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柴油發(fā)電機頻率響應(yīng)特性曲線 |
摘要:柴油機在不同的工況下,各主要指標(biāo)是變化的。要找出它們的變化規(guī)律,必須在發(fā)動機測功器上進(jìn)行試驗,測出在不同工況下的數(shù)據(jù),并繪制成曲線表示其變化關(guān)系。這些曲線稱為柴油機特性曲線。在衡量柴油機的動力性和經(jīng)濟(jì)性時,常用的特性曲線有負(fù)荷特性曲線、頻率特性曲線和調(diào)速特性曲線等。柴油機試驗時,如將柴油機噴油泵的供油拉桿(油門)固定在某一位置上,并調(diào)節(jié)作用在飛輪上的阻力扭矩(即發(fā)動機的負(fù)荷),發(fā)動機的轉(zhuǎn)速必將發(fā)生變化。這樣可將測得的數(shù)據(jù)繪制成發(fā)動機的有效扭矩Me、有效功率Ne和耗油率ge隨轉(zhuǎn)速n而變化的關(guān)系曲線,稱為柴油機的速度特性曲線。
一、什么是發(fā)動機特性曲線圖
大家在讀各種柴油發(fā)電機廠商的宣傳資料中會發(fā)現(xiàn)有發(fā)動機特性曲線(也有叫發(fā)動機工況圖),將發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系以曲線表示,此曲線稱為發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線或簡稱為發(fā)動機特性曲線,如圖1所示;如果柴油機高壓油泵在最大供油量位置,此特性曲線稱為發(fā)動機外特性曲線;如果部分供油,稱為發(fā)動機部分負(fù)荷特性曲線。
從試驗圖2可以看出,轉(zhuǎn)速在1500轉(zhuǎn)/分情況下,發(fā)動機扭矩和功率分別達(dá)到最大值,這是兩個決定發(fā)動機性能的主要參數(shù)。代表了發(fā)動機實時功率,單位是千瓦,它決定了發(fā)動機到底能產(chǎn)生多大的能量。圖1中的ge是指比油耗量,單位是克/每千瓦小時,它反映的是發(fā)動機發(fā)動機每發(fā)出1kW功率,運行1h的耗油量;n1.....n5就是發(fā)動機的實時轉(zhuǎn)速,單位轉(zhuǎn)/每分鐘;理清了每個坐標(biāo)軸上數(shù)字的意義,下一步就是了解發(fā)動機的特性曲線圖給我們吐露的信息。
圖1 柴油機外特性曲線 |
圖2 柴油機有效功率試驗曲線 |
二、柴油機特性
我們已知表征柴油機性能的主要指標(biāo)有平均有效壓力、有效扭矩、有效功率、有效耗油率、平均指示壓力等。運轉(zhuǎn)中的這些柴油機性能指標(biāo)是隨著柴油機運轉(zhuǎn)工況的不同而變化的。柴油機的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)(如排氣溫度、最高爆發(fā)壓力、增壓壓力等)隨運轉(zhuǎn)工況變化的規(guī)律稱為柴油機的特性。如果把這種變化規(guī)律在坐標(biāo)軸上用曲線的形式表示出來,這種曲線即稱為柴油機的特性曲線。有了特性曲線,掌握了柴油機的特性,就可以合理利用柴油機的一系列特性,知道我們在使用柴油機時如何提高其可靠性、使用壽命,以及如何節(jié)油。如在各種使用條件下決定其極限允許使用范圍,選擇其最佳工作點,檢查其工作質(zhì)量(性能指標(biāo)、工作參數(shù))是否良好等。
對于特定的柴油機在運轉(zhuǎn)中可能使柴油機有效功率發(fā)生變化的參數(shù)只有平均有效壓力和轉(zhuǎn)速,它們是兩個可以互相獨立的基本參數(shù)。由此,根據(jù)平均有效壓力和轉(zhuǎn)速的變化情況可將柴油機的特性進(jìn)行分類。
1、速度特性
當(dāng)平均有效壓力不變(測定時是將油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定,平均有效壓力在實際上是略有變化的),柴油機的性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。
測定速度特性時,將噴油泵油量調(diào)節(jié)桿固定,然后改變柴油機外負(fù)荷以改變其轉(zhuǎn)速,使柴油機在最高允許轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之間各不同的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn),并測量各轉(zhuǎn)速下的功率、扭矩(或平均有效壓力)、有效耗油率和排氣溫度等。將測得的數(shù)據(jù)整理在以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)的圖上,即得到柴油機的速度特性曲線。
(1)全負(fù)荷速度特性
由于噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定的位置不同,即泵的有效行程不同,每循環(huán)的供油量不同,所測得的特性曲線也不同。如果把油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在標(biāo)定位置(相當(dāng)于柴油機在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下發(fā)出標(biāo)定功率的供油量)時,所測得的柴油機特性稱為全負(fù)荷速度特性(習(xí)慣上亦稱為外特性)。
(2)部分負(fù)荷速度特性
當(dāng)油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在比標(biāo)定位置小的位置時所測得的柴油機特性稱為部分負(fù)荷速度特性(亦稱部分特性)。
(3)超負(fù)荷速度特性
我國國家GB規(guī)范規(guī)定,柴油機超負(fù)荷功率為標(biāo)定功率的110%,柴油機必須允許在超負(fù)荷功率下至少連續(xù)運轉(zhuǎn)1小時。此時,油量調(diào)節(jié)機構(gòu)所處的位置即為實際運轉(zhuǎn)中允許達(dá)到的極限位置。在柴油機油量調(diào)節(jié)機構(gòu)中裝設(shè)有限制塊,以防止油量調(diào)節(jié)機構(gòu)在運轉(zhuǎn)中超過這個極限位置。當(dāng)油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在這一極限位置時所測得的速度特性稱為超負(fù)荷速度特性。在這種情況下,由于噴油泵的調(diào)節(jié)機構(gòu)在最大供油位置上,所以汽缸內(nèi)的溫度和壓力都很高,致使機件受到很大的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷,工作條件惡劣。因此,按此特性工作的時間是有限制的。
2.負(fù)荷特性
當(dāng)轉(zhuǎn)速不變,定于某一設(shè)定值時,柴油機的性能參數(shù)隨負(fù)荷(平均有效壓力)變化的關(guān)系。柴油機的負(fù)荷通常是指柴油機阻力矩大小,由于平均有效壓力正比于阻力矩,常用平均有效壓力來表示負(fù)荷。負(fù)載特性可通過電渦流測功機(試驗框圖如圖3所示),測量柴油機的速度特性、負(fù)荷特性;以及對柴油機功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、空燃比、排氣溫度、燃油消耗率(如圖5所示)的測量;通過整理試驗數(shù)據(jù)點,得到柴油機的負(fù)荷特性曲線,做出相關(guān)分析總結(jié)分析對比。
圖4 柴油機負(fù)荷特性曲線試 |
圖5 柴油機有效燃油消耗率試驗曲線 |
4。調(diào)速特性
根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速仿真試驗(如圖6所示),可以表明調(diào)速特性與上述各種柴油機特性不同,它一般并不表明柴油機內(nèi)部的工作過程有關(guān)參數(shù)的變化情況,而只標(biāo)出有效扭矩、平均有效壓力、有效功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系(曲線如圖7所示),它主要取決于調(diào)速器的工作性能。實際上油量調(diào)節(jié)機構(gòu)在固定時的平均有效壓力或有效扭矩并不是定值,這是因為:
(1)由于節(jié)流、泄漏,噴油泵每循環(huán)的噴油量隨轉(zhuǎn)速的變化略有變化。
(2)增壓柴油機指示效率(主要取決于過量空氣系數(shù))隨轉(zhuǎn)速增加會有所增加。
(3)增壓柴油機的機械效率隨轉(zhuǎn)速增加稍有降低。但對低速柴油機(主機)來說,因其轉(zhuǎn)速低,變化范圍小,噴油泵每循環(huán)噴油量隨轉(zhuǎn)速的變化很?。黄溥^量空氣系數(shù)很大,它的變化對熱效率影響較??;其轉(zhuǎn)速變化范圍很小,機械效率隨轉(zhuǎn)速變化可以忽略。
因此,可以認(rèn)為當(dāng)柴油機油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置一定時,轉(zhuǎn)速變化其平均有效壓力(或有效扭矩)不變。有效功率、平均有效壓力或有效扭矩與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。
圖6 柴油機轉(zhuǎn)速仿真測試
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圖7 柴油機轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系曲線圖 |
三、頻率響應(yīng)曲線
柴油發(fā)電機是為了滿足電能需求而設(shè)計的,在大多數(shù)情況下,它們運行的是交流電。在發(fā)電機工作過程中,頻率響應(yīng)曲線是一個重要的參數(shù),因為它表明了發(fā)電機輸出電功率與電網(wǎng)電壓變化之間的相關(guān)情況。對于柴油發(fā)電機而言,頻率響應(yīng)曲線通常給出了它們對發(fā)電負(fù)載變化的響應(yīng)。這意味著在瞬態(tài)負(fù)載變化的情況下,發(fā)電機的輸出電功率和電網(wǎng)電壓的關(guān)系會發(fā)生一些改變。
根據(jù)康明斯公司對柴油發(fā)電機組的頻率和轉(zhuǎn)速仿真試驗,曲線的形態(tài)在不同的發(fā)電機和負(fù)載類型下有所不同。在一般的情況下,隨著負(fù)載的增加,曲線的斜率越來越陡峭。當(dāng)負(fù)載達(dá)到一定程度時,曲線將會陡峭到可以稱之為“限制曲線”,這也是發(fā)電機可以輸出的最大功率。在這種情況下,負(fù)載再次增加將導(dǎo)致頻率下降,這可能會導(dǎo)致一系列負(fù)面后果,如設(shè)備故障或停電等。
(1)了解曲線的形態(tài)和特點對于預(yù)測和避免這些情況非常重要,同時對于控制發(fā)電機的生產(chǎn)和維護(hù)也至關(guān)重要。大多數(shù)發(fā)電機制造商提供了其設(shè)備的頻率響應(yīng)曲線,以供客戶參考。
(2)在日常維護(hù)和操作中,發(fā)電機的運行狀態(tài)應(yīng)該始終處于曲線的合適位置。如果太接近限制曲線,運行過程中就需要監(jiān)控頻率和電壓,確保在預(yù)定的范圍內(nèi)運行。
(3)如果發(fā)現(xiàn)任何問題,如負(fù)載過重或其他問題,操作員必須采取相應(yīng)的行動,例如更換部件或減少負(fù)載。如果這些問題不能及時解決,可能會引起嚴(yán)重的后果,例如故障、損壞甚至停電。
總結(jié):
除了上述特性以外,柴油機還有限制特性的說法,這是用來限制柴油機在各種轉(zhuǎn)速下持續(xù)運轉(zhuǎn)的功率的。有效扭矩的大小可以代表柴油機機械負(fù)荷的大小。有效扭矩大說明曲軸工作時的扭矩(扭應(yīng)力)大,說明平均有效壓力(有關(guān)零件機械應(yīng)力)大,也說明有關(guān)軸承的負(fù)荷大。所以,等扭矩限制就是進(jìn)行機械負(fù)荷限制。這樣,就可以避免柴油機因機械負(fù)荷過大而損壞。柴油機的全負(fù)荷速度特性也有上述對功率的限制。但是,對有些機型仍不夠嚴(yán)格,當(dāng)柴油機按全負(fù)荷速度特性工作時不能保證它在各種下都不超負(fù)荷。某些柴油機的平均有效壓力以及有效扭矩在轉(zhuǎn)速降低時將有所增大,這就可能使柴油機的機械負(fù)荷在較低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時超出允許值。
因此,對柴油發(fā)電機各種響應(yīng)曲線的理解是確保柴油發(fā)電機組的可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在柴油發(fā)電機組日常生產(chǎn)和維護(hù)中,操作員們必須密切關(guān)注這些曲線,確保機器的正常運行。
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