钻机柴油机的动向和190系列柴油机的发展

《柴油机·DieselEngine}2902年第4期 钻机柴油机的动向和190系列 柴油机的发展 万德玉，米合允，郭安东 (济南柴油机股份有限公司，山东济南250063) 关键词：钻机柴油机；动力性；经济性：可靠性 摘要：本文概括介绍了国内外钻机柴油机发展的水平厦动向，比较了国内钻机柴油机与国外钻机柴油机在发展 上的差距．重点介绍了作为国产钻机主要动力的190系列柴油机的发展状况及最新技术在谊机型上的应用． 中圉分类号：TK429文献标识码：A 文章编号：1001—4357(2002)04～0001—04 TrendofDrillingMachineDieselEngineand Developmentof190Series ， WANDe-yu，MIHe-yun，GUOAn—dong Keywords：Dd]ILQgmachinedieselengine；Powerperformance；Economy；Reliability Abstract：ThispaperintroducesbrieflythestatusandtrendofdieselenginespoweringdillingmachinesThedisparity betwenndrillingmachinedieselenginesgrownathomeandatabroadisanalysedhereEmphasisisgiventothedevelop- mentofl90seriesdieselenginesasmarepowerofdrillingmachinesproducedinChina∞wellasadvancedtechnology appliedOnthismodel． 1 前言 钻机柴油机和其他用途柴油机一样，需要满足 不同用户的需要，适应石油工业的发展变化，并符合 节能降耗及保护环境的要求，近年来人们一直在致 力于研究如何进一步提高动力性、可靠性、经济性和 排放性，实现高速化轻量化，并取得了很大的发展， 美国卡特彼勒公司的3500系列柴油机代表了国外钻 机柴油机的先进水平。而作为国产钻机主要动力的 190系列柴油机，围绕着上述几方面，也作了大量研 发工作，并取得了引人注目的成果。 2改进钻机柴油机性能的主要途径 2．1提高动力性 衡量动力性最重要的参数是平均有效压力，它 通过相对比较柴油机单位工作容积、单位转速所发 出有效功率大小，反映动力性能的高低，描述柴 油机强化程度，是体现一个国家柴油机工业综合水 平的重要指标，所以倍受关注。提高平均有效压 力的措施有多种。 2 1 1 提高增压器压比和增压器效率 收稿B期：2002一叭一16 提高增压器压比和增压器效率可以大幅度地提 高平均有效压力。例如，济南柴油机厂的190型柴 油机原使用20GJ增压器，增压比为1．75～1．8，增 压器效率为50％。换用SJl60增压器后，增压比提 高到2～2．1，效率提高到55％，此项改进使平均有 效压力提高了11．3％，柴油机功率由原来的882kW提 高到1000kW，完全满足目前电驱动钻机对动力的需 求。该厂和奥地利AVL研究所共同研制的190型高增 压柴油机，增压器压比达到3．5，综合效率超过60％， 可使平均有效压力提高到1，9MPa，功率比原 Z12V190B柴油机提高了1倍。国外卡特彼勒公司生 产的3512TA柴油机，增压器压比比原来D399柴油机 增压器有了较大的提高，从而使平均有效压力提高 了10％。为了进一步提高动力指标，卡特彼勒公司为 3512B柴油机选用更高压比(压比达到4．o)更高效 率的增压器，使3512B柴油机的平均有效压力较 3512TA柴油机提高25％，达到1．86MPa。 2 1．2提高中冷器冷却效率 降低增压后空气的温度，可以增加充量，提高 扫气效果并降低排温，从而提高柴油机平均有效压 力。所以提高中冷器的效率是改善动力性的有效途 强；；∞||述|{{|综㈣n蚌El， 万方数据 万德玉，米合允，郭安东：钻机柴油机的动向和190系列柴油机的发展 径。如190系列柴油机原先采用的中冷器，中冷 效率仅为72％，后改用圆管铂铜式高效中冷器，中 冷效率提高到92％，此项措施不仅使柴油机功率有 明显提高，而且使排气温度下降了40℃。 2．13 增加油管压力，改善雾化，提高燃烧效率 增加油管压力可以细化喷油油雾，改善油和空 气的混合质量，从而通过提高燃烧效率来实现平均 有效压力的提高。同样以190型高增压柴油机为例， 它采用单体泵，油管压力高达120[／，Pa以上，又如卡 特彼勒公司的3512TA柴油机，采用泵喷嘴，使油管 压力达100Eaa以上，而改进的3512B柴油机进一步 将油管压力提高到150MPa以上，这几种机型的指示 热效率均随着油管压力的增加有明显上升，进而大 大提高了平均有效压力。 2．1．4提高零部件的强度和刚度 随着平均有效压力的提高，柴油机的机械负荷 和热负荷均有增加，为了保证柴油机的可靠性，在 设计3512TA和高增压190型柴油机的钢顶铝裙组合 式油冷活塞、机体横拉螺栓、旋转气阀、机体、缸 盖、连杆等主要零件的过程中，采用先进的设计方 法和先进的结构，使零部件在强度和刚度方面均能 适应提高平均有效压力带来的影响，而有限元计算 和单项应力测量均证实改进后的产品能满足可靠性 要求。 22改善经济性和净化排放 随着节能和环保要求的提高，国内外充分重视 柴油机韵经济性指标和排放指标。柴油机主要的经 济性指标有柴油消耗率和机油消耗率；排放指标主 要有排放微粒、Hc、NOx和co。在80年代190系列 柴油机的上述指标均处于国际同类机型的先进水平， 但由于近十几年来国外发展较快，，国产原机型的经 济和排放指标与国外相比都产生了一定差距。如190 系列柴油机的燃油消耗率为2099／kWh，机油消耗率 为1．69／kWh，烟度为i．5FSN，而国外同类机型 3512TA、604B、)ABl90柴油机的燃油消耗率都已降到 2009／kWh以下，比190系列柴油机低4％～5％，HC、 NOx、CO和烟度的差距就更大了，例如国外3512B柴 油机达到了无烟运行。在降低柴油机的燃油消耗率 和排放方面，～般采取以下措施： a．提高增压器和中冷器的效率。增压中冷是 降低油耗和排放的主要手段，国外大功率柴油机均 已采用增压中冷： 。 b．提高机械效率。如美国的3512TA柴油机活 塞采用三环结构，减小摩擦功，冷却方式为高温 加压冷却，柴油机机械效率较高； c．燃油、燃烧合理匹配，提高燃烧效率。使 气道的进气涡流和燃烧室合理匹配，有的采用变涡 流技术，加上高压喷射，可让柴油机的燃烧效率达 到较高的水平。如道依茨一曼海姆公司的620系列 柴油机，燃油消耗率低达1949／kWh； d．采用高压喷射或电控喷射。如3512TA柴油 机采用机械式泵喷嘴。近年来发展的3512B型柴油 机，采用的是电喷式泵喷嘴，使油耗得咀降低．实 现低排放无烟运行。而MTU4000系列柴油机采用高 压共轨式电控喷射，使全工况的经济性和排放性都 得到明显改善。 由于原190系列柴油机未采用以上新技术，所 以指标有些落后，但和奥地利AVL研究所合作研制 的高增压H12V190Z型柴油机，由于采用了单体泵、 高效增压器、中冷器和匹配合理的低惯性喷油嘴， 提高了爆发压力，使燃油消耗率降至lJ2009／kWh以下． 排气烟度降到IFSN以下，各项排放达到欧II 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 2．3提高可靠性 可靠性指标主要指柴油机的使用可靠性和使用 寿命。国产柴油机与国外柴油机相比还存在着明显 差距：国外的3512TA型和620型等柴油机的大修期 均在25000h以上，工作时故障极少，甚至可以无人 值书而国产190系列柴油机的可靠性虽然比国产同 类其它机型好一些，但其大修期也只有18000h，运 转中经常有小故障出现，还做不到无人值守。 无论国内还是国外，目前对可靠性都比较重 视，多从以下几方面入手： a．广泛采用新材料、新工艺、新结构。如缸套 采用激光淬火、表面氮化进行处理，选用三元合金 轴承、陶瓷材料，设计气门旋转机构等； b．采用可靠性设计和故障诊断技术； c．主要零件进行有限元计算，使其结构更加合 理、可靠； d．进行单项测试试验。如应力场、温度场、光 弹试验和疲劳试验，使整机在组装之前就确保了零部 件的强度达到要求。 上述几个方面国内外存在着较大差距。国内基 本还停留在经验设计阶段，未能采用先进的设计和 试验 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 方法，工艺手段、质量控制和工艺管理也欠 完善，造成产品在可靠性方面存在明显的不足。 万方数据 万德玉．米合允，郭安东：钻机柴油机的动向和190系列柴油机的发展 2．4提高外观质量 外观质量主要表现在国产柴油机的油漆和密封 性能，和国外同类柴油机相比差距较大。造成国产 机密封性能差的主要原因有： a．结构不尽合理。如管路接头、法兰结合 面、油封等密封件的设计欠完善； b． 刚度不够。如机体、法兰、壳体等铸件刚 度较差； c．密封材料质量差。如国产橡胶件、密封胶 往往达不到技术要求： d．加工精度差。特别是管路加工精度和装配 精度较低。 2．5柴油机高速化轻型化 随着浅井钻机的轻量化、小型化、搬迁快速化， 及遁井机、修井机、压裂车等各种石油采钻设备对 动力的需要，国外发展了一些轻型、高速、中小功 率的柴油机，如美国卡特彼勒公司的3400系列，康 明斯N系列，美国泼金斯的2000系列，德国道依茨 一曼海姆公司的616系列，瑞典的沃尔沃，MTU和DDC 公司的2000系列柴油机等。这些机型的转速均在1500 ～2400r／min之间，平均有效压力在1．4～1．7MPa， 功率在200～500kW。多用在2000m车装钻机、压裂 车、修井机、通井机、井场柴油发电机组等方面。 3 190系列柴油机的发展 针对190系列柴油机和国外柴油机的差距，根 据国内外柴油机的发展动向，近年来对190系列柴 油机作了很多改进和发展。 3．1 2000系列柴油机 该机是在舰用z12V190BJC柴油机、 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 用 Z12V190BG3柴油机和电动钻机用G12V190Z，D柴油机 基础上发展起来的系列柴油机，平均有效压力比原 Z12V190B型柴油机增大了11．3％。12缸柴油机的主 要指标为1500r／min、1000kW：1300r／Ⅲin、870kW： 1200r／min、810kW；1000r／min、600kW，燃油消耗 率2089／kWh。调速率O～5％可调。8缸柴油机的主 要指标为1500rimin、600kW；1300r／min、520kW； 1200r／min、470kW；1000r／min、400kW。结构上主 要有以下改进： a．用中新合资公司生产的高效(效率提高了 5％)、高压比(压比提高了20％)、大流量(流量提高 了2096)SJl60增压器，代替了原20GJ增压器，提 高了性能和可靠性； b．用按德国GEA公司技术生产的圆管式高效中 冷器，代替原扁管式中冷器，散热效率由原73％提 高到92％，满足了空气质量流量增加对中冷器的要 求，使柴油机性能及中冷器可靠性得到保证； C．机油泵由原装于油底壳内的两个并联泵改为 装于油底壳前端的一个大机油泵，并配以自动调压 阀，该泵流量比原两个油泵总流量提高14％，既可保 证油压，又便于维修，还有自动调压的功能； d．缸盖镶耐热合金气门座，以适应气门及气 门座因热负荷增加而磨损变大的倾向，起到延长寿 命，提高可靠性的作用； e．采用集热工参数液晶显示和安全报警(水温、 排温、油温、油压、转速)、自动婷车(超速、油压 低)于一体的并有延伸报警和参数显示功能的监控 仪，以适应远控和安全运行的要求，为提高可靠性 和实现无人值守创造了条件。同时还采用双压力式 油压低自动停车装景，为远程起动创造了条件； f．采用新型密封结构和乐泰密封胶．提高了 密封性，基本上解决了用户反映较大的“三漏”问 题： g．采用预啮合起动马达，既节省了气源，便于 起动，又可保证齿圈工作可靠； h．改用大流量高扬程的闭式离心高温水泵和 低温水泵，代替原来半闭式离心水泵，流量和扬程 均比原泵提高50％，可以适应环境温度高、冷却强度 增加的要求； i．改用大直径高效风扇，风扇直径由1．35m增 加到1．50m，风量增加30％，效率提高15％； j．采用日本技术制造的管带式开窗口的大散热 面积高效散热器，散热面积提高50％，散热效率提高 35％，可以适应散热量增大的要求； k．采用液压式温度调节器，既提高了水温的 调节范围，又减少了人工调节的劳动强度： 1．采用海因茨曼公司的E6V电子调速器或WOOD -WARD公司生产的EG6PC电子调速器，稳定调速率 可在0～5％调节，且动态响应快，满足了电驱动钻 机用发电机组的对供电品质与并车方便的要求。 该机型主要用途： a．2012系列柴油机与YB900液力变矩器、2008 系列柴油机与YB830液力变矩器分别组成柴油机变 矩器机组，用于3000～4500m液力传动机械钻机动 力传动机组，实现柴油机和工作机械自动无级调速 和变扭矩； 一j一 万方数据 万德玉，米台允，郭安东：钻机柴油机的动向和l90系列柴油机的发展 b．2012柴油机与发电机配装成800GF4—2、 800GF41—2N型柴油机发电机组，用作50Hz、600V 电动钻机主动力。前者配美国Magnetek公司发电 机，后者配西门子发电机； c．G12V190Z，一1(2012B)柴油机可作为卡特彼勒 公司D399柴油机替代动力，因使用WOODWARD公司 的EG6PC电子调速器，所以原钻机的SCR控制系统 不需要变化： d．G12V190ZCl(2012B)柴油机与发电机配装成 630GF一2型柴油发电机组可作为60Hz、400V电动机 动力和顶驱动力； e．G12V190ZL-3(2012A)、G12V190ZL-I(2012B) 这两种型号柴油机由于装机械调速器，可作为传动 方式不同的3000m以上平原和高原机械钻机动力。 3．2 H12V190Z高增压柴油机 该机按当今国际先进水平设计，转速1500r／ min，功率1740kW。平均有效压力1．9MPa，设计燃 油消耗率2009／kWh(实测1989／kWh)。设计烟度1～ 2FSN(实测0．21FSN)，大修期25000h。 H12V190Z型高增压柴油机的主要结构特点： a．缸径190mm，行程加大至215mm。燃烧更 加充分，热效率更高； b．高增压比。采用高压比、大流量轴流式增压 器，压比由旧机型的1．8提高到3．5。合理的增压匹 配为提高动力性和经济性奠定了基础； c．采用具有高喷射压力的单体泵一喷油器系 统，燃油喷射压力由原Z12V190B的45MPa提高到 120MPa，这是促进空气一燃料均匀混合，充分快速 燃烧，得到优良经济指标和动力指标的关键； d．采用钢顶铝裙组合式活塞，同时对活塞顶部 采取喷油冷却等措施，提高了活塞的耐热能力： e．机体增加主轴承横拉螺栓，优化布置加强 筋，提高了机体强度和刚度； f．气缸盖高度增加，改进了水套的支撑结构， 合理设计了进、排气道，使结构不仅满足高强度工 作负荷的要求，而且可得到优良的进、排气质量； g．曲轴按英国船级社劳氏规范设计，曲轴的弯 曲和扭振疲劳强度明显增加： h．曲面薄壁结构的主轴瓦具有高承压能力； i．一些关键零部件从国外进口。 该机可作为原190系列柴油机的换代产品。除 满足石油钻探外，还可满足大型舰船、内燃机车、 固定发电等对动力的需要。 为满足石油钻探方面的不同需要，可采用如下 的替代 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ： a．用新的6缸和8缸柴油机代替现有的12缸柴 油机； b．用1000r／min的柴油机代替现有的1500r／ min柴油机； c．能提供1740kW柴油机，满足深井钻机、沙 漠钻机和海洋钻机对动力的要求。 33 3000系列柴油机 3000系列柴油机是在新190柴油机的基础上， 吸收借鉴国外柴油机先进结构与技术而开发的。其 动力性、经济性比原产品均有大幅度提高。该机 主要指标为1500r／min、950kW(8缸)，1200kW(12 缸)，平均有效压力1．31MPa。燃油消耗率为2059／ kwh。3000系列柴油机结构特点如下： a．高效增压器。高压比、大流量，压气机效 率达80％以上# b．高压喷射技术。使用单体喷油泵，最高喷 射压力达120MPa以上； C．油冷活塞。活塞采用喷油冷却，第一道环 槽镶奥氏体圈。裙部为中凸椭圆结构，改善了活 塞的工作稳定性、提高了耐磨性和耐热能力： d．高效油冷器。采用GEA技术的板翅式油冷 器，可靠性好，换热效率高，在保证合理、正 常的机油温度下，减少了体积、重量，由于采用 片式结构，可单片拆洗： e．高效中冷器。采用GEA技术制造，可靠性 好，冷却效率可达92％以上； f．液压调速器或电子调速器： g．齐全可靠的自动停车保护装置。柴油机具 有油压低、超速、水温高报警及自动停车功能， 停车机构分断燃油和断空气两种，基本满足无人值 守的要求： h．进口预啮合式气起动马达。该马达为旋流 式，运转时噪声小，可省去马达排气消声器。马 达本身体积较小，整个起动系统十分紧凑； J．重要零件可靠性高。柴油机机体、缸盖、 曲轴、连杆结构均和高增压机相近，设计先进而可 靠。机体采用了横拉螺栓，从而大大提高了机体的 刚度和强度，曲轴采用优质合金钢锻成，并经氮化 处理，疲劳强度和扭振经计算 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，被证明非常安 (下转第26页) ——d—— 万方数据 庞华廷，洪德利，王广字，宁风春，刘文军：CY6102BZQ完善提高型柴油机排放控制研究 气中主要含有cO。，其热容量LhN。和o，高出25％，所以 同样的热量释放，气体温升减小；又由于燃烧室中 氧气含量降低，使燃烧速度减弱、燃烧气体最高温 度降低，所以可减少N0x的形成； e． 废气后处理。采用颗粒物捕集系统，捕集 并定时焚化不溶性颗粒物，从而降低PM排放。 参考文献 [1]顾宏中．涡轮增压柴油机性能研究[M]．上海：上海交通 大学出版社，1998．4 [2]邓东密等．柴油机喷油系统[M]．北京：机械工业出版 (上接第4页) 用，其主要参数如下： 全可靠，该曲轴轴系还具有自由端输出100％标定 缸数4、6、8、12 功率的功能； 转数，r／mii3 1000、1200、1300、1500 k．四点支撑安装。安装简单可靠，适合不同 平均有效压力，MPaI．0、1．13、1．36、1．9 用户需要。 功率，kw 220～1740 该机作为2000系列柴油机和H12V190Z高增压燃料 柴油、天然气、煤气、沼气 柴油机的中间产品，对满足目前深井钻机、1000kW 用途 石油钻探、固定发电、内 柴油发电机组和舰船对动方的需要起着重要作用。 燃机车、舰船、工程机械 4 结谛． 由此可见，190系列柴油机目前已发展成指标 接近国际水平，系列比较完整的产品，可为不同 济南柴油机厂和奥地利AvL研究所联合设计寸 用户提供不同机型，满足各种用途对动力的需求。 发的190系列柴油机作为钻机主动力已得到广泛应 (上接第15页) 的润滑系统也从发动机自由端导入。 5结束语 以上主要介绍了RK280型柴油机的技术规格、设 计特点和主要系统及零部件的结构特点。由此可以看 出，RK280型柴油机与MTU8000系列机型一样，当属世 界先进水平的中高速柴油机。 RK280型柴油机具有结构紧凑、比功率高、油耗低 和寿命长的特点。因此，它特别适合作为主机，用于对 可靠性、空间及重量等方面要求高的高速渡船和军 用舰艇，也可用于常规船舶及军用舰艇的柴油机电 力推进装置。此外，由于该机采用了电控喷油系统 和功率体积比大，以其作动力可使船舶的操纵适应 性加强。因此．RK280型柴油机还特别适用于石油钻 井平台。 总之，RK280型柴油机与MTU8000系列机一 样，其先进的设计思路、设计特点以及多用途等方面 都可作为我国柴油机研制过程中的借鉴。 (上接第20页) 5结论 a．8LA250Z一1型柴油机进排气系统和增压器匹 配的设计是成功的。试验结果表明。柴油机全工况 范围内都达到了预期的性能指标； b．8LA250Z一1型柴油机工作过程和增压器匹配 计算得到了试验的验证，对进排气系统的设计和增 压器的匹配起到了指导作用： c．柴油机增压度的提蒿往往带来了柴油机低工 况过量空气系数不足和燃烧恶化的问题，对于8缸 柴油机更为明显。在8I：A250Z-1型柴油机进排气系 统设计和增压器匹配中，注意兼顾柴油机高低工况 性能，较好地解决了低工况性能问题。 参考文献 [t]王新权等．考虑扩压段的简单脉冲转换器边界条件处理 的方法[J]．内燃机工程，2000(3)，8I～85 [2]刘永长．内燃机原理[M]．华中理工大学出版社，1992 [3]蒋克生．柴油机现代增压配合技术[R]．华中理工大学讲 义，1982 [4]《柴油机设计手册》编辑委员会柴油机手册(中册) [M]．中国农业机械出版社，1984 26— 万方数据 钻机柴油机的动向和190系列柴油机的发展 作者： 万德玉， 米合允， 郭安东 作者单位： 济南柴油机股份有限公司,山东济南,250063 刊名： 柴油机 英文刊名： DIESEL ENGINE 年，卷(期)： 2002(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cyj200204001.aspx