船舶自流排放口装置、自流冷却系统及调节控制方法与流程

[0001]
本发明涉及船舶冷却系统技术领域，尤其涉及一种船舶自流排放口装置、自流冷却系统及调节控制方法。


背景技术：

[0002]
船舶冷却系统是保证船舶动力装置安全可靠运行的重要环节，船舶动力系统如柴油机或蒸汽动力系统、辅助设备等运行时产生的热量绝大部分需要通过船舶冷却系统传递给冷却水并排出船外。
[0003]
随着大型先进船舶的发展，船舶所需冷却水量不断增加，船舶冷却水泵是船舶动力系统主要耗能部件之一，能耗和噪声居高不下，不利于绿色船舶发展。为降低冷却水泵的功耗和噪声，部分现代绿色船舶和高速船舶中采用自流式冷却水系统为中央冷却器或凝汽器提供冷却水，利用船舶迎流动压克服冷却系统阻力，实现船舶冷却，在部分航速下取代泵驱。
[0004]
传统的自流冷却系统一般是针对额定工况设计的，当系统工作状态偏离额定工况时，如用户热源所需冷却水量低于自流水量时，会导致流经冷却器的冷凝水的过冷度太大，形成过度冷却；当用户热源所需冷却水量高于自流水量时，又会导致冷却不足。即不能达到冷却水的供需平衡，从而影响整个冷却系统的稳定性，进而影响船舶动力系统的正常运行。


技术实现要素：

[0005]
本发明实施例提供一种船舶自流排放口装置、自流冷却系统及调节控制方法，用以解决现有技术的自流冷却水系统的自流冷却水流量不稳定，而影响整个冷却系统的稳定性的问题。
[0006]
本发明实施例提供一种船舶自流排放口装置，安装于船舶自流冷却系统的自流排水管，包括调节片和驱动装置，所述调节片与所述自流排水管转动连接，多个所述调节片沿所述自流排水管的周向分布而形成排放口，所述驱动装置的固定端与所述自流排水管固定连接，驱动端与所述调节片转动连接，用于驱动所述调节片相对所述排放口的中心发生偏转。
[0007]
根据本发明一个实施例的船舶自流排放口装置，包括多个所述驱动装置，多个所述驱动装置与多个所述调节片一一对应设置。
[0008]
根据本发明一个实施例的船舶自流排放口装置，还包括弹性连接片，每相邻两个调节片之间通过所述弹性连接片连接。
[0009]
根据本发明一个实施例的船舶自流排放口装置，所述调节片包括上调节片和下调节片，所述上调节片的上端与所述自流排水管转动连接，下端与所述下调节片转动连接，所述驱动装置的驱动端与所述上调节片转动连接。
[0010]
根据本发明一个实施例的船舶自流排放口装置，所述调节片的宽度从靠近所述自流排水管的一端到远离所述自流排水管的一端逐渐减小。
[0011]
本发明实施例还提供一种船舶自流冷却系统，包括自流排水管，所述自流排水管安装有上述任一种船舶自流排放口装置。
[0012]
根据本发明一个实施例的船舶自流冷却系统，还包括射流泵，所述射流泵的入口端和出口端分别与自流入口和所述排放口相连通。
[0013]
本发明实施例还提供一种上述任一种船舶自流冷却系统的调节控制方法，包括：
[0014]
获取用户的过冷度参数，并根据所述过冷度参数确定自流冷却能力系数；
[0015]
根据所述自流冷却能力系数与排放口面积系数的关系，确定排放口面积；其中，所述排放口面积系数为所述排放口面积与自流入口的面积之比；
[0016]
根据所述排放口面积确定每一所述调节片相对所述自流排水管的偏转角度，所述驱动装置驱动所述调节片转动，完成自流流量的调节。
[0017]
根据本发明一个实施例的船舶自流冷却系统的调节控制方法，还包括：
[0018]
根据所述自流冷却能力系数确定排放口相对水平面夹角；
[0019]
根据所述夹角确定每一调节片相对所述自流排水管的偏转角度，所述驱动装置驱动所述调节片转动，完成自流阻力的调节。
[0020]
根据本发明一个实施例的船舶自流冷却系统的调节控制方法，还包括：
[0021]
获取船舶需要调整的姿态角度；
[0022]
根据所述姿态角度确定每一调节片相对所述自流排水管的偏转角度，所述驱动装置驱动所述调节片转动；
[0023]
启动射流泵，完成所述船舶的姿态调节。
[0024]
本发明实施例提供的船舶自流排放口装置、自流冷却系统及调节控制方法，通过在自流排水管的周围设置多个调节片，并通过驱动装置驱动多个调节片相对自流排水管转动，以调节调节片相对自流排水管的偏转角度，从而改变排放口面积和排放口方向，进而改变自流冷却系统的自流流量和自流阻力，有利于提高自流冷却系统的稳定性。自流冷却系统通过获取用户的过冷度需求确定排放口面积以及调节片的偏转角度，驱动装置根据偏转角度驱动调节片偏转，实现了对自流冷却系统自流流量的调节控制，保证船舶动力系统的正常运行。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1是本发明实施例船舶自流排放口装置的结构示意图；
[0027]
图2是本发明实施例排放口壁面的部分结构示意图；
[0028]
图3是本发明实施例船舶自流冷却系统的结构示意图；
[0029]
图4是自流冷却能力系数与排放口面积系数之间的关系；
[0030]
图5是自流冷却能力系数与排放口相对水平面夹角之间的关系；
[0031]
图6是本发明实施例船舶自流冷却系统的调节控制方法的流程示意图。
[0032]
附图标记：
[0033]
1、自流排水管；2、排放口壁面；21、调节片；211、上调节片； 212、下调节片；213、销轴；214、三角支架；22、弹性连接片；23、第一销轴；24、第二销轴；3、驱动装置；4、排放口；5、安装支架； 6、固定件；7、射流泵；8、自流入口；9、船舷；90、安装孔；10、用户；11、密封件；12、控制器。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
[0036]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]
如图1所示为本发明实施例船舶自流排放口装置的结构示意图。该船舶自流排放口装置安装于船舶自流冷却系统的自流排水管1，包括调节片21和驱动装置3。调节片21与自流排水管1转动连接，多个调节片21沿自流排水管1的周向分布而形成排放口4，驱动装置的固定端与自流排水管1固定连接，驱动端与调节片21转动连接，用于驱动调节片21相对排放口4的中心发生偏转。
[0038]
具体的，沿自流排水管1的轴向分布的多个调节片21形成了排放口壁面2，如图2所示为本发明实施例排放口壁面的部分结构示意图。调节片21的上端与自流排水管1转动连接，如通过第一销轴23 转动连接；调节片21的中部段或下端与驱动装置3的驱动端转动连接，如通过第二销轴24转动连接。第一销轴23和第二销轴24枢转方向相同。驱动装置3可以为直线驱动装置如液压推杆或气压推杆，其推杆端推动调节片21相对自流排水管1转动，从而改变调节片21 相对自流排水管1的偏转角度。通过调节调节片21的偏转角度即可调节排放口面积，即排放口4的出口面积。具体的，当驱动装置3同时驱动多个调节片21向自流排水管的中心轴线靠拢时，可减小排放口面积；当驱动装置3同时驱动多个调节片21远离自流排水管的中心轴线时，可增大排放口面积。还可通过多个驱动装置3分别驱动多个调节片21偏转不同的角度，实现对排放口4方向的调节，从而调节自流阻力。
[0039]
本发明实施例提供的船舶自流排放口装置，通过在自流排水管1 的周围设置多个调节片21，并通过驱动装置3驱动多个调节片21相对自流排水管1转动，以调节调节片21相对自流排水管的偏转角度，从而改变排放口面积和排放口方向，进而改变自流冷却系统的自流流量和自流阻力，有利于提高自流冷却系统的稳定性。
[0040]
在上述实施例的基础上，多个调节片21可通过一个驱动装置3 同时驱动，或者通
过多个驱动装置3分别驱动。当多个调节片21通过一个驱动装置3驱动时，驱动装置3的驱动端可通过一个连接结构件分别与多个调节片21转动连接。
[0041]
当多个调节片21通过多个驱动装置3分别驱动时，如图1所示，多个驱动装置3与多个调节片21一一对应设置。其中，驱动装置3 可直接固定安装于自流排水管1的管壁，其驱动端则通过连杆与调节片21转动连接；或者，为了方便安装，驱动装置3可通过安装支架 5与自流排水管1固定连接，并使其驱动端可直接驱动调节片21转动，而无需借助连杆传动。进一步的，为了实现驱动装置3与调节片 21更稳定的连接，调节片21上固定有三角支架214，驱动装置3的驱动端与三角支架214转动连接。
[0042]
由于一个驱动装置3驱动一个调节片21相对自流排水管1转动，则可通过不同的驱动装置3驱动相应的调节片21相对自流排水管1 转动不同的角度，从而调节排放口4的方向，进而调节自流水从排放口4的排出方向。其中，排放口4的方向包括上下方向和左右方向，上下方向通过改变排放口4相对水平面夹角来调节，左右方向通过改变排放口4在水平面上与航行速度方向的夹角。这两种方向的调节均可通过调节不同位置的调节片21与自流排水管1的偏转角度来实现。
[0043]
在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的船舶自流冷却系统还包括弹性连接片22，每相邻两个调节片21之间通过弹性连接片22 连接。多个弹性连接片22和多个调节片21依次间隔相连而形成一个整体的环形弹性壁面结构，通过调节片21的转动带动弹性连接片22 的弹性伸缩，实现排放口4的扩张或收缩，以扩大或缩小排放口面积。通过弹性连接片22将调节片21连接成一个整体，使相邻的调节片 21之间不存在间隙，实现对排放口面积更精确的调节，且更容易实现排放口面积和方向的调整。
[0044]
进一步的，如图2所示，调节片21包括上调节片211和下调节片212，上调节片211的上端与自流排水管1转动连接，上调节片211 的下端与下调节片212转动连接，驱动装置3的驱动端与上调节片 211转动连接。其中，下调节片212与上调节片211通过销轴213转动连接，销轴213与上调节片211和下调节片212垂直。当调节排放口4的方向时，排放口4一侧的调节片21向远离自流排水管1中心轴线的方向偏转较大角度，相对侧的调节片21向靠近自流排水管1 中心轴线的方向偏转较小角度，则两侧之间的过渡部分会受到两侧不同的弹性拉力作用，且排放口4的开口越大，弹性连接片22受到的拉伸力越大。本发明实施例通过将调节片21设置成可相对转动的下调节片212和上调节片211，当排放口4进行方向调整时，靠近排放口4下端的下调节片212绕上调节片211转动而进行一定程度的自适应调整，以减轻弹性连接片22的过度拉伸，提高弹性连接片的使用寿命。
[0045]
本发明实施例中，调节片21的宽度从靠近自流排水管1的一端到远离自流排水管1的一端逐渐减小。使得当调节片21向自流排水管1的中心轴线转动时，相邻的调节片21不会发生干涉。其中，调节片21为金属片。
[0046]
如图1所示，本发明实施例提供的船舶自流排放口装置还包括固定件6，驱动装置3的固定端通过固定件6与自流排水管1固定连接。具体的，固定件6可为环形结构，环形固定件6可与自流排水管1固定套接，驱动装置3的固定端或者用于安装驱动装置3的安装支架5 与固定件6固定连接。进一步的，固定件6还可用于同时连接驱动装置3、自流排水管1和船舷9，以为自流排水管1提供稳固支撑。
[0047]
本发明实施例还提供一种船舶自流冷却系统，如图3所示为本发明实施例船舶自
流冷却系统的结构示意图。该船舶自流冷却系统包括自流排水管1，自流排水管1安装有上述实施例所述的船舶自流排放口装置。该船舶自流冷却系统通过调节排放口面积来调节系统的自流流量；通过调节排放口4相对水平面的夹角来调节系统的自流阻力；通过调节排放口4在水平面上相对航行速度的夹角来调节船舶的姿态角度。
[0048]
进一步的，本发明实施例提供的船舶自流冷却系统还包括射流泵 7，射流泵7的入口端和出口端分别与自流入口8和排放口4相连通。在对船舶的姿态角度进行调节时，可借助射流泵7提供的喷射力为船舶提供助推，以实现船舶姿态的调整。
[0049]
进一步的，还包括控制器12，控制器12分别与用户10和驱动装置3通信连接。控制器12与用户10通信连接以读取用户10的冷却需求，例如，控制器12与安装在用户热源出口的温度传感器通信连接，读取用户热源出口的温度，计算用户的过冷度参数，根据过冷度参数确定排放口面积和排放口4相对水平面夹角。从而实现对冷却系统的自流流量和自流阻力的调节控制。
[0050]
下面结合图3-图5描述本发明实施例提供的船舶自流冷却系统的调节控制方法。
[0051]
根据流体力学相关原理，排放口面积的变化和排放口角度的变化均会导致整个自流系统自流阻力的变化，进而影响自流系统的自流流量，从而影响自流冷却能力。因此，可以根据系统的冷却需要来改变排放口面积或者排放口角度，以使自流冷却系统的自流能力与冷却需求达到一致。
[0052]
具体的，对于自流入口前方的流体，一部分进入到自流管内，基于冲量定理，δ(mv)＝f
1
δt，可推导其管内自流阻力值关系式为：
[0053][0054]
其中，f
1
为自流管内的自流阻力，m为海水质量，v为自流入口的入口流速，θ为排放口相对水平面的夹角，α为自流系统的无量纲流速，a
0
为自流入口面积。
[0055]
另一部分没有进入自流管内的流体被迫绕流也会引起自流阻力，其管外自流阻力关系式为：
[0056][0057]
其中，f
2
为自流管外的自流阻力，γ是绕流系数，其与自流系统的无量纲流速α成线性关系，即γ＝1+kα，k为常数，k的值与自流入口形状大小有关，可根据实验获得。当自流管道内堵死时，α为0，则主要阻力是绕流阻力；当α为1时，主要阻力是进口的动量转换阻力。
[0058]
基于以上可得，船舶在正常直线行驶过程中，自流系统的总阻力关系式为：
[0059][0060]
由于排放口面积a
1
影响自流系统的无量纲流速α，即α＝f(a
1
)，而根据上述公式，自流系统的无量纲流速α和排放口相对水平面夹角θ又影响了系统的总阻力，即f＝g(f(a
1
),θ)，也就是说，系统的总阻力 f是排放口相对水平面夹角θ和排放口面积a
1
的相关函数，自流系统的无量纲流速α与排放口相对水平面夹角θ和排放口面积a
1
存在一定的相关关系。
[0061]
本发明实施例中，将自流系统的无量纲流速α定义为自流系统的自流冷却能力系数。发明人通过大量实验，得到了不同工况下自流冷却能力系数与排放口面积系数之间的关系，以及自流冷却能力系数与排放口4相对水平面的夹角θ之间的关系。如图4所示为自流冷却能力系数与排放口面积系数之间的关系，如图5所示为自流冷却能力系数与排放口相对水平面夹角之间的关系。
[0062]
其中，排放口面积系数为排放口面积a
1
与自流入口面积a
0
的比值。自流冷却能力系数是指航行体在一定速度下，自流管内冷却水流速与航速之比。即：
[0063]
自流冷却能力系数＝自流管内冷却水流速/航速
[0064]
基于以上自流冷却能力系数与排放口面积a
1
和排放口相对水平面夹角θ之间的关系，本发明实施例还提供了一种船舶自流排放口装置的调节控制方法。如图6所示为本发明实施例船舶自流冷却系统的调节控制方法的流程示意图，该船舶自流冷却系统的调节控制方法包括：
[0065]
s101，获取用户热源的过冷度参数，并根据过冷度参数确定自流能力系数。自流系统启动后，系统读取冷却用户的冷却需求，计算冷却水的过冷度需求，即确定过冷度参数，过冷度参数为用户热源在一定时间内的实际温度与目标温度之间的差值。通过过冷度参数即可确定自流管内冷却水流速，从而确定自流冷却能力系数。
[0066]
s102，根据自流冷却能力系数与排放口面积系数的关系，确定排放口面积；其中，排放口面积系数为排放口面积与自流入口面积之比。具体的，根据如图4所示的自流冷却能力系数与排放口面积系数的关系确定排放口面积系数，从而确定排放口面积。
[0067]
s103，根据排放口面积确定每一调节片21相对自流排水管1的偏转角度，驱动装置3驱动调节片21转动。其中，可通过同一驱动装置3驱动所有调节片21同时靠近或远离自流排水管1的中心轴线，以实现对排放口面积的调节；也可通过与多个调节片21对应设置的多个驱动装置3分别驱动每一调节片21以不同的偏转角度靠近或远离自流排水管1的中心轴线，以同时实现对排放口面积的调节和排放口4的方向的调节。
[0068]
由于自流阻力受排放口4相对水平面夹角θ的影响，本发明实施例提供的船舶自流排放口装置调节控制方法还包括：
[0069]
s201，根据自流冷却能力系数确定排放口4相对水平面夹角θ。具体的，根据如图5所示的自流冷却能力系数与排放口相对水平面夹角θ的关系，确定排放口4与水平面的夹角。
[0070]
s202，根据排放口4相对水平面夹角确定每一调节片21相对自流排水管1的偏转角度，驱动装置3驱动调节片21转动，以将排放口4相对水平面夹角调节到最佳状态，且保证调整之后排放口面积相对调整之前不变。
[0071]
当船舶存在姿态调整需求时，可通过改变排放口4在水平面上相对当前航行速度方向的夹角来调整自流水从排放口4的排出方向，并借助自流冷却系统内的射流泵提供的喷射力，实现船舶的姿态调整。因此，本发明实施例提供的船舶自流排放口装置调节控制方法还包括：
[0072]
s301，获取船舶需要调整的姿态角度；
[0073]
s302，根据姿态角度确定每一调节片相对自流排水管1的偏转角度，驱动装置3驱动调节片21转动；
[0074]
s303，启动射流泵7，完成船舶的姿态调节。
[0075]
具体的，可从船舶导航系统获取船舶的当前航行方向以及需要调整的姿态角度，根据该姿态角度确定排放口4的偏转角度。然后根据排放口4的偏转角度确定每一调节片21相对自流排水管1的偏转角度，驱动装置3驱动对应的调节片21偏转至指定角度。完成排放口4的角度调整之后，启动射流泵7，以借助射流泵7提供的喷射力为船舶提供助推，完成船舶姿态的调整。需要说明的是，当通过排放口 4调节船舶的姿态时，排放口4的偏转角度一般较小，对自流阻力的影响可以忽略不计，待姿态调整完成后，可恢复到调整之前的自流阻力。
[0076]
本发明实施例还提供一种船舶，该船舶包括上述实施例所述的船舶自流冷却系统。进一步的，如图1所示，还包括船舷9，船舷9开设有安装孔90，自流排水管1穿设于该安装孔90与自流水源连通。进一步的，自流排水管1的管壁与船舷9之间安装密封件11，以防止海水从船舷9和自流排水管1之间的缝隙进入船舶内部，对内部的电气元件造成破坏。当驱动装置3为液压推杆时，可将液压推杆的外壳与船舷9的外侧固定连接，其液压油管则穿设于密封件11后与船舶内部的液压油罐连通。
[0077]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。