（轮机工程专业论文）船舶主机冷却水系统的建模与仿真.pdf

中文摘要摘要主机冷却水系统是保障主机正常稳定运行的重要辅助系统。它通过冷却水的循环带走了主机运转过程中散发出来没有转化为机械能的热量，从而避免了因大量热量的积累而造成的金属疲劳脆化和润滑油的失效。因此，主机冷却水系统性能的优劣直接影响到船舶主机的工作性能，想要优化和充分发挥船舶主机冷却水系统的性能，就需要了解它在工作时的热力水力动态过程。m a t l a b 软件是当前最为流行的计算机建模仿真工具。基于m a t l a b 的船舶主机中央冷却水系统仿真充分体现了跟踪、研究、应用新技术的特点，具有较好的研究意义。，本文以大连海事大学实习船的主机中央冷却水系统为基础，基于熟力学的相关理论，通过对各换热器和柴油机主机换热的热力分析，得到主机冷却水系统的热力数学模型。基于流体力学的相关理论，通过管路分析，得到主机冷却水系统的水力数学模型。然后利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具进行仿真，仿真结果与已知数据较为吻合，从而验证了仿真模型的正确性。在数学模型较为正确的基础上，利用m i c r o s o f tv i s u a l 饼n e t 工具编制了界面。首先，利用面向对象的方法将船舶主机冷却水系统分为各个实现一定功能的子对象，并用面向对象的v i s u a l 钟语言，将各个子对象编制为相应的类，每个类都进行封装，各类之间的交互通过外部接口来实现；然后，在可视化的m i c r o s o f t v i s u a lc # n e t 的编译环境下，以各种图像制作和处理工具为辅助，搭建好实现多种仿真操作与显示功能的仿真界面，将上述各个类与仿真界面有效的结合。最后完成仿真软件的制作。关键词：主机；冷却水系统；建模；仿真英文摘要m o d e l i n ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o no f m a i ne n g i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e ma b s t r a c tt h em a i ne n g i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e mi sa ni m p o r t a n ta u x i l i a r ys y s t e mt oe n s u r et h es t a b l eo p e r a t i o no f m a i ne n g i n e t h r o u g ht h ec o o l i n gw a t e rc i r c u l a t i n g , t h eh e a tt h a td o e m tt r a n s l a t et om e c h a n i c a le n e r g yw h i c h & s t r i b u t e da w a yf r o mt h en m n i n go f m a i ne n g i n eh a sb e e nt a k e na w a y , a n di th a sa v o i d e dt h em e t a lb r i t t l ef a t i g u ea n dt h ei n v a l i d a t i o no f l u b r i c a t i n go i lt h a tc o m e sf r o mt h ea c c u m u l a t i o no f l a r g en t t m b e ro f h e a t t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h em a i ne n g i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e md i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h em a i ne n g i n e i fw ew a n tt oo p t i m i z ea n dg i v ef u l lp l a yt ot h em a i ne n g i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h e r ei san e e dt ou n d e r s t a n di t st h e r m a la n dh y d r a u l i cd y n a m i cp r o c e s sa tw o r k m a t l a bi saf a s h i o n a b l et o o lf o rc o m p e e rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nf o rm a i ne n g i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e mb a s e do nm a t l a be m b o d i e st h ec h a x a c t e r i s t i c so f 台a c k i n g , r e s e a r c h i n g , a n du s i n gn e w -t e c h n o l o g y , t h e r e b yi sw o r t h w h i l et h i sp a p e rb a s e do nt h em a i ne n g i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e mo fd a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t yt r a i n i n gv e s s e l ，at h e r m a lm a t hm o d e lh a sb e e nf o u n d e dt h r o u g ht h et h e r m a la n a l y s i so f t h eh e a te x c h a n g e ra n dm a i ne n g i n eb a s e do nt h et h e o r yo f t h e r m o d y n a m i c s a n db a s e do nt h et h e o r yo ff l u i dm e c h a n i c s ，t h r o u g ha n a l y s i so fp i p e l i n e ，t h em a i ne n , i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e mh y d r a u l i cm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e nf o u n d e d t h e nt h ea u t h o ru s es i m u l i n kf o rs i m u l a t i n g , t h er e s u l ti sc o i n c i d e n tw i t hk n o w nd a t a , t h u sv e h f y i n gt h ec o r r e c t n e s so f t h em o d e l o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e li sn e a r l ya c c u r a t e l y , t h ea u t h o rg e tt h es i m u l a t i o nd i s p l a y i n gt h r o u g hp r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a l 钟f i r s t l y , u t i l i z et h eo b j e c t e d - o r i e n t e dt e c h n i q u et oc a t e g o r i z et h em a i ne n g i n es y s t e mi n t om a n yc h i l do b j e c t st oa c h i e v ec e r t a i l lf u n c t i o n s ，a n dc o m p i l ee v e r yo b j e c tt oac l a s si nt h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a l 例t h e s ec l a s s e sa r en o t 、，i s n a lf r o mt h eo u t s i d e a n d英文摘要t h e ye x c h a n g ed a t aa n df u n c t i o no n l yt h r o u g ht h eo u t e r j o i n t s n e x t , i nt h ee n v i r o n m e n to f m i c r o s o f tv i s u a lc 撑n e t ，埘t l lt h eh e l po f m a n yk i n d so f g r a p hm a k i n gt o o l s f o r mal o to f s i m u l a t i o ni n t e r f a c e sw h i c hc a nl o n b - u r es o m ef u n c t i o n sa b o u ts i m u l a t i o no p e r a t i n ga n dd i s p l a y i n g t h e nc o n n e c tt h es i m u l a t i o ni n t e r f a c e se f f e c t i v e l yw i t ht h o s ec o m p u t i n gc l a s s e s ，f i n a l l yc o m p l e t et h es i m u l a t i o ns o f t w a r e k e yw o r d s ：m a i ne n g i n e ；c o o l i n gw a t e rs y s t e m ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文：墅照圭狃猃塑丞丕缠的建搓生值真：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：墟垆多月垆学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密口( i f f 在以上方框内打“”)论文作者签名：孚互导师签名弓孙，日期：砷年多月归船舶主机冷却水系统的建模与仿真第1 章绪论现代远洋船舶几乎都采用了中央冷却系统。这种冷却系统的特点是，利用舷外海水通过一个低温淡水冷却器对低温淡水进行冷却，被冷却的低温淡水再去冷却各种换热器和船舶主柴油机缸套水冷却器中的高温淡水，主柴油机是由高温冷却水回路进行冷却【”。在这种冷却系统中，舷外海水不再接触各种换热器和主柴油机。因此，避免了海水引起的腐蚀问题，提高了设备和系统的安全可靠性及寿命。因此，对船舶主机冷却水系统的研究仍然是一个重要的课题，这其中就包括主机冷却水系统建模与仿真的研究。1 1 选题背景与意义主机冷却水系统是保障主机正常稳定运行的重要辅助系统，它通过冷却水的循环带走了主机运转过程中散发出来没有转化为机械能的热量，从而避免了因大量热量的积累而造成的金属疲劳脆化和润滑油的失效【2 】。主机运转时，与高温燃气相接触的零件强烈受热，不加以适当的冷却会使其过热，导致主机充量系数下降，机油变质，零件的摩擦、磨损加剧，其结果是主机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。但主机过冷时，主机工作粗暴，c o 和h c 排放增加，热损失和摩擦损失加大，尤其是气缸的磨损会成倍增加1 3 , 4 1 。据统计，船舶主柴油机缸套9 0 以上的故障是缸套的非正常磨损以及缸套裂纹。主机缸套冷却水系统对主柴油机缸套的合理冷却有助于减轻主机缸套的磨损，精确的温度控制会有效地控制柴油机缸套的低温腐蚀和高温腐蚀以及减小热应力【5 1 。因此，船舶主机缸套冷却水系统的性能优劣直接影响到船舶主机的工作性能，想要优化和充分发挥船舶主机冷却水系统的性能，就需要了解它在工作时的热力水力动态过程【6 】。可是，如果我们对实际物体进行实验研究，不仅花费大，而且可供选择的余地也小，因此，用计算机仿真来研究系统的特性己成为科学发展的时尚【瑚。计算机仿真技术，即人们根据系统分析的目的，深入分析研究仿真对象( 现实系统) 的各要素性质，相互关系和规律，通过抽象建立能够描述该仿真对象的结构和行为且具有一定逻辑关系和数学关系的理论模型，然后采用编程技术将这些模型编成计算机系统能够识别的程序，再由计算机演示该系统，用以分析和研究系第1 章绪论统的性能，达到认识和调节系统性能的目的【9 1 。实现计算机仿真技术的一套软、硬件系统称之为仿真系统。硬件系统是实现仿真系统功能的基础，硬件设备的性能决定了仿真系统所允许的信息流通量、存贮空间、实时运算速度等性能。硬件系统主要由图形计算机及局域网络、输入输出接口、仿真控制台盘和电源等几部分组成。软件系统是仿真系统的核心，它决定了仿真技术的水平，主要由仿真支撑软件和模型应用软件两大部分组成。仿真支撑软件是基于计算机操作系统的专门用于仿真系统研究开发的工具性软件，是仿真系统的专用平台和开发工具。模型应用软件则是仿真系统中的核心，是对仿真对象的高度概括，仿真模型软件合理与否，决定了该仿真系统的效果。因此，对仿真对象的建模是建立仿真系统的关键。开发仿真系统传统的方法是一种逐步工作的过程，它包括确定仿真目标、建立数学模型、建立能为计算机认识处理的仿真模型、调试仿真模型、仿真模型试验运行、结果分析、反馈修改数学模型、修改仿真模型、再次仿真运行等。与航空、航天技术工业相比，船舶行业属于相对传统、古老的技术领域。然而现代仿真技术由于可以通过在计算机上进行反复多次的试验运行来取代耗资巨大的物理模拟和实物试验，甚至可以进行受各种原因和条件限制而无法实现的试验和试航，具有投资少、效益高、无风险、可重复、周期短等突出特点，被迅速推广应用到船舶领域的各个方面，使船舶技术得到较大的发展【9 1 。国外对计算机仿真技术在船舶领域的应用研究始于六十年代末，七十年代取得了重大的进展，到八十年代计算机仿真技术已作为一门十分成熟的技术，应用到船舶领域的各个方面。在计算机上对构成系统的模型进行试验，为模型的建立和实验提供了巨大的灵活性和方便性。利用计算机，使得数学模型的求解变得更加方便、快捷和精确，适用于解决规模大、难以解析化以及不确定的系统。随着计算机图形技术得日渐成熟，图形用户界面越来越友好，使得计算机仿真系统的交换性更加增强。在仿真系统中，界面不仅用来显示仿真系统得状态，而且允许分析者与仿真系统对话，修改系统参数从而改变仿真得状态。用计算机仿真技术制成的生产过程仿真系统，可以在不影响过程运行的情况下，研究、分析运行参数对各工况的影响，从而使生产过程达到最佳状态，还可以利用仿真系统人为的设定各种异常情况，研究和分析处理这些事故应能采取的措施。船舶主机冷却水系统的建模与仿真轮机仿真训练器( m a r i n ee n g i n es i m u l a t o r ) 是计算机实时仿真技术在航海领域的典型应用，它目前己成为为广大船员培训、考核的重要手段【1 0 1 。我国是一个航运大国，每年有大量的高等院校的轮机学员走向航海岗位，需要岗前训练，还有大批社会上的在职船员要求技能提高培训，具有很大的船员培训市场。然而传统的实船培训高级船员的方法不仅周期长、耗资巨大，而且风险也很大。现代船舶轮机仿真训练器可以在很大程度上替代实船设备，使被培训人员能在与实船很相似的场所下，进行各项轮机管理、操作以及排除故障的训练。国际海事组织i m o在1 9 9 5 年7 月7 日全面修订的海员培训、发证和值班标准国际公约中，明确规定：航海、轮机部门的人员必须经过轮机仿真训练器的培训才能上岗。计算机仿真技术的日益发展，为轮机仿真器的开发提供了更有力的手段。目前的轮机仿真训练器主要采用一种面向过程的集中式封闭系统的建模方法，该种结构要求系统开发人员对整套系统( 至少某个子系统) 很熟悉，开发难度大，周期长，并且日后的系统维护和功能增加也不容易进行。随着建模技术的发展，利用面向对象的建模方法将大大降低建模工作的难度，不用每个系统开发人员掌握系统全局，只要求他们对某个局部对象的理解，这样可将建模工作分开给许多人员并行的进行，缩短系统开发周期。系统总体规划设计者就像将己经成品的纵多零件( 系统对象) 组装为一台汽车( 系统) 一样，将各个子对象进行连接。显然，利用面向对象的方法进行建模的系统，其日后的维护和功能添加也很容易实现。在船舶轮机仿真训练器中，主机冷却水系统的建模与仿真是一个很重要的工作。船舶主机系统是一条船舶的核心系统，它是船舶的动力之源。而主机冷却水系统则是保证主机安全工作的重要组成部分。为了满足不断增长的用户培训要求，需要进一步完善和增添现有主机冷却水系统仿真训练器的功能。本文就对这一课题做了比较详细的研究。1 2 国内外研究动态1 2 1 建模与仿真的国内外动态建模就是针对研究事物的某种需要，抽取相关的某些特殊信息，并使之映射于特定信息空间的某种抽象集合的形式化描述。而仿真是研究者利用事物的模型，创建相应的实验环境，以及在此环境下研究事物的操作方式，使研究者在“人一模第1 章绪论型交互过程中，去感受、了解、或者控制事物变化机理和规律。建模是仿真的基础，仿真是建模的目的近年来由于信息技术的发展，特别是数字计算机技术的迅猛发展，计算机建模与仿真已经在定性的科学与研究、辅助设计和选型、教育和培训、游戏娱乐等方面有了更广泛的应用。( 1 ) 国外建模与仿真的动态伴随着第一台电子管计算机的诞生和以相对论为基础的模拟技术的应用，建模与仿真作为一种研究新产品、新技术的科技手段，在国外从2 0 世纪3 0 年代以来，在航天、造船、兵器等各行各业迅速发展起来。1 9 3 0 年左右，美国陆、海、空队就使用林克式仪表飞行模拟训练器，当时其经济效益相当于每年节省1 3 亿美元，而且少牺牲5 2 4 名飞行员。5 0 年代，澳大利亚武器研究机构和英国皇家航空研究所联合研制的警犬( b l o o dh o u n d ) 导弹，利用仿真实验辅助发射，与同期的德国、美国、苏联直接通过导弹发射相比，发射次数仅为后者的十分之一，大大减少了耗资。建模与仿真不仅用在武器方面，而且在“虚拟制造”方面也一鸣惊人。计算机制造系统c “s 、虚拟制造、分布式虚拟制造等相继而生。( 2 ) 国内建模与仿真的动态我国建模与仿真相对国外来说，起步稍晚，至今己有4 0 多年的历史，并取得了飞速发展。2 0 世纪5 0 年代初，建模与仿真技术最早应用于自动控制领域，飞机、导弹的飞行控制、制导系统采用数字仿真和半实物仿真进行分析试验，采用的是模拟计算和面向方程的建模方法。6 0 年代，建模与仿真的应用不仅仅在连续系统和工程领域，而且扩展到离散事件系统和社会经济等非工程领域，如交通管理、企业管理、人口动力学等等。7 0 年代，训练仿真器获得突破性进展，各个领域应用训练仿真器对驾驶员、操作人员、指挥人员、管理人员进行培训，飞行模拟器、电站训练仿真器、铁路机车仿真器、化工过程仿真器、汽车驾驶模拟器等相继研制成功。8 0 年代，我国建成了一大批具有先进水平的仿真实验室和仿真工程，应用于型号研制。在仿真算法和仿真软件方面，包括微分方程、线性方程和离散事件的串行离散算法及优化取得很大成就，开发出多种通用连续系统仿真语言、连续离散混合仿真语言，可在工作站或微机运行。在此期间，我国还成功研制出专用的数字仿真计算机，并向通用、分布、并行、智能化的新一代仿真计算机发展。4 一船舶主机冷却水系统的建模与仿真9 0 年代，我国对新的先进仿真技术开展了研究，包括联网仿真、分布交互仿真、虚拟现实仿真、基于仿真的设计、虚拟样机、定量和定性相结合的仿真、建模与仿真的重用和互操作性以及分布虚拟环境等。1 2 2 主机冷却水系统建模与仿真的国内外研究动态目前，国内外有许多公司、高校和科研机构都在对主机冷却水系统的建模和仿真进行研究。通过多方面查阅资料，作者对当前国内外主机冷却水系统建模与仿真的现状有了一个初步的了解。( 1 ) 国外主机冷却水系统建模与仿真的发展动态。图1 1n o r c o n t r o lr t a - i i i 轮机模拟器淡水系统界面f 唔1 1d i s p l a yo f f r e s hw a t e rs y s t e mo f n o r c o n r o lr t a - me n g m er o o ms i m u l a t o r第1 章绪论图1 2 船商模拟器普通货船淡水冷却系统界面f i 9 1 2d i s p l a y o f 丘e s h w a t e r c o o l i n gs y s t e m o f t r a n s a sg e n e r a l c a r g o e n g i n er o o r ds i m u l a t o r主机冷却水系统模拟器是轮机模拟器的一部分，本世纪七十年代以来，挪威的挪控公司( n o r c o n t r 0 1 ) 、英国船商公司( t r a n s a s ) 、德国西门子公司( s i e m e n s ) 、波兰g o l y n i a 航海学院、日本三菱公司( m i t s u b i s h i ) 、美国a v a t o r技术公司等大公司和院校均开始研制和生产轮机仿真模拟器。其中以n o r c o n t r o l公司最为著名，产品居世界领先水平，已有近5 0 0 部模拟仿真器交付全世界的商船公司、海军及航海院校、研究所和职业培训中心使用，约占整个市场份额的8 0 。下面介绍一下n o r c o n t r o l 公司的产品r t a - 1 i 轮机模拟器。r t a - i i i 轮机模拟器由海水系统、淡水系统、滑油系统等组成。其特点是被仿真的轮机对象齐全，几乎无所不包，逼真度高，计算速度快。但人机界面不太友好。如图1 1 所示。图1 2 则是船商模拟器中的一个界面，它的人机界面较挪控公司的友好。一6 一船舶主机冷却水系统的建模与仿真( 2 ) 国内主机冷却水系统建模与仿真的发展动态。在主机冷却水系统建模方面，国内也有很多高校的学者对主机冷却水系统的建模进行了比较深入的研究。上海海事大学的许晓彦老师在对冷却水系统进行建模时，采用的方法是首先针对系统管路中的各个器件分别建立稳态热传递数学模型，然后根据实情分别设置各自的时间常数，最后列出各个器件的动态模型。以中央冷却器的动态模型为基础的整个系统的模型也随之可获得。而大连海事大学的吴桂涛老师则通过传热学的有关理论，分析了各换热器冷热两侧的蓄热量的变化，得到了船舶主柴油机缸套冷却水系统的动态热力数学模型。在仿真方面，我国的研究工作起步较晚，总体技术水平落后于发达国家。在上世纪7 0 年代末，大连海运学院率先从n o r c o n l r o l 公司引进了轮机模拟器。上世纪8 0 年代中期，青岛远洋船员学院也从该公司进口了同类产品。这些产品目前己显得陈旧落后。1 9 9 4 年武汉交通科技大学和亚洲仿真控制系统工程有限公司共同研制了以杂货船舶为仿真对象的国产轮机模拟器。上海海运学院自1 9 9 7 研制了大型集装箱船舶机舱系统为仿真对象的国产轮机模拟器。上世纪9 0 年代末大连海事大学开始启动新一代轮机模拟器研制项目，现已完成并投入使用。1 2 3 国内外建模与仿真的现状分析根据以上谈到的国内外建模与仿真的发展动态分析知，系统建模与仿真在各行各业中，作用日益突出，正在迅速发展为一种新兴的生产力。轮机仿真训练器的未来发展方向是系统模型更齐全、仿真效果更逼真，软硬互辅。本课题是以大连海事大学校实习船主机冷却水系统为研究对象，经过适当的简化，得到主机冷却水系统的数学模型，从而对其进行比较精确的仿真，并在此基础上开发了主机冷却水系统仿真软件。1 3 本文的主要工作及论文结构第l 章，绪论。主要对选题背景及意义和国内外的研究动态作了阐述。第2 章，主机中央冷却水系统概述。本章主要介绍了主机中央冷却水系统的概念及组成形式，结合大连海事大学校实习船，分析了主机中央冷却水系统的各个子系统的工作原理，为后文打下基础。第1 章绪论第3 章，主机缸套冷却水系统的管路水力数学模型。本章主要根据流体力学的相关原理，结合离心泵的工作特性，对主机缸套冷却水系统管路进行了水力分析和编程计算，得到了主机缸套冷却水系统的管路水力数学模型。第4 章，主机中央冷却水系统的热力数学模型。利用传热学的有关理论，对船舶主机缸套冷却水系统的传热机理进行分析，结合工程实际情况进行合理的简化，给出了具有船舶主机缸套冷却水系统的动态热力数学模型，并在此模型中考虑了温度的变化对换热器传热系数的影响，提高了模型的精确度。第5 章，基于s i m u l i n k 的主机冷却水系统仿真。本章在前面工作的基础上，利用s i m u l i n k 仿真工具，对已获得的主机冷却水系统的热力数学模型进行了仿真，得到了不同情况下的系统仿真曲线。并对所得到的曲线进行了分析，证明模型基本正确。第6 章，仿真软件的设计。根据实际情况，选择了n e t 开发工具，进行仿真软件的程序编写。第7 章，船舶主机冷却水系统仿真界面的设计。在前文工作的基础上，设计了人机界面友好的仿真软件。第8 章，结论与展望。一8 一船舶主机冷却水系统的建模与仿真第2 章船舶主机冷却水系统概述2 1 主机中央冷却水系统的概念中央冷却系统是2 0 世纪7 0 年代出现的一种新型的柴油机冷却系统。这种冷却系统的基本特点是使用不同工作温度的两个单独的淡水循环回路：高温淡水( 8 0 - 8 5 c ) 和低温淡水( 3 0 - 4 0 c ) 闭式回路。前者用于冷却主机，后者用于冷却高温淡水和各种冷却器( 如：空气冷却器、滑油冷却器等) 以及发电柴油机缸套。经过加热后的低温淡水再在中央冷却器中由海水进行冷却。由此，极大地简化了船舶海水冷却管系，使海水冷却管系最短，有力地阻止了因为海水腐蚀冷却器以及管路引起的船舶系统漏泄故障现象发生。因此，目前新造船舶的冷却水系统均采用中央冷却水系统，该系统主要由海水冷却回路、低温淡水冷却回路、高温淡水冷却回路等组成。相比于传统的闭式淡水冷却系统，中央冷却水系统存在以下明显的优点：( 1 ) 海水管系及中央冷却器的维修工作减至最低限度；( 2 ) 气缸冷却水温度稳定，不受工况变化的影响，使柴油机始终在最佳冷却状态下运转；( 3 ) 淡水循环可多年保持清洁，减轻了对发电柴油机和船舶推进主机缸套的腐蚀影响。因此，在近年来建造的现代化船舶中，大多采用中央冷却系统。大连海事大学实习船的主机中央冷却系统图如图2 1 所示，为了体现系统的组成和特点以及各换热器之间的换热关系，让图形显得清晰明了，特意省去了各种进出口截止阀。2 2 主机中央冷却水系统的组成2 2 1 高温淡水回路高温淡水的主要作用是冷却主机燃烧室部件，由于主机出口温度调节阀的作用，从主机出来的冷却水温度保持在7 0 。然后进入除气柜，除去水中的空气，到达造水机1 1 】。造水机主要是利用高温淡水中的热能加热海水以制取淡水，可以第2 章船舶主机冷却水系统概述利用余热提高主机的工作效率，在主机运行时才能工作。高温淡水在缸套水冷却器中经过低温淡水的冷却，温度降低，再次进入主机对主机燃烧室部件进行冷却，进而循环下去。高温淡水回路主要换热设备有主机缸套，造水机和高温淡水系统三通阀。图2 1 主机冷却水系统示意图f i g 2 1t h es k e t c hm a po f m a i ne n g i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e m( 1 ) 主机缸套冷却主机缸套冷却主要是指冷却水对缸套上部燃烧室附近的缸套部分冷却、对气缸盖的冷却以及对排气阀的冷却。冷却水从缸套中部进入冷却水套，对缸套的外船舶主机冷却水系统的建模与仿真圆表面进行冷却，然后上行至气缸盖的冷却水套，并通过气缸盖内的冷却水通道进入排气阀阀座对这些高温部件进行冷却，冷却水从主机出来以后，进入除气柜。( 2 ) 造水机如图2 2 所示，造水机利用高温淡水的热量对海水进行加热，在造水机内部真空的条件下，海水在较低的温度沸腾蒸发，由于水蒸气不含盐分，因此，海水中的淡水实现了分离1 2 】。水蒸气经过过滤以后进入上部的另外一个热交换器，由海水对其进行冷却凝结成淡水。冷凝后的淡水由水泵送至淡水储存柜，而蒸发后的海水则在射流泵的作用下泵离造水机。图2 2 造水机工作原理图f i g 2 2t h es k e t c hm a po f f r e s hw a t e rg e n e r a t o r( 3 ) 造水机系统旁通阀此旁通阀的作用是调节进入造水机的高温淡水的质量，并最终影响高温淡水进入高温淡水冷却器的温度。增大旁通开度，则进入造水机的高温淡水流量减少，减小旁通开度，则进入造水机的高温淡水流量增加。( 4 ) 高温淡水系统三通阀租一第2 章船舶主机冷却水系统概述高温淡水系统三通阀通过调节进入缸套水冷却器的高温淡水量，可以控制高温淡水进入主机时的温度。若高温淡水进主机温度偏低，则减少高温淡水进缸套水冷却器的流量；若高温淡水进主机温度偏高，则增大高温淡水进缸套水冷却器的流量。2 2 2 低温淡水回路低温淡水在中央冷却水泵的作用下，送至中央冷却器淡水入口，在中央冷却器中将热量传递给海水，温度降低。从中央冷却器淡水出口排出的低温淡水经三通调节阀作用与未经冷却的低温淡水混合，混合后的水温符合三通调节阀的设定要求。然后低温淡水经由低温淡水管路送至上述各个换热设备对滑油、缸套冷却水、空气等进行冷却，经换热设备吸热后重新回到中央冷却水泵的入口进行下一轮循环。低温淡水回路的主要设备有低温淡水冷却器、主机滑油冷却器、主机高温淡水冷却器，主机空气冷却器、空压机、中间轴承和冷藏装置等。( 1 ) 低温淡水冷却器低温淡水冷却器为板式热交换器，板式换热器以其突出优点如传热效率高、节能、经济、结构紧凑、拆装、清洗、操作灵活方便等，已被广泛应用于化工、石油、冶金、电力、造纸、船舶、机电、集中供、余热利用、核工业、食品饮料、医药、纺织等工业领域1 3 1 。板式热交换器主要由热交换板、框架结构、固紧螺栓组成，相邻的热交换板上都设有密封圈防止两种密封液体混合【1 4 1 。在热交换板的两面设置有供冷却液和待冷却液通过的凹槽，多个热交换板由两侧的压力板压紧在一起，形成了彼此分隔的一个个空间，在密封圈的分隔下，这些空间分别通过热交换板两侧的孔连接在一起。为强化传热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹，人字形波纹是常见的一种。冷却液和待冷却液按照相反的流动方向从热交换板两侧的空间流过实现热量的交换。在板式热交换器中，强迫对流水水传热时的传热系数可达到7 0 0 0 w ( m 2 k ) ，每立方米体积的传热面积可达4 0 - 1 5 0 m 2 ，且拆装、清洗方便，故适用于含有结垢物的流体的换热。组成冷却液或者待冷却液的各个空间之间的关系为并联关系，可以根据具体的情况选择板片数目来调整换热能力。船舶主机冷却水系统的建模与仿真低温淡水冷却器内流经的流体为海水和淡水，低温海水吸收热量温度升高，低温淡水释放热量温度降低。低温淡水冷却器是系统中唯一有海水流经的冷却器。大连海事大学实习船所采用的低温淡水冷却器的型号为：b r 0 6 7 - o 6 - 1 6 0 - n ，主要换热计算参数如表2 1 所示。表2 1 低温淡水冷却器主要换热计算参数表t a b 2 1t h em a i l lh e a t 缸 a n s f e rp a r a m e t e r so f l o w - t e m p e r a t u r ew a t e rc o o l e r第2 章船舶主机冷却水系统概述( 2 ) 主机滑油冷却器主机滑油冷却器主要为冷却船舶主机的滑油而设，主机的活塞冷却油连同十字头轴承、连杆大端轴承、主轴承等的滑油一起经柴油机加热，温度升高，必须要进行冷却，才能再次工作。低温淡水在主机滑油冷却器中与滑油进行热交换，对滑油进行降温。主机滑油冷却器与中央冷却器一样为板式热交换器，换热原理与中央冷却器完全相同，不同的是换热器的设计结构参数。大连海事大学实习船所采用的主机滑油冷却器的型号为：b r 0 6 7 087 1 - n ，主要换热计算参数如表2 2 所示。表2 2 主机滑油冷却器主要换热计算参数t a b 2 2t h em a mh e a tt m m f e rp a r a m e t e r so f m a i ne n g i n el u b r i c a t i n go i lc o o l e r工艺条件介质名称流量岔m热负荷k w温度进寸出o c流体类型密度tm3比热k j ，k 导热系数w 抽k粘度c p对数平均温差o c计算换热面积m 2理论计算传热系数w 瑚p k换热富裕量板片材料板片数压力降mpa流程组合c o u n t e rf l o w框架设计压力m p a试验压力m p a设计温度o c外形尺寸( 长宽x 高) m m设备净重充水重量k g冷侧熟侧低温淡水滑油6 0 01 1 2 04 0 5 03 6 0寸4 1 8 65 2 6 1 4 5 0液液0 9 9 30 8 8 34 1 81 9 4 00 6 30 1 2 60 6 75 5 09 8 57 0 86 7 9 6 5 8 1 81 8 8 83 0 41 0 80 0 0 50 0 61x5 3 h w1 x 5 4 h w0 81 21 1 01 3 3 0 x 6 6 0 x1 9 2 01 5 4 0 0 1 7 9 0 0船舶主机冷却水系统的建模与仿真( 3 ) 主机缸套水冷却器主机缸套水冷却器的作用是：低温淡水在主机缸套水冷却器中与高温淡水进行热交换，低温淡水对高温淡水进行降温，冷却后的高温淡水再与未被冷却的高温淡水混合后对主机进行冷却。主机缸套水冷却器与中央冷却器一样为板式热交换器，换热原理与中央冷却器完全相同，不同的是换热器的设计结构参数。大连海事大学实习船采用的主机缸套水冷却器的型号为：b r o 1 2 a - 0 6 - 6 - n 。主要换热计算参数如表2 3 所示。表2 3 主机缸套水冷却器主要换热计算参数t a b 2 3 t h e m a i n h e a t t r a n s f e r p a r a m e t e r s o f m a i n e n g i n e j a c k e t w a t e r c o o l e r一插一第2 章船舶主机冷却水系统概述( 4 ) 主机空气冷却器主机空气冷却器属于肋管式换热器，与上述管壳式换热器不同，这种换热器在管外加装了肋片，从而使管外的热阻减小，传热得到增强。空气冷却器的作用是对增压后的新鲜空气进行冷却，通常空气的入口温度为5 5 3 2 左右，出口温度为3 5 c 左右，空气从肋片间流过释放热量。用于冷却增压空气的冷却水从管子内流过，不断吸收空气的热量使温度上升。( 5 ) 低温淡水系统三通阀低温淡水系统三通阀通过调节进入低温淡水冷却器的低温淡水量，可以控制低温淡水进各冷却器温度。若低温淡水进各冷却器温度偏低，则减少低温淡水进低温淡水冷却器的流量；若低温淡水进各冷却器温度偏高，则增大低温淡水进低温淡水冷却器的流量。( 6 ) 其他冷却设备除了以上所提到的几个主要冷却设备以外，还有尾轴管滑油冷却器、空压机、冰机冷凝器和空调冷凝器等淡水冷却设备均采用低温淡水进行冷却。( 7 ) 低温冷却淡水泵整个中央冷却水系统设置两台中央冷却水泵，它们均为离心泵，两台水泵完全相同。水泵设计排量为4 0 0m 3 h 。2 2 3 海水回路海水系统构成比较简单，海水从低位海底门或高位海底门进来，经三台主海水泵作用送给低温淡水冷却器海水入1 ：3 侧，在低温淡水冷却器内与低温淡水进行热交换后从海水出口侧排出，部分海水直接由海水管路送至舷外，部分海水在海水入口温度调节阀的作用下返回到海水泵入口。一1 6船舶主机冷却水系统的建模与仿真第3 章主机缸套冷却水系统的管路水力数学模型船舶主机缸套冷却水系统作为船舶柴油机主要的动力系统之一，其工作要求是：主机在整个工作范围内，系统能对主机进行适度、可靠的冷却，特别是保证主机缸套冷却水出口温度稳定，防止主机缸套过冷或过热【”1 。设计适合工作要求的主机缸套水冷却系统，这就需要对系统中各点的流量、压力等参数进行数值计算。因此，就必须对系统管路进行水力分析。而对于采用的是离心泵的主机中央冷却水系统而言，就要分别分析管路特性曲线和离心泵的特性曲线0 6 - 1 8 1 。3 ，1 计算原理缸套冷却水泵采用离心泵，而泵的排量与泵本身的特性和管路的水力特性有关，只有在泵的排出压力与管路在当前流量下的总压降相等时，泵才能稳定工作在这个流量下，如图3 1 所示：l i ，1 2 一泵特性曲线：r i r 2 一管路特性曲线0 1 g 口，g 3 一囊工作点图3 1 管路压降与流量特性曲线图f i 9 3 1p r e s s u r ed r o pa n dp i p ef l o wc h a r a c t e r i s t i cc u r v e其中水泵的特性曲线可以从说明书中计算得到，因此，只要计算出管路特性曲线即可，即要得到冷却水流过某管路时所需的压头日和流量q 间的函数关系。第3 章主机缸套冷却水系统的管路水力数学模型3 2 管网水力计算液体流过某既定管路时所需的压头与流量间的函数关系曲线，称为管路特性衄线。管网水力计算的目的就是得到管路特性曲线。液体从吸入液面通过某一管路流至排出液面所需的压头包括两方面：部分是因吸、排液面存在高度差和压力差所需增加的位置头z 和压力头竺，这部分店与管路流量无关，称为管路的静压头，可以看成定值，用h 。表示；另一部分用于克服管路阻力劭，它与管路中液体流速的平方成正比，故也与流量的平方成正比，即z h = j ( q 2 ，式中的比例系数k 随管路阻力系数的变化而变化1 9 1 。因此，液体流过某既定管路时所需的压头和流量间的函数关系可以用下式表示：h = h 。+ k q 2( 3 1 )关键就是求解k 流体在管道内流动时，由于流体分子问及其管壁间的摩擦，就要损失能量，这称为沿程损失( 沿程摩擦阻力) ；而当流体通过管道的一些附件时，如阀门、弯头等，由于流体流动的方向或速度的改变，产生局部漩涡和撞击，也要产生能量损失，这称为局部损失( 局部阻力) 。管路中两点间的总水头损失就是沿程损失和局部损失之和1 2 0 】。3 2 1 沿程损失的计算由流体力学的知识知道，管道内粘性摩擦沿程损失的计算公式一般为：h i = 3 三d 堡2 9 = 兰g r ：冬dq 2( 3 2 )z5 一其中：a 沿程阻力系数o，管长，t n ；d 管道直径，肌：矿管道内流体流速，m 1 85船舶主机冷却水系统的建模与仿真q 管道内流体流量，删3 d , 时；g 重力加速度，m s 2 ；管道内流动摩擦损失不仅取决于粗糙突出部分的大小和形状，还与它们的分布与间距有关。工业用管道粗糙度还无法进行科学的测量和确定。1 9 3 3 年德国工程师尼古拉丝用筛选砂粒粘附在光滑的管道壁面上得到了人工租糙管并进行了试验。将砂粒直径e 定义为绝对粗糙度，e d 定义为相对粗糙度。人工粗糙管的粗糙度是均匀的，但是工业管道的粗糙度其大小和分布都是不规则的。因此定义工业管道的当量粗糙度为：高雷诺数下，如果工业管道和人工管道具有相同的五值，则将人工管道的粗糙度p 作为工业管道的当量粗糙度。对于主机缸套水冷却系统而言，取水在7 5 1 2 时的运动粘度作为缸套冷却水管内冷却水的平均运动粘度【2 l 】，水在7 5 0 时的运动粘度为0 0 0 3 8 0 m 2 s 。而且缸套冷却水管路中冷却水的设计流动速度一般为1 - 3m s ，本系统的主淡水管路的直径为8 0 m m ，则雷诺数：r e ：丝；! 兰旦：壁! ：6 2 3 1 0 4 4 0 0 0，0 0 0 3 8 x 1 0 。可见，主机缸套冷却水管路中冷却水的流动状态处于旺盛的紊流。在整个紊流区，沿程阻力系数的确定可采用下面统一的公式计算：击= - 1 8 1 0 9 t 静+ s ，上式中的e 即为管道的当量粗糙度，可查表得到。3 2 2 局部损失的计算流体通过管道的一些附件时，如阀门、弯头等，由于流体流动的方向或速度的改变，产生局部漩涡和撞击，将要产生能量损失，这称为局部损失。局部损失与局部构件的形状有关，随构件对流动扰动的增加而增加。局部构件使流体流动的平均速度在大小或者方向上发生了改变，产生了大的旋涡和涡流从而导致能量损失。在长管道系统中，局部损失与管道内沿程损失相比通常不是主要的。但是，第3 章主机缸套冷却水系统的管路水力数学模型当管道比较短时，局部损失通常成为主要损失。如在水泵吸入管道中j 进口处，特别是滤网和底阀产生的损失远比较短的入水管的摩擦损失大。虽然局部损失通常只发生在局部非常短的长度上，但是其影响可能在下游比较长的范围内仍然存在。因此，工程计算中需要考虑局部损失。局部损失可以表示为：矿22 o 4 )上式中f 是与局部构件形状有关的局部阻力系数。局部阻力系数善的值一般通过查表和实验方法得到2 2 1 。具体到本章中的主机缸套冷却水系统，大多数通用元件( 如弯管接头、普通阀门等) 的局部阻力系数f 可以通过查流体力学相关手册得到。而较难确定的是柴油机内部的局部阻力系数、造水机内部的局部阻力