某V型柴油机冷却水温度低案例介绍

荀向红

摘要：某V型柴油机运行时冷却水温度呈现偏低现象，初步判断为A排恒温阀过早打开，造成系统淡水温度偏低。勘验时通过关闭相应阀门，检测相关接口温度变化，确认A排恒温阀工作正常，出现了违背直觉判断的情况。随着试验和检测的深入进行，确认故障原因为B排恒温阀温包失效。

关键词：恒温阀;蝶阀;汇集水箱;正对冲射流;夹角

0  引言

柴油机冷却水恒温阀的核心部件是传感器，即温包。本案例采用内置式，温包内充有感温介质，能够感应环境温度，随感应温度的变化产生体积变化，带动调节阀产生位移，进而调节至冷却器的通水量来改变冷却器的散热量。

1  冷却水系统

某船采用两台V型柴油机作为推进主机，柴油机在工作时冷却水分别由A、B排机带水泵将冷却水经两侧的滑油冷却器压入柴油机A、B两侧的冷却水进水管路，然后再进入发动机机体冷却水腔。冷却水在发动机内自下而上冷却气缸套并经过渡孔进入气缸盖的冷却水腔。从各气缸盖中来的冷却水汇集到两侧出水总管内，如图1所示，在自由端的汇集水箱内汇流后再分两路至兩侧的A、B排冷却水恒温阀。恒温阀根据其温度状况将冷却水直接送到淡水泵泵前或旁通至淡水冷却器再输送回至冷却水泵泵前。

2  现场描述

两舷柴油机推进至进一工况运行约半小时后，左机汇集水箱冷却水温度TW约73℃，右机约78℃，左机冷却水温度偏低。现场检查A、B排恒温阀旁通和回水管段温度，手感检查阀F1、F2管段温度，阀F1处温度较高，F2处温度明显低于F1;阀F3、F4管段温度高，且基本一致，由此可知左机A排恒温阀有显著经过冷却的回水，恒温阀已打开;B排恒温阀无回水，未打开。右机两侧恒温阀均打开，均有温度较低的回水，工作正常。推进至进六工况后，左机冷却水温度TW为76℃，滑油温度TL为83℃，B排恒温阀仍未打开;右机冷却水温度为80℃，滑油温度84℃，两侧恒温阀工作正常。

3  初步判断

该型柴油机所采用冷却水恒温阀设定值为75℃打开，90℃全开，动作状态如图2、图3所示。初步判断左机A排冷却水恒温阀开启温度设定值偏低，因过早打开，造成柴油机冷却水温度偏低，B排恒温阀因达不到开启温度而保持关闭状态。

4  恒温阀工作示意图

冷却水温度低于75℃时，见图2，调节阀保持闭合状态，冷却水直接回至泵前。

冷却水温度达到90℃时，见图3，调节阀全开，冷却水全部旁通至板式淡水冷却器。

5  排查和试验

5.1 关闭阀F3、F4

柴油机带轴运行至进一低工况，关闭碟阀F3和F4，即B排恒温阀的回水和旁通蝶阀。随着水温上升，用点温枪检查测点T1和T2温度变化。经检测，确认A排恒温阀在75℃时打开，设定值标定准确。

5.2 关闭阀F2

上述试验后，打开碟阀F3和F4，然后关闭碟阀F2，此时F3管段处温度迅速降低，确认B排恒温阀至淡水冷却器的管路没有污堵情况。

5.3 试验小结

上述试验结果违背了原因分析时形成的初步共识。那么左柴油机冷却水温度较低问题的原因趋向由B排恒温阀故障所致，这初看起来可能是个错误。

6  深入进行的排查

6.1 继续进行试验，关闭F1

关闭碟F1，使F1和F2同时处于关闭状态。测点TW温度逐步上升至77℃，测点T3、T4同步上升至约77℃，表明B排恒温阀仍未能打开。

再打开F1、F2，测点温度TW逐步降低，然后回复到初期的73℃。

6.2 进行全面的冷却水系统温度检测

如图1所示，检测时增加了四个测点温度，即柴油机A、B排恒温阀进水温度TA和TB;板式淡水冷却器淡水进、出口温度T5和T6。以下是加载至进六工况时各参数记录如表1。

结合表1数据分析，A排冷却水压力0.29MPa，而B排为0.33MPa，当前仅A排恒温阀正常打开，说明A排恒温阀旁通出的冷却水因受到板式冷却器的管路阻力，造成A排冷却水压力低于B排。

结合各测点温度进行分析，汇集水箱水温TW=76℃，A排恒温阀进口、旁通、回水温度TA、T1、T2分别为78℃、78℃、46℃，B排TB、T3、T4分别为76℃、75℃、76℃，板式冷却器进、出口温度T5、T6分别为77℃、47℃。对比右机参数，是否可以推断出由于B排泵出口压力略大于A排，汇集水箱内压力、温度略高的B排冷却水在与A排冷却水汇合后其主力部分进入A排冷却水管道;同理，A排压力、温度较低的冷却水主力部分则进入了B排恒温阀，然后直接回流至泵前。

6.3 汇集水箱内两股射流汇合后的状态分析

汇集水箱A、B排进口的两股射流在同一轴心线上，系正对冲射流。两个喷口直径相等，如果两股射流动量相等，射流相互撞击后，有一个挤压和转向的过程，向着与初始射流轴心线垂直的方向均匀流去，而且很对称，这是在一个很大的自由空间内的理想流动过程。

在实际汇集水箱内，由于两股射流压力的偏差，B排射流压力略大于A排，流速也大于A排。射流相互撞击后，经挤压和旋转后汇合流不再垂直初始射流方向，而是向A排偏移呈轴对称的伞状体。

设两个喷口直径同为d，汇合后总流量Q合等于两个射流的流量Q1和Q2之和。

即Q合=Q1+Q2=（V1+V2）×πd2/4

根据动量方程，可以反应出夹角θ与密度ρ及流速V合、V1、V2的关系。

ρQ合V合cosθ-[ρQ1V1-ρQ2V2]=0

→（πd2/4V1+πd2/4V2）V合cosθ=πd2/4（V12-V22）

→cosθ=（V1-V2）/V合

这样，如图4所示，在汇集水箱内的两股正对冲射流因流速的差异，射流相互撞击后，汇流方向与初始轴心线形成夹角θ。B排冷却水的主力部分随夹角θ流入对侧A排恒温阀进口管;由于受到上部和右侧水腔侧壁的限制，汇合流的其余部分形成强烈的紊流进入左侧B排恒温阀进口管。

6.4 结合射流分析确定问题原因

两股正对冲射流因动量不同，汇合流角度不再垂直于轴心线，发生偏移后压力、温度较高的B排冷却水主力部分进入A排冷却水管道至A排恒温阀，而温度较低的A排冷却水主力部分则进入B排管道。从而形成了在A排恒温阀能够正常打开工作，B排恒温阀始终关闭条件下，实际进行着“A B排一线式串联”循环冷却状态，即B排冷却水→汇集水箱→A排恒温阀→板式冷却器→A排淡水泵→A排冷却水→汇集水箱→B排恒温阀→B排淡水泵→B排冷却水。

7  拆检、处置和验证

拆下B排恒温阀，经检查未发现调节阀移动的相关部位有锈蚀、卡滞痕迹。将温包加热至95～100℃，调节阀仍不能打开，确认温包已失效。

随后更换了B排恒温阀，经后续航行验证，左机各工况冷却水温度恢复正常。

8  结束语

利用关闭相应阀门的方法作为恒温阀工作状态的检查手段在低工况时短时间运行是可行的。本案例介绍了V型柴油机在只有一个恒温阀正常工作情况下，并没有出现冷却水温度过高的情况，反而出现略低于邻机的情况。此案例作为特殊个案介绍，后续有待进一步研究探讨。

参考文献：

[1]母忠林.柴油机维修技巧与故障案例分析[M].成都：机械工业出版社，2010.

[2]黄少竹，现代船舶柴油机故障分析[M].大连：大连海事大学出版社，2005.

[3]夏国泽.船舶流体力学[M].北京：华中科技大学出版社，2003.