洪水操舟机防沙改造中冷却器容积的设计

高俊生+张小成+陈文涛+何志平+李建军

摘要：操舟机是目前水文测验的主要测验设备和重要交通工具。黄河洪水时期的特点是含沙量大，水草多，不利于操舟机的正常运行，容易导致冷却管路堵塞或烧坏机器，洪水中操舟机故障将威胁工作人员的生命。因此，在实际使用过程中，进行操舟机防沙改造是十分必要的。

关键词：黄河 高含沙量 操舟机 防沙 冷却

1 概述

操舟机是目前水文测验的主要测验设备和重要交通工具。操舟机工作时需要由冷却水对机器进行冷却，保证机器温度不超标，否则，机器温度超标后，将烧坏活塞气缸，造成操舟机损坏。洪水测验及黄河抢险中突发操舟机故障，有可能产生较大的安全事故，后果严重。操舟机工作时由自身的水泵抽取河水对机器进行冷却，由于原设计时没有考虑水流含沙量的影响，在多沙河流水域使用时，由于含沙量高、水草多，易造成操舟机冷却水路堵塞，机器无法获得冷却效果。因此，改造操舟机的冷却系统使其适应高含沙水流环境，对于保护机器具有重要意义。

2 操舟机防沙设计与改造

2.1 操舟机防沙设计

操舟机防沙设计的方法是变原来的开放式冷却系统为循环式冷却系统。

操舟机防沙设计包括七个方面：冷却系统总体设计、操舟机进水口、内冷却管路、操舟机出水口、外冷却管路、冷却器、补给水箱等。

冷却系统总体设计是将冷却系统分为内冷却管路、外冷却管路、操舟机进水口、操舟机出水口、冷却器、补给水箱等六部分。连接图见图1。

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图1 操舟机循环式冷却系统图

内冷却管路与外冷却管路主要为冷却系统提供一个水流循环通道，设计时保证这个通道输水通畅，不存在漏水，无水流散失。进水口设计既解决原进水口的封堵问题，又保证满足新进水口的进水要求。出水口设计主要是选择合适的位置，保证正常的循环水流。冷却器设计尽可能的从河水中获得循环水的冷却效果。补给水箱设计主要能保证循环系统的循环水补给及对循环水二次冷却。

新加工船体应设计底仓冷却水箱。对旧船体实际应用中，加工仓底水箱难度较大，船尾只需放置一个盛水容器，接上进出水管即可。如果操舟机使用时间不长，仅用船尾冷却水箱即可。

2.2 操舟机防沙冷却系统改造

操舟机改造的重点为内冷却管路，即从操舟机进水口到操舟机出水口的冷却管路。内部管路需要对所有开放的漏水部分进行封堵，使原来的开放式冷却系统成为循环式冷却系统。

根据操舟机船壳情况加工了冷却器，冷却器形状见图2。

3 操舟机冷却管道分析

操舟机冷却系统抽取河水经水泵及上水管进入发动机冷却管道，然后一少部分从冷却水监视孔流出散落于河水中，大部分进入中间箱体冷却排气管，最后经螺旋桨毂排入河水中。虽然冷却后的水落入河水中，但由于河水多是流动的，排出的水一般不能重新进入冷却管道，不能构成循环，因此冷却系统是开放的。

操舟机改造后的冷却系统工作情况分为冷却管路循环输送冷却水、操舟机机器对冷却水加热、河水对冷却器降温三部分，水体在三部分形成循环。

操舟机改造后的冷却系统为封闭循环系统，机器冷却用水采用封闭式循环系统的清水，循环系统的清水通过冷却器让河水给冷却，降低循环系统清水的温度。

操舟机改造后冷却系统包括两个过程：其一为升温过程：冷却器的循环水进入机器被加热，送回冷却器；其二为降温过程：送回冷却器的热水被冷却器外的河水冷却，然后再进入机器。

操舟机发动机正常工作需要的温度为40～70℃，温度低不利于机器正常工作，温度高容易损坏机器。需要通过设计的方法使机器温度控制在40～70℃之间。

4 操舟机冷却容积计算

正常情况下，操舟机每小时燃油18～20L，合13.05～14.5kg，平均13.78kg。汽油燃烧值为4.7×107J/kg，13.78kg汽油完全燃烧放出的热量为64.766×107J。每分钟燃油0.230kg，完全燃烧放出的热量为1.079×107J。由于汽缸内汽油燃烧不可能是完全的，据有关技术人员估计，燃烧的汽油可能达到70%左右，因此实际燃烧放出的热量为7.56×106J左右。

汽油机可燃烧的混合气体在汽缸内燃烧时所产生的温度很高（约在1500℃以上），在工作中，燃烧的总热量约有25%的热量作为有用功，10%的热量损失于摩擦中，25%的热量由废气带走，40%的热量要传给汽缸外的冷却水。对操舟机来说，需要冷却系统进行冷却的除发动机缸体外，排气管也需要冷却，估计实际需要冷却的热量可能是总热量的50%左右，另有15%左右由废气带走。

通过实际测试，冷却系统在低速、中速、高速三种情况下每分钟的循环水量分别为11.78kg、12.32kg、12.36kg，其数值差别不大，平均每分钟循环冷却水量12.315kg。实测操舟机机器进出水温度差28℃。

试验证明，冷却器冷却速度与冷却器内、外水的温差成正比（如图3）。当温差大时，冷却速度快；当温差小时，冷却速度慢。冷却系统的水体总是由低温到高温，由小温差到大温差，由冷却速度慢到冷却速度快。因此，冷却系统最终总能趋于一个稳定的工作点。冷却器的选择就是要保证这个工作点在40～70℃之间。

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图3 冷却器冷却速度与冷却器内、外水的温差

由于操舟机冷却系统循环水的流量及进出机器冷却水温差变化不大，因此控制水温的方法可以在冷却器上考虑。冷却器管路流量变化不大，当冷却器材质及型号确定以后，决定冷却效果的是冷却器的容积。当冷却器的容积选的大时，冷却管路的热水在冷却器内冷却时间长，温度降低较多，使进入操舟机机器的冷却水温度低，加热后出水温度也低，平衡后的工作点温度低。当冷却器选的小时，冷却管路的热水在冷却器内存留时间短，温度降低较少，使进入操舟机机器的冷却水温度高，加热后出水温度也高，平衡后的工作点温度高。endprint

假设河水温度为T0，进入操舟机机器水温T1，排出操舟机机器水温T2，则进出操舟机机器的水温差为Tjc=T2- T1。当达到温度稳定工作时，进入操舟机机器水温始终为T1，排出操舟机机器水温始终为T2，冷却器冷却过程中的平均温差为Tp=（（T1-T0）+（T2-T0））/2=（2T1+Tjc-2T0）/2。

试验可得，冷却管材不同温差的降温速度Vt为：

Vt=kTp-C

式中：

k：冷却器管随温差散热速度系数；

C：冷却器管随温差散热速度常数。

冷却器中水体循环一次的时间为：

t=Tjc/Vt=Tjc/（k（2T1+Tjc-2T0）/2-C）

操舟机每分钟循环冷却水量用Q表示，则冷却器容积为：

V=Qt

若选定冷却器材料，即可算出冷却器用料长度。

实测水星55操舟机进出机器冷却水的温度差Tjc为28℃，1分钟循环冷却水量为12.315kg，Q=12.315 L/min。假设河水温度T0为20℃，保证操舟机进水温度T1为55℃。

选用φ25园不锈钢管，实测k为0.0222，C为0.0238。则可计算出冷却器一个循环的时间为26.3s，冷却器容积为5.4L，管长11m。可以此为依据进行冷却器的加工。实际实施中，在操舟机尾部水流淹没的空间有限，采用φ25园不锈钢管无法满足需要冷却的长度。改用方管不锈钢冷却器由40×40不锈钢管制作，宽度1.45m，厚度110mm，高度320mm。水箱管总长度13.76m，装水量20kg。考虑2/3的淹没管长，冷却循环过程水温稳定计算见表1。

表1 操舟机方管冷却循环过程水温稳定计算

■

表1计算结果表明，操舟机冷却水循环9次以后就可以达到温度稳定，工作点在机器工作温度的最佳状态。

5 改造后的操舟机现场试验

改造后的操舟机在黄河潼关水文站河道中进行了连续运行6h的现场试验，机器工作正常，没有出现机器超温报警情况，说明设计及改造是成功的。试验中虽然含沙量不大，但冷却系统内部为清水循环，含沙量大小与冷却系统运行已没有太大的关系。

6 结论

①河水含沙量较大时影响操舟机的使用甚至操舟机无法运行，存在冷却管路堵塞及烧坏机器的危险。洪水中操舟机故障将威胁工作人员的生命，进行操舟机防沙改造是必要的。

②操舟机冷却器容积的选择关系操舟机防沙改造的成败。容积过大在操舟机上不容易安置；容积太小满足不了冷却要求，达不到冷却效果。冷却器容积可以通过设计方法确定。

③通过试验证明，操舟机冷却器容积设计方法是正确的，结果是合理的。

参考文献：

[1]张学宁.“67式”操舟机点火系统改进试制[J].山东内燃机，2002（01）.

[2]黄佳典，郭伟，刘波，王茂生.某型柴油机回油冷却器改进方案设计[J].中国修船，2004（01）.

[3]胡国俊.大马力操舟机6E80C汽油发动机活塞热故障原因初步探讨[J].小型内燃机，1983（02）.

作者简介：

高俊生（1965-），男，山西芮城人，技师，主要从事船舶技术研究。endprint

假设河水温度为T0，进入操舟机机器水温T1，排出操舟机机器水温T2，则进出操舟机机器的水温差为Tjc=T2- T1。当达到温度稳定工作时，进入操舟机机器水温始终为T1，排出操舟机机器水温始终为T2，冷却器冷却过程中的平均温差为Tp=（（T1-T0）+（T2-T0））/2=（2T1+Tjc-2T0）/2。

试验可得，冷却管材不同温差的降温速度Vt为：

Vt=kTp-C

式中：

k：冷却器管随温差散热速度系数；

C：冷却器管随温差散热速度常数。

冷却器中水体循环一次的时间为：

t=Tjc/Vt=Tjc/（k（2T1+Tjc-2T0）/2-C）

操舟机每分钟循环冷却水量用Q表示，则冷却器容积为：

V=Qt

若选定冷却器材料，即可算出冷却器用料长度。

实测水星55操舟机进出机器冷却水的温度差Tjc为28℃，1分钟循环冷却水量为12.315kg，Q=12.315 L/min。假设河水温度T0为20℃，保证操舟机进水温度T1为55℃。

选用φ25园不锈钢管，实测k为0.0222，C为0.0238。则可计算出冷却器一个循环的时间为26.3s，冷却器容积为5.4L，管长11m。可以此为依据进行冷却器的加工。实际实施中，在操舟机尾部水流淹没的空间有限，采用φ25园不锈钢管无法满足需要冷却的长度。改用方管不锈钢冷却器由40×40不锈钢管制作，宽度1.45m，厚度110mm，高度320mm。水箱管总长度13.76m，装水量20kg。考虑2/3的淹没管长，冷却循环过程水温稳定计算见表1。

表1 操舟机方管冷却循环过程水温稳定计算

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表1计算结果表明，操舟机冷却水循环9次以后就可以达到温度稳定，工作点在机器工作温度的最佳状态。

5 改造后的操舟机现场试验

改造后的操舟机在黄河潼关水文站河道中进行了连续运行6h的现场试验，机器工作正常，没有出现机器超温报警情况，说明设计及改造是成功的。试验中虽然含沙量不大，但冷却系统内部为清水循环，含沙量大小与冷却系统运行已没有太大的关系。

6 结论

①河水含沙量较大时影响操舟机的使用甚至操舟机无法运行，存在冷却管路堵塞及烧坏机器的危险。洪水中操舟机故障将威胁工作人员的生命，进行操舟机防沙改造是必要的。

②操舟机冷却器容积的选择关系操舟机防沙改造的成败。容积过大在操舟机上不容易安置；容积太小满足不了冷却要求，达不到冷却效果。冷却器容积可以通过设计方法确定。

③通过试验证明，操舟机冷却器容积设计方法是正确的，结果是合理的。

参考文献：

[1]张学宁.“67式”操舟机点火系统改进试制[J].山东内燃机，2002（01）.

[2]黄佳典，郭伟，刘波，王茂生.某型柴油机回油冷却器改进方案设计[J].中国修船，2004（01）.

[3]胡国俊.大马力操舟机6E80C汽油发动机活塞热故障原因初步探讨[J].小型内燃机，1983（02）.

作者简介：

高俊生（1965-），男，山西芮城人，技师，主要从事船舶技术研究。endprint

假设河水温度为T0，进入操舟机机器水温T1，排出操舟机机器水温T2，则进出操舟机机器的水温差为Tjc=T2- T1。当达到温度稳定工作时，进入操舟机机器水温始终为T1，排出操舟机机器水温始终为T2，冷却器冷却过程中的平均温差为Tp=（（T1-T0）+（T2-T0））/2=（2T1+Tjc-2T0）/2。

试验可得，冷却管材不同温差的降温速度Vt为：

Vt=kTp-C

式中：

k：冷却器管随温差散热速度系数；

C：冷却器管随温差散热速度常数。

冷却器中水体循环一次的时间为：

t=Tjc/Vt=Tjc/（k（2T1+Tjc-2T0）/2-C）

操舟机每分钟循环冷却水量用Q表示，则冷却器容积为：

V=Qt

若选定冷却器材料，即可算出冷却器用料长度。

实测水星55操舟机进出机器冷却水的温度差Tjc为28℃，1分钟循环冷却水量为12.315kg，Q=12.315 L/min。假设河水温度T0为20℃，保证操舟机进水温度T1为55℃。

选用φ25园不锈钢管，实测k为0.0222，C为0.0238。则可计算出冷却器一个循环的时间为26.3s，冷却器容积为5.4L，管长11m。可以此为依据进行冷却器的加工。实际实施中，在操舟机尾部水流淹没的空间有限，采用φ25园不锈钢管无法满足需要冷却的长度。改用方管不锈钢冷却器由40×40不锈钢管制作，宽度1.45m，厚度110mm，高度320mm。水箱管总长度13.76m，装水量20kg。考虑2/3的淹没管长，冷却循环过程水温稳定计算见表1。

表1 操舟机方管冷却循环过程水温稳定计算

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表1计算结果表明，操舟机冷却水循环9次以后就可以达到温度稳定，工作点在机器工作温度的最佳状态。

5 改造后的操舟机现场试验

改造后的操舟机在黄河潼关水文站河道中进行了连续运行6h的现场试验，机器工作正常，没有出现机器超温报警情况，说明设计及改造是成功的。试验中虽然含沙量不大，但冷却系统内部为清水循环，含沙量大小与冷却系统运行已没有太大的关系。

6 结论

①河水含沙量较大时影响操舟机的使用甚至操舟机无法运行，存在冷却管路堵塞及烧坏机器的危险。洪水中操舟机故障将威胁工作人员的生命，进行操舟机防沙改造是必要的。

②操舟机冷却器容积的选择关系操舟机防沙改造的成败。容积过大在操舟机上不容易安置；容积太小满足不了冷却要求，达不到冷却效果。冷却器容积可以通过设计方法确定。

③通过试验证明，操舟机冷却器容积设计方法是正确的，结果是合理的。

参考文献：

[1]张学宁.“67式”操舟机点火系统改进试制[J].山东内燃机，2002（01）.

[2]黄佳典，郭伟，刘波，王茂生.某型柴油机回油冷却器改进方案设计[J].中国修船，2004（01）.

[3]胡国俊.大马力操舟机6E80C汽油发动机活塞热故障原因初步探讨[J].小型内燃机，1983（02）.

作者简介：

高俊生（1965-），男，山西芮城人，技师，主要从事船舶技术研究。endprint