6135AZLD电站柴油机设计开发及结构改进

魏 来，褚超美

（上海理工大学，上海200093）

6135AZLD电站柴油机设计开发及结构改进

魏 来，褚超美

（上海理工大学，上海200093）

介绍了6135系列电站用柴油机的结构改进、性能改进过程，并通过零部件优化设计，如曲轴、活塞组件、滤清系统和冷却系统，并进行了燃油系统和增压系统的匹配和优化，使整机性能最终满足开发要求。

柴油机电站结构功率性能试验

1 引言

上柴公司的6135柴油机自50年代末60年代初开发成功并实现批产以来，已经历了半个多世纪。其良好的工作可靠性和使用方便性，一直深受广大用户的欢迎。近几年，随着市场要求越来越高，尤其是电站柴油机需求量的不断上升，6135电站柴油机结构笨重、技术指标相对落后的问题便越发突出。因此，6135电站柴油机的结构改进、功率提升、性能优化和提高配套适应性已成了迫切任务[1]。本文着重阐述了6135AZLD柴油机的总体布置及设计思想，并从设计分析、计算等角度，对在设计结构上有较大改进的曲轴、活塞以及冷却润滑系统进行了较为详尽的描述与探讨。

2 开发目标

6135AZLD电站柴油机的设计着重考虑以下几点：（1）延续原6135柴油机零部件通用性，主要零部件不作大的改动，能够在现有设备上进行加工并迅速实现批量生产；（2）达到高功率、低油耗，满足用户需求；（3）提高可靠性和耐久性，即根据多年来从用户使用中得到的质量信息资料，有针对性地进行设计改进，以提高产品的使用可靠性和耐久性。（4）外观布局合理，管路连接可靠。柴油机主要技术参数见表1，外观如图1所示。

3 主要零部件结构设计

3.1 曲轴

提高组合式曲轴连接螺栓的预紧力以增强曲轴的强度和承载能力，保证曲轴使用的可靠性[2]。曲轴连接螺栓的预紧力不足是导致曲拐断裂的主要原因，尤其是第三、四节两曲拐的贯穿长螺栓难以充分拧紧，在运转过程中两曲拐结合面受撞击摩擦产生了焊合斑痕，致使曲拐曲臂肩部的薄弱环节在运转过程中产生疲劳损坏。为此进行以下改进：

（1）取消长螺栓两端的防漏油垫片是一个有效措施。因为软垫片会变形导致刚性减弱，致使在运转过程中曲轴螺栓的预紧力逐渐下降而松弛。取消垫片后从该处泄漏的润滑油量是有限的，已提高流量的机油泵能满足润滑用油要求。

表16135 AZLD电站柴油机主要参数

图16135 AZLD电站柴油机外形图

（2）除前轴连接螺栓因结构上原因不能改动之外（并且前轴输出功率也不变），将所有曲轴六角螺栓和螺母改为法兰面螺栓和法兰面螺母。原螺栓、螺母的支承面直径Φ26 mm，现法兰面直径为Φ33 mm，厚3 mm。经计算，承压面增加了113%以上，并且可以提高防松能力。原定位螺栓六角头部厚12 mm，现加厚到15 mm，法兰面厚为3 mm，将除前轴连接螺栓外的所有螺栓的六角头厚度改成一致。

（3）薄型螺母的改进是将螺母厚度增加3 mm，螺母厚度一致以达到提高承载扭矩之目的。简单直观的比较，原薄型螺母厚为12 mm，螺距1.5，螺母的牙数为8牙；现改为厚15 mm，牙数增加了2牙，达到10牙，牙数增加比为25%；因此螺母的机械性能等级相应提高。

（4）取消连接处不锈钢垫片，采用法兰面螺栓和法兰面螺母并提高曲轴间拧紧力矩。

曲轴连接螺栓和曲轴改进设计参见图2和图3。

图2 曲轴连接螺栓改进设计

3.2 活塞、活塞环

135柴油机用户市场反应存在“机油耗高、下窜气大”等问题。原设计的缸套、活塞及活塞环这一摩擦副在结构、材质及性能等多方面不能满足要求，近年来持续对缸套、活塞环进行了一系列的改进：如改进缸套内孔表面的网纹结构，第一道气环采用陶瓷复合镀的梯形桶面环等等。虽取得了一定的效果，但没有根本上解决135柴油机机油耗高、曲轴箱漏气量大的问题。

经过进一步分析，认为此套摩擦副的匹配仍不太理想，主要是135柴油机原活塞结构不太合理，如头部留有积炭槽、采用4道环槽结构等。本次对活塞内腔、外型、裙部、销孔、环槽等结构进行了改进设计，具体如下。

（1）内腔：销座上方采用“满筋”结构，以加强头部刚度，减小头部在使用中的变形，有利于环组的密封，减小漏气量及机油耗；同时采用偏心圆内腔，减小裙部长轴处壁厚，而又拥有足够的刚度。但这将导致活塞重量增加，因此将活塞总长减短至155 mm，且内腔销座采用斜销座结构，以减轻重量。

（2）外型：销孔方向采用铸造“面窗”，作为回油通道，并减重。

图3 曲轴改进设计

（3）裙部外型面：由于销孔方向已采用铸造“面窗”，有通畅的回油通道；裙部型面采用特殊的中凸椭圆结构，以改善裙部的导向性和承载能力。

（4）销孔：采用锥度+椭圆的结构，减小因活塞销变形引起的裙部变形，提高销孔的承载能力，并能有效润滑销孔及活塞销。销孔向主推力面偏心0.4 mm，减弱活塞的二阶运动。

（5）环槽：由原4道环槽改为三道环槽，第一环距顶面高度25 mm，增加第一环岸的厚度，以增加环岸的刚度；在第一环岸开卸荷槽，以降低漏气量和机油耗。

（6）活塞头部：取消原有积炭槽结构。

改进后活塞的结构见图4。活塞环也作了相应改进设计：（1）第一道气环：采用半镶嵌，偏桶面结构，由镀铬改进为复合镀电镀陶瓷表面处理；（2）第二道气环：采用多元合金铸铁，表面等离子氮化处理，有效地提高了活塞环的耐磨与抗拉缸性能，是活塞环行业目前较高的配置。

图4 改进后活塞

3.3 飞轮壳

飞轮壳油道重新优化，减少外部连接点，消除机油泄漏隐患，如图5所示。

图5 改进后飞轮壳

3.4 机油滤清器和机油冷却器

135柴油机多年来一直使用绕线式或刮片式机油粗滤器与离心式精滤器配套工作的机油滤清器。这种机油滤清器虽然有经久耐用的优点，但粗滤器的滤清效果并不是很好，维护保养花的时间也较多。重新设计滤清器座，采用了以旋装式机油滤清器与离心式机油精滤器配套工作的新型机油滤清器；同时将机油冷却器与机油滤清器集成，进油及泄油位置移到滤清器座内。如图6所示。

3.5 提高机油泵流量

机油泵靠齿轮传动，传动比1.24。原机油泵在发动机正常运转时，机油流量55 L/min。随着功率提高，需要进一步提高机油泵流量，满足需要。对传动系统进行更改，提高速比，加大流量，如图7所示。

图6 机油滤清器座

图7 改进后机油泵

3.6 其它改进措施

（1）重新设计水泵。更改驱动带轮直径；同时通过优化叶轮和传动比的匹配，达到提高扬程，加大流量的目的。

（2）重新设计冷却水管路。适当增大了流通面积以减小流动阻力，同时按整体设计要求进行管路布置。

（3）采用P型喷油泵，提高了喷油泵体的刚度，可以承受较高的喷油压力而不发生变形，以适应柴油机不断向大功率、高转速强化的需要。

4 柴油机性能试验

对样机进行性能匹配试验，分别采用5× φ0.32和6×φ0.29两种喷油器，爆发压力控制在13.5 MPa以内，最终经过对比，结合油耗、爆发压力、排温等决定采用5×φ0.32喷油器。如图8、9、10所示。

在此基础上，按GB/T1105规定的一般性试验要求项目进行了台架性能试验；负荷特性试验及压气机曲线图见图11和12。可见该柴油机在标定功率的50%～110%的范围内，燃油消耗率均在220g/ (kW·h)以下，最低燃油消耗率为207.1 g/(kW·h)，具有很好的使用经济性。

5 柴油机热平衡试验

图8 燃油消耗率

图9 爆发压力

图10 排气温度

近20来，随着计算机与计算技术的快速发展，对动力装置热平衡的仿真模拟计算研究越来越多。但是，试验研究仍然有着其不可取代的地位，主要表现在以下两方面：

图11 负荷特性试验曲线

图12 压气机特性曲线图

（1）热平衡试验研究为发动机的性能提供精确数据；测量是对试验对象性质的真实反映。随着传感器精度的提高、计算机技术的飞速发展、现代先进测试技术的广泛应用，测试精度、速度、可靠性等已经不再是试验研究的瓶颈。试验研究不仅能够提供热平衡图，从中找出提高发动机性能的改进方向，而且可以提供所需要的发动机不同工况点下的数据。目前，发动机普遍采用强化技术，与以前的发动机相比，其燃烧过程与冷却系统都发生了许多变化，结构更加复杂，工作状况更加恶劣，旧的数据已经不适用于新型发动机。对于新型发动机的设计与改进来说，基础数据的获得迫在眉睫。

（2）热平衡试验研究为仿真模拟提供必须的验证依据。热平衡仿真模拟计算是用数学模型描述热量的分配状况。它依赖于缸内工作过程、燃烧室部件传热模型的仿真、发动机进、排气管的流动与传热、冷却与润滑系的流动与传热仿真研究以及散热器的传热仿真研究。到目前为止，国际上有关动力装置热平衡的仿真模拟研究所用的模型还过于简化，这些模型与实际情况差距较大。需要由试验研究对其模型的可靠性提供必需的验证依据[3]。

6135AZLD柴油机热平衡试验数据记录见表2，以下所有的计算均基于表2中的实测值。

对于增压中冷发动机，进入发动机的燃油燃烧产生的总热量Q总的去向分布：（1）转化成为有效功的热量Qe；（2）排气排出的热量Q排气；（3）冷却液带走的热量Q冷却液；（4）进气中冷带走的热量Q中冷；（5）残余热量Q残余。发动机热平衡方程式[4]：

表2 6135AZLD柴油机热平衡试验记录

其中Hu为燃料低热值，取42780 kJ/kg。

其中，G排气＝G进气＋Gb＝1068.8 kg/h，Cp排气为排气比定压热容，取1.099 kJ/(kg·℃)；

其中，Cp冷却液为冷却液比定压热容，由于试验时冷却液为水，故取值4.1868 kJ/(kg·℃)。

其中，Cp进气为进气比定压热容，取1 kJ/ (kg·℃)；

图13为6135AZLD电站柴油机单机热平衡试验安装示意图。通过上述试验数据和计算结果，可以得出6135AZLD电站柴油机热量分配图，如图14所示。将发动机的燃油燃烧产生的总热量Q总作为100%，则转化成为有效功的热量Qe占38.99%，排气排出的热量Q排气占27.29%，冷却液带走的热量Q冷却液占21.27%，进气中冷带走的热量Q中冷占1.86%，残余热量Q残余占10.59%。

在本试验中，发动机带风扇、水空中冷器、散热器，风扇消耗功率计入发动机的余热。此外本试验使用的散热器性能基本满足发动机在40℃环境温度下性能要求。

样机交于扬州奥克发电设备有限公司，用于配套180kW发电机组。实际使用情况表明：该机运行稳定、工作可靠。

图136135 AZLD柴油机热平衡试验安装示意图

图146135 AZLD电站柴油机热量分配图

6 结论

6135AZLD发电用柴油机达到了预定的各项设计要求，是一个具有个性化的135系列柴油机升级型新产品。实践证明，老产品通过设计改进，注入新的技术，同样可以再现活力，延续其生命力。

1茅继庆编著.135系列柴油机设计经验及第二代设想[R].上海柴油机厂，1975.

2杨连生编著.内燃机设计[M].北京：中国农业出版社，1981.

3白敏丽，沈胜强，陈家骅等.内燃机传热全仿真模拟研究进展综述[J].内燃机学报，2000，18（1）：96-99.

4沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

Improvement of Design and Structure of 6135AZLD Diesel Engine

Wei Lai,Chu Chaomei
（University Of Shanghai For Science And Technology,Shanghai 20093,China）

The s tructure design improvement and performance development of 6135 series diesel engine is introduced.Structure design improvement was carried out on the crankshaft,piston,oil filter system and cooling system.In addition,matching of the fuel system and supercharging system was optimized. The result shows that the improvement and optimization have enabled the engine performance to meet the development requirements.

diesel engine,generator set,structure,power,test

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.006

来稿日期：2013-06-15

魏来（1981-），男，工程师，主要研究方向为发动机性能匹配。