在我国石油资源严重依赖进口以及全球节能减排的双重压力背景之下,提高石油开采效率,降低石油开采成本势在必行。油田热洗车对于油田开发的效率和成本有着非常重要的影响,在现有油田热洗车车载锅炉结构笨重,燃烧效率低,排放污染严重的背景下,引入一种内燃式蒸汽发生装置。由于内燃机燃烧具有高效清洁的特点,对于提高油井的清洗效率,实现热洗车身的轻量化,降低危害物排放,提高热洗车载锅炉的燃烧效率和经济性,是一条可行之路,值得思考尝试。内燃式蒸汽发生装置是利用热洗车自身的发动机作为热源取代外置的燃烧锅炉的一种车载的内燃式蒸汽发生装置,从节能减排国家重大需求、减少企业制造成本、大幅缩减产品结构尺寸及系统复杂等方面考虑,内燃式蒸汽发生装置的应用具有重要的现实意义。本文基于校企合作的内燃式蒸汽发生装置专利项目,通过对新型车载锅炉内燃式蒸汽发生装置中的关键部件——轴功热转化利用单元进行机械结构参数计算以及性能仿真研究,确定并优化了液力致热器的相关参数。制定了合适的控制策略,实现对液力致热器的功率控制。确定并验证了板式换热器的相关参数,研究了轴功热转化利用单元的热循环过程。以下为主要工作内容:1.依据液力耦合器的设计分析原理,对液力致热器进行分析设计。设计了液力致热器的机械结构,确定了相关结构参数,初步确定循环圆直径为386mm,动轮叶片数为29,定轮叶片数为27,动轮定轮叶片均为弯叶片,径向倾角为35°。然后根据轴功热转化利用单元工质的热负荷要求,通过计算确定了换热面积为11.5m~2的板式换热器,并确定了板式换热器的相关参数。2.为了优化液力致热器的力矩性能和致热性能,对液力致热器的内部流场进行了CFD仿真计算,研究了叶片参数对液力致热器力矩性能和致热性能的影响。液力致热器的力矩性能和致热性能随叶片倾角的增大和叶片数目的增加而提高,在叶片倾角为45°,动定轮叶片数目为33-31时,液力致热器有最佳的力矩性能和致热性能。在该叶片参数下,当动轮转速为2500r/min时,有最大力矩4034.88Nm,最大力矩系数1.3477*10-4,最大湍流动能97.92m/s~2。在该叶片参数的基础上,研究了不同充液率对液力致热器力矩的影响,得到了致热器的力矩特性,研究发现液力致热器内部流体的力矩随充液率的增加而增加。3.为了进一步改善液力致热器与发动机的匹配效率和力矩性能,根据仿真得到的液力致热器力矩特性与发动机的工作特性,进行匹配工作计算分析,利用遗传算法对循环圆直径和工质选择进行优化计算,使二者的匹配区间集中在发动机的高效工作区域。最终确定了液力致热器的循环圆直径为386mm,工作油液选择为46号液压油,密度为890 kg/m~3。4.为研究液力致热器与发动机的匹配工作情况,利用推导得到的液力致热器的数学模型,在SIMULINK中搭建了仿真模型,进行了液力致热器与发动机额定功率匹配的联合仿真,仿真结果为在发动机额定功率,液力致热器全充液的情况下,液力致热器的最大致热功率为240k W,此时的转速为1600r/min,转矩为1432.5Nm。为了控制液力致热器的力矩以得到期望的致热功率,建立了以目标功率为输入,以充液量调整为输出的模糊控制规则,制定了四级功率误差论域,控制效果好于普通模糊控制,有着更短的调控时间和更小的超调量。5.为验证换热器的换热效果是否满足工作条件,在AMESim中搭建了轴功热转化利用单元的热循环模型对油液在流经换热器前后的温差和在稳定循环中工质水流过的换热器获得的温度进行了仿真。仿真结果为,在输入制热功率为240k W时,热液压泵转速分别为1600r/min,1400r/min,1200r/min,油液流经换热器前最高分别为120℃,116℃,109℃,前后温差分别为30℃,35℃,38℃。油液温度适终保持在最佳工作温度区间,证明换热器匹配性良好。6.对内燃式蒸汽发生系统冷却系利用单元、尾气利用单元以及轴功热转化利用单元三部分的能量进行了配平,根据其温度和流量等特点,对于工质生成过程进行匹配,在定工况下和定工质的量下,分别计算了内燃式蒸汽发生装置的转化效率。在发动机额定工况即2000r/min,1204Nm时,内燃式蒸发系统转化效率为86.29%,要高于传统的热洗车车载锅炉的燃烧器的热效率81.5%。