m，厚度110mm，高度320mm。水箱管總長度13.76m，裝水量20kg。考慮2/3的淹沒管長，冷卻循環過程水溫穩定計算見表1。

表1 操舟機方管冷卻循環過程水溫穩定計算

■

表1計算結果表明，操舟機冷卻水循環9次以后就可以達到溫度穩定，工作點在機器工作溫度的最佳狀態。

5 改造后的操舟機現場試驗

改造后的操舟機在黃河潼關水文站河道中進行了連續運行6h的現場試驗，機器工作正常，沒有出現機器超溫報警情況，說明設計及改造是成功的。試驗中雖然含沙量不大，但冷卻系統內部為清水循環，含沙量大小與冷卻系統運行已沒有太大的關系。

6 結論

①河水含沙量較大時影響操舟機的使用甚至操舟機無法運行，存在冷卻管路堵塞及燒壞機器的危險。洪水中操舟機故障將威脅工作人員的生命，進行操舟機防沙改造是必要的。

②操舟機冷卻器容積的選擇關系操舟機防沙改造的成敗。容積過大在操舟機上不容易安置；容積太小滿足不了冷卻要求，達不到冷卻效果。冷卻器容積可以通過設計方法確定。

③通過試驗證明，操舟機冷卻器容積設計方法是正確的，結果是合理的。

參考文獻：

[1]張學寧.“67式”操舟機點火系統改進試制[J].山東內燃機，2002（01）.

[2]黃佳典，郭偉，劉波，王茂生.某型柴油機回油冷卻器改進方案設計[J].中國修船，2004（01）.

[3]胡國俊.大馬力操舟機6E80C汽油發動機活塞熱故障原因初步探討[J].小型內燃機，1983（02）.

作者簡介：

高俊生（1965-），男，山西芮城人，技師，主要從事船舶技術研究。endprint

假設河水溫度為T0，進入操舟機機器水溫T1，排出操舟機機器水溫T2，則進出操舟機機器的水溫差為Tjc=T2- T1。當達到溫度穩定工作時，進入操舟機機器水溫始終為T1，排出操舟機機器水溫始終為T2，冷卻器冷卻過程中的平均溫差為Tp=（（T1-T0）+（T2-T0））/2=（2T1+Tjc-2T0）/2。

試驗可得，冷卻管材不同溫差的降溫速度Vt為：

Vt=kTp-C

式中：

k：冷卻器管隨溫差散熱速度系數；

C：冷卻器管隨溫差散熱速度常數。

冷卻器中水體循環一次的時間為：

t=Tjc/Vt=Tjc/（k（2T1+Tjc-2T0）/2-C）

操舟機每分鐘循環冷卻水量用Q表示，則冷卻器容積為：

V=Qt

若選定冷卻器材料，即可算出冷卻器用料長度。

實測水星55操舟機進出機器冷卻水的溫度差Tjc為28℃，1分鐘循環冷卻水量為12.315kg，Q=12.315 L/min。假設河水溫度T0為20℃，保證操舟機進水溫度T1為55℃。

選用φ25園不銹鋼管，實測k為0.0222，C為0.0238。則可計算出冷卻器一個循環的時間為26.3s，冷卻器容積為5.4L，管長11m。可以此為依據進行冷卻器的加工。實際實施中，在操舟機尾部水流淹沒的空間有限，采用φ25園不銹鋼管無法滿足需要冷卻的長度。改用方管不銹鋼冷卻器由40×40不銹鋼管制作，寬度1.45m，厚度110mm，高度320mm。水箱管總長度13.76m，裝水量20kg。考慮2/3的淹沒管長，冷卻循環過程水溫穩定計算見表1。

表1 操舟機方管冷卻循環過程水溫穩定計算

■

表1計算結果表明，操舟機冷卻水循環9次以后就可以達到溫度穩定，工作點在機器工作溫度的最佳狀態。

5 改造后的操舟機現場試驗

改造后的操舟機在黃河潼關水文站河道中進行了連續運行6h的現場試驗，機器工作正常，沒有出現機器超溫報警情況，說明設計及改造是成功的。試驗中雖然含沙量不大，但冷卻系統內部為清水循環，含沙量大小與冷卻系統運行已沒有太大的關系。

6 結論

①河水含沙量較大時影響操舟機的使用甚至操舟機無法運行，存在冷卻管路堵塞及燒壞機器的危險。洪水中操舟機故障將威脅工作人員的生命，進行操舟機防沙改造是必要的。

②操舟機冷卻器容積的選擇關系操舟機防沙改造的成敗。容積過大在操舟機上不容易安置；容積太小滿足不了冷卻要求，達不到冷卻效果。冷卻器容積可以通過設計方法確定。

③通過試驗證明，操舟機冷卻器容積設計方法是正確的，結果是合理的。

參考文獻：

[1]張學寧.“67式”操舟機點火系統改進試制[J].山東內燃機，2002（01）.

[2]黃佳典，郭偉，劉波，王茂生.某型柴油機回油冷卻器改進方案設計[J].中國修船，2004（01）.

[3]胡國俊.大馬力操舟機6E80C汽油發動機活塞熱故障原因初步探討[J].小型內燃機，1983（02）.

作者簡介：

高俊生（1965-），男，山西芮城人，技師，主要從事船舶技術研究。endprint

假設河水溫度為T0，進入操舟機機器水溫T1，排出操舟機機器水溫T2，則進出操舟機機器的水溫差為Tjc=T2- T1。當達到溫度穩定工作時，進入操舟機機器水溫始終為T1，排出操舟機機器水溫始終為T2，冷卻器冷卻過程中的平均溫差為Tp=（（T1-T0）+（T2-T0））/2=（2T1+Tjc-2T0）/2。

試驗可得，冷卻管材不同溫差的降溫速度Vt為：

Vt=kTp-C

式中：

k：冷卻器管隨溫差散熱速度系數；

C：冷卻器管隨溫差散熱速度常數。

冷卻器中水體循環一次的時間為：

t=Tjc/Vt=Tjc/（k（2T1+Tjc-2T0）/2-C）

操舟機每分鐘循環冷卻水量用Q表示，則冷卻器容積為：

V=Qt

若選定冷卻器材料，即可算出冷卻器用料長度。

實測水星55操舟機進出機器冷卻水的溫度差Tjc為28℃，1分鐘循環冷卻水量為12.315kg，Q=12.315 L/min。假設河水溫度T0為20℃，保證操舟機進水溫度T1為55℃。

選用φ25園不銹鋼管，實測k為0.0222，C為0.0238。則可計算出冷卻器一個循環的時間為26.3s，冷卻器容積為5.4L，管長11m。可以此為依據進行冷卻器的加工。實際實施中，在操舟機尾部水流淹沒的空間有限，采用φ25園不銹鋼管無法滿足需要冷卻的長度。改用方管不銹鋼冷卻器由40×40不銹鋼管制作，寬度1.45m，厚度110mm，高度320mm。水箱管總長度13.76m，裝水量20kg。考慮2/3的淹沒管長，冷卻循環過程水溫穩定計算見表1。

表1 操舟機方管冷卻循環過程水溫穩定計算

■

表1計算結果表明，操舟機冷卻水循環9次以后就可以達到溫度穩定，工作點在機器工作溫度的最佳狀態。

5 改造后的操舟機現場試驗

改造后的操舟機在黃河潼關水文站河道中進行了連續運行6h的現場試驗，機器工作正常，沒有出現機器超溫報警情況，說明設計及改造是成功的。試驗中雖然含沙量不大，但冷卻系統內部為清水循環，含沙量大小與冷卻系統運行已沒有太大的關系。

6 結論

①河水含沙量較大時影響操舟機的使用甚至操舟機無法運行，存在冷卻管路堵塞及燒壞機器的危險。洪水中操舟機故障將威脅工作人員的生命，進行操舟機防沙改造是必要的。

②操舟機冷卻器容積的選擇關系操舟機防沙改造的成敗。容積過大在操舟機上不容易安置；容積太小滿足不了冷卻要求，達不到冷卻效果。冷卻器容積可以通過設計方法確定。

③通過試驗證明，操舟機冷卻器容積設計方法是正確的，結果是合理的。

參考文獻：

[1]張學寧.“67式”操舟機點火系統改進試制[J].山東內燃機，2002（01）.

[2]黃佳典，郭偉，劉波，王茂生.某型柴油機回油冷卻器改進方案設計[J].中國修船，2004（01）.

[3]胡國俊.大馬力操舟機6E80C汽油發動機活塞熱故障原因初步探討[J].小型內燃機，1983（02）.

作者簡介：

高俊生（1965-），男，山西芮城人，技師，主要從事船舶技術研究。endprint