柴油發(fā)電機(jī)組是柴油機(jī)動(dòng)力裝置的典型用途之一,柴油發(fā)電機(jī)組具有機(jī)組成套性好,投資費(fèi)用低,移動(dòng)、安裝方便,功率選擇范圍大,可單機(jī)組運(yùn)行,也可以多機(jī)組關(guān)聯(lián)運(yùn)行,使用經(jīng)濟(jì)性較好,操作方便等特點(diǎn),被主要用作野外作業(yè),船舶、島嶼和一些電力供應(yīng)緊張地區(qū)企業(yè)、單位等的主電源;同時(shí),還用于企業(yè)、賓館、郵電通訊、機(jī)場(chǎng)等單位的應(yīng)備備用電源。

 

　由于柴油機(jī)的工作原理和工作特點(diǎn),柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩存在一定的波動(dòng),在用作發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的情況下,柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng),將對(duì)發(fā)電機(jī)組的頻率穩(wěn)定有影響,從而影響到用電設(shè)備。為保證用電設(shè)備的正確使用,在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速波動(dòng)率以及對(duì)負(fù)載的突加/突卸時(shí)頻率的變化和穩(wěn)定時(shí)間等指標(biāo)均有明確要求。

 

　為了使柴油機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)速波動(dòng)達(dá)到要求,除為柴油機(jī)選配合適的調(diào)速器以外,還要為整個(gè)機(jī)組配置合適的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,在此基礎(chǔ)上,確定柴油機(jī)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,利用飛輪在機(jī)組轉(zhuǎn)速變化時(shí),能存儲(chǔ)和釋放能量的特點(diǎn),來緩和和減小機(jī)組的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。在考慮機(jī)組的轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí),通常用柴油機(jī)的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ來表示(1)δ=(ω2-ω)/ωm

 

　式中:ω2,ω1,ωm為柴油機(jī)一個(gè)循環(huán)中最大、最小和平均角速度。

 

　對(duì)交流柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)組δ=(1/250)～(1/300) (1)機(jī)組所需轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算

 

　對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組而言,應(yīng)將整個(gè)機(jī)組作為一個(gè)整體來考慮。在一個(gè)循環(huán)內(nèi),機(jī)組從ω1加速到ω2,則機(jī)組除克服外部阻力外,還存在剩余功ΔE,這部分剩余功必定以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)于機(jī)組的各運(yùn)動(dòng)件中,按能量守恒定律

 

　ΔE=½/(ω22-ω21) (2)

 

　由于ωm≈ω2+ω/2

 

　對(duì)式(1) δ=(ω2-ω1ω)ωm/·(ω2+ω)/2ωm=½·(ω22-ω21ω)/2m

 

　故ΔE=Iω2mδ

 

　I=ΔEδω2m (3)

 

　式(3)是計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力裝置所需配置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I的基本公式。

 

　在系列柴油機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中,如嚴(yán)格按公式(3)計(jì)算,很不方便;同時(shí),由于多缸柴油機(jī)輸出扭矩曲線較均勻,按式(3)計(jì)算出來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值較小,但考慮到保證柴油機(jī)起動(dòng)和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的性能,以及盤車和輸出功率等的需要,仍要為柴油機(jī)配置一定慣量的飛輪。所以,在實(shí)際的系列柴油機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中,如何為機(jī)組配置合適的慣量,采用什么方法和公式來計(jì)算,就顯得較為重要了。

 

　對(duì)幾個(gè)常見的計(jì)算柴油機(jī)飛輪慣量的公式用國(guó)內(nèi)引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的德國(guó)MAN-B&W公司L+V20/27系列柴油機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證,在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,推薦了一個(gè)可取得與L+V20/27系列柴油機(jī)作柴油發(fā)電機(jī)組時(shí),所配置慣量很一致的公式

 

　Θp=TaMdωkg.m.s2 (4)

 

　式中:Θp為機(jī)組所需的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Ta為時(shí)間常數(shù),取Ta=1.8～2,s;Md為柴油機(jī)輸出扭矩,kg.m;ω為柴油機(jī)角速度l/s。

 

　伊藤動(dòng)力采用該公式對(duì)MAN-B&W L+V48/60系列四沖程,中速柴油機(jī)作柴油發(fā)電機(jī)組的情況進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),計(jì)算值與設(shè)計(jì)值有很大差別,這說明,該公式的適用范圍也存在一定的限制。

 

　從系列柴油機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組工程設(shè)計(jì)的角度來看,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的配置除與柴油機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速有關(guān)外,還有一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)因素。目前,常見的計(jì)算柴油機(jī)飛輪慣量的公式,基本上是以式(3)為基礎(chǔ),按“氣缸數(shù)相同的相似發(fā)動(dòng)機(jī),其扭矩曲線相似,而剩余功ΔE與總扭矩曲線成比例”的理論,在對(duì)某些典型柴油機(jī)的扭矩曲線進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,給出不同缸數(shù)柴油機(jī)的盈虧功系數(shù)或飛輪系數(shù),進(jìn)行計(jì)算。由于是在對(duì)一些典型機(jī)型扭矩曲線分析的基礎(chǔ)上給出的半經(jīng)驗(yàn)、半推導(dǎo)的公式,其適應(yīng)性有一定的局限是正常現(xiàn)象。本文對(duì)L+V48/60系列柴油機(jī)

 

　用式(4)驗(yàn)證的結(jié)果與設(shè)計(jì)值差別很大就說明了這個(gè)問題。同時(shí),這些公式給出的盈虧功系數(shù)或飛輪系數(shù)只到12缸為止,對(duì)12缸以上的柴油機(jī)如何計(jì)算,則沒有相應(yīng)的系數(shù),從設(shè)計(jì)計(jì)算角度講,也不是完整的。

 

2、公式的推導(dǎo)

 

　由于德國(guó)MAN-B&W公司設(shè)計(jì)制造的L+V20/27系列和L+V48/60系列柴油機(jī)是具有較高設(shè)計(jì)水平的四沖程、增壓中冷系列柴油機(jī),除可用作柴油發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)外,還可用作船用主機(jī),L+V20/27系列柴油機(jī)從直列5缸到V型18缸,柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速?gòu)?20～1000r/min,有四檔,標(biāo)定功率范圍從360～1800kW;L+V48/60系列柴油機(jī)從直列6缸到V型18缸,柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速500r/min,功率范圍6930～20790kW。

 

 

　下面根據(jù)基本公式(3),運(yùn)用反求工程的方法,以20/27和48/60系列柴油機(jī)作為典型機(jī)型,推導(dǎo)和歸納適合四沖程中速柴油發(fā)電機(jī)組整機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算的公式。

 

　由I=ΔEδω2m按“剩余功與總扭矩成比例”的理論,即可將剩余功表示為

 

　ΔE≈k Md

 

　式中:k為比例系數(shù);Md為柴油輸出扭矩,Nm。

 

 

　Md=9549Nen

 

　式中:Ne為柴油機(jī)功率,kW;n為柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min。

 

　ωm=n×2π/60

 

　將ΔE,Md,ωm的表達(dá)式代入式(3),并進(jìn)行單位換算,可得

 

　I=87.16×10(kNeδ/n3) (5)

 

　確定系數(shù)k:

 

　(1)以6L20/27柴油機(jī),n=1000r/min,Ne=660kW,取δ=1/250,設(shè)計(jì)值I=121kgm2代入,求得系數(shù)k=0.83。

 

　(2)以6L20/27柴油機(jī),n=900r/min,Ne=594kW,取δ=1/250,設(shè)計(jì)值I=134kgm2代入,求得系數(shù)k=0.75。

 

　(3)以6L48/60柴油機(jī),n=500r/min,Ne=6930kW,取δ=6930kW,取δ=1/250,設(shè)計(jì)值I=10200kgm2代入,求得系數(shù)k=0.84。

 

　可見,其系數(shù)k的值差別不大,最后,可將公式歸納為:在設(shè)計(jì)系列多缸柴油發(fā)電機(jī)組時(shí),其機(jī)組所需的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I為

 

　I=ξ×105Neδn3 (6)

 

　式中:ζ=6.5～7.3。

 

　由于一般柴油發(fā)電機(jī)組允許每12小時(shí)以110%標(biāo)定功率運(yùn)行1小時(shí),所以在計(jì)算時(shí),柴油機(jī)功率按110%標(biāo)定功率計(jì)算。對(duì)兩個(gè)系列柴油發(fā)電機(jī)組的整機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量配置值,按此公式進(jìn)行驗(yàn)證的計(jì)算結(jié)果見表1(取δ=1/250,ξ=7),其誤差值小于5%。

 

?。ㄘ?zé)任編輯:伊藤發(fā)電機(jī)小徐）