軍用通信車用全水冷超靜音柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)

張軍剛，孟海軍，郭 振，李金峰

（總參某信息化研究所，北京100141）

0 引 言

長期以來，我軍通信車野外供電主要由安裝于車內(nèi)的小功率交流工頻柴油發(fā)電機(jī)組來提供，在駐車或條件許可時(shí)則優(yōu)先利用市電。由于發(fā)電機(jī)組可靠性偏低，通常采用兩臺機(jī)組“用一備一”的冷備份方式，造成占用車內(nèi)空間大、車輛易超重等問題，影響了車輛越野機(jī)動(dòng)性能。另外，由于發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)為單缸風(fēng)冷柴油機(jī)，整個(gè)機(jī)組設(shè)計(jì)為開架式結(jié)構(gòu)，振動(dòng)和噪聲都比較大，發(fā)熱量高，無法在車內(nèi)長時(shí)間連續(xù)工作，通常做法是在駐車時(shí)將發(fā)電機(jī)組取下來，抬到遠(yuǎn)離車輛幾十米的地方進(jìn)行發(fā)電，制約了通信車“運(yùn)動(dòng)中通信”和“運(yùn)動(dòng)中指揮控制”的保障能力。

基于上述問題，“十一五”期間我軍研制并裝備使用了基于水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的第一代靜音型柴油發(fā)電機(jī)組，整體設(shè)計(jì)為相對封閉的箱式結(jié)構(gòu)，噪聲和振動(dòng)較低、發(fā)熱量較小，可在通信車上長時(shí)間連續(xù)工作，較好地解決了車輛運(yùn)動(dòng)中使用的難題，但與國外先進(jìn)水平相比還有一定的差距，急需進(jìn)行提升改進(jìn)，以更好地滿足實(shí)際使用要求。

1 外軍應(yīng)用情況

為了提高發(fā)電機(jī)組的環(huán)境適應(yīng)能力和戰(zhàn)場生存能力，20世紀(jì)90年代美軍規(guī)劃發(fā)展了第二代戰(zhàn)術(shù)無聲發(fā)電機(jī)（TQG，Tactical Quiet Generator），共有6個(gè)功率等級（3、5、10、15、30、60 kW）、18個(gè)品種，功率等級和規(guī)格符合MIL－STD－633E標(biāo)準(zhǔn)系列，在美國陸海空三軍部隊(duì)得到了廣泛應(yīng)用，效果良好。TQG均為靜音型發(fā)電機(jī)組，原動(dòng)機(jī)均采用多缸水冷柴油機(jī)，7 m處噪聲等級不超過70 dB（A），在400 m以外檢測不到機(jī)組的電磁、紅外和噪聲輻射，避免了敵方的探測和攻擊。美軍10 kW TQG如圖1所示。

圖1 美軍10 kW戰(zhàn)術(shù)無聲發(fā)電機(jī)（TQG）

當(dāng)前全世界范圍內(nèi)在發(fā)電機(jī)組靜音化設(shè)計(jì)技術(shù)方面最為領(lǐng)先的是德國Fischer Panda公司，該公司推出的一系列全水冷超靜音發(fā)電機(jī)組，不僅發(fā)動(dòng)機(jī)采用多缸水冷柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)也采用水冷式。為了達(dá)到超靜音工作狀態(tài)和微弱的紅外輻射目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及排氣消聲裝置全部封裝在一個(gè)隔聲艙內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，發(fā)電效率高。7 m 處噪聲等級為55～65 dB（A），20 m以外檢測不到機(jī)組的噪聲輻射，產(chǎn)品除大量列裝本國軍隊(duì)外，還廣泛使用于美國和其他北約部隊(duì)，同時(shí)在我軍也有少量使用（均為該公司進(jìn)口民用產(chǎn)品）。Fischer Panda公司10 kW全水冷超靜音柴油發(fā)電機(jī)組如圖2所示。

圖2 德國Fischer Panda公司10 kW全水冷超靜音柴油發(fā)電機(jī)組

2 全水冷超靜音柴油發(fā)電機(jī)組研制過程中涉及的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)分析

我軍第一代靜音發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品噪聲指標(biāo)實(shí)際控制在1 m處不超過73 dB（A），第二代全水冷超靜音柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)目標(biāo)為1 m處不超過70 dB（A），接近甚至達(dá)到了Fischer Panda公司設(shè)計(jì)水平。在該型機(jī)組研制過程中須解決以下幾個(gè)方面的主要問題：

（1）總體方案設(shè)計(jì)；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)合理選型；

（3）發(fā)電機(jī)合理設(shè)計(jì)；

（4）電能的穩(wěn)定輸出；

（5）降噪與散熱的綜合控制；

（6）電磁兼容設(shè)計(jì)。

2．1 總體方案設(shè)計(jì)

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，由交流變換器將發(fā)電機(jī)輸出的中頻電能轉(zhuǎn)換為工頻電能后向外供電；通過增壓器對柴油機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行增壓，提高柴油機(jī)在高海拔時(shí)輸出功率；通過隔聲罩、消聲器等措施進(jìn)行降低處理；通過循環(huán)冷卻液將柴油機(jī)、消聲器、交流變換器、發(fā)電機(jī)熱量帶到散熱器對機(jī)組進(jìn)行散熱。機(jī)組總體方案原理框圖如圖3所示。

圖3 全水冷超靜音柴油發(fā)電機(jī)組總體方案原理框圖

發(fā)電機(jī)組主要由水冷柴油機(jī)、水冷永磁中頻發(fā)電機(jī)、水冷交流變換器、水冷消聲器、電動(dòng)增壓器、散熱器、隔聲罩、油箱等部分組成。機(jī)組外形結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 全水冷超靜音柴油發(fā)電機(jī)組外形結(jié)構(gòu)示意圖

2．2 發(fā)動(dòng)機(jī)合理選型

發(fā)動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)組的核心部件，在選型過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注體積、重量、功率（特別是連續(xù)功率）、可靠性、噪聲等指標(biāo)，盡量能夠自帶增壓器。從目前國內(nèi)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(jī)均是不錯(cuò)的選擇。

2．3 發(fā)電機(jī)合理設(shè)計(jì)

由于永磁發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高、效率高、無無線電干擾等優(yōu)點(diǎn)，方案設(shè)計(jì)采用三相水冷永磁中頻同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式兩種，由于內(nèi)轉(zhuǎn)子式水冷發(fā)電機(jī)加工和裝配簡單，外轉(zhuǎn)子式水道布局及裝配相對復(fù)雜，因此方案選用內(nèi)轉(zhuǎn)子式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。

內(nèi)轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組合在定子組合內(nèi)部，定子外部壓裝電機(jī)殼體，發(fā)電機(jī)殼體內(nèi)開有水道槽，發(fā)電機(jī)通過殼體內(nèi)流動(dòng)的冷卻液對其散熱，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 內(nèi)轉(zhuǎn)子式水冷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2．4 電能的穩(wěn)定輸出

永磁發(fā)電機(jī)額定輸出為400 V／400 Hz中頻中壓電能且自身無法調(diào)節(jié)勵(lì)磁，而通信車需要穩(wěn)定的220 V／50 Hz工頻電能。因此，需通過交流變換器（核心是逆變器）進(jìn)行電能變換，滿足穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出要求，同時(shí)不增加永磁發(fā)電機(jī)自身的體積與重量。交流變換器需在國軍標(biāo)規(guī)定的55℃高溫環(huán)境下工作，加上設(shè)備自身溫升，封裝在隔聲罩內(nèi)的變換器需承受高達(dá)上百度的環(huán)境溫度，因此，必須優(yōu)選性能優(yōu)異的軍用元器件，并做好耐環(huán)境設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)，否則無法滿足機(jī)組可靠性指標(biāo)要求。

2．5 降噪與散熱的綜合控制

2．5．1 降噪與散熱的綜合分析

（1）散熱分析

發(fā)電機(jī)組的散熱方式設(shè)計(jì)為全水冷散熱，對機(jī)組發(fā)熱的部件柴油機(jī)、消聲器、發(fā)電機(jī)、交流變換器以冷卻液為熱交換介質(zhì)，通過外置散熱器進(jìn)行散熱。由于柴油機(jī)在正常工作時(shí)，循環(huán)水進(jìn)口水溫一般設(shè)計(jì)在80℃～90℃之間，此溫度不適宜水冷發(fā)電機(jī)和交流變換器散熱。因此冷卻系統(tǒng)需設(shè)計(jì)為相隔離的兩路，冷卻液循環(huán)示意如圖3所示。

a．散熱器——柴油機(jī)——消聲器——散熱器；

b．散熱器——交流變換器——發(fā)電機(jī)——散熱器。

（2）噪聲分析

按噪聲的成因，機(jī)組隔聲罩內(nèi)的噪聲大致可分為三類：

a．空氣動(dòng)力性噪聲：它是由氣體振動(dòng)而產(chǎn)生，此類噪聲主要是發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲；

b．機(jī)械性噪聲：它是由于機(jī)組工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)而產(chǎn)生，機(jī)組一般都是通過減振器與機(jī)架連接，盡管有減振措施，仍會(huì)造成隔聲罩內(nèi)局部共振，產(chǎn)生低頻噪聲；

c．空腔共鳴：由于機(jī)組振動(dòng)而向隔聲罩輻射的聲波，在遇到障礙物反射回來時(shí)，二次激勵(lì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，形成空腔共鳴。

2．5．2 降噪與散熱的綜合設(shè)計(jì)

（1）散熱

由于冷卻系統(tǒng)為隔離的兩路，因此散熱器需設(shè)計(jì)為相隔離的兩層，其原理為采用強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻風(fēng)首先冷卻下層交流變換器和發(fā)電機(jī)水路的循環(huán)水，其次冷卻上層柴油機(jī)和消聲器水路的循環(huán)水。同時(shí)為適應(yīng)高原的環(huán)境使用，設(shè)計(jì)專門的泄壓閥保證冷卻水沸點(diǎn)。

（2）降噪

要控制噪聲，首先要從減小聲源的噪聲著手。由于機(jī)組排氣采用消聲器，對機(jī)組的振動(dòng)采用減振器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要使固有頻率隔開。為抑制機(jī)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(jié)構(gòu)。在靜音機(jī)組的噪聲綜合治理中，除對發(fā)動(dòng)機(jī)的消聲器進(jìn)行合理設(shè)計(jì)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(jī)組設(shè)計(jì)的主要降噪措施之一。對柴油機(jī)燃燒廢氣設(shè)計(jì)專門的冷卻管路，進(jìn)行充分的水冷卻，使其溫度降低，壓力降低，再設(shè)計(jì)合理的擴(kuò)張室，幾次擴(kuò)張后排出尾管，達(dá)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，即利用吸聲材料作為內(nèi)飾來吸收入射到其上的聲能，減弱反射的聲能，從而降低機(jī)組的噪聲。

多孔性吸聲材料：其機(jī)理是當(dāng)聲波進(jìn)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(dòng)，由于內(nèi)摩擦和粘滯阻力，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能。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、巖棉板等。

孔壁吸聲材料：為了提高中、低頻聲波的吸聲系數(shù)，往往在材料上開很多小孔，小孔背后保存有一定的空氣層，使其產(chǎn)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(shù)與孔徑和穿孔率有關(guān)。

c．隔聲

超靜音機(jī)組重點(diǎn)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，可用各種隔聲材料和結(jié)構(gòu)來隔離。隔壁面密度越大，隔聲效果越好，但質(zhì)量要相當(dāng)大。在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮降低噪聲的各種因素，結(jié)合吸聲材料設(shè)計(jì)隔聲罩壁結(jié)構(gòu)。即隔聲罩外壁為一定厚度的鋼板，內(nèi)飾相應(yīng)厚度的吸聲材料。

d．隔振

將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、散熱器連接成一個(gè)整體，然后通過橡膠隔振器安裝在機(jī)組底盤上，以機(jī)組底盤為基礎(chǔ)形成整體。

2．6 電磁兼容設(shè)計(jì)

由于發(fā)電機(jī)組與大量無線通信設(shè)備同車安裝使用，要使系統(tǒng)能夠兼容工作，機(jī)組電磁干擾控制便成為設(shè)計(jì)關(guān)鍵內(nèi)容之一。經(jīng)分析，機(jī)組主要的傳導(dǎo)源和輻射源為交流變換器和發(fā)電機(jī)。因此在對交流變換器、發(fā)電機(jī)、隔聲罩等部件設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮其電磁屏蔽及濾波，主要設(shè)計(jì)措施如下：

（1）交流變換器各功率器件設(shè)計(jì)完善緩沖與吸收電路，在降低功率器件的電應(yīng)力的同時(shí)，可有效降低功率級的電磁干擾；同時(shí)對交流變換器外罩進(jìn)行密閉性設(shè)計(jì)，外罩四面采用焊接結(jié)構(gòu)，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(jìn)一步降低電磁輻射。

（2）發(fā)電機(jī)所有開口進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)。在發(fā)電機(jī)的所有開口處加裝匹配的波導(dǎo)板，發(fā)電機(jī)輸出連接采用電連接器。

（3）機(jī)組的發(fā)電機(jī)、交流變換器、控制箱、充電發(fā)電機(jī)、機(jī)組輸出接口等連接電路在適當(dāng)位置設(shè)置濾波器進(jìn)行濾波。

（4）對隔聲罩的所有結(jié)合部位進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。對箱體的底板、底架端部、機(jī)箱上蓋、輸出箱安裝法蘭等使用不銹鋼材料；機(jī)組所用的橡膠條，全部采用具有電磁屏蔽作用的導(dǎo)電硅橡膠條；在進(jìn)氣口加裝通風(fēng)波導(dǎo)板；在隔聲罩與散熱器的各水路接口處加裝通風(fēng)波導(dǎo)板。

（5）機(jī)組在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)，采取電磁輻射源較大與電磁輻射源較小部件進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，易于機(jī)組的電磁屏蔽及濾波設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

總之，對水冷發(fā)電機(jī)組進(jìn)行超靜音設(shè)計(jì)，應(yīng)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(shí)采用有效的散熱方式，在滿足輸出功率的前提下，達(dá)到超靜音目的。該型機(jī)組不僅可用于野戰(zhàn)通信車輛，還可廣泛應(yīng)用于指揮控制、情報(bào)偵察、電子對抗、武器發(fā)射等戰(zhàn)術(shù)車輛，滿足系統(tǒng)在駐車及機(jī)動(dòng)過程中長時(shí)間連續(xù)可靠供電需求，且大大提高了戰(zhàn)場安全性能。相信在裝備使用后可全面提升我軍車載電源系統(tǒng)的綜合水平，使其發(fā)揮更大的軍事效能。

［1］ 張軍剛，談學(xué)超，馮占遠(yuǎn)．靜音發(fā)電機(jī)組在野戰(zhàn)車載系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)研究［J］．移動(dòng)電源與車輛，2007，（4）：1－4．

［2］ 劉仲恕，朱 勇．逆變式高效永磁發(fā)電系統(tǒng)分析［J］．上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，（4）：8－9．

［3］ 余聲明．永磁材料在小電機(jī)中的應(yīng)用［J］．微特電機(jī)，2000，（5）：33－36．