CN106124216B - 一种低温低压下柴油发电机性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温低压下柴油发电机性能测试系统，包括低温低压舱、柴油发电机和柴油发电机性能测量系统，低温低压舱内布置有用于调节低温低压舱内压力的压力调控系统和用于调节低温低压舱内温度的温度调控系统，压力调控系统包括舱底进气管路、柴油发电机排气管路和总抽气管路，压力调控系统还包括一舱内抽气支路，该舱内抽气支路和柴油发电机排气管路同时连接在总抽气管路的进气端并通过总抽气管路同时抽取柴油发电机排气管路内的柴油发电机排气和低温低压舱内的低温低压气体。本发明测试系统，大大减少了柴油发电机排烟对设备的损坏，提高了系统运行的经济性与可靠性，降低了系统的建设成本及维护成本。

Description

一种低温低压下柴油发电机性能测试系统

技术领域

本发明涉及一种柴油发电机性能测试系统，具体涉及的是一种为减小柴油发电机排烟对设备的损坏，降低系统的建设及维护成本，实现柴油发电机中高频功率测量的具有仿“蚌壳”式开合结构、串级真空系统、一体化换热结构、热转换功率测量结构及可视化振动测量特征的低温低压下柴油发电机性能测试系统。

背景技术

柴油发电机在低温低压等恶劣的环境下具有比汽油发电机更高的适应性、经济性及可靠性，所以普遍运用于高原地区甚至是极地严寒环境中，但是由于偏离正常的运行工况，柴油发电机的输出性能及运行特性仍会随着环境的恶化而显著变化。在外界温度降低、压强减小、湿度变化等因素的耦合作用下，柴油发电机的启动性、可靠性、运行效率及排放特性等性能指标都会受到影响，因此，为了研究这些环境因素对柴油发电机运行特性的综合影响，有必要建立一整套完整的柴油发电机性能测试系统，对柴油发电机的实时运行特性和动态响应进行监测和记录。由于现场试验易受地理因素的制约，而且不能人为调节环境参数，而且其试验成本较高，所以目前多通过在实验室中搭建低温低压舱来复现外界环境。

为了防止柴油发电机工作时产生的排烟泄漏到低温低压舱中，需要持续将柴油发电机排烟抽离低温低压舱，现阶段能够模拟柴油发电机整机环境的低温低压舱多采用两套抽真空系统，可以分别使柴油发电机进、排气口和柴油发电机的机外环境参数为预设条件。但由于柴油发电机排烟存在脉动性和高温腐蚀性，现有的排气抽真空系统必须加入稳压装置和换热装置，而且由于烟气中未完全燃烧的固体碳烟颗粒会磨损真空泵旋片，所以排烟抽气系统就变得更为复杂，而且真空泵工作寿命大大降低。由于两套抽真空系统是各自独立的，而两套抽气系统的抽气速率和目标容积大小都是不一样的，所以在启动和改变工况时都可能出现柴油发电机进、出口气压不同步的问题。在一般柴油发电机测试系统中，柴油发电机输出为工频电流(50～60Hz)，但在某些特殊场合下(例如军工、航空、机械制造等)，柴油发电机输出为电流频率较高的中频电流(工频以上，10000Hz以下)，这时用普通的功率分析仪测量柴油发电机的功率输出是不可行的，而且能够用于分析中频电流的功率分析仪造价昂贵，所以设计一套高效而低成本的功率测量装置显得十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种柴油发电机进气压力、排气背压及机外环境压力同步变化，系统运行可靠性高的一种低温低压下柴油发电机性能测试系统。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种低温低压下柴油发电机性能测试系统，包括低温低压舱、柴油发电机和柴油发电机性能测量系统，所述柴油发电机置于所述低温低压舱内，所述低温低压舱内布置有用于调节所述低温低压舱内压力的压力调控系统和用于调节所述低温低压舱内温度的温度调控系统，所述压力调控系统包括舱底进气管路、柴油发电机排气管路和总抽气管路，其特征在于：所述压力调控系统还包括一舱内抽气支路，该舱内抽气支路和所述柴油发电机排气管路同时连接在所述总抽气管路的进气端并通过所述总抽气管路同时抽取柴油发电机排气管路内的柴油发电机排气和低温低压舱内的低温低压气体。

在所述柴油发电机排气管路上串联有一烟气颗粒过滤器。

所述柴油发电机性能测量系统包括环境状态测量装置、柴油发电机运行状态测量装置、可视化振动测量结构和热转换功率测量结构，舱外布置有热转换功率测量结构及可视化振动测量结构。

所述热转换功率测量结构包含内置纯电阻加热元件的加热器，加热器下端布置冷却水进水口，加热器上端布置冷却水出水口，在所述冷却水进水口和冷却水出水口均设置有温度传感器，所述加热元件与柴油发电机的电流输出端连接。

所述可视化振动测量结构包含放置于所述低温低压舱外的高速CCD摄像仪。

所述舱内抽气支路布置在所述低温低压舱内的中上部。

所述温度调控系统包括轴流风机、分层式换热器、制冷循环管段和制冷设备，所述轴流风机和所述分层式换热器置于所述低温低压舱内，经所述制冷循环管段与置于舱外的制冷设备连接形成一体化换热结构。

所述分层式换热器的出风口分为至少吹向柴油发电机的第一出风口和吹向低温低压舱内其他位置的第二出风口，且吹向所述柴油发电机的风量与吹向其他位置的风量的比例系数可调。

所述低温低压舱为采用两块舱体铰接形成的开合结构。

在所述低温低压舱内还设置有一阻流板，所述柴油发电机设置在所述阻流板上，所述舱底进气管路的出口对着阻流板，所述舱内抽气支路装有防止气流倒流的零件。

低温低压下柴油发电机性能测试系统通过串级真空系统来降低排烟的浓度及温度，并利用烟气颗粒过滤器进一步降低烟气中的固体颗粒浓度，从而大大减小排烟对真空泵、阀门及管件等设备的腐蚀与磨损，同时也实现了柴油发电机进、出口环境参数的同步变化，该系统利用放置于舱内的分层式换热器对柴油发电机进行风冷，并控制舱内的温度参数；柴油发电机的输出功率通过热转换功率测量结构实时显示并保存到计算机中，柴油发电机在不同工况下的机械振动强弱的变化可通过可视化振动测量结构进行记录和观测。

本发明低温低压下柴油发电机性能测试系统，包括低温低压舱、柴油发电机及柴油发电机性能测量系统，其中，低温低压舱为柴油发电机提供低温低压的环境，柴油发电机性能测量系统对柴油发电机性能进行测试。低温低压舱内布置有压力调控系统和温度调控系统，压力调控系统包括舱底进气管路、柴油发电机排气管路、舱内抽气支路和总抽气管路，柴油发电机排气管路与舱内抽气支路并联后再串联接入总抽气管路形成串级真空系统。温度调控系统包括轴流风机、分层式换热器、制冷循环管段和制冷设备，轴流风机和分层式换热器置于低温低压舱内，经制冷循环管段与置于舱外的制冷设备连接，形成一体化换热结构。压力调控系统和温度调控系统的控制开关集总在低温低压舱控制机柜上，低温低压舱还包含用以控制舱内照明、舱体开合等行为的舱体行为控制器。柴油发电机包括柴油原动机、发电机、油箱、启动电瓶及点火开关，柴油原动机、发电机及油箱共同组成柴油发电机动力转化部分，启动电瓶及点火开关构成柴油发电机组的启停控制机构。柴油发电机性能测量系统包括环境状态测量装置、柴油发电机运行状态测量装置、可视化振动测量结构和热转换功率测量结构。分层式换热器出风分层，可自由配置柴油发电机的冷却风量的比例；可视化振动测量结构能够实时监测柴油发电机的振动频率和振动幅度，发电机输出电流频率为工频或者中、高频，通过所述的热转换功率测量结构测得所述发电机的实时发电功率。

低温低压舱为采用两块舱体铰接形成的开合结构。两块舱体张开角度为m，紧闭时m＝0°，完全打开时m＝180°，而且舱体的不同方位设有多个不同型号的真空法兰接头和航空接头，舱壁面设置有n处开窗，n≥2。

舱底进气管路的进口引入舱外空气，进气管路管径小但进气流量大，所以管路内流速很高，为了防止高速气流直接冲击低温低压舱内的仪器，舱底进气管路出口设置阻流板，高速气冲击阻流板减速均流后再流入低温低压舱内的其余空间。

柴油发电机排气管路包含压力计、流量计、阀门和烟气颗粒过滤器，烟气颗粒过滤器吸附烟气中存在的大部分固体颗粒，使得混合抽气中的固体颗粒浓度进一步降低。

舱内抽气支路包括压力计、流量计、止回节流阀，舱内抽气支路的进口布置在低温低压舱的上部，出口与所述的柴油发电机排气管路相连，止回节流阀可防止柴油发电机排气管路中的柴油发电机烟气倒流进入所述的低温低压舱，为方便拆卸和清洗，两条管路之间连通方式可采用法兰连接、螺纹连接等方式，但不采用焊接的方式。

总抽气管路包括真空法兰、阀门、二级罗茨泵、一级罗茨泵和旋片式真空泵，总抽气管路在低温低压舱里、外两侧的管段通过真空法兰连接，二级罗茨泵、一级罗茨泵和旋片式真空泵组成一套三级真空泵机组，旋片式真空泵为前置泵，启动时先启动旋片式真空泵，再根据需要依次启动一级罗茨泵和二级罗茨泵。

环境状态测量装置包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、噪音传感器，温度传感器的数量为p，p≥2，分别散落布置在低温低压舱内部的不同位置；压力传感器数量为q，q≥2，且至少有一个用来测量柴油发电机的进气压力，湿度传感器布置在低温低压舱内，噪音传感器在低温低压舱内、外均有分布。

柴油发电机运行状态测量装置包括热电偶、柴油发电机内部压力传感器、柴油发电机油耗测量器、烟气分析仪等，柴油发电机运行状态测量装置能将测量数据输出到计算机中。

可视化振动测量结构主要包含高速CCD摄像仪和特种玻璃开窗，高速CCD摄像仪放在低温低压舱外，特种玻璃开窗嵌于低温低压舱的舱体中，高速CCD摄像仪透过特种玻璃开窗拍摄柴油发电机的振动情况，也可利用高速CCD摄像仪拍摄柴油发电机转轴每分钟的转动圈数，以此计算柴油发电机的工作转速。

热转换功率测量结构是专为发电机设计的功率测试装置，其理论依据是雷诺输运定理，即：系统内物理量A随时间的变化率，等于控制体内该物理量随时间的变化率加上通过控制面物理量A的净流出率；该定理在本装置中的运用为：装置内产生能量的速率等于装置内能增加速率与装置中水的热量净带出率之和，如果使装置内能增加速率远小于装置中水的热量净带出率，则测出装置中水的热量净带出率即测出了装置内产生能量的速率，也即测出了纯电阻加热器的发热功。

热转换功率测量结构的具体实现方式为：利用纯电阻加热器将柴油发电机输出的电能全部转化为热能，再通过流动的水将产生的热量吸收，最后通过测量水的热量净带出率来测得输出功率的大小。由于水的热量净带出率可通过水的进出口温差计算出，而水的进、出口温度又极易测得，因此通过此装置能很方便地测得柴油发电机的输出功率，由于不同频率电流的电能最终都转换为热量的形式，所以本发明热转换功率测量结构适用于发电机输出电流为工频或中频的场合；需要注意的是，装置内能的增加主要体现在装置中水容积内能增加，如果装置中水容积越小，则水容积中各点温度越快达到稳定，装置内能增加速率就越快减小到零，热转换功率测量结构的热响应时间就越短；为了保证纯电阻加器产生的热量都被水吸收，需要防止热量通过所述的热转换功率测量结构的壁面向外散失，所以在热转换功率测量结构外表敷设保温棉就显得尤为重要。

有益效果

本发明低温低压下柴油发电机性能测试系统，具有以下有益效果：(1)低温低压舱采用仿“蚌壳”式的开合方式，舱体张开后给实验平台留下开阔的空间，便于实验人员布置舱内设备，整个舱体无需用起吊装置抬升，不仅减少了设备的功耗，而且无需担心因舱体不慎落下而引发安全事故；舱壁面有多处开窗，便于操作人员在实验过程中观察舱内情况，也使高速CCD摄像仪的拍摄成为可能，舱壁面的不同方位设有多个不同型号的真空法兰和航空接头，使得水、电、气的管路设计更加灵活。(2)舱内抽真空系统首先利用烟气颗粒过滤器降低烟气中的固体颗粒浓度，再采用了排烟与抽气混合的方式，将高温、多杂质的烟气与低温、纯净的舱内空气充分混合，使得混合气流温度和杂质浓度都大幅降低，大大减小了排烟对真空泵、阀门及管件等设备的积灰、腐蚀与磨损，提高了设备的使用寿命；由于舱内抽气管路中抽气流量是柴油发电机排气管路中烟气流量的若干倍，所以将这两条管路并联，相当于让舱内抽气管路实现了稳压的作用，无需设置排烟稳压箱就解决了柴油发电机排烟的脉动问题，并实现了柴油发电机进气压力、排气背压及机外环境压力的同步变化。(3)将分层式换热器内置于低温低压舱中，无需为换热器设置专门的气流通道，大大简化了换热器的结构，还可以自由配置吹向柴油发电机的冷却风量；换热器的气流部分始终在舱内循环，大大减少了冷风的损失，提高了系统的能量利用效率。(4)可视化振动测量结构及噪音传感器可以测量柴油发电机组在不同工况下的振动和噪音情况，为研究柴油发电机运行时对周围紧固装置的作用强度提供了参考，也为研究柴油发电机的运行对人体舒适度的影响提供了研究依据。(5)热转换功率测量结构通过测量热流量来间接测量输出功率的大小，解决了电流频率为中、高频时无法用普通功率测试仪测量发电机输出功率的问题，并同时适用于电流频率为工频的场合，而且整个装置无需复杂的电气转化元件，采用简单的测量元件就可将所测得的数据实时显示并存储在计算机中，装置制作成本低，易复现。

附图说明

图1为一种低温低压下柴油发电机性能测试系统示意图。

图2为低温低压舱立体结构示意图。

图3为热转换功率测量结构立体结构剖分图。

图中，1.低温低压舱；2.实验平台；3、8、12.流量计；4、9、15、18、38.阀门；5、14.真空法兰接头；6.柴油发电机；7、11.压力计；10.烟气颗粒过滤器；13.止回节流阀；16.二级罗茨泵；17.一级罗茨泵；19.旋片式真空泵；20.低温低压舱控制机柜；21.舱体行为控制器；22.轴流风机；23.分层式换热器；24.制冷设备；25.柴油发电机运行状态测量装置；26.柴油发电机运行状态测量装置；27、29.航空接头；28.计算机；30.纯电阻加热器；31.热转换功率测量结构；32.特种玻璃开窗；33.高速CCD摄像仪；34.承载法兰盘；35.保温棉；36.热转换功率测量结构进水口；37.转子流量计；39.热电偶；40.热转换功率测量结构出水口；41.宝塔接头。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了一种低温低压下柴油发电机性能测试系统示意图。低温低压舱1内部为低温低压环境，实验平台2上放置测试对象柴油发电机6，外部新风依次流经流量计3、阀门4和真空法兰接头5，进入低温低压舱底部后再从实验平台2的外周流入低温低压舱中、上部，此时实验平台2起到阻流板的作用；柴油发电机6从低温低压舱中下部吸入空气，排出的烟气依次流经压力计7、流量计8、阀门9、烟气颗粒过滤器10，再汇入舱内抽气支路，舱内抽气支路布置在低温低压舱中上部，舱内抽气依次流经压力计11、流量计12、止回节流阀13，再与烟气混合，流经真空法兰接头14，由二级罗茨泵16、一级罗茨泵17、旋片式真空泵19抽到外部大环境中，阀门15、18则起到调节抽气量的作用，低温低压舱控制机柜20连接控制舱体行为控制器21及三台真空泵(二级罗茨泵16、一级罗茨泵17及旋片式真空泵19)的启动开关；轴流风机22、分层式换热器23、制冷设备24对舱内的空气进行循环降温，轴流风机22的转速、分层式换热器23的配风策略都由低温低压舱控制机柜20控制；环境状态测量装置25、柴油发电机运行状态测量装置26分别通过航空接头27连接到计算机28，柴油发电机6的功率输出由纯电阻加热器30完全消耗，并由热转换功率测量结构31测出，舱体上的特种玻璃开窗32使得高速CCD摄像仪33的拍摄成为可能。

图2给出了低温低压舱立体结构示意图。低温低压舱1采用仿“蚌壳”式的开合方式，低温低压舱的两块舱体通过轴承安装在在圆外侧的竖直承重轴上，实验平台2的支架与低温低压舱1的底部用密封圈形成密封，舱壁面的特种玻璃开窗32使用耐压型玻璃，能保证高速CCD摄像仪33对舱内柴油发电机6的振动及柴油发电机转轴的转动进行清晰的拍摄；应注意的是，本图中只画出一个特种玻璃开窗、两个典型的真空法兰接头、一个航空接头，在实际的低温低压舱1上应布置更多的不同型号的特种玻璃开窗、真空法兰接头及航空接头，从而使得水、电、气的管路设计更加灵活。

图3给出了热转换功率测量结构立体结构剖分图。纯电阻加热器30置于热转换功率测量结构31中，热转换功率测量结构31呈圆柱形，纯电阻加热器30分为上、下两个部分，上部为绝缘套筒和接线柱，下部为U型加热棒的组合；纯电阻负载30安装在承载法兰盘34上，承载法兰盘34分为上、下两块，形状都是圆环状，上面法兰盘可利用螺钉固定在下面一块上，下面法兰盘的外圆周焊接在热转换功率测量结构31的内壁上，下面法兰盘的高度刚好与热转换功率测量结构出水口40的顶端平齐；热转换功率测量结构31的左下侧为热转换功率测量结构进水口36，右上侧为热转换功率测量结构出水口40，为保证所有流入热转换功率测量结构31的水能够顺利流出，热转换功率测量结构出水口40的横截面积至少为热转换功率测量结构进水口36的横截面积的两倍；恒定流量的水经转子流量计37、阀门38进入热转换功率测量结构31底部，吸收纯电阻加热器30产生的热量后由热转换功率测量结构出水口40流出，热转换功率测量结构31的进、出口水的温度由两只热电偶39记录，并将数据传送到计算机28中计算转化为柴油发电机的功率特性，宝塔接头41方便于出水口40与外部水管的连接与拆卸。

Claims (10)

1.一种低温低压下柴油发电机性能测试系统，包括低温低压舱、柴油发电机和柴油发电机性能测量系统，所述柴油发电机置于所述低温低压舱内，所述低温低压舱内布置有用于调节所述低温低压舱内压力的压力调控系统和用于调节所述低温低压舱内温度的温度调控系统，所述压力调控系统包括舱底进气管路、柴油发电机排气管路和总抽气管路，其特征在于：所述压力调控系统还包括一舱内抽气支路，该舱内抽气支路和所述柴油发电机排气管路同时连接在所述总抽气管路的进气端并通过所述总抽气管路同时抽取柴油发电机排气管路内的柴油发电机排气和低温低压舱内的低温低压气体。

2.根据权利要求1所述的低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：在所述柴油发电机排气管路上串联有一烟气颗粒过滤器。

3.根据权利要求1所述的低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：所述柴油发电机性能测量系统包括环境状态测量装置、柴油发电机运行状态测量装置、可视化振动测量结构和热转换功率测量结构，舱外布置有热转换功率测量结构及可视化振动测量结构。

4.根据权利要求3所述的低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：所述热转换功率测量结构包含内置纯电阻加热元件的加热器，加热器下端布置冷却水进水口，加热器上端布置冷却水出水口，在所述冷却水进水口和冷却水出水口均设置有温度传感器，所述加热元件与柴油发电机的电流输出端连接。

5.根据权利要求3所述的低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：所述可视化振动测量结构包含放置于所述低温低压舱外的高速CCD摄像仪。

6.根据权利要求1所述的低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：所述舱内抽气支路布置在所述低温低压舱内的中上部。

7.根据权利要求1所述的低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：所述温度调控系统包括轴流风机、分层式换热器、制冷循环管段和制冷设备，所述轴流风机和所述分层式换热器置于所述低温低压舱内，经所述制冷循环管段与置于舱外的制冷设备连接形成一体化换热结构。

8.根据权利要求7所述的一种低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：所述分层式换热器的出风口分为至少吹向柴油发电机的第一出风口和吹向低温低压舱内其他位置的第二出风口，且吹向所述柴油发电机的风量与吹向其他位置的风量的比例系数可调。

9.根据权利要求1所述的低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：所述低温低压舱为采用两块舱体铰接形成的开合结构。

10.根据权利要求1所述的低温低压下柴油发电机性能测试系统，其特征在于：在所述低温低压舱内还设置有一阻流板，所述柴油发电机设置在所述阻流板上，所述舱底进气管路的出口对着阻流板，所述舱内抽气支路装有防止气流倒流的零件。