新聞主題	柴油機和發(fā)電機的原理及組成

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機是燃燒柴油來(lái)獲取能量釋放的發(fā)動(dòng)機，而柴油發(fā)電機組是以柴油為主燃料的一種發(fā)電設備，以柴油發(fā)動(dòng)機為原動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，把動(dòng)能轉換成電能和熱能的機械設備。其結構組成包括底盤(pán)、水箱、柴油發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機以及設于發(fā)電機上的控制柜?？得魉构驹诒疚闹袨槟榻B柴油發(fā)動(dòng)機的工作原理和同步交流發(fā)電機的部件組成。

 

一、柴油發(fā)動(dòng)機工作原理

 

      柴油發(fā)動(dòng)機的工作過(guò)程其實(shí)跟汽油發(fā)動(dòng)機一樣的，每個(gè)工作循環(huán)也經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)沖程，其工作原理如圖1所示。

1、進(jìn)氣沖程

      進(jìn)入汽缸的工質(zhì)是純空氣。由于柴油機進(jìn)氣系統阻力較小，進(jìn)氣終點(diǎn)壓力pa= (0.85~0.95)p0，比汽油機高。進(jìn)氣終點(diǎn)溫度Ta=300~340K，比汽油機低。

      進(jìn)氣的任務(wù)是使氣缸內充滿(mǎn)新鮮空氣。當進(jìn)氣沖程開(kāi)始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)，氣缸內的燃燒室中還留有一些廢氣。當曲軸旋轉肘，連桿使活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)，利用與曲軸相聯(lián)的傳動(dòng)機構使進(jìn)氣閥打開(kāi)。隨著(zhù)活塞的向下運動(dòng)，氣缸內活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內的空氣壓力低于進(jìn)氣管內的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。

2、壓縮沖程

      由于壓縮的工質(zhì)是純空氣，因此柴油機的壓縮比比汽油機高(一般為ε=16~22)。壓縮終點(diǎn)的壓力為3000~5000kPa，壓縮終點(diǎn)的溫度為750~1000K，大大超過(guò)柴油的自燃溫度(約520K)。

3、做功沖程

      當壓縮沖程接近終了時(shí)，在高壓油泵作用下，將柴油以10MPa左右的高壓通過(guò)噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時(shí)間內與空氣混合后立即自行發(fā)火燃燒。汽缸內氣體的壓力急速上升，最高達5000~9000kPa，最高溫度達1800~2000K。由于柴油機是靠壓縮自行著(zhù)火燃燒，故稱(chēng)柴油機為壓燃式發(fā)動(dòng)機。

4、 排氣沖程

      柴油機的排氣與汽油機基本相同，只是排氣溫度比汽油機低。一般Tr=700~900K。對于單缸發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，其轉速不均勻，發(fā)動(dòng)機工作不平穩，振動(dòng)大。這是因為四個(gè)沖程中只有一個(gè)沖程是做功的，其他三個(gè)沖程是消耗動(dòng)力為做功做準備的沖程。為了解決這個(gè)問(wèn)題，飛輪必須具有足夠大的轉動(dòng)慣量，這樣又會(huì )導致整個(gè)發(fā)動(dòng)機質(zhì)量和尺寸增加。采用多缸發(fā)動(dòng)機可以彌補上述不足?，F代汽車(chē)用多采用四缸、六缸和八缸發(fā)動(dòng)機。

      現代發(fā)動(dòng)機基本以增壓型為主，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機和自然吸氣發(fā)動(dòng)機相比（兩者不同原理如圖2所示），增加了渦輪增壓器，還增加了中冷器，目的是降低進(jìn)氣溫度，增加進(jìn)氣量。此外，為了在發(fā)動(dòng)機熄火以后能夠延時(shí)散熱，避免高溫的渦輪增壓器被燒蝕，現代的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機還增加了獨立的電控冷卻系統。

 

圖1  柴油發(fā)動(dòng)機工作原理圖

圖2  增壓和自然吸氣柴油機的區別

  

二、發(fā)電機的原理和組成

 

1、發(fā)電機原理 

        交流同步發(fā)電機是通過(guò)與電力網(wǎng)絡(luò )同步運行，利用轉子和定子之間的磁場(chǎng)互感作用產(chǎn)生電能的一種發(fā)電機。其工作原理如下：

（1） 轉子在發(fā)電機的驅動(dòng)下旋轉，同時(shí)通過(guò)電源產(chǎn)生電場(chǎng)，形成磁場(chǎng)。

（2）定子上的線(xiàn)圈也產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉子和定子之間的磁場(chǎng)互相作用，使得定子上的線(xiàn)圈中的電子受到電磁力的作用而運動(dòng)（如圖3所示）。

（3）這些運動(dòng)的電子在定子線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流，即交流電（電路如圖4所示）。這個(gè)交流電通過(guò)輸出端口送到電力網(wǎng)絡(luò )中。

（4）發(fā)電機的控制系統通過(guò)調節轉子驅動(dòng)電力的大小和頻率，使得發(fā)電機的輸出電壓和頻率與電力網(wǎng)絡(luò )保持同步。

      交流同步發(fā)電機具有輸出電壓和頻率穩定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應用于電力系統中。

 

圖3  同步交流發(fā)電機電動(dòng)勢原理

圖4  同步交流發(fā)電機工作原理圖

 

 

2、發(fā)電機部件組成

      同步發(fā)電機內部結構如圖5所示，電路如圖6所示。

（1）定子座和繞組

      定子座為焊接設計。定子鐵芯位于定子座的中心并且不能轉動(dòng)及移動(dòng)。

      定子繞組為雙層線(xiàn)圈，絕緣等級為H級。絕緣是采用專(zhuān)門(mén)的制做工藝，由云母與瓷釉合成的絕緣材料用澆注樹(shù)脂浸漬。這可使電機具有很高的介電強度、防潮、阻擋氣體和水蒸汽、強度高以及壽命長(cháng)等特性。

（2）轉子和繞組

① 發(fā)電機軸通常是設計成圓柱形軸伸的雙軸承形式。電機軸是用法蘭連接。

② 主機的轉子鐵芯是安裝在軸上，軸向壓緊，軸上還安裝了勵磁繞組和阻尼繞組，阻尼繞組條位于轉子鐵芯槽里并焊接成環(huán)狀。

③ 整流器的固定輪轂安裝在軸上兩個(gè)鐵芯層組之間。

④ 轉子為動(dòng)態(tài)平衡。

 

圖5  交流發(fā)電機內部剖切圖

圖6  同步發(fā)電機電路圖

 

（3）交流勵磁機

      交流勵磁機為旋轉電樞式，三相，同步發(fā)電機。旋轉電樞式發(fā)電機不同于普通發(fā)電機，定子和轉子為相反關(guān)系。電樞安裝在軸的非聯(lián)接端輸出交流電，靜態(tài)勵磁裝置的輸出連接到如圖2所示的安裝在固定端的勵磁繞組。

（4）旋轉整流器

      旋轉整流器是一個(gè)可控硅整流器，如圖7所示的三相滿(mǎn)波整流回路安裝在轉子軸上。安裝螺釘尺寸在4.5Nm和5.5Nm之間接觸螺釘尺寸在2.5Nm和3.5Nm之間。

（5）勵磁系統

       勵磁裝置和晶閘管電壓調節器合成為T(mén)HYRIPART（可控硅分流）勵磁系統。勵磁系統提供一個(gè)隨負載變化的略高于產(chǎn)生額定電壓的勵磁電流。必要的時(shí)候調節器降低勵磁電流以獲得恒定的發(fā)電機電壓。這種隨負載變化的勵磁系統（復勵）使發(fā)電機在加載的短路時(shí)有極好的動(dòng)態(tài)響應。

（6）軸

      關(guān)于發(fā)電機軸，應使用經(jīng)船級社認可的鑄鐵并且設計保證與發(fā)動(dòng)機聯(lián)接時(shí)有足夠的強度。

（7）軸承

      按照訂貨規格中的設計的運行條件的要求，發(fā)電機可配置滾動(dòng)軸承或者強制或不強制潤滑的滑動(dòng)軸承。

（8）冷卻風(fēng)扇

      為保證所需的冷卻空氣通風(fēng)量，必須提供一個(gè)鑄鐵或焊接鋼板結構的風(fēng)扇。關(guān)于安裝位置，無(wú)論如何，需安裝在發(fā)動(dòng)機側。這是一個(gè)單向的通風(fēng)系統，抽取的冷卻空氣從非驅動(dòng)端進(jìn)入發(fā)電機，廢氣從驅動(dòng)端排出。

（9）驅動(dòng)端/非驅動(dòng)端端部保護

      發(fā)電機兩端的護罩做成平板式使軸承和軸伸滿(mǎn)足特殊的結構型式。勵磁機的磁極規則地分布，用螺栓固定在磁極軛環(huán)上，磁極軛環(huán)焊接到非驅動(dòng)端端蓋上。

（10）防止產(chǎn)生軸電流的絕緣方法

① 軸承絕緣任何與軸承的連接都必須絕緣以防止軸承電流的產(chǎn)生。

② 為防止磁路不平衡磁阻產(chǎn)生軸電流，在非驅動(dòng)端安裝了如圖8所示的絕緣體。軸電壓是一個(gè)高頻電壓，通常是1伏或者更小和很少產(chǎn)生的幾伏電壓。

③ 當有軸電流的時(shí)候，軸和軸頸會(huì )被損壞。在最壞的情況下，在幾分鐘之內會(huì )產(chǎn)生黑斑。局部油薄的破壞會(huì )增加被燒壞的可能性。

④ 拆卸和安裝的時(shí)候，一定要測量絕緣電阻。絕緣電阻值為1-3MQ滿(mǎn)足要求。通常所說(shuō)的軸承的軸電壓被限制在下列范圍：

○ <300mV 無(wú)害

○ 500-1000mV 有害軸電流可能產(chǎn)生

○ >1000mV 軸承可能在一星期到一年之內損壞（除非采取了絕緣措施）

（11）溫度計

      為檢測軸承溫度，安裝了水銀溫度計。

（12）防冷凝加熱器

      為了防止發(fā)電機在不運行時(shí)的潮氣和冷凝水，在發(fā)電機的定子中安裝了防冷凝加熱器。防冷凝加熱器可以從發(fā)電機的殼體外面方便地取出。加熱器為鎳鉻鐵合金的不銹外殼、殼體內部充滿(mǎn)絕緣體且呈U形。

（13）空氣/水冷卻器

      如需要，按特殊要求發(fā)電機可以提供頂部安裝的空氣-水冷卻器。冷卻器可以使用淡水或海水而且可以為雙管式。由于是閉路冷卻系統，發(fā)電機的防護等級也由 IP23 升至IP44和IP54。發(fā)電機的電氣原理保持不變。如果冷卻水系統故障或冷卻元件故障，發(fā)電機可以很方便在轉變?yōu)殚_(kāi)路空氣冷卻狀態(tài)緊急運行。

（14）接線(xiàn)端子箱

      主電纜的端子（U、V、W）的勵磁端子+F1、-F2的連接可按要求在發(fā)電機的左邊或右邊。電纜進(jìn)線(xiàn)板可按要求不鉆孔或鉆孔帶填料函。

圖7  發(fā)電機旋轉整流器單線(xiàn)原理圖

圖8  防止發(fā)電機產(chǎn)生軸電流的絕緣

 

三、柴發(fā)機組的工作原理

 

      柴油機驅動(dòng)發(fā)電機運轉，將柴油的能量轉化為電能。在柴油機汽缸內，經(jīng)過(guò)空氣濾清器過(guò)濾后的干凈空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油充分混合，在活塞上行的擠壓下，體積縮小，溫度迅速升高，到達柴油的燃點(diǎn)。柴油被點(diǎn)燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動(dòng)活塞下行，稱(chēng)為‘作功’。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經(jīng)過(guò)連桿變成了推動(dòng)曲軸轉動(dòng)的力量，從而帶動(dòng)曲軸旋轉。將無(wú)刷同步交流發(fā)電機與柴油機曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機的旋轉帶動(dòng)發(fā)電機的轉子，利用“電磁感應”原理，發(fā)電機就會(huì )輸出感應電動(dòng)勢，經(jīng)閉合的負載回路就能產(chǎn)生電流。

      這里只描述發(fā)電機組最根本的工作原理。要想得到可使用的、穩定的電力輸出，還需要一系列的柴油機和發(fā)電機控制、保護器件和回路。

      柴油發(fā)電機組是一種獨立的發(fā)電設備，系指以柴油等為燃料，以柴油機為原動(dòng)機帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電的動(dòng)力機械。整套機組一般由柴油機、發(fā)電機、控制箱、燃油箱、起動(dòng)和控制用蓄電瓶、保護裝置、應急柜等部件組成。整體可以固定在根底上，定位使用，亦可裝在拖車(chē)上，供移動(dòng)使用。

 

總結：

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