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军用通信车用全水冷超静音柴油发电机组设计技

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军用通信车用全水冷超静音柴油发电机组设计技

责任编辑:新濠lottery登录网址-www3559com??? 发布时间:2020-11-10 ??? 【

摘要:简要介绍了现役通信车用发电机组的现状和当前外军发电机组开发应用情况,研究提出了全水冷超静音柴油发电机组研制过程中涉及的关键设计技术。

关键词:通信车;全水冷;超静音;发电机组

0 引 言

长期以来,新濠lottery登录网址军通信车野外供电主要由安装于车内的小功率交流工频柴油发电机组来提供,在驻车或条件许可时则优先利用市电。由于发电机组可靠性偏低,通常采用两台机组“用一备一”的冷备份方式,造成占用车内空间大、车辆易超重等问题,影响了车辆越野机动性能。另外,由于发电机组的原动机为单缸风冷柴油机,整个机组设计为开架式结构,振动和噪声都比较大,发热量高,无法在车内长时间连续工作,通常做法是在驻车时将发电机组取下来,抬到远离车辆几十米的地方进行发电,制约了通信车“运动中通信”和“运动中指挥控制”的保障能力。

基于上述问题,“十一五”期间新濠lottery登录网址军研制并装备使用了基于水冷发动机的第一代静音型柴油发电机组,整体设计为相对封闭的箱式结构,噪声和振动较低、发热量较小,可在通信车上长时间连续工作,较好地解决了车辆运动中使用的难题,但与国外先进水平相比还有一定的差距,急需进行提升改进,以更好地满足实际使用要求。

1 外军应用情况

为了提高发电机组的环境适应能力和战场生存能力,20世纪90年代美军规划发展了第二代战术无声发电机(TQG,Tactical Quiet Generator),共有6个功率等级(3、5、10、15、30、60 kW)、18个品种,功率等级和规格符合MIL-STD-633E标准系列,在美国陆海空三军部队得到了广泛应用,效果良好。TQG均为静音型发电机组,原动机均采用多缸水冷柴油机,7 m处噪声等级不超过70 dB(A),在400 m以外检测不到机组的电磁、红外和噪声辐射,避免了敌方的探测和攻击。美军10 kW TQG如图1所示。

图1 美军10 kW战术无声发电机(TQG)

当前全世界范围内在发电机组静音化设计技术方面最为领先的是德国Fischer Panda公司,该公司推出的一系列全水冷超静音发电机组,不仅发动机采用多缸水冷柴油机,发电机也采用水冷式。为了达到超静音工作状态和微弱的红外辐射目标,发动机、发电机及排气消声装置全部封装在一个隔声舱内,结构紧凑,发电效率高。7 m 处噪声等级为55~65 dB(A),20 m以外检测不到机组的噪声辐射,产品除大量列装本国军队外,还广泛使用于美国和其他北约部队,同时在新濠lottery登录网址军也有少量使用(均为该公司进口民用产品)。Fischer Panda公司10 kW全水冷超静音柴油发电机组如图2所示。

图2 德国Fischer Panda公司10 kW全水冷超静音柴油发电机组

2 全水冷超静音柴油发电机组研制过程中涉及的关键设计技术分析

新濠lottery登录网址军第一代静音发电机组产品噪声指标实际控制在1 m处不超过73 dB(A),第二代全水冷超静音柴油发电机组设计目标为1 m处不超过70 dB(A),接近甚至达到了Fischer Panda公司设计水平。在该型机组研制过程中须解决以下几个方面的主要问题:

(1)总体方案设计;

(2)发动机合理选型;

(3)发电机合理设计;

(4)电能的稳定输出;

(5)降噪与散热的综合控制;

(6)电磁兼容设计。

2.1 总体方案设计

柴油机运转带动发电机工作,由交流变换器将发电机输出的中频电能转换为工频电能后向外供电;通过增压器对柴油机进气进行增压,提高柴油机在高海拔时输出功率;通过隔声罩、消声器等措施进行降低处理;通过循环冷却液将柴油机、消声器、交流变换器、发电机热量带到散热器对机组进行散热。机组总体方案原理框图如图3所示。

图3 全水冷超静音柴油发电机组总体方案原理框图

发电机组主要由水冷柴油机、水冷永磁中频发电机、水冷交流变换器、水冷消声器、电动增压器、散热器、隔声罩、油箱等部分组成。机组外形结构示意如图4所示。

图4 全水冷超静音柴油发电机组外形结构示意图

2.2 发动机合理选型

发动机作为发电机组的核心部件,在选型过程中应重点关注体积、重量、功率(特别是连续功率)、可靠性、噪声等指标,尽量能够自带增压器。从目前国内外市场上来看,日本Kubota公司Z、D、EA系列和意大利Lombardini公司LDW系列多缸水冷柴油机均是不错的选择。

2.3 发电机合理设计

由于永磁发电机具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、效率高、无无线电干扰等优点,方案设计采用三相水冷永磁中频同步发电机。发电机结构可以设计为内转子式和外转子式两种,由于内转子式水冷发电机加工和装配简单,外转子式水道布局及装配相对复杂,因此方案选用内转子式发电机结构。

内转子式结构为发电机的转子组合在定子组合内部,定子外部压装电机壳体,发电机壳体内开有水道槽,发电机通过壳体内流动的冷却液对其散热,发电机结构如图5所示。

图5 内转子式水冷发电机结构示意图

2.4 电能的稳定输出

永磁发电机额定输出为400 V/400 Hz中频中压电能且自身无法调节励磁,而通信车需要稳定的220 V/50 Hz工频电能。因此,需通过交流变换器(核心是逆变器)进行电能变换,满足稳压稳频输出要求,同时不增加永磁发电机自身的体积与重量。交流变换器需在国军标规定的55℃高温环境下工作,加上设备自身温升,封装在隔声罩内的变换器需承受高达上百度的环境温度,因此,必须优选性能优异的军用元器件,并做好耐环境设计和散热设计,否则无法满足机组可靠性指标要求。

2.5 降噪与散热的综合控制

2.5.1 降噪与散热的综合分析

(1)散热分析

发电机组的散热方式设计为全水冷散热,对机组发热的部件柴油机、消声器、发电机、交流变换器以冷却液为热交换介质,通过外置散热器进行散热。由于柴油机在正常工作时,循环水进口水温一般设计在80℃~90℃之间,此温度不适宜水冷发电机和交流变换器散热。因此冷却系统需设计为相隔离的两路,冷却液循环示意如图3所示。

a.散热器——柴油机——消声器——散热器;

b.散热器——交流变换器——发电机——散热器。

(2)噪声分析

按噪声的成因,机组隔声罩内的噪声大致可分为三类:

a.空气动力性噪声:它是由气体振动而产生,此类噪声主要是发动机的排气噪声;

b.机械性噪声:它是由于机组工作时产生振动而产生,机组一般都是通过减振器与机架连接,尽管有减振措施,仍会造成隔声罩内局部共振,产生低频噪声;

c.空腔共鸣:由于机组振动而向隔声罩辐射的声波,在遇到障碍物反射回来时,二次激励诱发结构的振动,形成空腔共鸣。

2.5.2 降噪与散热的综合设计

(1)散热

由于冷却系统为隔离的两路,因此散热器需设计为相隔离的两层,其原理为采用强制风冷的冷却风首先冷却下层交流变换器和发电机水路的循环水,其次冷却上层柴油机和消声器水路的循环水。同时为适应高原的环境使用,设计专门的泄压阀保证冷却水沸点。

(2)降噪

要控制噪声,首先要从减小声源的噪声着手。由于机组排气采用消声器,对机组的振动采用减振器,结构设计要使固有频率隔开。为抑制机组声源的传播,有效的办法是减小开口间隙或采取密封及迷宫式结构。在静音机组的噪声综合治理中,除对发动机的消声器进行合理设计外,还采用减振、隔声罩的吸声阻尼、隔声罩的隔声等措施。

a.消声

水冷消声器是机组设计的主要降噪措施之一。对柴油机燃烧废气设计专门的冷却管路,进行充分的水冷却,使其温度降低,压力降低,再设计合理的扩张室,几次扩张后排出尾管,达到良好的降噪效果。

b.吸声

对传到隔声罩壁的噪声,采用吸声的办法控制,即利用吸声材料作为内饰来吸收入射到其上的声能,减弱反射的声能,从而降低机组的噪声。

多孔性吸声材料:其机理是当声波进入材料表面的空腔,引起空隙中空气和材料微小纤维的振动,由于内摩擦和粘滞阻力,使相当一部分声能转化为热能。常采用的此类吸声材料有玻璃棉、泡沬铝、毛毡、聚氨酯泡沬塑料、岩棉板等。

孔壁吸声材料:为了提高中、低频声波的吸声系数,往往在材料上开很多小孔,小孔背后保存有一定的空气层,使其产生共振而消耗能量。它往往与多孔性吸声材料混合使用,吸声系数与孔径和穿孔率有关。

c.隔声

超静音机组重点考虑发动机的噪声,可用各种隔声材料和结构来隔离。隔壁面密度越大,隔声效果越好,但质量要相当大。在设计中应综合考虑降低噪声的各种因素,结合吸声材料设计隔声罩壁结构。即隔声罩外壁为一定厚度的钢板,内饰相应厚度的吸声材料。

d.隔振

将发动机、发电机、散热器连接成一个整体,然后通过橡胶隔振器安装在机组底盘上,以机组底盘为基础形成整体。

2.6 电磁兼容设计

由于发电机组与大量无线通信设备同车安装使用,要使系统能够兼容工作,机组电磁干扰控制便成为设计关键内容之一。经分析,机组主要的传导源和辐射源为交流变换器和发电机。因此在对交流变换器、发电机、隔声罩等部件设计时,需考虑其电磁屏蔽及滤波,主要设计措施如下:

(1)交流变换器各功率器件设计完善缓冲与吸收电路,在降低功率器件的电应力的同时,可有效降低功率级的电磁干扰;同时对交流变换器外罩进行密闭性设计,外罩四面采用焊接结构,只保留一面用来拆装交流变换器,此面采用紧配合的止口连接,进一步降低电磁辐射。

(2)发电机所有开口进行电磁屏蔽设计。在发电机的所有开口处加装匹配的波导板,发电机输出连接采用电连接器。

(3)机组的发电机、交流变换器、控制箱、充电发电机、机组输出接口等连接电路在适当位置设置滤波器进行滤波。

(4)对隔声罩的所有结合部位进行屏蔽设计。对箱体的底板、底架端部、机箱上盖、输出箱安装法兰等使用不锈钢材料;机组所用的橡胶条,全部采用具有电磁屏蔽作用的导电硅橡胶条;在进气口加装通风波导板;在隔声罩与散热器的各水路接口处加装通风波导板。

(5)机组在设计控制电路时,采取电磁辐射源较大与电磁辐射源较小部件进行隔离设计,易于机组的电磁屏蔽及滤波设计。

3 结束语

总之,对水冷发电机组进行超静音设计,应从噪声的传播途径入手,综合采用隔声、吸声、消声等降噪措施,切断或衰减噪声的传播,同时采用有效的散热方式,在满足输出功率的前提下,达到超静音目的。该型机组不仅可用于野战通信车辆,还可广泛应用于指挥控制、情报侦察、电子对抗、武器发射等战术车辆,满足系统在驻车及机动过程中长时间连续可靠供电需求,且大大提高了战场安全性能。相信在装备使用后可全面提升新濠lottery登录网址军车载电源系统的综合水平,使其发挥更大的军事效能。


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