不同進出口接管方案下自流冷卻系統的特性試驗研究

姚 露 ，周宗和 ，孫洪山 ，韓燦峰 ，陶海坤

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064；2.海軍駐武漢第七一九研究所軍代室，湖北 武漢 430064；3.渤海造船廠集團有限公司，遼寧 葫蘆島 125004)

不同進出口接管方案下自流冷卻系統的特性試驗研究

姚 露1，周宗和2，孫洪山3，韓燦峰1，陶海坤1

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064；2.海軍駐武漢第七一九研究所軍代室，湖北 武漢 430064；3.渤海造船廠集團有限公司，遼寧 葫蘆島 125004)

針對自流冷卻系統的應用背景，采用縮比原理性試驗，對進出口接管形式進行優選試驗研究。研究發現進出口接管形式影響著系統的自流特性，矩形過渡的進口接管其自流特性好，垂直圓擴的出口形式不利于自流。進出口接管組合方案一下系統自流特性最好。進出口接管的相對靜壓差-相對速度特性曲線是其固有水力特性。自流回路的自流流量隨著流動阻力的增加而降低，且降低率越來越少。最終根據試驗結果優選了進出口接管方案，為自流冷卻系統的設計提供了依據。

自流冷卻系統；原理試驗；接管形式；水力特性

0 引 言

現代艦船動力裝置中廣泛采用了自流冷卻系統[1 – 2]，其利用艦船航行時迎面水流所產生的動壓頭，在一定速度范圍內，可僅憑自流滿足冷凝器所需的冷卻水量，從而實現循環水泵的停運，減少泵運轉引起的振動噪聲；循環水泵只是在低航速及高航速工況下使用，功耗大大降低，并能有效地減小泵的尺寸，釋放空間[3 – 5]。

進出口接管是自流冷卻系統的重要部件。進出口接管的形式決定了自流冷卻系統的流量、壓頭，是能否形成自流滿足主冷凝器冷卻水需要的關鍵。另外由于進出口接管一部分伸出舷外，會使船舶航行阻力增加。因此，自流冷卻系統進出口接管的布置和幾何參數的選擇，要保證在附加拖曳阻力最小的情況下，系統有可靠的壓頭以滿足冷卻水量的需求。已有研究表明：進口接管的工作特性直接影響自流系統的性能優劣，出口接管的水力性能與整個系統的損失及流量特性密切相關[6 – 7]。

由于計算機技術的發展，數值計算分析的方法在該技術上得到廣泛使用[7 – 9]，但由于實際約束，計算結果難以得到有效試驗驗證。本文在理論分析的基礎上采用了縮比原理性試驗，對進出口接管進行優選試驗研究。通過不同方案下進出口接管方案的試驗組合，測定相對靜壓頭與相對流速之間的關系曲線，獲得不同工況下自流冷卻系統的流量特性，為自流冷卻技術的實際應用提供依據。

1 試驗系統

1.1 試驗臺架

試驗臺架由水箱、循環水泵、控制閥、自流冷卻系統進出口裝置、管路、流量計、差壓計等搭建組成，試驗系統原理如圖1所示。試驗水道是長為L的矩形水道，尺寸為W×H；自流冷卻水道為內徑φD的圓形水道。試驗水道和自流冷卻管路上分別設置超聲流量測量儀和電磁流量計進行冷卻水流量測量；自流冷卻系統進出口接管的管路間設置差壓計進行壓差測量。

圖1 自流冷卻系統試驗臺架示意圖Fig.1 Test-bed sketchmatic of scoop cooling system

1.2 試驗方法

試驗過程中按照Re相似和Eu相似來模擬實際工況。

試驗臺架、測量儀表等安裝完畢后，進行系統緊密性、水泵運轉穩定性、閥門操作靈活性、儀表指示準確性等檢查，確認系統運行正常后進行試驗。啟動循環水泵，通過試驗水道上的閥門開度進行循環泵的流量調節，測得實驗水道的流量Q1；調節自流冷卻管路上閥門的開度，從0開度到100%，共8個開度，測量自流冷卻水道的流量Q2以及進出口接管水道間自流產生的靜壓差h。

1.3 試驗方案

根據已有經驗，設計了6種進口接管方案，3種出口接管方案，如圖2所示（D為圓形水道內徑，下同）。

通過不同進出口結構方案的組合，試驗方案共8組，具體方案如表1所示。

圖2 進、出口接管結構示意Fig.2 Sketchmatic of inlet/outlet tubes

表1 試驗方案Tab.1 Experiment scheme

1.4 試驗工況

通過調節試驗水道流量控制水道流速來模擬船舶速度，試驗工況共4個，如表2所示。

2 特性試驗結果與討論

2.1 不同進出口接管對系統流動特性的影響分析

進出口的相對靜壓差h/（ρV12/2）與相對流速V2/V1之間的關系是自流冷卻系統的特性，該特性曲線反映了進出口結構將迎面水流的動能轉化為壓力能的能力，在相同的相對速度下相對靜壓差越大越好。

表2 試驗工況Tab.2 Experiment conditions

圖3顯示了不同出口接管方案下自流系統的特性。從圖中可以看出，在相同相對速度下，組合方案1的相對靜壓差相對較大，組合方案2、組合方案3以及組合方案4的特性曲線相差不大。對比4種方案可知，矩形過渡的進口接管形式（1）下系統將迎面水流的動能轉化為壓力能的能力較高，其原因是該方案下的進口面積相對較大，試驗水道推入自流回路的流體更多，使得其自流流量更大。該結果與文獻[9]中模擬結果一致。

圖3 不同進口方案下特性曲線對比圖Fig.3 Comparision of characteristic curves according to different inlet tubes

圖4 展示了不同進出口接管組合方案下系統的自流特性。從圖中可知，組合方案5的相對速度-相對靜壓差曲線最低，方案6和方案8的曲線基本重合。對比4種組合方案可知，在相同的相對速度下，出口接管形式（2）方案下系統自流能力相對較差，即垂直圓擴的出口形式不利于系統自流。

從圖3和圖4 的綜合對比可以看出，不同進出口接管方案下，系統的自流特性各不相同；在出口接管形式（1）組合方案下系統的自流特性皆優于出口接管形式（2）和（3）組合方案，這說明圓管垂直的出口形式能最大化利用迎面水流的動能，進口接管伸出艇體的形式好于與艇平齊的形式，且組合方案1下系統的自流特性最好。

圖4 不同進出口接管方案下特性曲線對比圖Fig.4 Comparison of characteristic curves according to different inlet/outlet tubes

2.2 變工況運行對系統流動特性的影響分析

對于船舶而言，變工況運行時存在，自流系統需要能利用一定范圍內迎面水流的動能，而不僅僅是某一固定工況，即在較廣的工況范圍內都能自流。以自流特性最好的組合方案1和出口接管形式自流特性相對較好的方案8為例分析不同工況下自流系統的特性。其中各工況對應的水道流量的大小為QA1＜QB1＜QC1＜QD1。

圖5（a）和圖5（b）分別為組合方案1和組合方案8在不同工況下自流系統的特性曲線，從圖5（a）中可以看出不同水道流量下系統的特性曲線趨勢基本一致，從表2可知，工況D與工況A的試驗水道流量關系近2倍，但是系統的特性曲線之間相差卻不到10%。從圖5（b）可以明顯看出，不同工況下，系統的相對速度-相對靜壓差關系曲線幾乎不變，相互之間差距在2%左右，說明試驗水道流量變化對組合方案8的特性曲線幾乎無影響。

圖5 不同工況下系統的自流特性Fig.5 Artesian characters of the system in different conditions

綜合上述實驗結果可以看出，不同工況下的系統相對速度-相對靜壓差關系曲線趨勢一致，相對靜壓差均隨著相對速度的增加而降低，這與能量守恒定律相符。同一進出口接管形式下不同工況曲線間差異很小，可以認為該曲線與水道流速（即船舶航速）無關，是個固有特性曲線。已有理論研究[7]也表明自流特性僅取決于進出口接管的形狀等。

2.3 系統阻力對自流流量的影響分析

從試驗結果可知，組合方案1的自流特性較好，以此為基礎分析相同試驗水道流量下不同流動阻力的系統自流量。

圖6展現了不同系統阻力下自流回路自流量的大小。試驗結果表明，在某一固定工況下，自流回路系統的自流量隨著流動阻力的增加而降低，且降低率越來越少。同時可以看出，系統的流動阻力越小，同一工況下系統的自流量就越大。但是自流量也不可能無限大，這是因為系統總是存在一定阻力元件，采取有效措施降低這些部件的流阻系數以降低整個系統的流動阻力，從而獲得最大的系統自流量，是自流冷卻系統的關鍵因素。從不同工況下系統的自流特性曲線對比圖中可以看出，不同工況下，自流曲線也各不相同，但曲線趨勢基本一致，且試驗水道流速越大，系統的自流流量也越大。試驗水量流量增加一倍，系統的自流量也增加了將近1倍。

圖6 不同工況和不同流阻系數下系統的自流流量Fig.6 Artesian flux of the system in different flow resistance coefficient

3 結 語

1）本文采用縮比原理性試驗，對8種進出口接管形式，在4種不同試驗工況下進行優選試驗，試驗結果顯示組合方案1下系統的自流特性相對較好。

2）進出口接管形式關系著自流冷卻系統的自流特性，接管形式不同，系統自流特性也各有差異。矩形過渡的進口接管其自流特性好，垂直圓擴的出口形式不利于系統自流。

3）同一進出口接管形式下自流冷卻系統的相對速度-相對靜壓差關系曲線在不同工況下表現出相同的規律，該特性曲線是系統的固有水力特性。

4）自流回路系統的自流量隨著流動阻力的增加而降低，且降低幅度越來越少。不同工況下的自流流量隨系統阻力系數變化趨勢基本一致，同一阻力系數下，試驗水道流速越大，系統自流量也相對越大，且基本成線性關系。

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Experiment research on scoop cooling system characters of different inlet/outlet tubes

YAO Lu1,ZHOU Zong-he2,SUN Hong-shan3,HAN Can-feng1,TAO Hai-kun1
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Science and Technology on Thermal Energy and Power Laboratory,Wuhan 430064,China; 2.Military Representative Office of Navy Stationed in 719 Research Institute,Wuhan 430064,China; 3.Bohai Shipyard Group Co.Ltd,Huludao 125004,China)

Under the background of scoop cooling system,the theory experiment research by narrow scale on optimization of inlet/outlet tubes was accomplished.The results indicated that:tube types has an effect on artesian character of the system.Rectangular outlet type performed well,while vertial flared-outlet tube showed bad,combination scheme one is the best.The curve of relative differential pressure and relative velocity is the inherent hydraulic character for the inlet/outlet tubes.The flux of the auto-flow circulation drops with the flow resistance increase,the decrease ratio is less and less.This paper has provided a basis for the design of scoop cooling system.

scoop cooling system；theory experiment；tube type；hydraulic character

U644.1

A

1672 – 7649(2017)10 – 0103 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.020

2016 – 11 – 30；

2017 – 03 – 09

姚露(1991 – )，女，碩士研究生，工程師，主要從事艦船動力裝置冷卻系統技術研究。