帶箱裝體航改燃機(jī)試驗(yàn)設(shè)備典型工藝布局研究

徐雨生，劉炳偉，曹海峰，劉翔宇

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家在新能源戰(zhàn)略中要求大力發(fā)展應(yīng)用國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)，國(guó)內(nèi)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的需求也已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)高點(diǎn)。同多數(shù)西方國(guó)家一樣，我國(guó)也一直在走著航改燃機(jī)的應(yīng)用道路，特別是針對(duì)艦船、發(fā)電、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域，航改燃機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。

1 航改燃機(jī)試驗(yàn)

航改燃機(jī)試驗(yàn)的方法，可根據(jù)研究所和生產(chǎn)廠自身的需求、能力、現(xiàn)有條件進(jìn)行相適應(yīng)的選擇，但最終一定要滿足試車(chē)大綱的任務(wù)要求，目前國(guó)內(nèi)外燃機(jī)試車(chē)主要的方法如下：

（1）大部分燃機(jī)的試車(chē)試驗(yàn)是使用燃機(jī)本體在試驗(yàn)間內(nèi)進(jìn)行，采用水力測(cè)功機(jī)、發(fā)電機(jī)或動(dòng)力機(jī)械作為負(fù)載，配以相應(yīng)的進(jìn)排氣系統(tǒng)、工藝系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)備完成規(guī)定的試車(chē)任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)外大部分的燃機(jī)的工廠試車(chē)臺(tái)均采用此類(lèi)試車(chē)方法。采用此類(lèi)試車(chē)方法的燃機(jī)臺(tái)，選擇負(fù)載系統(tǒng)非常關(guān)鍵，選擇不同的負(fù)載將影響整個(gè)車(chē)臺(tái)的區(qū)劃和布置。

（2）有些用戶是先做燃?xì)獍l(fā)生器部分的試驗(yàn)，然后，再進(jìn)行整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的試驗(yàn)，試車(chē)時(shí)，以工藝尾噴管排氣的方式來(lái)模擬動(dòng)力渦輪的能量。此類(lèi)車(chē)臺(tái)一般用于燃機(jī)維修后的試車(chē)，考慮到動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)是長(zhǎng)壽命的，因此，通常就只返修和試驗(yàn)燃?xì)獍l(fā)生器部分。國(guó)內(nèi)某石油管道工程于2010年后建設(shè)的試車(chē)臺(tái)就是此類(lèi)試車(chē)臺(tái)。根據(jù)試驗(yàn)大綱要求，結(jié)合服務(wù)對(duì)象特點(diǎn)，航改燃機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容包括燃機(jī)功率、熱效率、熱耗率的測(cè)定，綜合性試車(chē)，以及鹽霧試驗(yàn)（艦用燃機(jī)）、清洗試驗(yàn)等專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)等。

2 帶箱裝體航改燃機(jī)總體方案

從試車(chē)大綱和產(chǎn)品任務(wù)方面，部分艦載燃?xì)廨啓C(jī)需要在箱裝體狀態(tài)下完成一定小時(shí)數(shù)的試驗(yàn)，包括性能調(diào)試、可靠性試驗(yàn)以及鹽霧、清洗試驗(yàn)等。其次，燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體具有隔聲、隔熱、抗沖擊、安裝維修方便、適于快速轉(zhuǎn)換等顯著優(yōu)點(diǎn)，在艦載等領(lǐng)域使用便利。因此，帶箱裝體的航改燃機(jī)試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。帶箱裝體的航改燃機(jī)試車(chē)臺(tái)的核心組成包括箱裝體、進(jìn)氣系統(tǒng)、進(jìn)氣加溫系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)負(fù)載系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等。其中箱裝體一般含消防系統(tǒng)、進(jìn)排氣及引射撓性接頭，為適應(yīng)箱裝體燃?xì)廨啓C(jī)試車(chē)要求，一般設(shè)計(jì)垂直進(jìn)排氣系統(tǒng)，整機(jī)臺(tái)位設(shè)計(jì)為后輸出型式，典型帶箱裝體的燃機(jī)臺(tái)主視圖布局如圖1所示。帶箱裝體的航改燃機(jī)兼容性和通用性較強(qiáng)，主要工作特點(diǎn)如下：

圖1 典型帶箱裝體的燃機(jī)臺(tái)主視圖布局

（1）試車(chē)狀態(tài)兼顧：兼顧箱裝體狀態(tài)試車(chē)和燃?xì)廨啓C(jī)狀態(tài)試車(chē)。

（2）模擬自然環(huán)境：具備冷卻水溫度調(diào)節(jié)、進(jìn)氣加溫等功能，可模擬航行海區(qū)海水溫度、大氣溫度等復(fù)雜自然環(huán)境。

（3）結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好：具備多種進(jìn)排氣形式，可任意組合，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好。

（4）負(fù)載匹配靈活：負(fù)載采用交流發(fā)電機(jī)+負(fù)載箱組合模式，匹配減速器，可適應(yīng)各發(fā)電型軍用、民用燃機(jī)。

（5）適應(yīng)各型安裝要求：主體設(shè)備通過(guò)轉(zhuǎn)接底座能夠適應(yīng)各型設(shè)備及燃機(jī)安裝要求。

（6）配置滿足需求：燃機(jī)臺(tái)配置大規(guī)模供水系統(tǒng)和高負(fù)荷供電系統(tǒng)，充分滿足各級(jí)別燃機(jī)試驗(yàn)需求。

3 帶箱裝體航改燃機(jī)工藝布局研究

帶箱裝體航改燃機(jī)雖與航空發(fā)動(dòng)機(jī)同源，但在試驗(yàn)廠房的工藝布局設(shè)計(jì)過(guò)程中還是存在較大差異，這也與二者服務(wù)對(duì)象、工作環(huán)境不同有很大的關(guān)系。

（1）火災(zāi)危險(xiǎn)性的確定。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，由于航空煤油閃電低于60℃，根據(jù)《建筑防火規(guī)范》，燃油間需要按照乙類(lèi)防爆進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，2020版本更新的《試車(chē)臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，將試車(chē)過(guò)程定義為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃料燃燒過(guò)程，考慮進(jìn)排氣可直接通往大氣，因此，整個(gè)試車(chē)臺(tái)的火災(zāi)危險(xiǎn)性由以前的乙類(lèi)降低到丁類(lèi)。而對(duì)于航改燃?xì)廨啓C(jī)，由于設(shè)備歸屬性質(zhì)不同，不能直接照搬《試車(chē)臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。一般建議從《建筑防火規(guī)范》對(duì)建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性的規(guī)定進(jìn)行分析。燃機(jī)臺(tái)常用的介質(zhì)包括-10號(hào)柴油和天然氣兩種，-10號(hào)柴油閃點(diǎn)高于60℃，油泵間按照丙類(lèi)設(shè)計(jì)。由于試驗(yàn)間存放滑油站、液壓油站等丙類(lèi)介質(zhì)，試驗(yàn)間一般按照丙類(lèi)設(shè)計(jì)；而天然氣屬于甲類(lèi)介質(zhì)，一般在廠房外設(shè)置露天的調(diào)壓站，用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需壓力的天然氣，天然氣以管道的形式進(jìn)入試驗(yàn)間一般用于燃燒，且對(duì)試驗(yàn)間閥門(mén)處可能存在泄漏的點(diǎn)進(jìn)行局部濃度探測(cè)、設(shè)置排風(fēng)，因此試驗(yàn)間火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)不提高。

（2）試驗(yàn)間散熱通風(fēng)設(shè)計(jì)。散熱通風(fēng)設(shè)計(jì)是燃機(jī)臺(tái)廠房設(shè)計(jì)的重中之重。一方面，試驗(yàn)間散熱量大，既要考慮上部熱空氣排放，也要考慮下部補(bǔ)風(fēng)，形成試驗(yàn)間良好的空氣循環(huán)；另一方面，受限于燃機(jī)臺(tái)“L”型進(jìn)排氣的工藝布局以及隔聲降噪需求，試驗(yàn)間很難對(duì)外設(shè)置大面積隔聲窗，考慮到試驗(yàn)間按丙類(lèi)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)間的防排煙通風(fēng)量較大，建議設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)合試驗(yàn)間排風(fēng)、補(bǔ)風(fēng)要求統(tǒng)籌設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)；同時(shí)，考慮到航改燃?xì)廨啓C(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中存在高溫滑油蒸氣揮發(fā)問(wèn)題，為避免滑油蒸氣混入通風(fēng)系統(tǒng)，需要將泄漏點(diǎn)處的滑油蒸氣進(jìn)行收集，某單位就通過(guò)設(shè)置移動(dòng)式靜電吸附裝置一定程度上解決了滑油蒸氣泄漏的問(wèn)題。燃?xì)廨啓C(jī)在試車(chē)過(guò)程中將通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼將散發(fā)出大量的熱量，這部分熱量不允許在試驗(yàn)間內(nèi)逐漸積累，必須設(shè)法排出試驗(yàn)間。美國(guó)CENCO公司經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，初步估計(jì)該熱量等于1%的燃油量發(fā)熱值，我們通過(guò)多年實(shí)踐認(rèn)為該值宜調(diào)整為0.6%，同時(shí)，燃機(jī)臺(tái)通風(fēng)散熱系統(tǒng)的壓損不宜超過(guò)350Pa。目前，在幾座燃機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)上均采用此值，也取得了良好的通風(fēng)效果。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)噪聲控制設(shè)計(jì)。ASME報(bào)告T4-GT-110上指出，在沒(méi)有實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下，可采用表1的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行船用燃?xì)廨啓C(jī)消音設(shè)備的設(shè)計(jì)。

表1 不同功率級(jí)燃機(jī)噪聲排放數(shù)據(jù)估算值

試驗(yàn)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射噪聲會(huì)影響廠界噪聲控制值，因此，要將試驗(yàn)間墻體設(shè)計(jì)成具有足夠隔聲量的結(jié)構(gòu)形式。隔聲量由噪聲源的噪聲值與廠界噪聲控制值、距離廠界范圍內(nèi)衰減值的差值獲得。試驗(yàn)間、進(jìn)氣通道及排氣通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)權(quán)隔聲量不宜小于55dB。操縱間與試驗(yàn)間公用墻的計(jì)權(quán)隔聲量不宜小于70dB。圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)論是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，還是采用框架結(jié)構(gòu)或是其它結(jié)構(gòu)，其厚度與隔聲量有關(guān)，其厚度的計(jì)算公式如下：

TL=η{18Lg(fm)-44}

式中，TL為構(gòu)件的隔聲量(分貝)；f為隔聲頻率(Hz)；m為隔聲件面密度(kg/m2)；η為修正系數(shù)，與聲源振動(dòng)隔離程度、漏聲情況、隔聲件結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般選0.6～ 0.8。

（4）冷卻循環(huán)水設(shè)計(jì)。航改燃機(jī)的循環(huán)水用量較航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)有顯著增加。若采用水力測(cè)功機(jī)進(jìn)行功率測(cè)量，循環(huán)冷卻水供水壓力穩(wěn)定性則是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。水力測(cè)功機(jī)作為負(fù)載最終是把燃機(jī)的能量轉(zhuǎn)化成循環(huán)水的溫升，因此，循環(huán)冷卻水的入口溫度對(duì)水力測(cè)功機(jī)的測(cè)試功率有重要影響，因?yàn)樗y(cè)功機(jī)不允許出水溫度超過(guò)70°C（不同廠家數(shù)值有所不同）、且不允許水流量過(guò)大。由圖2可以看出，不同入口溫度下，水力測(cè)功機(jī)的測(cè)試能力，當(dāng)入口溫度低時(shí)，水力測(cè)功機(jī)測(cè)試的功率值更高。

圖2 水力測(cè)功機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、扭矩包線圖

不同的測(cè)功機(jī)廠家由于性能差異、測(cè)功機(jī)原理差異對(duì)供水的壓力波動(dòng)要求不同，最嚴(yán)格的廠家會(huì)要求測(cè)功機(jī)供水壓力波動(dòng)差不超過(guò)70Pa。為解決這一問(wèn)題，有兩種解決方案：

①采用泵供水和系統(tǒng)穩(wěn)壓的措施：供水系統(tǒng)中冷水泵出口管路上設(shè)穩(wěn)壓閥（泄壓持壓閥）。系統(tǒng)中供水壓力大于水力測(cè)功機(jī)供水壓力時(shí)，穩(wěn)壓閥(泄壓持壓閥)將水泄回水池，保證供水壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。供水系統(tǒng)中設(shè)穩(wěn)壓蓄水罐，運(yùn)行過(guò)程中供水壓力脈動(dòng)可被穩(wěn)壓蓄水罐吸收，滿足水力測(cè)功機(jī)供水壓力脈動(dòng)要求。該措施在具體實(shí)施過(guò)程中，調(diào)試工作量過(guò)大，實(shí)施起來(lái)難度較大，甚至受限于系統(tǒng)元件產(chǎn)品的影響而無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能。但是，該方案投資成本較低，適用于研究型的對(duì)壓力波動(dòng)要求不高的燃機(jī)臺(tái)。

②采用高位水箱供水。高位水箱供水完全利用水的高度產(chǎn)生的壓差來(lái)提供一定壓力的冷卻水，由于水箱液面的位置精度非常容易控制，因此，該方案在技術(shù)上是最佳的解決方案。按照水力測(cè)功機(jī)供水要求，高位水箱儲(chǔ)水量一般為最大水流量的3倍（每分鐘供水量），水箱上部再預(yù)留15%～25%壓縮空氣空間。

最大供水量：Q1=14.33×P/（t2-t1）。

式中，P為水力測(cè)功機(jī)最大功率，t1為進(jìn)水溫度（一般為32℃），t2為出水溫度（一般為60℃）。

儲(chǔ)水量：Q2=3×Q1。

水箱容量：Q3=Q2/（1-20%）。

當(dāng)水力測(cè)功機(jī)最大功率為10000kW時(shí)，經(jīng)計(jì)算，Q3=19.2m3，選取容量為20m3的高位水箱。

高度方面，考慮到水力測(cè)功機(jī)進(jìn)口壓力要求，一般需要建設(shè)一座20～30m的高位水箱，雖然一次投資稍高，但高位水箱供水方案是目前水力測(cè)功機(jī)最常用的冷卻方式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了帶箱裝體航改燃機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的總體方案及工藝布局，并針對(duì)航改燃機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的主要工藝組成特點(diǎn)，提供了多種解決方案。