某型電站用柴油機(jī)主要研制技術(shù)

張順利 竇振寰 王江坤 高向花

摘要：文章主要闡述了推進(jìn)用柴油機(jī)改進(jìn)為電站用柴油機(jī)的主要研制過程。在推進(jìn)用柴油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了增壓器的選型裝配設(shè)計(jì)、理論計(jì)算以及配機(jī)試驗(yàn)。調(diào)速器的選型裝配設(shè)計(jì)和配機(jī)試驗(yàn)。曲軸箱閉式透氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于油氣分離器的選型，建模計(jì)算其合理性后，最終確定油氣分離器。通過對滑油冷卻器和空冷器熱工計(jì)算校核，確定原配套冷卻器在樣機(jī)上的適配性。研制工作經(jīng)過方案設(shè)計(jì)評審、技術(shù)設(shè)計(jì)評審、樣機(jī)鑒定試驗(yàn)，柴油機(jī)各項(xiàng)性能技術(shù)指標(biāo)滿足項(xiàng)目要求。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);增壓器;調(diào)速器;曲軸箱閉式透氣系統(tǒng);油氣分離器

中圖分類號：TK422? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0001-04

0? 引言

為滿足某船綜合電力系統(tǒng)4MW中壓發(fā)電機(jī)組發(fā)電動力要求，在某型推進(jìn)柴油機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制為電站用柴油機(jī)樣機(jī)。保證在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期內(nèi)，柴油機(jī)能正常、可靠的發(fā)出需求功率，滿足機(jī)組的使用要求。

1? 研改方案

如表1所示，對比電站用柴油機(jī)與推進(jìn)用柴油機(jī)，主要結(jié)構(gòu)指標(biāo)一致，柴油機(jī)功率、額定轉(zhuǎn)速、強(qiáng)化系數(shù)均較推進(jìn)用柴油機(jī)降低。

由于強(qiáng)化系數(shù)下降，通用零部件無需再做額外的強(qiáng)化設(shè)計(jì)工作。根據(jù)項(xiàng)目的特殊設(shè)計(jì)需求，本項(xiàng)目電站用柴油機(jī)在推進(jìn)用柴油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.1 進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 項(xiàng)目需求

采用MPC增壓系統(tǒng)，柴油機(jī)工作時，兩個增壓器同時工作，不需要進(jìn)排氣管路上蝶閥等相繼增壓系統(tǒng)。

項(xiàng)目使用要求，柴油機(jī)作為發(fā)電機(jī)組原動機(jī)使用，且在使用環(huán)境條件下（低溫水進(jìn)機(jī)溫度≤36℃，排氣背壓≤7.5kPa，進(jìn)氣真空度≤4.5kPa，進(jìn)氣溫度≤48℃），柴油機(jī)的額定工況功率≥4200kW。因此需對柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.1.2 設(shè)計(jì)方案

發(fā)電柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)，不需要控制增壓器蝶閥切入、切除，因此取消控制蝶閥并對進(jìn)排氣管路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

考慮到項(xiàng)目使用環(huán)境條件，重新匹配增壓器以確保在使用環(huán)境條件下增壓器總效率處于較高水平，壓氣機(jī)需具備較寬廣的運(yùn)用區(qū)域，在柴油機(jī)常用工況下具有較高的配機(jī)效率，全工況使用時具有足夠的喘振裕度[1]。

1.2 調(diào)速器選型設(shè)計(jì)

1.2.1 項(xiàng)目需求

柴油機(jī)作為發(fā)電機(jī)組原動機(jī)，調(diào)速器性能應(yīng)滿足Ⅱ級調(diào)速要求。其速度控制主要特點(diǎn)是起動時間短、加載時間短、油門及轉(zhuǎn)速控制精度高、可靠性運(yùn)行要求高。

1.2.2 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目擬采用電子調(diào)速器。經(jīng)調(diào)研，海因茲曼公司生產(chǎn)的電子調(diào)速器DC40+StG40性能參數(shù)滿足電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組調(diào)速器性能等級Ⅱ級精度要求，其與2231-1GL-25調(diào)速器（原推進(jìn)用調(diào)速器）參數(shù)對比見表2。

從以上參數(shù)對比可以看出，StG40工作輸出能力優(yōu)于2231，響應(yīng)性更好，可以完全滿足發(fā)電柴油機(jī)的調(diào)速要求。同時由于取消了液壓結(jié)構(gòu)，其尺寸規(guī)格較小，便于布置和維護(hù)保養(yǎng)。

1.3 曲柄箱閉式透氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.3.1 項(xiàng)目需求

在48h應(yīng)急工況下，柴油機(jī)曲柄箱透氣口接入柴油機(jī)進(jìn)氣口，并通過手動閥門實(shí)現(xiàn)開式、閉式透氣系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

1.3.2 設(shè)計(jì)方案

將某型柴油機(jī)原設(shè)計(jì)的開式曲柄箱透氣系統(tǒng)中增加閉式透氣系統(tǒng)模式選擇，對透氣系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

CCV（曲柄箱油霧閉式循環(huán)系統(tǒng)）系統(tǒng)可將曲軸箱壓力調(diào)節(jié)至在安全范圍內(nèi)，減少排放到大氣中的油氣量、避免曲軸箱內(nèi)壓力過高引起的油氣滲漏，降低火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)等[2]。

1.4 低溫水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1 項(xiàng)目需求

柴油機(jī)低溫水進(jìn)機(jī)溫度可達(dá)36℃，不僅高于IS0環(huán)境條件下25℃的低溫水進(jìn)機(jī)溫度，也高于GJB4000環(huán)境條件下32℃的低溫水進(jìn)機(jī)溫度，據(jù)此需對柴油機(jī)機(jī)帶空冷器和滑油冷卻器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)校核。

總體設(shè)計(jì)對柴油機(jī)提出了緊急工況下低溫水分流5m3/h至發(fā)電機(jī)使用的要求，需根據(jù)機(jī)帶低溫水泵設(shè)計(jì)流量和機(jī)帶冷卻器的需求，確定流量裕度，確保滿足低溫水應(yīng)急分流要求。保證在發(fā)電機(jī)組額定使用工況下，空冷器冷卻水裕度≥15%。

1.4.2 設(shè)計(jì)方案

對原推進(jìn)柴油機(jī)用空冷器及滑油冷卻器在發(fā)電使用條件下進(jìn)行了換熱校核。

空冷器主要熱工參數(shù)如表3所示，按低溫水進(jìn)水溫度36℃、進(jìn)空冷器流量減少5m3計(jì)算，換熱裕度為19.34%，滿足設(shè)計(jì)裕度要求。滑油冷卻器主要熱工參數(shù)如表4所示，按低溫水進(jìn)水溫度36℃、進(jìn)滑油冷卻器流量減少5m3計(jì)算，換熱裕度為25.45%，滿足設(shè)計(jì)裕度要求。

2? 技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 增壓器選型及進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 增壓器選型

經(jīng)調(diào)研，選用JT350P型增壓器的運(yùn)行區(qū)域基本滿足柴油機(jī)的運(yùn)行要求，且外形尺寸、冷卻水、滑油、進(jìn)氣、排氣、連接支座接口與推進(jìn)柴油機(jī)原增壓器一致，無需進(jìn)行額外的管路設(shè)計(jì)。對該增壓器進(jìn)行使用條件下的額定工況匹配計(jì)算，考慮環(huán)境溫度的影響，分別對25℃、35℃環(huán)境溫度下進(jìn)行仿真計(jì)算。

增壓器配機(jī)計(jì)算表如表5所示。通過計(jì)算，使用環(huán)境條件下增壓器喘振裕度均大于20%，效率大于60%，能夠滿足使用要求，確定增壓器型號JT350P及通流元件VA12VG13HF13WG08EF17。考慮試驗(yàn)場地的地理位置影響，配備了WG08EF16噴嘴環(huán)作為試驗(yàn)件進(jìn)行匹配試驗(yàn)。

2.1.2 進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排氣管布置方案與推進(jìn)用柴油機(jī)基本一致，故進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是取消蝶閥的相繼增壓系統(tǒng)，并對管路進(jìn)行整合。原蝶閥處由延長連接管填補(bǔ)，B列排氣總管連接尺寸參照A列對稱設(shè)計(jì)，布置方案如圖1所示。

2.2 調(diào)速器匹配設(shè)計(jì)

柴油機(jī)采用純電子調(diào)速器后，取消了錐齒輪傳動及配合花鍵、傳動軸承座圈等零件，調(diào)速器安裝面降低了44mm。另外， StG40調(diào)速器與推進(jìn)柴油機(jī)用2231-1GL-25調(diào)速器相比尺寸變小且安裝接口位置不同。

為保證相關(guān)零部件可靠性與互換性，針對StG40執(zhí)行器設(shè)計(jì)傳動支撐箱，安裝過渡蓋板和轉(zhuǎn)換支座。此項(xiàng)設(shè)計(jì)不僅可以滿足調(diào)速器傳動齒輪箱密閉性，還可以使執(zhí)行器輸出軸的位置與推進(jìn)柴油機(jī)調(diào)速器的輸出軸位置保持不變，這樣就保證了柴油機(jī)燃油供油規(guī)律與推進(jìn)柴油機(jī)一致。

2.3 曲柄箱透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 油氣分離器選型

油氣分離器主要考慮其透氣流量，以確保曲柄箱油霧能及時排出。柴油機(jī)曲柄箱的透氣量主要包括燃燒室竄氣量和滑油蒸發(fā)量[3]。柴油機(jī)的竄氣量與功率水平是正相關(guān)的，而滑油蒸發(fā)量較難測定，但總量較少，一般通過裕量的方式考慮進(jìn)去。

推進(jìn)柴油機(jī)在全負(fù)荷工況下整機(jī)油霧量約為748.8L/min。由于該項(xiàng)目柴油機(jī)的動力單元結(jié)構(gòu)與推進(jìn)柴油機(jī)相同，而單缸功率更低，可以認(rèn)為該項(xiàng)目柴油機(jī)曲柄箱竄氣量不會高于推進(jìn)柴油機(jī)的水平，可將748.8L/min作為竄氣量上限。

磨損過的發(fā)動機(jī)竄氣量較新機(jī)更多，據(jù)柴油機(jī)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，一臺臨近大修期的發(fā)動機(jī)竄氣量是新機(jī)的兩倍。同時，將滑油蒸發(fā)量（估算不大于400L/min）等影響因素計(jì)入設(shè)計(jì)裕量，分析認(rèn)為按2000L/min的透氣量標(biāo)準(zhǔn)選型油氣分離器，可滿足發(fā)電柴油機(jī)的全壽命周期使用要求。

經(jīng)調(diào)研，擬選用CCV12000型油氣分離器用于該項(xiàng)目。油氣分離器分別裝于A排和B排，可以實(shí)現(xiàn)共計(jì)2832L/min的曲柄箱透氣需求，既滿足了使用要求，也留有一定的裕量。

2.3.2 曲柄箱壓力水平評估

在額定工況下 ，推進(jìn)柴油機(jī)曲柄箱壓力一般不大于0.3kPa。根據(jù)本項(xiàng)目要求，發(fā)電柴油機(jī)的曲柄箱壓力Pc監(jiān)測門限值設(shè)定如下：

Pc≥0.5kPa，報(bào)警;

Pc≥0.7kPa，緊急停車。

①閉式系統(tǒng)透氣系統(tǒng)對曲柄箱壓力的影響評估。

新設(shè)計(jì)的閉式透氣系統(tǒng)，由于同時存在真空度和流動阻力，會對曲柄箱壓力產(chǎn)生影響。柴油機(jī)在低工況時，進(jìn)氣真空度、曲柄箱透氣量以及油氣分離器流阻等均較小，完全可以實(shí)現(xiàn)曲柄箱透氣的有效循環(huán)。而當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速升高后，進(jìn)氣真空度也隨之升高，對曲柄箱透氣的抽吸能力增強(qiáng)，曲柄箱則會出現(xiàn)過高的負(fù)壓。曲柄箱閉式透氣系統(tǒng)建模見圖2。

油氣分離器透氣流量與流阻關(guān)系見圖3，其中：橫坐標(biāo)為透氣流量（單位：LPM）;縱坐標(biāo)為流阻（單位：kPa）。

將輸入條件（進(jìn)氣真空度4.5kPa，絕對壓力95.5kPa，系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大流量1000LPM）代入，輸出的壓力分布圖如圖4所示。

從圖4可以得出：若將閉式系統(tǒng)引入柴油機(jī)中，則此時曲柄箱壓力將不能維持正常的壓力范圍（≤0.3kPa），會迅速降為負(fù)壓以維持壓力平衡，影響柴油機(jī)的正常運(yùn)行。

②對閉式系統(tǒng)透氣系統(tǒng)的適應(yīng)性改進(jìn)。

為保持曲柄箱壓力穩(wěn)定，需要對系統(tǒng)的流動性阻力進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定曲柄箱壓力在0.2kPa左右，做如下模擬：

柴油機(jī)單排透氣量為1000LPM（最大設(shè)計(jì)值）時，增加流阻1（等效于設(shè)置Ф=18.4mm孔板），可以確保曲柄箱壓力處于合理水平，系統(tǒng)壓力分布如圖5所示。

柴油機(jī)單排透氣量為500LPM（新機(jī)設(shè)計(jì)值）時，增加流阻2（等效于設(shè)置Ф=12.9mm孔板），可以確保曲柄箱壓力處于合理水平，系統(tǒng)壓力分布如圖6所示。

由于在設(shè)定工況下，增壓器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，進(jìn)氣真空度近似為定值。而曲柄箱壓力需要維持在合理范圍內(nèi)，需要能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)流動性阻力的動態(tài)調(diào)整，通過實(shí)施以下措施來維持曲柄箱壓力處于正常水平：

1）減小系統(tǒng)管徑，將內(nèi)徑由64mm減少為32mm，增加管系流阻，緩解負(fù)壓狀態(tài)。

2）在油氣分離器設(shè)置壓力調(diào)節(jié)裝置，通過控制流通面積，動態(tài)調(diào)節(jié)流動性阻力，最終使系統(tǒng)達(dá)到壓力平衡。

2.3.3 布置設(shè)計(jì)

根據(jù)油氣分離器安裝接口尺寸，確定曲柄箱閉式循環(huán)系統(tǒng)管路通徑為32mm。并在增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口預(yù)留M48×2接口，用于連接曲柄箱閉式透氣系統(tǒng)。

在原通氣管路上增加三通管，實(shí)現(xiàn)開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種模式。在閉式系統(tǒng)通路的油氣分離器通過支架安裝在增壓器兩側(cè)便于維護(hù)，油汽分離器進(jìn)口管處設(shè)置球閥，通氣管處布置單項(xiàng)閥，保證開式和閉式透氣系統(tǒng)相互隔離。曲軸箱閉式循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖7所示。

正常工作狀態(tài)下，通過關(guān)閉進(jìn)口管處的球閥及打開外圍系統(tǒng)通氣閥，閉式系統(tǒng)關(guān)閉，曲柄箱透氣進(jìn)入開式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)外排放。48h應(yīng)急工況下，打開球閥并關(guān)閉外圍系統(tǒng)通氣閥，曲柄箱透氣進(jìn)入閉式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)透氣閉式循環(huán)。

3? 鑒定試驗(yàn)及結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求開展樣機(jī)鑒定試驗(yàn)。對柴油機(jī)的起動、運(yùn)行和安保等各項(xiàng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)全部順利完成。發(fā)電機(jī)組用柴油研制項(xiàng)目，嚴(yán)格按照研制要求基本框架進(jìn)行，結(jié)合總體設(shè)計(jì)要求先后完成了方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)，并通過了審查。試驗(yàn)過程考核充分，樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)良好，滿足設(shè)計(jì)要求。特別是曲軸箱閉式透氣系統(tǒng)的研制設(shè)計(jì)，可以指導(dǎo)后續(xù)型號柴油機(jī)的生產(chǎn)工作，具備裝艦使用條件。

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