軍用通信車用全水冷超靜音柴油發電機組設計技2020-11-10 08:38

摘要:簡要介紹了現役通信車用發電機組的現狀和當前外軍發電機組開發應用情況,研究提出了全水冷超靜音柴油發電機組研制過程中涉及的關鍵設計技術。

關鍵詞:通信車;全水冷;超靜音;發電機組

0 引 言

長期以來,我軍通信車野外供電主要由安裝于車內的小功率交流工頻柴油發電機組來提供,在駐車或條件許可時則優先利用市電。由于發電機組可靠性偏低,通常采用兩台機組“用一備一”的冷備份方式,造成占用車內空間大、車輛易超重等問題,影響了車輛越野機動性能。另外,由于發電機組的原動機爲單缸風冷柴油機,整個機組設計爲開架式結構,振動和噪聲都比較大,發熱量高,無法在車內長時間連續工作,通常做法是在駐車時將發電機組取下來,擡到遠離車輛幾十米的地方進行發電,制約了通信車“運動中通信”和“運動中指揮控制”的保障能力。

基于上述問題,“十一五”期間我軍研制並裝備使用了基于水冷發動機的第一代靜音型柴油發電機組,整體設計爲相對封閉的箱式結構,噪聲和振動較低、發熱量較小,可在通信車上長時間連續工作,較好地解決了車輛運動中使用的難題,但與國外先進水平相比還有一定的差距,急需進行提升改進,以更好地滿足實際使用要求。

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,同时在我军也有少量使用(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

我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)總體方案設計;

(2)發動機合理選型;

(3)發電機合理設計;

(4)電能的穩定輸出;

(5)降噪與散熱的綜合控制;

(6)電磁兼容設計。

2.1 总体方案设计

柴油機運轉帶動發電機工作,由交流變換器將發電機輸出的中頻電能轉換爲工頻電能後向外供電;通過增壓器對柴油機進氣進行增壓,提高柴油機在高海拔時輸出功率;通過隔聲罩、消聲器等措施進行降低處理;通過循環冷卻液將柴油機、消聲器、交流變換器、發電機熱量帶到散熱器對機組進行散熱。機組總體方案原理框圖如圖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

發電機組主要由水冷柴油機、水冷永磁中頻發電機、水冷交流變換器、水冷消聲器、電動增壓器、散熱器、隔聲罩、油箱等部分組成。機組外形結構示意如圖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

發動機作爲發電機組的核心部件,在選型過程中應重點關注體積、重量、功率(特別是連續功率)、可靠性、噪聲等指標,盡量能夠自帶增壓器。從目前國內外市場上來看,日本Kubota公司Z、D、EA系列和意大利Lombardini公司LDW系列多缸水冷柴油機均是不錯的選擇。

2.3 发电机合理设计

由于永磁發電機具有結構簡單、體積小、重量輕、可靠性高、效率高、無無線電幹擾等優點,方案設計采用三相水冷永磁中頻同步發電機。發電機結構可以設計爲內轉子式和外轉子式兩種,由于內轉子式水冷發電機加工和裝配簡單,外轉子式水道布局及裝配相對複雜,因此方案選用內轉子式發電機結構。

內轉子式結構爲發電機的轉子組合在定子組合內部,定子外部壓裝電機殼體,發電機殼體內開有水道槽,發電機通過殼體內流動的冷卻液對其散熱,發電機結構如圖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)散熱分析

發電機組的散熱方式設計爲全水冷散熱,對機組發熱的部件柴油機、消聲器、發電機、交流變換器以冷卻液爲熱交換介質,通過外置散熱器進行散熱。由于柴油機在正常工作時,循環水進口水溫一般設計在80℃~90℃之間,此溫度不適宜水冷發電機和交流變換器散熱。因此冷卻系統需設計爲相隔離的兩路,冷卻液循環示意如圖3所示。

a.散熱器——柴油機——消聲器——散熱器;

b.散熱器——交流變換器——發電機——散熱器。

(2)噪聲分析

按噪聲的成因,機組隔聲罩內的噪聲大致可分爲三類:

a.空氣動力性噪聲:它是由氣體振動而産生,此類噪聲主要是發動機的排氣噪聲;

b.機械性噪聲:它是由于機組工作時産生振動而産生,機組一般都是通過減振器與機架連接,盡管有減振措施,仍會造成隔聲罩內局部共振,産生低頻噪聲;

c.空腔共鳴:由于機組振動而向隔聲罩輻射的聲波,在遇到障礙物反射回來時,二次激勵誘發結構的振動,形成空腔共鳴。

2.5.2 降噪与散热的综合设计

(1)散熱

由于冷卻系統爲隔離的兩路,因此散熱器需設計爲相隔離的兩層,其原理爲采用強制風冷的冷卻風首先冷卻下層交流變換器和發電機水路的循環水,其次冷卻上層柴油機和消聲器水路的循環水。同時爲適應高原的環境使用,設計專門的泄壓閥保證冷卻水沸點。

(2)降噪

要控制噪聲,首先要從減小聲源的噪聲著手。由于機組排氣采用消聲器,對機組的振動采用減振器,結構設計要使固有頻率隔開。爲抑制機組聲源的傳播,有效的辦法是減小開口間隙或采取密封及迷宮式結構。在靜音機組的噪聲綜合治理中,除對發動機的消聲器進行合理設計外,還采用減振、隔聲罩的吸聲阻尼、隔聲罩的隔聲等措施。

a.消聲

水冷消聲器是機組設計的主要降噪措施之一。對柴油機燃燒廢氣設計專門的冷卻管路,進行充分的水冷卻,使其溫度降低,壓力降低,再設計合理的擴張室,幾次擴張後排出尾管,達到良好的降噪效果。

b.吸聲

對傳到隔聲罩壁的噪聲,采用吸聲的辦法控制,即利用吸聲材料作爲內飾來吸收入射到其上的聲能,減弱反射的聲能,從而降低機組的噪聲。

多孔性吸聲材料:其機理是當聲波進入材料表面的空腔,引起空隙中空氣和材料微小纖維的振動,由于內摩擦和粘滯阻力,使相當一部分聲能轉化爲熱能。常采用的此類吸聲材料有玻璃棉、泡沬鋁、毛氈、聚氨酯泡沬塑料、岩棉板等。

孔壁吸聲材料:爲了提高中、低頻聲波的吸聲系數,往往在材料上開很多小孔,小孔背後保存有一定的空氣層,使其産生共振而消耗能量。它往往與多孔性吸聲材料混合使用,吸聲系數與孔徑和穿孔率有關。

c.隔聲

超靜音機組重點考慮發動機的噪聲,可用各種隔聲材料和結構來隔離。隔壁面密度越大,隔聲效果越好,但質量要相當大。在設計中應綜合考慮降低噪聲的各種因素,結合吸聲材料設計隔聲罩壁結構。即隔聲罩外壁爲一定厚度的鋼板,內飾相應厚度的吸聲材料。

d.隔振

將發動機、發電機、散熱器連接成一個整體,然後通過橡膠隔振器安裝在機組底盤上,以機組底盤爲基礎形成整體。

2.6 电磁兼容设计

由于發電機組與大量無線通信設備同車安裝使用,要使系統能夠兼容工作,機組電磁幹擾控制便成爲設計關鍵內容之一。經分析,機組主要的傳導源和輻射源爲交流變換器和發電機。因此在對交流變換器、發電機、隔聲罩等部件設計時,需考慮其電磁屏蔽及濾波,主要設計措施如下:

(1)交流變換器各功率器件設計完善緩沖與吸收電路,在降低功率器件的電應力的同時,可有效降低功率級的電磁幹擾;同時對交流變換器外罩進行密閉性設計,外罩四面采用焊接結構,只保留一面用來拆裝交流變換器,此面采用緊配合的止口連接,進一步降低電磁輻射。

(2)發電機所有開口進行電磁屏蔽設計。在發電機的所有開口處加裝匹配的波導板,發電機輸出連接采用電連接器。

(3)機組的發電機、交流變換器、控制箱、充電發電機、機組輸出接口等連接電路在適當位置設置濾波器進行濾波。

(4)對隔聲罩的所有結合部位進行屏蔽設計。對箱體的底板、底架端部、機箱上蓋、輸出箱安裝法蘭等使用不鏽鋼材料;機組所用的橡膠條,全部采用具有電磁屏蔽作用的導電矽橡膠條;在進氣口加裝通風波導板;在隔聲罩與散熱器的各水路接口處加裝通風波導板。

(5)機組在設計控制電路時,采取電磁輻射源較大與電磁輻射源較小部件進行隔離設計,易于機組的電磁屏蔽及濾波設計。

3 结束语

總之,對水冷發電機組進行超靜音設計,應從噪聲的傳播途徑入手,綜合采用隔聲、吸聲、消聲等降噪措施,切斷或衰減噪聲的傳播,同時采用有效的散熱方式,在滿足輸出功率的前提下,達到超靜音目的。該型機組不僅可用于野戰通信車輛,還可廣泛應用于指揮控制、情報偵察、電子對抗、武器發射等戰術車輛,滿足系統在駐車及機動過程中長時間連續可靠供電需求,且大大提高了戰場安全性能。相信在裝備使用後可全面提升我軍車載電源系統的綜合水平,使其發揮更大的軍事效能。