发动机研制试验循环水系统建设要素分析

摘要：旨在通过循环水系统中水量、水压及水质要素对系统建设经济及技术影响的分析，对优化建设方案，选择合理的运行模式进行分析，用以节约项目前期建设投入。通过对相关研究资料的整理及查阅，结合自身的经验，首先对用水特点及常见的问题进行了简要的分析，随后从水量、水压及水质3个建设要素对发动机研制试验的影响进行了分析，由此得出了发动机研制试验基础设施建设中，需配套建设循环水系统。根据发动机研制试验本身用水特点，节省系统后期运行维护成本，减少因水系统运行质量造成的试验故障。

关键词：基础设施循环水建设要素水量水压水质建设方案

中图分类号：TK401

AnalysisoftheConstructionElementsoftheCirculatingWaterSysteminEngineDevelopmentTests

ZHANGQian

AECCHunanAviationPowerplantResearchInstitute，Zhuzhou，HunanProvince，412002China

Abstract：Byanalyzingtheeconomicandtechnologicalimpactsoftheelementsuchaswaterquantity，waterpressureandwaterqualityonsystemconstructioninacirculatingwatersystem，thearticleaimstoanalyzetheoptimizationoftheconstructionplanandtheselectionofareasonableoperatingmode，soastosaveinvestmentintheearlyconstructionoftheproject.Bythecollationandreviewofrelevantresearchdata，combinedwiththeauthor'sownexperience，thisstudyfirstbrieflyanalyzesthecharacteristicsandcommonproblemsofwateruse， thenanalyzestheimpactofthethreeconstructionelementsofwaterquantity，waterpressureandwaterqualityonenginedevelopmenttests，andconcludesthatintheinfrastructureconstructionofenginedevelopmenttests，itisnecessarytobuildthecirculatingwatersystem.Basedonthewatercharacteristicsoftheenginedevelopmenttestitself，theoperationandmaintenancecostsofthissysteminthelaterstagearesaved，andthetestfailurescausedbytheoperationqualityofthewatersystemarereduced.

KeyWords：Infrastructure;CirculatingWater;Constructionelement;Waterquantity;Waterpressure;Waterquality;Constructionscheme

根据国家建设资源节约型社会的要求，在发动机研制试验配套水系统建设中，应充分考虑水资源的利用效率，建设优质高效的循环水系统。循环水系统一般分为敞开式和封闭式两大类。封闭式循环冷却水系统对于较大型循环冷却水系统，冷却设备比较庞大复杂。发动机研制试验区往往由多个试验厂房（试车台）组成，系统较大，用水点多且分散，所以一般采用敞开式循环水系统。本文针对发动机研制试验对循环水的需求特性，通过对试验基础设施建设前期的建设方案要素进行探讨，为发动机研制试验设施建设中循环水系统建设方案选择提供思路。

1用水特点及常见问题

1.1用水特点

水因具有很好的流动性、稳定性及不可压缩，且比热容相对较大，在吸收相同的热量下，变化的温度相对较小故被广泛用作设备冷却介质。在发动机研制试验中，无论是机械试验、结构强度试验还是整机试验，因用水设备差异性与用水不确定性，有着区别于其他工业循环用水的显著特点[1]。

1.2常见问题

某航空发动机研制试验基地采用泵直供且采用统一规格的水泵，小流量试验时设备运行损耗大，能源消耗大；某发动机试验区内强度试验厂房共用给回水管，用水差异较大的试验设备，某试车台在试验中设备循环水进水压力0.43MPa，回水压力0.42MPa，回水不畅，水温超高，只能采用直排的方式来降低温度；某试验区域内气源厂房发现设备进水水压不足，经检查设备进水的过滤器发现有泥沙淤积，增大了设备进水的压力损失[2]。

2循环水系统建设的要素及影响

2.1水量

循环水量直接决定了发动机研制试验基础设施中循环水系统建设规模的大小。在航空发动机研制这种非连续、非同时设备全开用水的试验区建设过程中，只有合理的循环水量才能节约项目投资成本，最大限度地利用水资源，且达到理想的用水效果[3]。

2.1.1水量的确定

确定系统的循环水量先需确定单台设备的用水需求。一般来说，设备用水的数据厂家会根据经验值提供，有的需通过水力计算校核，如水力测功器。

以美国康恩公司404-020水力测功器为例，其给出计算公式如下：公式如下：

Qmax=14.33P/（t2-t1）（1）

式（1）中：Qmax为流量，单位为（L/min）；P为吸收功率，单位为kW；t1为进水温度，单位为℃；t2为出水温度，单位为℃。

根据测功器给出进水温度限值t1=32℃以内，出水温度上限值t2=70℃，测功器最大吸收功率Pmax=1193kW，即可计算出Qmax=450L/min，从而确定该设备的循环水量。

当单台设备循环水量确定之后方可计算总循环水量。某航空发动机试验区对转桨扇综合试验器提供用水量数据为40m3/h，而用气设备涡桨发动机动力涡轮试验器提供用水量数据为1800m3/h，配套气源设备中某型压缩机用水量为340m3/h。根据试验器本身的性质决定的用水量的不同，并考虑开车组合及各试车台同时试车率，可将用水设备分系统建设，效率低的循环水系统。

2.1.2水量对系统建设的影响

（1）总水量的大小决定了系统水池的大小。

①敞开式循环冷却水的系统容积宜小于小时循环水量的1/3。当按下式计算的系统容积超过前述规定时，应调整水池容积[3]。

V=Vf+Vp+Vt（2）

式（2）中：V为系统容积，单位为m3；Vf为设备中的水容积，单位为m3；Vp为管道容积，单位为m3；Vt为水池容积，单位为m3。注：考虑今后的发展，在场地允许的条件下还是要尽量按上限值设计。

②根据需求不同，系统会设计有一个或者多个水池。

（2）循环水量的变化决定了系统中设备处理流量的选择。

冷却塔处理水量应根据换热设备的数量及工况进行选择。循环水量的大小决定了选择冷却塔与整个试验区运行工况进行匹配。根据循环水量的变化组合使用冷却塔可以最大程度地利用冷却塔效率，降低设备空载率及故障率，达到节约投资、减少运行成本、节省能耗的目的[4]。

水泵的流量选型取决于循环水量的大小变化。采用泵直供的压力流为试验设备提供循环冷却水的系统中，需合理选用水泵运行供水，尽量接近水泵自身特性曲线中的高效率段，冷却塔与水泵进行流量匹配；采用高位水池/水塔重力流供水的系统中，水泵流量选型可在冷却塔选型确定后与冷却塔匹配。

（3）设备用水量的大小决定了循环水管网管径。

输配水管网作为一次性投入的基建项目，其管径大小取决于输水量的大小。在管网建设中，考虑采用经济流速来平衡投资与运行费用，使管网设计更加合理[5]。

2.2水压

发动机研制试验基础设施中设备对循环水压力的要求至关重要，只有根据设备对循环水压力和精度要求，对进行整体分项统筹考虑，才能够合理建设试验区循环水系统，减少投资，提高系统运行经济性[6]。

2.2.1水压的确定

单台设备的进口所需压力值由厂家给定，一般为0.3～0.4MPa。少数试验设备所需水压达到4MPa。供水压力需保持稳定，压力波动值一般为±7kPa。出于流量及压力的考虑，整个发动机研制试验区内循环水系统建议分为：一般试验、供用气试验及水力测功3个循环水系统。少数需要高压水的试验设备可单独考虑水池水泵进行增压[7]。

2.2.2水压对系统建设的影响

（1）水压要求决定水池形式与数量。

在水力测功器循环水系统建设中应考虑高位水池/水塔或采用可靠性高的稳压供水设备，保障系统供水的连续及水压的稳定。由于设备及试验状态不同，可能导致设备出水不畅，散热效果差，应适当考虑中间水池，让设备回水与大气接通以减小回水阻力。对于高压用水设备，需单独建设水泵吸水池[8]。

（2）系统水压大小决定了水泵的扬程选择。

对于系统循环主水泵，其扬程与循环水系统所需要的水压一致。如设有中间水池或高压水泵吸水池，其水泵扬程可参照系统所需水压计算公式进行计算。与实际接近的压力计算值可使所选择的水泵工况点处于水泵运行的高效段。

（3）水压的变化影响管网的建设。

为保障水力测功器正常工作，通常在水池/水塔单独设置供水管接入用水设备。对于其他试验设备，循环水系统需考虑采用放大回水管径或建设中间回水池的方式来削弱设备回水之间的影响。

2.3水质

在循环水系统中，处理水温符合散热器的要求试验才能正常进行。而采用敞开式循环的水系统在运行过程中，导致循环水的溶解氧一直处于饱和状态，钙镁离子析出倾向增大，可能造成试验设备换热效率降低，严重时会造成设备的腐蚀，引发事故。故在发动机研制试验循环水设施建设中，应选用适当的冷却设备以及冷却水处理的设施设备[9]。

2.3.1水质的确定

水温数据由用水设备提供。发动机研制采用的试验设备，其温差为10℃左右；水力测功器温差在28℃左右。对于有特殊要求则由设备配套考虑降温措施。

敞开式循环水系统的用水设备一般会提出用水条，如表1所示；当用水设备对水质要求不明确时，可参考敞开式循环冷却水水质标准[3]。

2.3.2水质对系统建设的影响

（1）水温决定冷却塔选型。循环水系统中，降低水温由冷却塔实现。因此对水温的要求决定了冷却塔选型。在发动机研制试验的处理水温及温差要求下，常考虑选用高温型冷却塔。

（2）水质要求决定配套水处理设施的建设。试验基地采用自来水作为循环水水源，但水质要求存在差异，如生活饮用水卫生标准中总硬度（以Ca2+计）450mg/L，高于敞开式循环冷却水水质标准规定的允许值200mg/L。某航空发动机研制试验区2014年水质检测结果为：目测可见较多藻类；pH值：8.62；总硬度（以Ca2+计）：106.92mg/L。该区循环水未经处理，检测项目略高于离心机的水质要求限值，因此还需要采取一定的水处理措施。

3结论

在发动机研制试验循环水系统建设中，应综合考虑水量、水压、水温水质对建设方案的影响，在方案确定时避免以往在试验过程中出现过的问题，避免建设系统能力过小导致不满足最终建成试验区的需求；对水压的考量必须充分考虑不同设备之间水压的相互影响，避免回水不畅导致的试验故障；水质的考虑应选用恰当的冷却设备保障水温，选择适用的水处理设备保证水质。综合考量各项建设要素才能保证建成的水系统高效顺畅运行。

参考文献

［1］张宝钢，管永涛主编.给水排水设计手册第2册建筑给水排水[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：68，75.

［2］冯旭东.给水排水设计手册第4册工业给水处理[M].北京：中国建筑工业出版社，2002：90，99.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.工业循环水冷却设计规范：GB/T50102—2014[S].北京：中国计划出版社，2014：120-125.

［4］王增长.建筑给水排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：40-48.

［5］旷金国，王朝晖，罗曙光，等.一机一泵组合的冷却水泵工作区与变频运行分析［J］.暖通空调，2024，54（1）：119-124，156.

［6］陈建昌，鄢亚.冷却塔免费冷却应用于数据中心选型分析［J］.暖通空调，2023，53（S2）：68-73.

［7］廖华丰，袁尚，高兰，等.某钢铁企业循环水处理加药间设计优化研究［J］.工业水处理，2023，43（7）：212-216.

［8］杨文忠，尹晓爽，陈云，等.我国工业冷却水处理技术发展回顾与展望［J］.工业水处理，2021，41（9）：1-10.

［9］郭宇明.循环水冷却水系统建模与优化设计方法研究［D］.沈阳：东北大学，2019，40（1）：98-105.