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(fā)電機組來提供，在駐車或條件許可時則優(yōu)先利用市電。由于發(fā)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(fā)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(fā)熱量高，無法在車內長時間連續(xù)工作，通常做法是在駐車時將發(fā)電機組取下來，抬到遠離車輛幾十米的地方進行發(fā)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(fā)動機的第一代靜音型柴油發(fā)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(fā)熱量較小，可在通信車上長時間連續(xù)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(fā)電機組的環(huán)境適應能力和戰(zhàn)場生存能力，20世紀90年代美軍規(guī)劃發(fā)展了第二代戰(zhàn)術無聲發(fā)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(guī)格符合MIL－STD－633E標準系列，在美國陸?？杖姴筷牭玫搅藦V泛應用，效果良好。TQG均為靜音型發(fā)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(zhàn)術無聲發(fā)電機（TQG）

當前全世界范圍內在發(fā)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(fā)電機組，不僅發(fā)動機采用多缸水冷柴油機，發(fā)電機也采用水冷式。為了達到超靜音工作狀態(tài)和微弱的紅外輻射目標，發(fā)動機、發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機組

2 全水冷超靜音柴油發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機合理選型；

（3）發(fā)電機合理設計；

（4）電能的穩(wěn)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(fā)電機工作，由交流變換器將發(fā)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(huán)冷卻液將柴油機、消聲器、交流變換器、發(fā)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(fā)電機組總體方案原理框圖

發(fā)電機組主要由水冷柴油機、水冷永磁中頻發(fā)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(fā)電機組外形結構示意圖

2．2 發(fā)動機合理選型

發(fā)動機作為發(fā)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(xù)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(fā)電機合理設計

由于永磁發(fā)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(yōu)點，方案設計采用三相水冷永磁中頻同步發(fā)電機。發(fā)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(fā)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(fā)電機結構。

內轉子式結構為發(fā)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(fā)電機殼體內開有水道槽，發(fā)電機通過殼體內流動的冷卻液對其散熱，發(fā)電機結構如圖5所示。

圖5 內轉子式水冷發(fā)電機結構示意圖

2．4 電能的穩(wěn)定輸出

永磁發(fā)電機額定輸出為400 V／400 Hz中頻中壓電能且自身無法調節(jié)勵磁，而通信車需要穩(wěn)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(wěn)壓穩(wěn)頻輸出要求，同時不增加永磁發(fā)電機自身的體積與重量。交流變換器需在國軍標規(guī)定的55℃高溫環(huán)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(huán)境溫度，因此，必須優(yōu)選性能優(yōu)異的軍用元器件，并做好耐環(huán)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(fā)電機組的散熱方式設計為全水冷散熱，對機組發(fā)熱的部件柴油機、消聲器、發(fā)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(huán)水進口水溫一般設計在80℃～90℃之間，此溫度不適宜水冷發(fā)電機和交流變換器散熱。因此冷卻系統(tǒng)需設計為相隔離的兩路，冷卻液循環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)電機水路的循環(huán)水，其次冷卻上層柴油機和消聲器水路的循環(huán)水。同時為適應高原的環(huán)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(fā)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(shù)，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(shù)與孔徑和穿孔率有關。

c．隔聲

超靜音機組重點考慮發(fā)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(fā)動機、發(fā)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(fā)電機組與大量無線通信設備同車安裝使用，要使系統(tǒng)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(fā)電機。因此在對交流變換器、發(fā)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(fā)電機所有開口進行電磁屏蔽設計。在發(fā)電機的所有開口處加裝匹配的波導板，發(fā)電機輸出連接采用電連接器。

（3）機組的發(fā)電機、交流變換器、控制箱、充電發(fā)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(fā)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(zhàn)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(fā)射等戰(zhàn)術車輛，滿足系統(tǒng)在駐車及機動過程中長時間連續(xù)可靠供電需求，且大大提高了戰(zhàn)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(tǒng)的綜合水平，使其發(fā)揮更大的軍事效能。

［1］ 張軍剛，談學超，馮占遠．靜音發(fā)電機組在野戰(zhàn)車載系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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．