系列柴油發電機組轉動慣量配置研究

　柴油發電機組是柴油機動力裝置的典型用途之一,柴油發電機組具有機組成套性好,投資費用低,移動、安裝方便,功率選擇范圍大,可單機組運行,也可以多機組關聯運行,使用經濟性較好,操作方便等特點,被主要用作野外作業,船舶、島嶼和一些電力供應緊張地區企業、單位等的主電源;同時,還用于企業、賓館、郵電通訊、機場等單位的應備備用電源。

 

　由于柴油機的工作原理和工作特點,柴油機輸出轉速和扭矩存在一定的波動,在用作發電機組原動機的情況下,柴油機輸出轉速的波動,將對發電機組的頻率穩定有影響,從而影響到用電設備。為保證用電設備的正確使用,在國家標準中,對柴油發電機組的轉速波動率以及對負載的突加/突卸時頻率的變化和穩定時間等指標均有明確要求。

 

　為了使柴油機的調速性能和轉速波動達到要求,除為柴油機選配合適的調速器以外,還要為整個機組配置合適的轉動慣量,在此基礎上,確定柴油機飛輪的轉動慣量,利用飛輪在機組轉速變化時,能存儲和釋放能量的特點,來緩和和減小機組的轉速波動。在考慮機組的轉速波動時,通常用柴油機的旋轉不均勻度δ來表示(1)δ=(ω2-ω)/ωm

 

　式中:ω2,ω1,ωm為柴油機一個循環中最大、最小和平均角速度。

 

　對交流柴油發電機發電機組δ=(1/250)～(1/300) (1)機組所需轉動慣量的計算

 

　對柴油發電機組而言,應將整個機組作為一個整體來考慮。在一個循環內,機組從ω1加速到ω2,則機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能的形式存儲于機組的各運動件中,按能量守恒定律

 

　ΔE=½/(ω22-ω21) (2)

 

　由于ωm≈ω2+ω/2

 

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

 

　故ΔE=Iω2mδ

 

　I=ΔEδω2m (3)

 

　式(3)是計算柴油發電機動力裝置所需配置轉動慣量I的基本公式。

 

　在系列柴油機和柴油發電機組設計中,如嚴格按公式(3)計算,很不方便;同時,由于多缸柴油機輸出扭矩曲線較均勻,按式(3)計算出來的轉動慣量值較小,但考慮到保證柴油機起動和最低穩定轉速的性能,以及盤車和輸出功率等的需要,仍要為柴油機配置一定慣量的飛輪。所以,在實際的系列柴油機和柴油發電機組設計中,如何為機組配置合適的慣量,采用什么方法和公式來計算,就顯得較為重要了。

 

　對幾個常見的計算柴油機飛輪慣量的公式用國內引進技術生產的德國MAN-B&W公司L+V20/27系列柴油機進行了驗證,在驗證的基礎上,推薦了一個可取得與L+V20/27系列柴油機作柴油發電機組時,所配置慣量很一致的公式

 

　Θp=TaMdωkg.m.s2 (4)

 

　式中:Θp為機組所需的總轉動慣量;Ta為時間常數,取Ta=1.8～2,s;Md為柴油機輸出扭矩,kg.m;ω為柴油機角速度l/s。

 

　伊藤動力采用該公式對MAN-B&W L+V48/60系列四沖程,中速柴油機作柴油發電機組的情況進行驗證時,計算值與設計值有很大差別,這說明,該公式的適用范圍也存在一定的限制。

 

　從系列柴油機和柴油發電機組工程設計的角度來看,其轉動慣量的配置除與柴油機的功率、轉速有關外,還有一定的工程實踐經驗因素。目前,常見的計算柴油機飛輪慣量的公式,基本上是以式(3)為基礎,按“氣缸數相同的相似發動機,其扭矩曲線相似,而剩余功ΔE與總扭矩曲線成比例”的理論,在對某些典型柴油機的扭矩曲線進行研究的基礎上,給出不同缸數柴油機的盈虧功系數或飛輪系數,進行計算。由于是在對一些典型機型扭矩曲線分析的基礎上給出的半經驗、半推導的公式,其適應性有一定的局限是正?，F象。本文對L+V48/60系列柴油機

 

　用式(4)驗證的結果與設計值差別很大就說明了這個問題。同時,這些公式給出的盈虧功系數或飛輪系數只到12缸為止,對12缸以上的柴油機如何計算,則沒有相應的系數,從設計計算角度講,也不是完整的。

 

2、公式的推導

 

　由于德國MAN-B&W公司設計制造的L+V20/27系列和L+V48/60系列柴油機是具有較高設計水平的四沖程、增壓中冷系列柴油機,除可用作柴油發電機組的原動機外,還可用作船用主機,L+V20/27系列柴油機從直列5缸到V型18缸,柴油機標定轉速從720～1000r/min,有四檔,標定功率范圍從360～1800kW;L+V48/60系列柴油機從直列6缸到V型18缸,柴油機標定轉速500r/min,功率范圍6930～20790kW。

 

 

　下面根據基本公式(3),運用反求工程的方法,以20/27和48/60系列柴油機作為典型機型,推導和歸納適合四沖程中速柴油發電機組整機轉動慣量計算的公式。

 

　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;Md為柴油輸出扭矩,Nm。

 

 

　Md=9549Nen

 

　式中:Ne為柴油機功率,kW;n為柴油發電機轉速,r/min。

 

　ωm=n×2π/60

 

　將ΔE,Md,ωm的表達式代入式(3),并進行單位換算,可得

 

　I=87.16×10(kNeδ/n3) (5)

 

　確定系數k:

 

　(1)以6L20/27柴油機,n=1000r/min,Ne=660kW,取δ=1/250,設計值I=121kgm2代入,求得系數k=0.83。

 

　(2)以6L20/27柴油機,n=900r/min,Ne=594kW,取δ=1/250,設計值I=134kgm2代入,求得系數k=0.75。

 

　(3)以6L48/60柴油機,n=500r/min,Ne=6930kW,取δ=6930kW,取δ=1/250,設計值I=10200kgm2代入,求得系數k=0.84。

 

　可見,其系數k的值差別不大,最后,可將公式歸納為:在設計系列多缸柴油發電機組時,其機組所需的總轉動慣量I為

 

　I=ξ×105Neδn3 (6)

 

　式中:ζ=6.5～7.3。

 

　由于一般柴油發電機組允許每12小時以110%標定功率運行1小時,所以在計算時,柴油機功率按110%標定功率計算。對兩個系列柴油發電機組的整機轉動慣量配置值,按此公式進行驗證的計算結果見表1(取δ=1/250,ξ=7),其誤差值小于5%。

 

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