一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统 |
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| 申请号 | CN202410064958.0 | 申请日 | 2024-01-17 | 公开(公告)号 | CN117885880A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 青岛科技大学; | 发明人 | 宋吉潍; 赵锡芝; 刘亚琦; 李博洋; 张宝收; 姚文龙; 张荣秀; | ||||
| 摘要 | 本 发明 在 船舶 技术领域提出了一种基于旋筒 风 帆的主机 缸套 水 冷却系统，包括旋筒风帆、风帆 转子 、风帆 中轴 、下水孔、 轴承 、加强筋、喷水管、顺 时针 喷水嘴、逆时针喷水嘴、电磁 阀 、收集水箱、回水 泵 、供水泵、温控三通阀和温包。本发明将主机缸套水喷洒在风帆转子的双层结构中，利用风帆转子在高速旋转时外壁面与空气的强 对流 ，实现空气与主机缸套水的高效换热，并且主机缸套水呈螺旋式下降，增大扰动效果，进一步的提高了换热效率。另外，本发明合理利用了旋筒风帆作为换热设备，相比于以 海水 作为冷源的冷却系统，避免了海水对换热设备及管道造成 腐蚀 及脏堵，且不需要经常对设备进行维护，具有良好的实用价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统，其特征在于：本发明包括旋筒风帆(1)、风帆转子(2)、风帆中轴(3)、下水孔(4)、轴承(5)、加强筋(6)、喷水管(7)、顺时针喷水嘴(8)、逆时针喷水嘴(9)、电磁阀(10)、收集水箱(11)、回水泵(12)、供水泵(13)、温控三通阀(14)和温包(15)， |
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| 说明书全文 | 一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统技术领域背景技术[0002] 旋筒风帆又称转子风帆，是利用马格努斯效应来实现船舶前进的辅助推进动力装置，旋筒风帆通过电机驱动转子在空气气流中高速旋转(其转子表面的切向线速度能够达到40m/s～50m/s)，由于外界风的作用，使得其一侧的气压增大，另一侧气压降低，进而产生一个垂直于气流方向的横向力，来实现借助风力推进船舶航行。近些年来，随着船舶风帆技术的进步，旋筒风帆的使用越来越广泛。 [0003] 目前，世界上大部分远洋船舶采用柴油机作为主推进装置。在柴油机的运行过程中，燃烧室会产生高温。为保证柴油机的正常运行，通常采用高温淡水(即缸套水)对其进行冷却。目前，对于缸套水的冷却系统主要有开式海水冷却，和中央冷却两种。开式海水冷却即利用海水与缸套水进行热交换，冷却后的缸套水再冷却船舶主机，但是由于海水具有腐蚀性，而换热设备的外壳通常为钢制材料，因此海水会腐蚀换热设备，进而导致换热设备的使用寿命减少，并且海水具有较多的杂质，可能会造成管路堵塞，因此，现在很少使用海水对主机缸套水进行冷却。中央冷却系统是通过使用海水对淡水进行冷却，冷却后的淡水再冷却主机缸套水，系统的复杂程度较高，而且设备的维修管理难度很大。上述两种常用的冷却系统都以海水作为冷源，一方面，由于海水具有腐蚀性，对换热设备及管道会造成腐蚀，另一方面，海水中杂质较多，尤其在近岸时，海水或江河水中的杂质和泥沙更多，会对换热设备造成脏堵，需要频繁的对换热设备进行维护和清洁，维护麻烦，成本较高。因此，对于主机缸套水的冷却来说，现有的每种冷却系统都存在一定的弊端。 [0004] 基于此，若能提出一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统，将主机缸套水喷洒在旋筒风帆内壁面上，主机缸套水通过风帆转子的外壁与空气进行热交换，因旋筒风帆转子的切向线速度能够达到40m/s～50m/s，速度快，对流换热系数非常大，换热效果好，能够起到更好的冷却作用。本发明合理利用了旋筒风帆作为换热设备，不同于传统的以海水作为冷源的冷却系统，避免了海水对换热设备及管道造成腐蚀和脏堵，并且不需要频繁的对换热设备及管道进行维护和清洁。因此，本发明是一种可供船舶冷却主机缸套水的系统。 发明内容[0005] 本发明的目的是针对上述提出的问题，提出一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统，将主机缸套水喷洒在旋筒风帆内壁上，由于水本身具有一定的粘性，并且旋筒风帆的转子高速旋转时会产生离心力，因此主机缸套水能够紧贴转子内壁。由于风帆转子的外壁与空气的对流速度很大，对流换热系数大，所以主机缸套水能够通过风帆转子的内外壁与外界空气进行高效换热，因此本发明能够对主机缸套水起到很好的冷却效果。 [0006] 本发明提出了一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统，包括旋筒风帆、风帆转子、风帆中轴、下水孔、轴承、加强筋、喷水管、顺时针喷水嘴、逆时针喷水嘴、电磁阀、收集水箱、回水泵、供水泵、温控三通阀和温包。 [0007] 所述旋筒风帆由风帆转子和风帆中轴组成，放置在船舶甲板上，利用马格努斯效应辅助推进船舶航行。 [0008] 所述风帆转子是由两个圆柱套筒组成的双层结构，其横截面为同心圆，套在风帆中轴外，可根据风向进行旋转，产生推进力辅助船舶航行。 [0009] 所述风帆中轴固定放置在船舶甲板上，其内部沿轴线方向开设有通孔，风帆中轴的柱体表面开设有轴承凹槽。 [0010] 所述下水孔开设在所述风帆转子的底部，且沿风帆转子的周向设有多个，冷却后的主机缸套水通过下水孔流入收集水箱储存。 [0011] 所述轴承安装在风帆中轴柱体表面的凹槽内，轴承及风帆转子之间通过加强筋固定连接。轴承及加强筋起到支撑作用。 [0012] 所述喷水管放置在风帆中轴的通孔内，其下端连接供水泵，供水泵通过管道与主机连接。所述顺时针喷水嘴和逆时针喷水嘴安装在所述喷水管顶部，其中一个所述顺时针喷水嘴和一个所述逆时针喷水嘴为一组，并且上下错位布置，沿风帆中轴的周向设有多组。所述喷水嘴将主机缸套水喷洒在风帆转子的双层结构中。 [0013] 所述电磁阀安装在喷水嘴上方，用于控制喷水嘴的开闭。 [0014] 所述收集水箱放置于旋筒风帆所在位置的船舶甲板以下，并且可以兼做膨胀水柜，所述收集水箱用于接收并储存冷却后的主机缸套水。所述收集水箱通过管道依次与回水泵、温控三通阀、主机连接，其中，温控三通阀有一条旁通管道与供水泵连接，并且，在回水管路上，温控三通阀和主机之间设有温包，温包用于检测进主机的缸套水温度，控制所述温控三通阀的旁通量，调节进主机的缸套水温度。 [0015] 本发明设有主机缸套水温度调控系统，用于调节进入主机的主机缸套水温度，使其不低于所要求的下限值，当温包检测到进入主机的主机缸套水的温度低于下限值时，反馈信号至温控三通阀，控制其旁通管道的流量，使从主机出来的缸套水通过旁通管道与进主机的缸套水混合，以达到指定温度范围。 [0016] 在本技术方案中，主机缸套水从主机流至供水泵，由供水泵将主机缸套水泵至喷水管最高处，再由喷水嘴将主机缸套水喷洒在风帆转子的内壁上，由于水自身具有一定的粘性，并且风帆转子高速旋转会产生离心力，因此主机缸套水会在风帆转子内壁产生一层水膜并紧贴内壁，并且风帆转子在高速旋转时外壁面与空气的强对流，增加了风帆与空气的对流换热系数，进而使得风帆内的主机缸套水有更好的冷却效果；且由于重力及离心力的作用，风帆内的主机缸套水(即水膜)呈螺旋式下降到风帆转子的底部，在主机缸套水下降过程中增大扰动效果，进一步的提高了主机缸套水的换热效果。通过风帆转子的内外壁与外界空气进行高效换热，使主机缸套水降低至合适的温度范围，最终冷却后的主机缸套水通过下水孔流向收集水箱，进而利用回水泵将冷却后的缸套水送回主机进行利用。 [0017] 进一步的，主机缸套水在风帆转子内壁上形成的水膜，水膜将热量传递给风帆转子的换热内壁面，换热内壁面通过风帆转子外侧的套筒将热量径向传递给风帆转子的换热外壁面，风帆转子在高速旋转时空气气流相对于换热外壁面有很高的流速，产生强对流，增加了风帆转子与空气的对流换热系数，水膜通过风帆转子的换热壁面能够将热量快速传递至空气，进而实现主机缸套水与空气的高效换热。 [0018] 在本发明中，假定风帆转子的转向由俯视视角而确定。进一步的，喷水嘴通过电磁阀进行控制，当船舶航行过程中，船舶的左舷来风时，风帆转子顺时针旋转，此时顺时针喷水嘴喷水；船舶的右舷来风时，风帆转子逆时针旋转，此时逆时针喷水嘴喷水。 [0019] 本发明的有益效果： [0020] 1.本发明提出了一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统，利用旋筒风帆的风帆转子在高速旋转时外壁面与空气的强对流，实现空气与主机缸套水的高效换热，并且主机缸套水呈螺旋式下降，增大扰动效果，进一步的提高了换热效率，起到很好的换热效果。 [0021] 2.本发明使用旋筒风帆作为换热设备，相比于以海水作为冷源的冷却系统，避免了海水对换热设备及管道造成的腐蚀及脏堵，不需要经常对设备进行维护和清洁，具有良好的实用性和可靠性。 [0023] 图1为本发明在船舶上的示意图； [0024] 图2为本发明旋筒风帆结构示意图； [0025] 图3为风帆转子正视图； [0026] 图4为风帆转子的A‑A截面剖视图； [0027] 图5为本发明系统图； [0028] 图6为船舶左舷来风时的原理图； [0029] 图7为船舶右舷来风时的原理图； [0030] 图8为船舶左舷来风时的本发明机理图； [0031] 附图中：1.旋筒风帆；2.风帆转子；3.风帆中轴；4.下水孔；5.轴承；6.加强筋；7.喷水管；8.顺时针喷水嘴；9.逆时针喷水嘴；10.电磁阀；11.收集水箱；12.回水泵；13.供水泵；14.温控三通阀；15.温包。 具体实施方式[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。 [0033] 一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统。如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明包括旋筒风帆1、风帆转子2、风帆中轴3、下水孔4、轴承5、加强筋6、喷水管7、顺时针喷水嘴8、逆时针喷水嘴9、电磁阀10、收集水箱11、回水泵12、供水泵13、温控三通阀14和温包15。 [0034] 所述旋筒风帆1由所述风帆转子2和所述风帆中轴3组成，放置在船舶甲板上，利用马格努斯效应辅助推进船舶航行。在本实施例中，船舶上设有四个旋筒风帆1，并沿船艉至船艏方向依次命名为：1号、2号、3号和4号(如图1所示)。 [0035] 所述风帆转子2由两个圆柱套筒组成的双层结构，其横截面为同心圆，套在风帆中轴3外，可根据风向进行旋转，即船舶左舷来风时风帆转子2顺时针旋转(俯视)，船舶右舷来风时风帆转子2逆时针旋转(俯视)。所述风帆转子2利用马格努斯效应产生推进力辅助船舶航行。 [0036] 所述风帆中轴3固定放置在船舶甲板上，其内部沿轴线方向开设有通孔，风帆中轴3的柱体表面开设有轴承凹槽。 [0037] 所述下水孔4开设于所述风帆转子2的底部，冷却后的主机缸套水通过下水孔4进入收集水箱11储存。在本实施例中，开设有两个下水孔4。 [0038] 所述轴承5安装在风帆中轴3柱体表面的轴承凹槽内，在本实施例中，安装有2个轴承5。轴承5及风帆转子2之间通过加强筋6固定连接。所述轴承5及所述加强筋6共同起到支撑作用，提高风帆转子2旋转的稳定性。 [0039] 所述喷水管7放置在所述风帆中轴3沿轴线方向的通孔内，其下端连接供水泵13，供水泵13通过管道与主机连接。所述顺时针喷水嘴8和逆时针喷水嘴9安装在所述喷水管7顶部。其中一个所述顺时针喷水嘴8和一个所述逆时针喷水嘴9为一组，并且上下错位布置，所述喷水嘴将主机缸套水喷洒在风帆转子2的双层结构中。在本实施例中，所述喷水嘴沿风帆中轴3的周向共开设有五组，实际上，在设计喷水嘴的组数时，可根据旋筒风帆1的半径确定，若旋筒风帆1的半径越大，则喷水嘴的组数可设置的越多。 [0040] 所述电磁阀10安装在喷水嘴上方，用于控制喷水嘴的开闭。 [0041] 所述收集水箱11放置于旋筒风帆1所在位置的船舶甲板以下，并且可以兼做膨胀水柜，所述收集水箱11用于接收并储存冷却后的主机缸套水。所述收集水箱11通过管道依次与回水泵12、温控三通阀14、主机连接，其中，温控三通阀14有一条旁通管道与供水泵13连接，并且，在回水管路上，温控三通阀14和主机之间设有温包15，温包15用于检测进主机的缸套水温度，调控所述温控三通阀14的旁通量，调节进主机的缸套水温度。 [0042] 船舶在航行过程中，根据来风情况主机缸套水的冷却换热过程大致可以分为下列两种情况： [0043] 一种情况为船舶的左舷来风。如图5和图6所示，主机缸套水从主机通过供水泵13送至喷水管7的最高处，当从船舶的左舷来风时，旋筒风帆1的风帆转子2顺时针旋转(俯视)，此时，通过电磁阀10控制顺时针喷水嘴8将主机缸套水喷洒在风帆转子2的内壁上。由于水本身具有一定的粘性，并且风帆转子2高速旋转会产生离心力，因此主机缸套水会在风帆转子2内壁上生成一层水膜(如图8所示)并紧贴内壁，主机缸套水形成的水膜将热量传递给风帆转子2的换热内壁面，换热内壁面通过风帆转子2外侧的套筒将热量径向传递给风帆转子2的换热外壁面，风帆转子2在高速旋转时空气气流相对于换热外壁面有很高的流速，产生强对流，增加了风帆与空气的对流换热系数，实现主机缸套水与空气的高效换热，以达到冷却主机缸套水的目的。冷却后的主机缸套水由于重力及离心力的作用，呈螺旋式下降到风帆转子2的底部，通过下水孔4流向收集水箱11，进而利用回水泵12将冷却后的缸套水送回主机进行利用。 [0044] 通常，旋筒风帆1的尺寸直径约为3m～5m，高度约为25m～35m，风帆转子2的换热外2 2 壁面的表面积能够达到240m～550m，因此风帆转子2的换热外壁面有很大的换热面积，而且主机缸套水形成的水膜几乎覆盖风帆转子2的换热内壁面，所以水膜进行热量传递的接触面积也很大，从而进一步提高了换热效果。 [0045] 另一种情况为船舶的右舷来风。如图5和图7所示，当船舶右舷来风时，旋筒风帆1的风帆转子2逆时针旋转(俯视)，此时，电磁阀10控制逆时针喷水嘴9向风帆转子2的内壁喷洒主机缸套水。船舶右舷来风时的主机缸套水的冷却换热过程同船舶左舷来风时的情况相似，在此不再赘述。 [0046] 目前船舶的主机多放置于船艉位置，那么在利用旋筒风帆1对主机缸套水进行冷却的时候，优先使用靠近船舶主机的旋筒风帆1，如图1所示，即优先使用1号，由于1号距离船舶主机最近，所以缸套水的输送管路最短，使得冷却所需的时间大大缩短，加快冷却速度，倘若1号不能满足主机缸套水的冷却量，此时再依次使用2号、3号、4号等。 [0047] 本发明设有主机缸套水温度调控系统，用于调节进入主机的主机缸套水温度，使其不低于所要求的下限值，当温包15检测到进入主机的主机缸套水的温度低于下限值时，反馈信号至温控三通阀14，控制其旁通管道的流量，使从主机出来的缸套水通过旁通管道与进主机的缸套水混合，以达到指定温度范围。 [0048] 例如，现有技术中，从主机出来的缸套水温度大多在82℃～85℃，进入主机的缸套水的温度大多在72℃～78℃。在本技术方案中，温控三通阀14和温包15起到调节进主机的缸套水温度的作用，防止因温度过低导致低温腐蚀及热量损失。如图5所示，当温包15检测到缸套水温度低于72℃时，反馈信号至温控三通阀14，此时，增大温控三通阀14旁通管道的流量，使从主机出来的缸套水通过旁通管道与进主机的缸套水混合，以达到指定温度范围(即72℃～78℃)。此外，若进出主机的缸套水有其他温度范围，此系统同样适用。 [0049] 在本技术方案中，风帆转子2的切向线速度通常能够达到40m/s～50m/s，所以风帆转子2的外壁面与外界空气的对流速度很大，产生强对流，导致风帆转子2表面的对流换热系数较大，从而主机缸套水冷却效果很好。另外，由于重力和离心力的作用，主机缸套水沿着旋筒风帆1的内壁面呈螺旋式下降，增大了扰动效果，因此，本发明能够起到很好的换热冷却效果。此外，通常风帆转子2的内外壁面均为金属材质，金属材质导热性好，且由于主机缸套水紧贴风帆转子2的内壁面，因此主机缸套水的热量能够通过风帆转子2的换热内壁面传递到换热外壁面进而与外界空气进行高效换热。正因如此，对于风帆转子2的内外壁材料的选取可以选取导热性好的材料来提升换热效率。 [0050] 此外，在本技术方案中所提出的一种基于旋筒风帆的主机缸套水冷却系统结构简单，相比于采用海水作为冷源的冷却系统，不仅避免了海水腐蚀换热设备及管道，而且避免了海水或者江河水内的泥沙、杂质等对换热设备及管道造成脏堵，使得管道和换热设备更加清洁，不需要经常对设备进行维护及清洁，具有良好的经济性。 [0051] 以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
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