应急柴油机水泵机组冷却系统方案分析与比较

肖小力　陈超　赵红岗

摘要：目前，我国的工业发展取得了显著成就，由此为应急柴油机水泵机组的发展创造了良好条件，柴油机的需求量也大大增加。在应急柴油机的水泵机组结构构成中，冷却系统占有重要地位，关系着柴油机的整体运转质量。文章对某企业应急柴油机水泵机组的各个冷却方案进行了分析和比较，根据最终的对比结果选择了最为合理的冷却方案。

关键词：应急柴油机；水泵机组；冷却系统；空冷冷却方式；水冷冷却方式 文献标识码：A

中图分类号：TK424 文章编号：1009-2374（2016）26-0114-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.055

在现代化工业生产中，柴油机的供应量明显增加，根据柴油机水泵机组的实际使用状况来看，一旦发生了事故就需要一直保持工作状态直至事故状态被解除。在柴油机自成套技术的应用下，冷却系统配套发挥着重要作用，对于不同的冷却系统需要有正确的分析，确定出最佳的冷却系统方案，从而保证柴油机水泵机组的正常运行。

1 应急柴油机水泵机组的冷却系统

通常情况下，柴油机的冷却有两种形式：一种是空冷；一种是水冷。空冷就是依靠风扇所产生的风力来带走柴油机的热量，起到一个很好的散热作用；而水冷则是依靠外循环水来起到散热作用，在循环水的作用下将柴油机的散热量带走。由于冷却系统是柴油机正常稳定运行所不可缺失的要素，因此对于冷却系统也具有以下三点要求：

第一，冷却系统的正常运行必须要有一个标准，这个标准就是能够确保整个装置包括柴油机在内都可以正常稳定地进行工作。

第二，在灰尘较多的环境下也要保证其散热性能的良好，不会造成热量温度过高，从而影响到正常运行。

第三，在高温地区或者是海拔高度较高的特殊环境下，冷却系统也要保证可以正常工作。

总而言之，作为柴油机运行的重要保障，冷却系统必须要确保柴油机在各种不同的环境下对冷却的介质起到控制作用，例如对于发动机的冷却液、机油以及增压空气介质等在正常或者是最佳的温度范围之内，以此来保证工程机械包括发动机在内可以安全可靠地工作。

一般情况下，柴油机的正常工作都会对温度特别敏感，气缸内部所燃烧的气体，它的温度非常高，甚至达到了2000℃，并且在整个工作循环中，整个环境的气体均温也在700℃～1000℃之间，也是很高的状态。此外，那些和高温燃气相接触的部件，例如常见的气缸套、活塞以及排气和进气门等也会由此而受热温度增高，如果不及时地进行冷却降温，就会导致这些部件出现以下严重状况：

第一，导致所用材料自身所具有的机械性能出现明显的下降，并且由此还会对正处于运动状态下的各个部件带来影响，使得它们之间的正常间隙受到破坏，进而出现磨损状况，严重的话还会导致活塞出现卡滞现象。

第二，导致各个零部件的热应力和热变形力明显增大，甚至于导致气缸头产生热裂纹。

第三，直接使机油自身的黏度特性大大下降，甚至于丧失。此外，它所引起的氧化变质现象，进一步加剧了部件的磨损，同时还会直接影响燃烧室的密封状况。

第四，需要注意的是，燃烧室是由各个零部件构成的，那么这些零部件自身的温度也是会上升的，上升过程比较缓慢，温度升高会引起充入气缸内的新鲜空气的温度升高，也就使得柴油机在运转中的功率出现大幅度下降的状况。

一般来说，较为常用的冷却系统主要分为两种：一种是外循环水冷；另一种是风扇式的水冷。前者外循环水冷却系统指的是软水在冷却进行的空间内以及管路管道空间中所形成的一个闭合式循环状态，而外循环水相对来说，主要是用来对软水进行冷却处理的，主要是用以对软水冷却功能的维持；而后者的风扇式水冷的不同之处则是利用吹式风扇来对软水进行冷却。

2 空冷冷却方式

空冷冷却方式采用的是吹风式水箱进行冷却，这种冷却方式存在的主要问题就是风扇方面。从它的驱动现状和构成来看，当前最常用的驱动有三种形式，即电驱动风扇、机械驱动风扇以及液压驱动风扇。因为柴油机是直接应用于柴油机水泵机组中的，因此在事故发生时，它的现场是不需要电力供应的，在选择形式时不会考虑第一种，这与实际状况不相吻合。

2.1 机械驱动风扇

这种冷却方式的应用需要考虑到柴油机性质，因为原DEUTZ柴油机主要是为柴油发电机组使用的柴油机，因此就需要对柴油机的前端盖部分由技术人员进行相应的改装和处理，可以从柴油机的内部加装一根传动轴，在它的作用下带动冷却风扇，那么要采用这种方式就需要从国外进口所有的零部件，整个过程所花费的周期时间较长。具体来说，可能会涉及到100多个零部件，在具体的改装上并不一定能确保到位，可靠性待商榷。

2.2 液压驱动风扇

这种驱动方式的运作原理是对柴油机自身已具有的取力口来额外加装一个齿轮，在齿轮的作用下带动马达开始工作，并在这个马达的作用下对冷却风扇起到驱动作用进而使其冷却。该企业对于取力窗口中的各个参数信息在取证过程中会有很大难度，并且在当前国内这方面研究中，应急柴油机水泵机组的柴油机技术改造并没有一个特别准确的型号，具体型号只是以类似为主，确定柴油机原厂之前改装过的柴油机液压驱动资料和柴油机的液压辅助动力输出驱动部件的简化图纸，可以发现还存在以下两个问题：

第一，结合柴油机原厂提供的图纸资料和参数信息，技术人员经过分析可以判定改造之后的柴油机是配有两个液压马达装置的。基于此，在其他的每一台柴油机中也需要相应的配套驱动部件，但是实际状况却是所完成配套的只有一个。

第二，这些辅助动力零部件是否可以和现在所需改造的柴油机相互配套还不是很确定。

3 水冷冷却方式

这种冷却方式相对于前者的空冷方式来说，两者还是具有一定差别的，从实际应用来看，它主要是在两个热交换器的作用下，使其发挥上述风扇冷却形式中的中冷器、冷却风扇以及水箱的作用。但是在现场需要考虑的主要问题，是外循环水如何获得？需要以何种方式何处来获得？如果采用新的一路来提供的话势必会引起很多不必要的麻烦，单单造价上就会有很多支出，但是在结合之前的施工经验和现有技术来看，对于它的冷却水提供，可以从应急柴油机水泵机组自身的分流来获得。需要注意的是，这种设计方案在设计时还需要考虑三个问题：

第一，初步计算外循环水量大致的用量是73m3/h，循环水管路DN≥50mm。外循环水的水温度越高，对于水量的需求就会越大。此种计算所依据的参数是冷却水的温度是常温状态，经过热交换器后温度会上升5℃，水速为2.5m/s，柴油机的散热功率是386kW。另外，离合器散热需求的冷却水含量是5m3/h。而现场应急柴油机水泵机组的额定工作参数是5500m3/h，两者相比较，它的分流水量相对额定参数会比较小，因此对于现场事故状态的用水量影响是不大的。它的具体计算公式是：

Q=Cp×m×△t

式中：Q表示的是柴油机散热功率，不同的散热功率大小是不一样的，内循环水散热功率是252kW，增压空气散热功率是134kW；Cp表示的是水的比热容，t的取值范围是0℃～100℃之间；△t表示的是热交换器外循环水进出口温度的差，需要注意的是，外循环水温度的不同，所引起的温度差也就不同；m表示的是外循环水的流量大小，那么按照上述的参数计算，最终所需的水量大约是66377kg/h，也就是67m3/h，按照这一流量的要求，最终的管路DN就要至少在50mm以上。

第二，如果要从应急柴油机水泵机组的水泵出口进行分流，就需要在水泵出水口位置安装一个分流用阀和管路器件在柴油机热交换器的进水口位置，此外，还会涉及到热交换器出水流向的问题，需要依据现场状况来进行合理化处理，从而保证水不会大量浪费。

第三，在现场的水温度高低状况会对热交换器的选型计算产生重要影响，还需要对事故状态的最差状况进行考虑，这样可以保证所设计的水温可以完全满足柴油机冷却系统的散热要求，使其可以正常工作。

4 冷却系统对柴油机性能的影响

4.1 柴油机零部件出现磨损

柴油机一旦过热，它的充气系数就会下降，燃烧会处于不正常状态，机油编制和烧损，导致零部件的摩擦和磨损程度加剧。此外，按照大多数实践经验，柴油机如果是在冷却之后强行使用，它的零部件磨损会是正常状态下的翻倍。

4.2 燃油消耗量较大

导致附件消耗功率增大的原因有很多种，功率增大不仅会使柴油机的动力性下降，还会导致柴油机自身的消耗效率变高，从而使其经济效益下降。

第一，它的冷却过度会导致柴油机的散热量变大，使其自身的热效率下降。

第二，冷却液流动的阻力变大会直接引起水泵的驱动功率变大，而风扇所需要克服的系统阻力变大也就引起了它的功耗率变大。

4.3 整机的噪音明显增大

整机的噪音影响中，风扇所产生的噪音占有主要部分。风扇所产生的噪音主要分为空气动力噪音和驱动装置所产生的噪音，其中主要是以空气动力噪音为主，这种空气动力噪音并不是单一要素构成的，它包含有旋转噪声和涡流噪声两部分，其中前者的旋转噪声和叶片的圆周速度10次方成正比关系；而后者涡流噪声和叶片圆周速度的6次方成正比关系，这也就充分说明了风扇的叶片圆周速度越大，它所产生的噪声就会越大。

5 结语

在现代工业生产领域中，柴油机的应用十分普遍。在柴油机的正常运转中，冷却系统发挥着极其重要的作用，它是柴油机性能得以确保的重要保障。由于冷却系统的多样性，在对其进行设计和匹配时就需要根据实际状况经过大量的设计试验来进行验证和优化，从而选择最为合适的一种，保证柴油机的正常稳定运转。

参考文献

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（责任编辑：小 燕）