6135AZLD電站柴油機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

魏 來，褚超美

（上海理工大學(xué)，上海200093）

6135AZLD電站柴油機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

魏 來，褚超美

（上海理工大學(xué)，上海200093）

介紹了6135系列電站用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、性能改進(jìn)過程，并通過零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)，如曲軸、活塞組件、濾清系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，并進(jìn)行了燃油系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化，使整機(jī)性能最終滿足開發(fā)要求。

柴油機(jī)電站結(jié)構(gòu)功率性能試驗(yàn)

1 引言

上柴公司的6135柴油機(jī)自50年代末60年代初開發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)以來，已經(jīng)歷了半個多世紀(jì)。其良好的工作可靠性和使用方便性，一直深受廣大用戶的歡迎。近幾年，隨著市場要求越來越高，尤其是電站柴油機(jī)需求量的不斷上升，6135電站柴油機(jī)結(jié)構(gòu)笨重、技術(shù)指標(biāo)相對落后的問題便越發(fā)突出。因此，6135電站柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、功率提升、性能優(yōu)化和提高配套適應(yīng)性已成了迫切任務(wù)[1]。本文著重闡述了6135AZLD柴油機(jī)的總體布置及設(shè)計(jì)思想，并從設(shè)計(jì)分析、計(jì)算等角度，對在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上有較大改進(jìn)的曲軸、活塞以及冷卻潤滑系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳盡的描述與探討。

2 開發(fā)目標(biāo)

6135AZLD電站柴油機(jī)的設(shè)計(jì)著重考慮以下幾點(diǎn)：（1）延續(xù)原6135柴油機(jī)零部件通用性，主要零部件不作大的改動，能夠在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行加工并迅速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；（2）達(dá)到高功率、低油耗，滿足用戶需求；（3）提高可靠性和耐久性，即根據(jù)多年來從用戶使用中得到的質(zhì)量信息資料，有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，以提高產(chǎn)品的使用可靠性和耐久性。（4）外觀布局合理，管路連接可靠。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1，外觀如圖1所示。

3 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 曲軸

提高組合式曲軸連接螺栓的預(yù)緊力以增強(qiáng)曲軸的強(qiáng)度和承載能力，保證曲軸使用的可靠性[2]。曲軸連接螺栓的預(yù)緊力不足是導(dǎo)致曲拐斷裂的主要原因，尤其是第三、四節(jié)兩曲拐的貫穿長螺栓難以充分?jǐn)Q緊，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中兩曲拐結(jié)合面受撞擊摩擦產(chǎn)生了焊合斑痕，致使曲拐曲臂肩部的薄弱環(huán)節(jié)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生疲勞損壞。為此進(jìn)行以下改進(jìn)：

（1）取消長螺栓兩端的防漏油墊片是一個有效措施。因?yàn)檐泬|片會變形導(dǎo)致剛性減弱，致使在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中曲軸螺栓的預(yù)緊力逐漸下降而松弛。取消墊片后從該處泄漏的潤滑油量是有限的，已提高流量的機(jī)油泵能滿足潤滑用油要求。

表16135 AZLD電站柴油機(jī)主要參數(shù)

圖16135 AZLD電站柴油機(jī)外形圖

（2）除前軸連接螺栓因結(jié)構(gòu)上原因不能改動之外（并且前軸輸出功率也不變），將所有曲軸六角螺栓和螺母改為法蘭面螺栓和法蘭面螺母。原螺栓、螺母的支承面直徑Φ26 mm，現(xiàn)法蘭面直徑為Φ33 mm，厚3 mm。經(jīng)計(jì)算，承壓面增加了113%以上，并且可以提高防松能力。原定位螺栓六角頭部厚12 mm，現(xiàn)加厚到15 mm，法蘭面厚為3 mm，將除前軸連接螺栓外的所有螺栓的六角頭厚度改成一致。

（3）薄型螺母的改進(jìn)是將螺母厚度增加3 mm，螺母厚度一致以達(dá)到提高承載扭矩之目的。簡單直觀的比較，原薄型螺母厚為12 mm，螺距1.5，螺母的牙數(shù)為8牙；現(xiàn)改為厚15 mm，牙數(shù)增加了2牙，達(dá)到10牙，牙數(shù)增加比為25%；因此螺母的機(jī)械性能等級相應(yīng)提高。

（4）取消連接處不銹鋼墊片，采用法蘭面螺栓和法蘭面螺母并提高曲軸間擰緊力矩。

曲軸連接螺栓和曲軸改進(jìn)設(shè)計(jì)參見圖2和圖3。

圖2 曲軸連接螺栓改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.2 活塞、活塞環(huán)

135柴油機(jī)用戶市場反應(yīng)存在“機(jī)油耗高、下竄氣大”等問題。原設(shè)計(jì)的缸套、活塞及活塞環(huán)這一摩擦副在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及性能等多方面不能滿足要求，近年來持續(xù)對缸套、活塞環(huán)進(jìn)行了一系列的改進(jìn)：如改進(jìn)缸套內(nèi)孔表面的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，第一道氣環(huán)采用陶瓷復(fù)合鍍的梯形桶面環(huán)等等。雖取得了一定的效果，但沒有根本上解決135柴油機(jī)機(jī)油耗高、曲軸箱漏氣量大的問題。

經(jīng)過進(jìn)一步分析，認(rèn)為此套摩擦副的匹配仍不太理想，主要是135柴油機(jī)原活塞結(jié)構(gòu)不太合理，如頭部留有積炭槽、采用4道環(huán)槽結(jié)構(gòu)等。本次對活塞內(nèi)腔、外型、裙部、銷孔、環(huán)槽等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體如下。

（1）內(nèi)腔：銷座上方采用“滿筋”結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)頭部剛度，減小頭部在使用中的變形，有利于環(huán)組的密封，減小漏氣量及機(jī)油耗；同時采用偏心圓內(nèi)腔，減小裙部長軸處壁厚，而又擁有足夠的剛度。但這將導(dǎo)致活塞重量增加，因此將活塞總長減短至155 mm，且內(nèi)腔銷座采用斜銷座結(jié)構(gòu)，以減輕重量。

（2）外型：銷孔方向采用鑄造“面窗”，作為回油通道，并減重。

圖3 曲軸改進(jìn)設(shè)計(jì)

（3）裙部外型面：由于銷孔方向已采用鑄造“面窗”，有通暢的回油通道；裙部型面采用特殊的中凸橢圓結(jié)構(gòu)，以改善裙部的導(dǎo)向性和承載能力。

（4）銷孔：采用錐度+橢圓的結(jié)構(gòu)，減小因活塞銷變形引起的裙部變形，提高銷孔的承載能力，并能有效潤滑銷孔及活塞銷。銷孔向主推力面偏心0.4 mm，減弱活塞的二階運(yùn)動。

（5）環(huán)槽：由原4道環(huán)槽改為三道環(huán)槽，第一環(huán)距頂面高度25 mm，增加第一環(huán)岸的厚度，以增加環(huán)岸的剛度；在第一環(huán)岸開卸荷槽，以降低漏氣量和機(jī)油耗。

（6）活塞頭部：取消原有積炭槽結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)后活塞的結(jié)構(gòu)見圖4。活塞環(huán)也作了相應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)：（1）第一道氣環(huán)：采用半鑲嵌，偏桶面結(jié)構(gòu)，由鍍鉻改進(jìn)為復(fù)合鍍電鍍陶瓷表面處理；（2）第二道氣環(huán)：采用多元合金鑄鐵，表面等離子氮化處理，有效地提高了活塞環(huán)的耐磨與抗拉缸性能，是活塞環(huán)行業(yè)目前較高的配置。

圖4 改進(jìn)后活塞

3.3 飛輪殼

飛輪殼油道重新優(yōu)化，減少外部連接點(diǎn)，消除機(jī)油泄漏隱患，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后飛輪殼

3.4 機(jī)油濾清器和機(jī)油冷卻器

135柴油機(jī)多年來一直使用繞線式或刮片式機(jī)油粗濾器與離心式精濾器配套工作的機(jī)油濾清器。這種機(jī)油濾清器雖然有經(jīng)久耐用的優(yōu)點(diǎn)，但粗濾器的濾清效果并不是很好，維護(hù)保養(yǎng)花的時間也較多。重新設(shè)計(jì)濾清器座，采用了以旋裝式機(jī)油濾清器與離心式機(jī)油精濾器配套工作的新型機(jī)油濾清器；同時將機(jī)油冷卻器與機(jī)油濾清器集成，進(jìn)油及泄油位置移到濾清器座內(nèi)。如圖6所示。

3.5 提高機(jī)油泵流量

機(jī)油泵靠齒輪傳動，傳動比1.24。原機(jī)油泵在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，機(jī)油流量55 L/min。隨著功率提高，需要進(jìn)一步提高機(jī)油泵流量，滿足需要。對傳動系統(tǒng)進(jìn)行更改，提高速比，加大流量，如圖7所示。

圖6 機(jī)油濾清器座

圖7 改進(jìn)后機(jī)油泵

3.6 其它改進(jìn)措施

（1）重新設(shè)計(jì)水泵。更改驅(qū)動帶輪直徑；同時通過優(yōu)化葉輪和傳動比的匹配，達(dá)到提高揚(yáng)程，加大流量的目的。

（2）重新設(shè)計(jì)冷卻水管路。適當(dāng)增大了流通面積以減小流動阻力，同時按整體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行管路布置。

（3）采用P型噴油泵，提高了噴油泵體的剛度，可以承受較高的噴油壓力而不發(fā)生變形，以適應(yīng)柴油機(jī)不斷向大功率、高轉(zhuǎn)速強(qiáng)化的需要。

4 柴油機(jī)性能試驗(yàn)

對樣機(jī)進(jìn)行性能匹配試驗(yàn)，分別采用5× φ0.32和6×φ0.29兩種噴油器，爆發(fā)壓力控制在13.5 MPa以內(nèi)，最終經(jīng)過對比，結(jié)合油耗、爆發(fā)壓力、排溫等決定采用5×φ0.32噴油器。如圖8、9、10所示。

在此基礎(chǔ)上，按GB/T1105規(guī)定的一般性試驗(yàn)要求項(xiàng)目進(jìn)行了臺架性能試驗(yàn)；負(fù)荷特性試驗(yàn)及壓氣機(jī)曲線圖見圖11和12。可見該柴油機(jī)在標(biāo)定功率的50%～110%的范圍內(nèi)，燃油消耗率均在220g/ (kW·h)以下，最低燃油消耗率為207.1 g/(kW·h)，具有很好的使用經(jīng)濟(jì)性。

5 柴油機(jī)熱平衡試驗(yàn)

圖8 燃油消耗率

圖9 爆發(fā)壓力

圖10 排氣溫度

近20來，隨著計(jì)算機(jī)與計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，對動力裝置熱平衡的仿真模擬計(jì)算研究越來越多。但是，試驗(yàn)研究仍然有著其不可取代的地位，主要表現(xiàn)在以下兩方面：

圖11 負(fù)荷特性試驗(yàn)曲線

圖12 壓氣機(jī)特性曲線圖

（1）熱平衡試驗(yàn)研究為發(fā)動機(jī)的性能提供精確數(shù)據(jù)；測量是對試驗(yàn)對象性質(zhì)的真實(shí)反映。隨著傳感器精度的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展、現(xiàn)代先進(jìn)測試技術(shù)的廣泛應(yīng)用，測試精度、速度、可靠性等已經(jīng)不再是試驗(yàn)研究的瓶頸。試驗(yàn)研究不僅能夠提供熱平衡圖，從中找出提高發(fā)動機(jī)性能的改進(jìn)方向，而且可以提供所需要的發(fā)動機(jī)不同工況點(diǎn)下的數(shù)據(jù)。目前，發(fā)動機(jī)普遍采用強(qiáng)化技術(shù)，與以前的發(fā)動機(jī)相比，其燃燒過程與冷卻系統(tǒng)都發(fā)生了許多變化，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，工作狀況更加惡劣，舊的數(shù)據(jù)已經(jīng)不適用于新型發(fā)動機(jī)。對于新型發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)來說，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得迫在眉睫。

（2）熱平衡試驗(yàn)研究為仿真模擬提供必須的驗(yàn)證依據(jù)。熱平衡仿真模擬計(jì)算是用數(shù)學(xué)模型描述熱量的分配狀況。它依賴于缸內(nèi)工作過程、燃燒室部件傳熱模型的仿真、發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣管的流動與傳熱、冷卻與潤滑系的流動與傳熱仿真研究以及散熱器的傳熱仿真研究。到目前為止，國際上有關(guān)動力裝置熱平衡的仿真模擬研究所用的模型還過于簡化，這些模型與實(shí)際情況差距較大。需要由試驗(yàn)研究對其模型的可靠性提供必需的驗(yàn)證依據(jù)[3]。

6135AZLD柴油機(jī)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2，以下所有的計(jì)算均基于表2中的實(shí)測值。

對于增壓中冷發(fā)動機(jī)，進(jìn)入發(fā)動機(jī)的燃油燃燒產(chǎn)生的總熱量Q總的去向分布：（1）轉(zhuǎn)化成為有效功的熱量Qe；（2）排氣排出的熱量Q排氣；（3）冷卻液帶走的熱量Q冷卻液；（4）進(jìn)氣中冷帶走的熱量Q中冷；（5）殘余熱量Q殘余。發(fā)動機(jī)熱平衡方程式[4]：

表2 6135AZLD柴油機(jī)熱平衡試驗(yàn)記錄

其中Hu為燃料低熱值，取42780 kJ/kg。

其中，G排氣＝G進(jìn)氣＋Gb＝1068.8 kg/h，Cp排氣為排氣比定壓熱容，取1.099 kJ/(kg·℃)；

其中，Cp冷卻液為冷卻液比定壓熱容，由于試驗(yàn)時冷卻液為水，故取值4.1868 kJ/(kg·℃)。

其中，Cp進(jìn)氣為進(jìn)氣比定壓熱容，取1 kJ/ (kg·℃)；

圖13為6135AZLD電站柴油機(jī)單機(jī)熱平衡試驗(yàn)安裝示意圖。通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，可以得出6135AZLD電站柴油機(jī)熱量分配圖，如圖14所示。將發(fā)動機(jī)的燃油燃燒產(chǎn)生的總熱量Q總作為100%，則轉(zhuǎn)化成為有效功的熱量Qe占38.99%，排氣排出的熱量Q排氣占27.29%，冷卻液帶走的熱量Q冷卻液占21.27%，進(jìn)氣中冷帶走的熱量Q中冷占1.86%，殘余熱量Q殘余占10.59%。

在本試驗(yàn)中，發(fā)動機(jī)帶風(fēng)扇、水空中冷器、散熱器，風(fēng)扇消耗功率計(jì)入發(fā)動機(jī)的余熱。此外本試驗(yàn)使用的散熱器性能基本滿足發(fā)動機(jī)在40℃環(huán)境溫度下性能要求。

樣機(jī)交于揚(yáng)州奧克發(fā)電設(shè)備有限公司，用于配套180kW發(fā)電機(jī)組。實(shí)際使用情況表明：該機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、工作可靠。

圖136135 AZLD柴油機(jī)熱平衡試驗(yàn)安裝示意圖

圖146135 AZLD電站柴油機(jī)熱量分配圖

6 結(jié)論

6135AZLD發(fā)電用柴油機(jī)達(dá)到了預(yù)定的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，是一個具有個性化的135系列柴油機(jī)升級型新產(chǎn)品。實(shí)踐證明，老產(chǎn)品通過設(shè)計(jì)改進(jìn)，注入新的技術(shù)，同樣可以再現(xiàn)活力，延續(xù)其生命力。

1茅繼慶編著.135系列柴油機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及第二代設(shè)想[R].上海柴油機(jī)廠，1975.

2楊連生編著.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1981.

3白敏麗，沈勝強(qiáng)，陳家驊等.內(nèi)燃機(jī)傳熱全仿真模擬研究進(jìn)展綜述[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18（1）：96-99.

4沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學(xué)（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

Improvement of Design and Structure of 6135AZLD Diesel Engine

Wei Lai,Chu Chaomei
（University Of Shanghai For Science And Technology,Shanghai 20093,China）

The s tructure design improvement and performance development of 6135 series diesel engine is introduced.Structure design improvement was carried out on the crankshaft,piston,oil filter system and cooling system.In addition,matching of the fuel system and supercharging system was optimized. The result shows that the improvement and optimization have enabled the engine performance to meet the development requirements.

diesel engine,generator set,structure,power,test

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.006

來稿日期：2013-06-15

魏來（1981-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)性能匹配。