某民用船舶海水阀箱的优化改进

，，

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

现行规范(如《钢质海船入级与建造规范》《海上高速船入级与建造规范》等)较少涉及海水阀箱具体的设计和布置。海水阀箱设计一旦有缺陷，往往在系泊试验阶段才会暴露。为此，以某民用高速客船为研究对象，针对出现的问题，提出增大进水量和降低吸口高度两种解决方案，并总结出吃水浅的高速客船海水阀箱的一般设计经验。

本文中的民用船舶按标准规范设计，但在航行试验中，当主机到达2 100 r/min最高转速时，主机冷却水进口的压力为60 kPa，挠性接头变形，主机海水泵存在吸空现象，当时实测风力为5级。在高速转弯时，外侧主机也同样出现吸空现象，淡水温度在300 s内升至报警值。此时，采取紧急停机的方法使淡水温度降至报警值以下，再正常起动主机。但停机后海水泵停止工作，淡水无法从海水循环中进行热交换，温度下降很慢;另一方面，海水泵吸空，容易造成叶轮损坏[1]。

1 问题分析

本船的海水阀箱对称分布在机舱甲板以下，靠机舱前壁两舷部分。采用CB/T 615中的标准平格栅。

海水总管通径：DN=250，其截面积s为

将单个格栅上所有间隙相加，得到海水阀箱海底门流通面积为：0.135 64 m2，约为2.8倍海水总管截面积。经计算核实，海底门格栅开口大小满足规范要求。

进一步分析发现，在机舱布置图对应剖视图中模拟船横摇的情况时，当横摇超过10°时船体如图1所示，船上两个海水阀箱进水格栅部分开始离开水面。因此，可以预见，船在风浪中航行以及海况良好情况下的高速转弯时，易出现主机海水泵吸空现象。

图1 横摇10°情况下的纵剖图

另一方面，本船采用的标准平底格栅没有兜水作用，由于吃水较浅船高速航行时格栅吸入口处的负压较大，在某些情况下会导致海水泵前负压较大，从而造成海水泵吸空、柴油机动力装置海水冷却系统瘫痪[2]。

2 解决方案分析

问题的关键在于解决海水阀箱吸管吸进空气的问题，若能增大进水量或降低吸口高度，海水阀箱吸进空气的几率将大大降低。

基于以上思路，考虑对海水阀箱进行改进。

2.1 增大进水量

由于船舶建造已经基本结束，若以增大海水阀箱海底门的开口面积或者改变海水阀箱分布的方法来增大进水量需要对船体结构重新切割，不仅工作量大，而且一旦分割加强筋、扶强材将对船体强度造成影响[3]。

另一方面，船在高速航行时船底产生较大负压力，在平底格栅没有兜水作用的情况下，不能通过得到动压头来降低格栅吸入口处的负压力，直接导致海水泵前负压升高。因此，若能设计一种具有兜水效果的格栅来增大进水量，问题便可以得到解决。

经过分析，将海底门格栅由标准格栅改为兜水型格栅，具体形式见图2。

图2 优化后的兜水格栅

将海底门格栅，考虑底航速、水的流速小，海底门进水流量小的极端情况。

估算格栅高度h=160+(170+63)=626 mm。

兜水板高度为50 mm，在水流方向的投影长度l=66 mm。

在水流速方向的投影面积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。

本船使用两台MTU主机：12V4000M93，单台主机冷却系统海水泵流量为201 m3/h。

从理论计算来看，在风浪中有1/3的格栅在水面以下，兜水高度50 mm的格栅，其兜水量远大于一台主机海水泵的最大排量。而且格栅露出水面只是短时现象，并且在主机低速时海水泵的排量也是下降的。经过计算，改型后的格栅可以实现一个海水阀箱的进水量达到两台主机需求量的目标。

2.2 降低吸口高度

为降低吸口高度，避免船在大幅度横摇及高速转弯的情况下海水总管中进入空气，考虑在阀箱内增加一个向下的进水弯管，使弯管的进水口距船底板约80 mm，使阀箱上部形成一个较大的集气空间。这样，进水口至阀箱顶部有约350 mm的高度差。见图3。

图3 加装弯管的海水阀箱

3 效果检验

实施以上优化方案后，随即进行实船试验。为模拟大风浪海况，试验中采用减摇鳍人为造浪，使船保持16°～20°横摇。主机最大转速从1 200、1 600、1 800、2 100 r/min逐档加速，每档转速运行5～6 min，主机淡水温度始终保持在87～90 ℃，距报警温度(97 ℃)有较大余量，其余参数也都正常。

4 结论

通过验证，改进后的兜水型格栅相对于标准的平底格栅可在同等面积海底门开口的情况下获取更大进水量。在吃水浅的、航速高的小型民船中使用兜水型格栅比标准格栅更合适，在后续设计中可适当考虑使用兜水格栅替代平底格栅。

由于两个对称的高位海水阀箱存在在大风浪中航行或者高速转弯时容易出现海水泵吸空的隐患，在船舶设计中考虑将两个海水阀箱设计成一高一低位的布置方式。只要满足一个海水阀箱的进水量达到两台主机需求量的要求，在航行中即使遇到大风浪加剧船的横摇，也可通过选择关闭高位海水阀箱，仅使用低位海水阀箱来避免空气吸入海水总管；在泥沙多的水域航行时开启高位海水阀箱，就可有效减少泥沙进入。这样巧妙地选择性开启或关闭海水阀箱可以大幅度提高其性能。

以上两种方式，以形式和布置为出发点进行

改进，使其更适合吃水浅的高速船海水冷却系统。特别是兜水格栅的设计，使同样的海底门面积可获得更大的进水量，这本船改进的亮点之一。但是，这种兜水格栅的兜水角度有一定讲究。若角度过大，可能出现倒车时吸入空气的现象；角度过小则无法满足进水需求。其角度选取或针对倒车吸空的优化方案值得进一步研究。

[1] 李海兴.小型船用柴油机故障分析及应对措施[J] .江苏船舶，2010(5)：40-41.

[2] 张 倩.海底阀箱结构动响应分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[3] 张金锋.“长亭”轮主机转速故障分析及排除[J].中国修船，1995(5)：15-17.