系列柴油发电机组转动惯量配置研究

　柴油发电机组是柴油机动力装置的典型用途之一,柴油发电机组具有机组成套性好,投资费用低,移动、安装方便,功率选择范围大,可单机组运行,也可以多机组关联运行,使用经济性较好,操作方便等特点,被主要用作野外作业,船舶、岛屿和一些电力供应紧张地区企业、单位等的主电源;同时,还用于企业、宾馆、邮电通讯、机场等单位的应备备用电源。

 

　由于柴油机的工作原理和工作特点,柴油机输出转速和扭矩存在一定的波动,在用作发电机组原动机的情况下,柴油机输出转速的波动,将对发电机组的频率稳定有影响,从而影响到用电设备。为保证用电设备的正确使用,在国家标准中,对柴油发电机组的转速波动率以及对负载的突加/突卸时频率的变化和稳定时间等指标均有明确要求。

 

　为了使柴油机的调速性能和转速波动达到要求,除为柴油机选配合适的调速器以外,还要为整个机组配置合适的转动惯量,在此基础上,确定柴油机飞轮的转动惯量,利用飞轮在机组转速变化时,能存储和释放能量的特点,来缓和和减小机组的转速波动。在考虑机组的转速波动时,通常用柴油机的旋转不均匀度δ来表示(1)δ=(ω2-ω)/ωm

 

　式中:ω2,ω1,ωm为柴油机一个循环中最大、最小和平均角速度。

 

　对交流柴油发电机发电机组δ=(1/250)～(1/300) (1)机组所需转动惯量的计算

 

　对柴油发电机组而言,应将整个机组作为一个整体来考虑。在一个循环内,机组从ω1加速到ω2,则机组除克服外部阻力外,还存在剩余功ΔE,这部分剩余功必定以动能的形式存储于机组的各运动件中,按能量守恒定律

 

　ΔE=½/(ω22-ω21) (2)

 

　由于ωm≈ω2+ω/2

 

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

 

　故ΔE=Iω2mδ

 

　I=ΔEδω2m (3)

 

　式(3)是计算柴油发电机动力装置所需配置转动惯量I的基本公式。

 

　在系列柴油机和柴油发电机组设计中,如严格按公式(3)计算,很不方便;同时,由于多缸柴油机输出扭矩曲线较均匀,按式(3)计算出来的转动惯量值较小,但考虑到保证柴油机起动和最低稳定转速的性能,以及盘车和输出功率等的需要,仍要为柴油机配置一定惯量的飞轮。所以,在实际的系列柴油机和柴油发电机组设计中,如何为机组配置合适的惯量,采用什么方法和公式来计算,就显得较为重要了。

 

　对几个常见的计算柴油机飞轮惯量的公式用国内引进技术生产的德国MAN-B&W公司L+V20/27系列柴油机进行了验证,在验证的基础上,推荐了一个可取得与L+V20/27系列柴油机作柴油发电机组时,所配置惯量很一致的公式

 

　Θp=TaMdωkg.m.s2 (4)

 

　式中:Θp为机组所需的总转动惯量;Ta为时间常数,取Ta=1.8～2,s;Md为柴油机输出扭矩,kg.m;ω为柴油机角速度l/s。

 

　伊藤动力采用该公式对MAN-B&W L+V48/60系列四冲程,中速柴油机作柴油发电机组的情况进行验证时,计算值与设计值有很大差别,这说明,该公式的适用范围也存在一定的限制。

 

　从系列柴油机和柴油发电机组工程设计的角度来看,其转动惯量的配置除与柴油机的功率、转速有关外,还有一定的工程实践经验因素。目前,常见的计算柴油机飞轮惯量的公式,基本上是以式(3)为基础,按“气缸数相同的相似发动机,其扭矩曲线相似,而剩余功ΔE与总扭矩曲线成比例”的理论,在对某些典型柴油机的扭矩曲线进行研究的基础上,给出不同缸数柴油机的盈亏功系数或飞轮系数,进行计算。由于是在对一些典型机型扭矩曲线分析的基础上给出的半经验、半推导的公式,其适应性有一定的局限是正常现象。本文对L+V48/60系列柴油机

 

　用式(4)验证的结果与设计值差别很大就说明了这个问题。同时,这些公式给出的盈亏功系数或飞轮系数只到12缸为止,对12缸以上的柴油机如何计算,则没有相应的系数,从设计计算角度讲,也不是完整的。

 

2、公式的推导

 

　由于德国MAN-B&W公司设计制造的L+V20/27系列和L+V48/60系列柴油机是具有较高设计水平的四冲程、增压中冷系列柴油机,除可用作柴油发电机组的原动机外,还可用作船用主机,L+V20/27系列柴油机从直列5缸到V型18缸,柴油机标定转速从720～1000r/min,有四档,标定功率范围从360～1800kW;L+V48/60系列柴油机从直列6缸到V型18缸,柴油机标定转速500r/min,功率范围6930～20790kW。

 

 

　下面根据基本公式(3),运用反求工程的方法,以20/27和48/60系列柴油机作为典型机型,推导和归纳适合四冲程中速柴油发电机组整机转动惯量计算的公式。

 

　由I=ΔEδω2m按“剩余功与总扭矩成比例”的理论,即可将剩余功表示为

 

　ΔE≈k Md

 

　式中:k为比例系数;Md为柴油输出扭矩,Nm。

 

 

　Md=9549Nen

 

　式中:Ne为柴油机功率,kW;n为柴油发电机转速,r/min。

 

　ωm=n×2π/60

 

　将ΔE,Md,ωm的表达式代入式(3),并进行单位换算,可得

 

　I=87.16×10(kNeδ/n3) (5)

 

　确定系数k:

 

　(1)以6L20/27柴油机,n=1000r/min,Ne=660kW,取δ=1/250,设计值I=121kgm2代入,求得系数k=0.83。

 

　(2)以6L20/27柴油机,n=900r/min,Ne=594kW,取δ=1/250,设计值I=134kgm2代入,求得系数k=0.75。

 

　(3)以6L48/60柴油机,n=500r/min,Ne=6930kW,取δ=6930kW,取δ=1/250,设计值I=10200kgm2代入,求得系数k=0.84。

 

　可见,其系数k的值差别不大,最后,可将公式归纳为:在设计系列多缸柴油发电机组时,其机组所需的总转动惯量I为

 

　I=ξ×105Neδn3 (6)

 

　式中:ζ=6.5～7.3。

 

　由于一般柴油发电机组允许每12小时以110%标定功率运行1小时,所以在计算时,柴油机功率按110%标定功率计算。对两个系列柴油发电机组的整机转动惯量配置值,按此公式进行验证的计算结果见表1(取δ=1/250,ξ=7),其误差值小于5%。

 

　（责任编辑:伊藤发电机小徐）