船用柴驱水冷螺杆压缩机冷却系统设计与分析.pdf

:./.船用柴驱水冷螺杆压缩机冷却系统设计与分析赖友荣周艳辉(广东艾高装备科技有限公司 广东 佛山)摘 要:海底礁石清除作业中大多会采用柴油机驱动的螺杆压缩机为潜孔钻机提供压缩空气 而螺杆压缩机在运转过程中会产生大量的热量须通过热交换器进行热量交换以保证压缩机安全可靠运行 文章根据钻爆船船舱内部的舱位布置和螺杆压缩机自身的特点提出了一种全新的柴油机驱动水冷冷却螺杆压缩机的冷却系统的设计方法根据对流换热及热平衡的原理分析了螺杆压缩机冷却系统中油冷却、中冷冷却器、水箱散热器的设计计算思路及冷却水泵的方案选型及结构设计并进行了实际测试应用 应用后发现压缩机进入船舱中运转性能良好所提设计方法可以为行业内船用柴油机驱动的水冷螺杆压缩机的冷却系统设计提供较好的指导意义关键词:船用柴油机驱动水冷冷却螺杆压缩机换热设计与计算冷却水泵中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言舰船行驶在海上最怕碰到海底礁石 因为一旦舰船碰撞到海底礁石轻则导致船体变形影响舰船正常行驶重则导致船体开裂、渗水从而引发重大安全事故 因此及时清除掉海上舰船行驶航道内的礁石尤为重要 而清除需要通过压缩机为钻机提供动力并在航道礁石上钻取爆破孔即采用机械钻机在水下进行钻孔爆破爆破后采用抓斗(采用抓石斗)挖泥船进行清渣 为了保证足够的电力供应压缩机通常采用柴油机驱动只要携带足够的燃油就能使柴油机能够长时间的、持续的为压缩机转动输出动力螺杆压缩机在运转过程中会产生大量的热量必须要通过热交换器利用冷却风或者冷却水进行热量交换以保证压缩机安全可靠运行因此冷却系统的设计至关重要 笔者根据船舱的设备布置情况结合对流换热理论创造性地提出水冷冷却系统的设计计算思路及方法为船用环境下的柴驱螺杆压缩机设计提供参考和借鉴 钻孔爆破船内部设备的布置柴驱压缩机布置在船舱内钻机布置在甲板上通过管路将船舱内的压缩机空气引至甲板上的钻机由于压缩机固定在船舱内宜采用撬装式压缩机船上要有足够的甲板面积满足搭建钻机平台及安装辅助设备、生活设施的需要大型的爆破船施工工程较大以笔者所在公司某客户为例进行布置甲板上总共布置有 台钻机设备每 台钻机由 个太空气压缩机提供动力因此船舱内布置 台压缩机其中 台为备用压缩机其余 台每两台布置在一个相邻的船舱内压缩机舱的旁边布置有设备监控室用于观察设备的运行状况船舱内设备布置如图 所示由于采用柴驱型螺杆压缩机燃油的及时供应是保证压缩机正常运转的关键直接影响到钻孔施工的机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发收稿日期:作者简介:赖友荣()男福建龙岩人助理工程师主要从事螺杆压缩机技术管理、设计与开发方面的科研工作进度 压缩机自身配备储油箱加满一箱油大约可以满足 的正常施工每使用 压缩机油位报警器就会因油位低而报警停机因此设计自动加油装置能够提高工作效率 船上单独设计有总储油箱总储油箱的位置高于压缩机自带的油箱压缩机自带的油箱上面设计有高、低油位传感器油箱的加油口设计有防爆电磁阀当压缩机运行使柴油消耗至低油位时低油位传感器发出信号控制柜检测到此信号后给防爆电磁阀通电防爆电磁阀开启柴油通过自身重力的作用流入到压缩机的油箱当柴油加至高油位时高油位传感器发出信号给控制柜切断防爆电磁阀的电源防爆电磁阀关闭从而实现自动加油的功能图 船舱内设备布置图 船舱内柴驱压缩机冷却系统的设计.常规风冷冷却系统设计及问题在压缩机行业内柴油机驱动的螺杆压缩机冷却换热基本采用铝制翅片式换热器和冷却风扇换热器由油冷却器、水箱散热器及中冷散热器三个冷却器组成 它们并排布置在柴油机曲轴前端的后侧其中油冷却器用于冷却压缩机润滑油水箱散热器用来冷却柴油机缸套内的冷却液中冷散热器用来冷却柴油机经过涡轮增压器增压的空气 柴油机的前端风扇皮带轮上安装有冷却风扇由柴油机曲轴皮带轮通过皮带驱动带动冷却风扇旋转产生风压及风量通过翅片式换热器的外翅片表面与内翅片的热交换冷却柴油机及压缩机主机运转时产生的热量由图 可知 台压缩机安装固定在船舶甲板下的同一个船舱内如果采用风冷冷却方式则从翅片出来的热风通常会比环境温度高出 左右热风集聚在船舱内压缩机周围致使压缩机工作的环境温度变高而且由于 台压缩机并排布置其中一台压缩机的排风口刚好与另一台压缩机进风口处于同一侧这会使得其中一台压缩机的进风温度过高导致冷却性能不足这样的运行模式不仅会引起压缩机设备操作人员的不适还会导致压缩机高温报警停机从而导致压缩机无法正常工作.新型水冷冷却系统设计根据船舱的特点及使用环境发现利用天然的海水做为冷却介质并采用管壳式换热器能够达到很好的冷却效果 但是海水的腐蚀性极强随着使用时间的延长海水会腐蚀冷却器内的铜管从而导致冷却器失效如果空压机内部的 个冷却器(水箱、中冷、油冷)都采用海水直接冷却方式则极易出现冷却器内的铜管被海水腐蚀而引起损坏从而影响压缩机的正常运转而更换压缩机内部的海水冷却器及其管路相当麻烦也势必会引起较长时间的停机从而影响到钻机的正常工作 为了解决此问题结合船舱内部有存储淡水的冷却水舱并且冷却水舱位于空压机舱隔壁的特点文中提出了大胆创新性的设计方案 空压机整机内部的 个冷却器采用淡水冷却器空压机的外部靠近舱壁的位置设计有海水冷却器采用海水冷却淡水的方法对空压机内部的淡水冷却器所需的循环冷却水进行冷却从而保证空压机内部 个冷却器的使用寿命 淡水及海水的循环动力分别由淡水泵及海水泵提供淡水泵及海水泵则设计为由柴油发动机后端的双槽皮带轮通过皮带连接至水泵输入轴的皮带轮而驱动从而完成整个冷却循环系统的设计 冷却系统的总体设计图如图 所示图 空压机内部冷却系统总体设计图 ()淡水冷却器设计计算及方案首先根据压缩机机头的 参数性能表查询散热量 油及压缩机运转所需的循环润滑油量 油然后根据压缩机设定的排气温度 排气以及热量计算设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用公式计算出喷油温度的数值 油:油油油()排气油()式中:油为润滑油的比热值/油为润滑油质量流量/为排气温度与喷油温度的差值然后根据进水温度及冷却水量利用对流换热公式进行计算:油放热水吸热()式中:为对流传热系数/由大量的实测数据获得 为对流换热面积为对数平均温差根据润滑油及冷却水的进出口温差取对数计算获得进行压缩机油冷却的换热面积计算而实际布置的换热面积通常都留有 的面积余量以避免理论计算取值造成的误差 然后分别根据柴油发动机提供的中冷换热量及气缸燃烧柴油的发热量及其需要控制的柴油发动机气缸吸气温度及冷却液温度按照如上的类似的热量计算公式及对流换热公式分别计算出中冷换热器的换热面积及冷却液散热器的换热面积并同样预留 的面积余量避免理论计算取值造成的误差按照实际的换热面积及进出口位置要求设计出实际的油冷却器、中冷冷却器及水箱散热器的结构并按照如图、所示的方案进行结构布置图 油冷却器布置图图 中冷冷却器及水箱散热器布置图 ()海水冷却器设计计算及方案根据上文计算的 油、气、冷却液将三者换热量相加即可得到海水冷却器的换热量 总 油气冷却液根据 总及淡水的循环水量及海水循环水量和海水的常年平均温度海利用如上所列的对流换图 海水冷却器布置示意图热计算公式计算出海水 冷 却 的 换 热 面 积海水并预留 的面积余量海水冷却器的冷却铜管建议采用牌号为 的海军铜冷却器布置在船舱里靠墙位置提高抗海水的腐蚀能力如图 所示 ()驱动水泵选型及方案根据淡水冷却器确定的淡水循环水量和海水冷却器确定的海水循环水量进行淡水泵及海水泵的选型同时需要结合水管路的长度考虑选择合适的水泵扬程并留有 的余量由于空压机内部冷却器的冷却效果基于一定的海水温度才能保证因此淡水水泵与海水水泵的运转必须同步进行才能保证良好的冷却效果 基于此情况提出采用柴油发动机后端输出双槽轮利用皮带传动分别驱动淡水水泵及海水水泵 柴油发动机的后端及淡水泵和海水泵固定在同一个支座上面支座的底部安装有减振器淡水泵及海水泵分别位于柴油发动机的两侧淡水泵及海水的安装支架位置设计有长腰形孔位用于确保皮带的安装及皮带的胀紧调整同时支座还需要设计有定位螺栓固定架当水泵的皮带轮胀紧以后定位螺栓可顶住水泵的底座以确保水泵不发生位移当柴油发动机工作时就会通过皮带轮分别驱动淡水泵及海水泵 具体的布置方案如图 所示图 驱动水泵的方案布置 ()冷却水管路的选型注意事项及方案空压机内部有 个冷却器分别为油冷、中冷、水箱散热器 为方便冷却水冷的布置 个淡水冷却器的循环水冷采用串联结构设计以减少管路的复杂性减少水流量的大小为确保能选型到合适的水泵各冷却器管路之间的连接采用胶管以减少因制机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发造误差产生的各冷却器接口之间的连接尺寸偏差同时由于水泵进水口处于负压状态因此胶管的选择需要考虑到负压的影响避免运行时胶管被吸变形而图 空压机整机进出水口引起水流量的不足空压机整机的淡水进出水口及海水进出水口需合理布置方便客户外部的水冷连接在进出水口上粘贴易识别的标识避免客户进出水口接反进出水口如图 所示 冷却系统调试测试压缩机组设计制造完成后进入船舱中需进行开机调试对冷却系统的各部件进行验证测试并收集大量的温度数据然后根据海水冷却器的进出水温差、淡水冷却器的进水出温差及压缩机的排气温度绘制曲线如图 所示图 海水冷却器、淡水冷却器进出口温差及排气温度值曲线 从海水冷却器的进出水温差、压缩机淡水冷却器淡水的进出水温差可以看出海水冷却器进出水温差在机器开机运行 后基本达到稳定即保持约 左右的温差而淡水冷却器的进出水温差在机器开机运行 后基本达到稳定即约 左右的温差机组的排气温度运行 后基本达到稳定即约 左右冷却系统的换热性能稳定可靠满足压缩机正常运行的使用要求可以保证螺杆压缩机的正常工作 结 语文章在常规柴油机驱动的螺杆压缩机的冷却方式基础上采用水冷冷却设计并结合舰船的内部结构特点及相关自然条件提出利用海水冷却淡水淡水冷却螺杆压缩机整机的设计思路同时利用柴油发动机后端双槽皮带轮通过皮带分别驱动淡水泵及海水泵而提供冷却循环水完美地设计出柴驱舰船用水冷螺杆压缩机压缩机进入船舱安装后进行了开机调试冷却系统性能稳定可靠可以保证柴驱螺杆压缩机的正常工作为船用环境下的柴驱螺杆压缩机水冷冷却系统的设计提供参考依据参考文献:林子良钱则刚孙开滨.柴油机驱动的移动式螺杆压缩机设计.流体机械():.邢子文.螺杆压缩机理论、设计及应用.北京:机械工业出版社.杨世铭陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社.彭学院畅云峰郭蓓.容积式压缩机.西安:西安交通大学出版社.徐家祥温跃清.液压软管设计要点与安装注意事项.叉车技术():.(上接第 页)在卷收水龙带的同时排空其内部积存物 在各机构协同配合下创新设计的水龙带卷收装置可以先后完成排空、清洗、卷收等功能解决了传统卷收装置的诸多弊端 此水龙带卷收装置可节约人力成本提高水龙带卷收效率和使用寿命可以广泛应用于消防、输油、输送淡水、农业排灌、工矿和建筑工地送水、排水等领域 结 语根据 理论的问题求解过程运用问题识别工具找到水龙带卷收装置的关键问题并根据分析结果确定水龙带卷收装置的设计需求和设计方向再运用 理论的问题解决工具对水龙带卷收装置的收卷机构、清洗机构、传动机构及整体结构进行创新设计有效解决了水龙带收卷过程中采用人工方式造成的工作量大、效率低的问题有较强的推广意义参考文献:蔡永东.超高分子量聚乙烯短纤纱高性能水龙带的设计与生产.纺织导报():.孙 雷蔡莹莹叶 伟等.介质阻挡放电对水龙带增强层黏结性能的影响.纺织学报():.杨 晨张秀芬张树有等.基于 理论的螺丝刀创新设计.机床与液压():.朱斌鹏钟庭梁佘雪峰.理论在原料场改造工程中的应用.河北冶金():.刘干成黄翔宇吴德胜等.基于 理论解决小模数齿面激光熔覆缺陷的技术研究.应用激光():.郭春东李云浩孙肖鹏.基于 理论的多功能机械抓取装置创新设计.工程机械():.沈 阳袁 斌申屠功伟.基于 与 的智能柔性物流仓库创新设计.制造业自动化():.周东亚金 燕朱宏轩.基于 理论的榨汁机创新设计研究.包装工程():.设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用