軍用通信車用全水冷超靜音柴油發電機組設計技術

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的小功率交流工頻柴油發電機組來提供，在駐車或條件許可時則優先利用市電。由于發電機組可靠性偏低，通常采用兩臺機組“用一備一”的冷備份方式，造成占用車內空間大、車輛易超重等問題，影響了車輛越野機動性能。另外，由于發電機組的原動機為單缸風冷柴油機，整個機組設計為開架式結構，振動和噪聲都比較大，發熱量高，無法在車內長時間連續工作，通常做法是在駐車時將發電機組取下來，抬到遠離車輛幾十米的地方進行發電，制約了通信車“運動中通信”和“運動中指揮控制”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動機的第一代靜音型柴油發電機組，整體設計為相對封閉的箱式結構，噪聲和振動較低、發熱量較小，可在通信車上長時間連續工作，較好地解決了車輛運動中使用的難題，但與國外先進水平相比還有一定的差距，急需進行提升改進，以更好地滿足實際使用要求。

1 外軍應用情況

為了提高發電機組的環境適應能力和戰場生存能力，20世紀90年代美軍規劃發展了第二代戰術無聲發電機（TQG，Tactical Quiet Generator），共有6個功率等級（3、5、10、15、30、60 kW）、18個品種，功率等級和規格符合MIL－STD－633E標準系列，在美國陸海空三軍部隊得到了廣泛應用，效果良好。TQG均為靜音型發電機組，原動機均采用多缸水冷柴油機，7 m處噪聲等級不超過70 dB（A），在400 m以外檢測不到機組的電磁、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戰術無聲發電機（TQG）

當前全世界范圍內在發電機組靜音化設計技術方面最為領先的是德國Fischer Panda公司，該公司推出的一系列全水冷超靜音發電機組，不僅發動機采用多缸水冷柴油機，發電機也采用水冷式。為了達到超靜音工作狀態和微弱的紅外輻射目標，發動機、發電機及排氣消聲裝置全部封裝在一個隔聲艙內，結構緊湊，發電效率高。7 m 處噪聲等級為55～65 dB（A），20 m以外檢測不到機組的噪聲輻射，產品除大量列裝本國軍隊外，還廣泛使用于美國和其他北約部隊，同時在我軍也有少量使用（均為該公司進口民用產品）。Fischer Panda公司10 kW全水冷超靜音柴油發電機組如圖2所示。

圖2 德國Fischer Panda公司10 kW全水冷超靜音柴油發電機組

2 全水冷超靜音柴油發電機組研制過程中涉及的關鍵設計技術分析

我軍第一代靜音發電機組產品噪聲指標實際控制在1 m處不超過73 dB（A），第二代全水冷超靜音柴油發電機組設計目標為1 m處不超過70 dB（A），接近甚至達到了Fischer Panda公司設計水平。在該型機組研制過程中須解決以下幾個方面的主要問題：

（1）總體方案設計；

（2）發動機合理選型；

（3）發電機合理設計；

（4）電能的穩定輸出；

（5）降噪與散熱的綜合控制；

（6）電磁兼容設計。

2．1 總體方案設計

柴油機運轉帶動發電機工作，由交流變換器將發電機輸出的中頻電能轉換為工頻電能后向外供電；通過增壓器對柴油機進氣進行增壓，提高柴油機在高海拔時輸出功率；通過隔聲罩、消聲器等措施進行降低處理；通過循環冷卻液將柴油機、消聲器、交流變換器、發電機熱量帶到散熱器對機組進行散熱。機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電機組總體方案原理框圖

發電機組主要由水冷柴油機、水冷永磁中頻發電機、水冷交流變換器、水冷消聲器、電動增壓器、散熱器、隔聲罩、油箱等部分組成。機組外形結構示意如圖4所示。

圖4 全水冷超靜音柴油發電機組外形結構示意圖

2．2 發動機合理選型

發動機作為發電機組的核心部件，在選型過程中應重點關注體積、重量、功率（特別是連續功率）、可靠性、噪聲等指標，盡量能夠自帶增壓器。從目前國內外市場上來看，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均是不錯的選擇。

2．3 發電機合理設計

由于永磁發電機具有結構簡單、體積小、重量輕、可靠性高、效率高、無無線電干擾等優點，方案設計采用三相水冷永磁中頻同步發電機。發電機結構可以設計為內轉子式和外轉子式兩種，由于內轉子式水冷發電機加工和裝配簡單，外轉子式水道布局及裝配相對復雜，因此方案選用內轉子式發電機結構。

內轉子式結構為發電機的轉子組合在定子組合內部，定子外部壓裝電機殼體，發電機殼體內開有水道槽，發電機通過殼體內流動的冷卻液對其散熱，發電機結構如圖5所示。

圖5 內轉子式水冷發電機結構示意圖

2．4 電能的穩定輸出

永磁發電機額定輸出為400 V／400 Hz中頻中壓電能且自身無法調節勵磁，而通信車需要穩定的220 V／50 Hz工頻電能。因此，需通過交流變換器（核心是逆變器）進行電能變換，滿足穩壓穩頻輸出要求，同時不增加永磁發電機自身的體積與重量。交流變換器需在國軍標規定的55℃高溫環境下工作，加上設備自身溫升，封裝在隔聲罩內的變換器需承受高達上百度的環境溫度，因此，必須優選性能優異的軍用元器件，并做好耐環境設計和散熱設計，否則無法滿足機組可靠性指標要求。

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

發電機組的散熱方式設計為全水冷散熱，對機組發熱的部件柴油機、消聲器、發電機、交流變換器以冷卻液為熱交換介質，通過外置散熱器進行散熱。由于柴油機在正常工作時，循環水進口水溫一般設計在80℃～90℃之間，此溫度不適宜水冷發電機和交流變換器散熱。因此冷卻系統需設計為相隔離的兩路，冷卻液循環示意如圖3所示。

a．散熱器——柴油機——消聲器——散熱器；

b．散熱器——交流變換器——發電機——散熱器。

（2）噪聲分析

按噪聲的成因，機組隔聲罩內的噪聲大致可分為三類：

a．空氣動力性噪聲：它是由氣體振動而產生，此類噪聲主要是發動機的排氣噪聲；

b．機械性噪聲：它是由于機組工作時產生振動而產生，機組一般都是通過減振器與機架連接，盡管有減振措施，仍會造成隔聲罩內局部共振，產生低頻噪聲；

c．空腔共鳴：由于機組振動而向隔聲罩輻射的聲波，在遇到障礙物反射回來時，二次激勵誘發結構的振動，形成空腔共鳴。

2．5．2 降噪與散熱的綜合設計

（1）散熱

由于冷卻系統為隔離的兩路，因此散熱器需設計為相隔離的兩層，其原理為采用強制風冷的冷卻風首先冷卻下層交流變換器和發電機水路的循環水，其次冷卻上層柴油機和消聲器水路的循環水。同時為適應高原的環境使用，設計專門的泄壓閥保證冷卻水沸點。

（2）降噪

要控制噪聲，首先要從減小聲源的噪聲著手。由于機組排氣采用消聲器，對機組的振動采用減振器，結構設計要使固有頻率隔開。為抑制機組聲源的傳播，有效的辦法是減小開口間隙或采取密封及迷宮式結構。在靜音機組的噪聲綜合治理中，除對發動機的消聲器進行合理設計外，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

水冷消聲器是機組設計的主要降噪措施之一。對柴油機燃燒廢氣設計專門的冷卻管路，進行充分的水冷卻，使其溫度降低，壓力降低，再設計合理的擴張室，幾次擴張后排出尾管，達到良好的降噪效果。

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飾來吸收入射到其上的聲能，減弱反射的聲能，從而降低機組的噪聲。

多孔性吸聲材料：其機理是當聲波進入材料表面的空腔，引起空隙中空氣和材料微小纖維的振動，由于內摩擦和粘滯阻力，使相當一部分聲能轉化為熱能。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，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，吸聲系數與孔徑和穿孔率有關。

c．隔聲

超靜音機組重點考慮發動機的噪聲，可用各種隔聲材料和結構來隔離。隔壁面密度越大，隔聲效果越好，但質量要相當大。在設計中應綜合考慮降低噪聲的各種因素，結合吸聲材料設計隔聲罩壁結構。即隔聲罩外壁為一定厚度的鋼板，內飾相應厚度的吸聲材料。

d．隔振

將發動機、發電機、散熱器連接成一個整體，然后通過橡膠隔振器安裝在機組底盤上，以機組底盤為基礎形成整體。

2．6 電磁兼容設計

由于發電機組與大量無線通信設備同車安裝使用，要使系統能夠兼容工作，機組電磁干擾控制便成為設計關鍵內容之一。經分析，機組主要的傳導源和輻射源為交流變換器和發電機。因此在對交流變換器、發電機、隔聲罩等部件設計時，需考慮其電磁屏蔽及濾波，主要設計措施如下：

（1）交流變換器各功率器件設計完善緩沖與吸收電路，在降低功率器件的電應力的同時，可有效降低功率級的電磁干擾；同時對交流變換器外罩進行密閉性設計，外罩四面采用焊接結構，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，進一步降低電磁輻射。

（2）發電機所有開口進行電磁屏蔽設計。在發電機的所有開口處加裝匹配的波導板，發電機輸出連接采用電連接器。

（3）機組的發電機、交流變換器、控制箱、充電發電機、機組輸出接口等連接電路在適當位置設置濾波器進行濾波。

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

（5）機組在設計控制電路時，采取電磁輻射源較大與電磁輻射源較小部件進行隔離設計，易于機組的電磁屏蔽及濾波設計。

3 結束語

總之，對水冷發電機組進行超靜音設計，應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，同時采用有效的散熱方式，在滿足輸出功率的前提下，達到超靜音目的。該型機組不僅可用于野戰通信車輛，還可廣泛應用于指揮控制、情報偵察、電子對抗、武器發射等戰術車輛，滿足系統在駐車及機動過程中長時間連續可靠供電需求，且大大提高了戰場安全性能。相信在裝備使用后可全面提升我軍車載電源系統的綜合水平，使其發揮更大的軍事效能。

［1］ 張軍剛，談學超，馮占遠．靜音發電機組在野戰車載系統中的應用技術研究［J］．移動電源與車輛，2007，（4）：1－4．

［2］ 劉仲恕，朱 勇．逆變式高效永磁發電系統分析［J］．上海電力學院學報，2004，（4）：8－9．

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