低噪声电站高温环境适应性研究及试验验证.pdf

18与车辆移动电源2023年第3期低噪声电站高温环境适应性研究及试验验证张红忠，杨树柏，任晓军（国家内燃机发电机组质量检验检测中心，兰州，7 30 0 5 0)摘要：通过对低噪声电站高温环境适应性的影响因素的分析，从设计和试验两个维度进行了设计研究和试验验证，提出了低噪声电站在高温环境条件下解决噪声抑制、降低功率损耗及可靠工作的思路，并进行了试验验证工作，高温环境适应性满足设计要求。关键词：低噪声电站；高温；环境适应性；研究验证Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.03.005中图分类号：TM624文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 5 0（2 0 2 3）0 3-0 0 0 18-0 51问题的产生随着经济社会的不断进步和科学技术的高速发展，低噪声电站在高温环境下能够正常工作，已成为当前军民品电站市场的普遍需求。低噪声电站的设计除了要求主要噪声源柴油发电机组本身噪声低外，还需将其封闭在一个密闭空间，以求降低其噪声影响，而处于密闭空间的机组运行又带来了运行温度的急剧升高，随着军民品电站产品更高的要求，高温环境适应性设计研究成为一个持续的发展方向，这就引发了低噪声电站高温环境适应性的研究课题。2国内低噪声电站高温环境适应性研究现状兰州电源车辆研究所有限公司（以下简称兰电所）作为行业技术归口所，在电站的环境适应性研究方向经验丰富，自上世纪八十年代中期就开始了低噪声电站的设计研制，当时机组功率多限于100kW以下，依靠大空间小机组、风扇强制通风等措施来解决主要问题。九十年代中期开始军用野营电站装备的降噪和高温环境适应性设计，降噪和高温性能同步设计、同步试验并验证，噪声水平达到了1米处的6 0 dB(A)以下、环境温度40 下正常工作，其技术获得了国家科技进步二等奖。2 0 10 年以后，随着军民品电站向着小型化、轻量化和高功率密度两个方向发展，行业企业面临着解决小型化、轻量化带来的高温性能下降的突出问题和矛盾，多数产品无法一次性通过高温试验考核，为降噪带来的高温环境适应性能力下降很大，高温条件下功率损耗过大，再次将高温环境适应性研究课题摆在了全行业面前，清华泰豪、郑州佛光、郑州金阳、威海广泰、重庆鼎工、无锡华友、无锡华源凯马、无锡欧玛等一大批企业均围绕军品需求，前后开展了大量的研究，兰电所凭借国家内燃机发电机组质量检验检测中心高温试验室的便利条件，几乎所有的军品电站均进行了多轮高温试验考核、开展了高温环境适应性的结构设计、部件选型、电气控制高温能力提升等涉及高温环境适应性研究方面的研究，高温环境适应性研究成为军品研制的一个重要课题。与此同时，行业企业纷纷八仙过海、各显其能的在结构优化、分体式布局，分体式水箱及其技术研究应运而生，发电机组用控制器等部件亦从高温环境适应性要求出发，逐渐开发出了满足高温要求的新的部件。2020年后电站功率要求更大，向6 0 0 kW以上功率段发展，从单机组向双机组电站发展的趋势更19与车辆2023年第3期移动电源加明显，使得低噪声电站的高温适应能力面临着新的挑战。3高温环境下电站的应对措施研究3.1良好的电站通风为使电站在高温条件下能正常工作，必须保持电站良好的通风条件，良好的通风系统必须保证能使机组正常工作所需的足够的空气流入和排出，并可在电站舱内实现自由或强制循环。电站机组舱内应有足够大的空间，确保气温保持均衡、空气顺畅的流通。在机组舱内空间有限的条件下，须综合进风、排风、消声器、散热器等布局及其设计。3.1.1进风系统进风门（口）位置选择应考虑在灰尘浓度小、无异物遮挡、防雨水进入，有良好的空气对流，同时尽可能远离排烟口避免热空气回流等。进风口面积及进风量须保证电站高温工作时所需新风供应，一则要保证发动机高温环境正常工作；二则要给机组创造良好的散热条件，进风系统主要包括进风道（进风消声器）和发动机、发电机本身的进风管路、通路，进风道须使外界的新鲜空气经其顺畅地进入机组进风系统，鉴于降低进风噪声的目的，该进风道不可过于顺畅，应避免空气流的直通，在噪声传播通道（也即空气气流通道）上设置多次变向、变径、空间体积突变来衰减噪声。鉴于减少电站功耗的目的，又不能将进风系统设计的过于复杂，否则虽可达到降噪的目的，但功率却损耗过大，丧失了电站的功率这一功能性关键指标。可见进风系统的设计是电站在高温环境下工作功率与降噪之间作一个平衡性的取舍，这点需在产品研制实践中去摸索总结。电站运行时，机组舱内的换气量应大于或等于柴油机燃烧（发电机相比发动机的换气量此处忽略）所需的新风量与维持舱内温度所需新风量之和，即C=Ci+C2,其中Ci是维持舱内温度所需的新风量,C2是维持柴油机燃烧所需的新风量。C,=0.078xPxT.(1)式中：Ci一维持舱内温度所需的新风量（m/s）;P一柴油机额定功率（kW);T一舱内温升（)。设计中一般可依式（2）设计进风口面积S进1.2 kS(2)式中：S进一进风口面积（m）;S散一柴油机散热水箱的有效面积（m）；k一风阻系数（见表1）。因此，进风量计算如式（3）：Q u(S uxV 进)/k(m3/s).(3)式中：Q进一计算进风量（m);S进一进风口面积（m);V进一风速（m/s）一般取3级风的风速平均值4.4（m/s）进行计算，最强风速不应超过8（m/s）。表1风阻系数附加物k无降噪1防鼠网1.051.1百叶窗1.21.5降噪箱3降噪箱+防鼠网3.053.1降噪箱+百叶窗3.23.53.1.2排风系统排风对电站的高温适应能力至关重要，一是其位置的设置，二是排风朝向确定，三是排风道结构及其气流走向，四是排风口大小及其排风量。(1)位置排风口在电站舱外出风位置应无遮挡物，尽可能远离进风口，从降低风阻和电站正常工作考虑，排风口离前面障碍物的距离应大于6 0 0 2 0 0 0（mm），当然是越远越好，但实际设计中受客观布局等的限制，这个距离不会满足上述要求时就要充分评估其影响。202023年第3期移动电源与车辆（2）朝向一般排风口朝向有前排、后排、侧排、顶排，其中顶排对地面的噪声敏感点影响变小，测量的噪声值最低，带来的主要问题是防雨、防尘的难度增加，前、后、侧排则影响电站的整体视觉，理论上对功率无直接影响关系。（3）结构及气流走向排风系统是从柴油机排风（水箱）开始，通过排风系统沿其通道流动，最后从电站外部排风口，将冷却后的热风排到大气中的全部结构部件的统称。柴油及排风口中心位置应尽可能与机组散热器芯的中心位置一致，排风口的宽高比要尽可能与散热器芯的宽高比相等，为防止热空气回流及机械振动向外传递，在散热器与排风口之间应加装弹性减震喇叭形导风槽（罩）。排风系统内部结构应导流以避免出现紊流，减少风阻，结构走向引导热空气按导向进行流动，结构设计不合理时将出现发动机过热，高温工作失效而无法带载。（4）排风口大小及其排风量排风口的面积应大于水箱的有效面积，当在排风口安装百叶窗及金属防护网时，应确保排风口净面积最小不低于散热器芯有效面积的1.4倍。排风口面积的计算见公式（4）。S排 kXS(4)散式中：S排一排风口面积（m2）S散一柴油机散热水箱的有效面积(m2)k一风阻系数排风量计算见公式（5）排=(S散XV排）/k.(5)式中：Q排一计算排风量（m/s）V排一风速（m/s）；一般取3级风的风速平均V排一风速（m/s）；一般取3级风的风速平均值4.4（m/s）进行计算，但最强风速不应超过8（m/s）。3.2消声器出于抑制电站噪声的目的，消声器的设置是至关重要的，但消声器会形成背压，消耗电站功率，为此消声器的重要性能指标之一便是消声器降低功耗应控制在电站（机组）功率的5%以内。在总体布局上，消声器可布置在机组舱内、排风舱内或舱外。布置在舱内时会使舱内温度升高，电站的高温适应能力下降，因此须对消声器采取隔热措施防止热辐射在舱内，同时其布局应避开风路以尽可能对舱内进、排风减少影响。3.3双机组电站高温环境适应性设计双机组电站相比单机组电站，其密闭空间内通风散热的空间大幅缩小，高温环境适应性设计成为设计难点，需要重点攻关。双机组电站需根据各自进风、排风量大小和其风路设置各自独立的进排风道，每个机组的进风系统不能互相干扰，排风系统也要相互独立，不能互为干扰，在结构布局时，尽可能避免双机组的互相“抢风”，在易“抢风”的空间位置设置障碍，为加强通风散热效能，在排风道内设置强制排风风机，可提高通风效率，是双机组电站高温环境适应性提升的一项有效措施。电站在环境温度+40 工作时，电站舱内温度达+5 5 以上，因为电站工作要求在额定功率下运行，为此电气线路、电气元器件、控制器、显示单元等要经受得住连续12 小时的高温5 5 以上的耐热运行可靠成为最基本的要求，高温试验中由于电气设计的高温环境适应性能力不足，导致试验失败的产品也较为普遍。3.4分体式电站高温环境适应性设计分体式电站是一种将发电机组中散热器与发动机分离，不再用发动机风扇直接进行冷却，而是通过直流或交流风扇实现对散热水箱的强制散热的一种电站技术形式，近年来在兆瓦级电站和小型发电机组上得到迅速发展。分体式电站相对一体式电站，其在高温环境下的机组功率损耗更低，持续高温运行时间更长，高温环境适应能力有较大幅度的提高，在高度空间有限（如车载式）条件下更易布置，是目前电站尤其是大功率电站流行的一种电站形式，其机组舱和散热舱分别设置，通风系统根据内装机组和散热器的21与车辆移动电源2023年第3期通风和散热要求分别设计，其原理与一体式机组相同。4低噪声电站高温环境适应性试验验证高温试验是对低噪声电站高温环境适应性的验证手段，按照GJB1488A军用内燃机电站通用试验方法方法9 0 1 高温试验方法，其程序如下：（1）将电站静置于高温试验室（或满足温度要求的自然条件中），使高温试验室升温，直到温度条件（例40）满足产品规范要求，从初始的温度升到满足要求的温度的时间和每小时的升温量按产品规范要求。详细记录升温过程并绘制升温曲线；（2）当高温试验室的温度达到产品规范规定的温度，电站达到热平衡状态时开始计时，直到达规定的时间 6 h;（3）电站已满足上述静置要求后，启动并整定电站在规定负载、额定功率因数、额定电压和额定频率下运行。每隔30 min记录一次电流、功率、电压、频率、功率因数、水温、油温、环境温度、发动机进出风温度、相对湿度、大气压力；（4）在连续运行规定的时间后，再按产品规范规定的过载量和时间进行过载运行，每隔1 5min记录一次相关情况。从标准程序来看，高温试验对温度、升温时间和升温量、过载量、过载时间均未作统一要求，而是按照产品规范的要求来做，因此，产品的高温环境适应性能是某具体产品的要求，其高温试验也是对其产品规范规定的高温性能的验证。验证实践中，大多数产品对高温环境如40 温度很敏感，相差2、3度也会出现明显的功率不足、运行异常，甚至增加1 的环境温度对其功率都有影响，因此高温试验时环境温度的精准控制就显得很重要，既要满足达到40，又不希望温度升高超过40 过多，加上电站排风、排热对试验室内环境温度有升温作用，对电站进风口周围环境温度有回流加温作用，因此对试验室温度控制需在试验中摸索并及时调整，使电站至少进风口的温度在40 41 范围内，以准确验证电站在40 环境的高温适应能力。上述情况在满足高温条件的自然条件下进行高温试验时，要好很多，也更符合实际工况，但也要准确记录进风口周围的温度变化，以正确评判电站的高温适应能力，或者为电站改进高温设计提供路径（办法）。另外，为了通过高温试验来验证其电站高温环境适应性设计，在试验前在电站进风口、排风口、舱内、进风道、排风道、消声器周围以及控制柜内、外电气元器件等多处空间位置布置温度传感器和风速计，在高温试验时，记录其温度及其变化趋势和气流流动速度，以验证电站高温环境适应性设计的结构、尺寸、走向、朝向等的合理性、协调性，对高温试验验证不成功的电站产品找出问题所在，提出解决方案。4.1某双机组电站高温性能试验验证2022年8 月，某公司研制了1 50 kW汽车电站，在国家内燃机发电机组质量检验检测中心（以下简称质检中心）做高温试验，该电站为双机组电站，两台7 5kW发电机组布置在同一舱内，并且有降噪要求，这就意味着电站的工作工况恶劣。为此，要以高温试验来验证其高温环境适应性。试验首先在高温试验室40 温度考核，单机运行7 5kW工作正常，双机同时工作时不正常，无法满足1 50 kW满载工作要求。该产品要求在环境温度40、海拔高度1 0 0 0 m环境下发出额定功率，而质检中心所处地的海拔高度为1 550 m，因此需要进行海拔修正：由1 550 m海拔修正到标准海拔1 0 0 0 m时，温度可以37.5来达到模拟高温试验的条件。当时天气最高温度达到了37 38，因此，该产品又在室外自然环境中都开展了高温试验，在试验中发现排风不畅、电气线路耐热性不足等问题，通过加装排风风扇、提高电气线路耐热性等技术措施予以解决，最终通过了高温试验考核。（下转第44页）22与车辆2023年第3期移动电源从高温试验的过程和结果来看：（1)温度对机组功率影响很大，尤其是在40 临界点上。（2）双机组电站的运行，高温40 时单机组运行正常，双机组运行不正常，说明单机组运行时进风和排风量均够；而双机组运行时不正常，反映出的应该是进风和排风量均不够。（3）37.5运行时，出现过流现象导致试验失败，经检查为电气线路的耐热性不足造成，同时，监测电站舱内温度达到55以上。因此，电站舱内使用的电器元件、电线电缆等在选型时，要考虑耐高温性，同时最少要经受1 2 小时连续高温运行。4.2某民品1 0 0 0 kW中压电源车高温性能试验验证2023年7 月，某公司生产的1 0 0 0 kW中压电源车，在质检中心做试验考核，恰逢兰州的高温天气持续在37 左右，因此以37 为环境温度进行了一些高温环境适应性的试验验证工作。试验产品共三台，为同一批次生产的中压电源车，其铭牌标注的额定功率为1 0 0 0 kW，其发电机组的发动机为MTU18V2000G26F，发电机为斯坦福S7H1D-E41，发动机和发电机额定功率分别为1102kW和1 0 8 0 kW，发电机效率9 4.3%。电源车在37 的自然环境下一台车带载1080kW运行1 2 min后机组压灭，二台车带载1050kW运行1 0 min，按1 0 0 0 kW运行了1 小时，从试验初步结果看，三台车基本在37 时能够运行1h，只是由于油料成本问题，没有再继续运行1 1 h的试验。试验证明：该民品1 0 0 0 kW中压电源车在37 环境中没有过载1 0%运行1 h的能力，因为该产品规范未要求满足高温40 额定功率运行，对其高温环境适应性能未做进一步考核。5小结本文之所以要以低噪声电站作为高温环境适应性研究的产品对象，就在于低噪声电站由于要抑制噪声进而带来高温环境适应能力的下降，也是必须面对和解决的难题。低噪声电站之降噪、功率、环境、高原等诸多技术要求相互矛盾、相互平衡，偏重任何一项指标都不利于产品技术发展，这些指标需要综合评判，找到一个最佳的经济、成本、性能平衡点，一味地提高高温能力，不顾功率损耗、噪声，其实并不可取，这点需在电站的设计的具体实践中灵活、科学掌握并运用，综合考虑、权衡，做出科学选择。本文通过对低噪声电站高温环境适应性的影响因素分析，探讨了包括双机组电站、分体式电站的军民品电站高温环境适应性设计方法，举例说明了试验验证的过程及结果，得出军品低噪声电站高温40 的能力是必须要有的，而民品电站则没有对高温环境适应性的严格要求与考核。军品为了满足高温性能，发电机组需要牺牲一部分功率，而民品电站则在功率与高温性能方面偏重于保功率，这点需在具体的产品设计中予以重视。参考文献：1许乃强，蔡行荣，庄衍平。柴油发电机组新技术及应用M北京：机械工业出版社，2 0 1 7：37 4-37 6.2 G JB2 35B-2 0 2 0.军用交流移动电站通用规范S 中央军委装备发展部，2 0 2 0.3】G JB1 48 8 A-2 0 2 0.军用内燃机电站通用试验方法S 中央军委装备发展部，2 0 2 0.作者简介：张红忠（1 9 6 4-），男，山西芮城人，教授级高级工程师，主要研究方向为内燃机电站及改装车的技术开发、试验技术研究、标准制定等。Study And Verification of High Temperature EnvironmentAdaptability of Low Noise Power Station（上接第2 7 页）（上接第2 2 页）.-.44与车辆2023年第3期移动电源在该柴油机曲轴自由端输出9 0 0 kW、动力输出端输出1 340 kW的工况时，该曲轴受到的最大应力为7 2.9 6 MPa，位于曲轴自由端根部，该工况下的安全系数为1.9 3，符合设计要求，此时曲轴自由端应力及安全系数与柴油机所有功率由输出端传递时相比结果较为接近，安全系数稍大，相对保守，按此方法进行自由端输出能力分配及评估较为合理，具有一定参考意义。参考文献：1中国船级社，钢质海船入级规范2 0 1 8 版.2 邓江华，冯国胜柴油机曲轴的静、动态有限元分析及校核，石家庄铁道学院，2 0 0 5.作者简介：刘刚（1 9 8 0-），男，山西大同人，高级工程师，大学本科，主要从事发动机设计。Power Output Strength Analysis of Crankshaft Free EndLIU Gang,KANGYong,MA Shuai,ZHANG Kang-xin,GAO Shan(Shanxi Diesel Engine Industry Co.,LTD.,Datong037036,China)Abstract:In this paper,on the basis of the calculation formula of the minimum allowable diameter of the crankshaft,the freeend power output capacity of a diesel engine is reversely calculated,and then the power distribution of both ends of the crankshaft iscarried out according to the distribution results of analysis,calculation,check,judge the safety factor of the crankshaft,and one endof the output conditions are compared,the results are close,the strength meets the requirements.Keywords:diesel engine,Crankshaft,A free end,Strength,analysisZHANG Hong-zhong,YANG Shu-bai,REN Xiao-jun(National Internal Combustion Engine Generator Set Quality Inspection and Testing Center,Lanzhou730050,China)Abstract:Through the analysis of the factors affecting the adaptability of low noise power station to high temperatureenvironment,The design research and test verification are carried out from the two dimensions of design and test,and the idea ofnoise suppression,Power loss reduction and reliable operation of low noise power station under high temperature environment isproposed,and the test and verification work is carried out.Keywords:Low noise power station,High temperature,Environmental adaptability,Research and verificationactual test,and then grasp the real cost of the battery test(including life test)of the laboratory,on the one hand,it can occupy afavorable position in the increasingly competitive battery testing market,on the other hand,it also responds to the call of the nationalenvironmental protection and energy conservation policy.This paper clearly puts forward the method of energy consumption controland management of battery laboratory,which is not only about experience sharing,but also has practical significance.Keywords:EV battery,Battery life test,Energy consumption control,Energy saving and emission reduction,Laboratory costcontrol