CC BY
109
УДК 621.431.74.016.4.001.57:536.24
Зеббар Джаллел
Астраханский государственный технический университет (Алжирская Народная Демократическая Республика)
МЕТОДОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Развитие современного двигателестроения ведет к дальнейшему форсированию двигателей внутреннего сгорания (ДВС) как по оборотам, так и по среднему эффективному давлению и сопровождается ростом теп-лонапряженности основных деталей, образующих камеру сгорания. При проектировании и доводке современных двигателей необходимо проведение качественных и всесторонних оценок надежности и работоспособности всех систем и деталей двигателя, особенно деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Работа этих деталей протекает при одновременном действии циклически меняющихся тепловых и механических напряжений, химически активной среды, а также статических монтажных и остаточных (технологических) напряжений.
Цилиндровые втулки (ЦВ) судового дизеля работают в сложных условиях при термических и механических нагрузках. Механические нагрузки на ЦВ определяются давлением рабочего газа в камере сгорания, ударными нагрузками поршня о ЦВ в момент изменения направления движения поршня и давлением поршневых колец на ЦВ. Термические нагрузки определяются в основном максимальной температурой сгорания и температурой охлаждающей воды. Периодичность рабочего цикла дизеля вызывает соответствующие гармонические колебания температуры на внутренней поверхности ЦВ. Если температурные напряжения от стационарного теплового потока достигают 200-300 МПа, то температурные колебания вызывают дополнительные напряжения, достигающие 100 МПа. В целом температурные напряжения в ЦВ могут быть больше, чем механические [1, 2].
Следствием высоких термических и механических нагрузок является износ внутренней (рабочей) поверхности ЦВ, который может быть абразивным, коррозионным и эрозионным. Повышенный износ ЦВ приводит к снижению мощности судовой энергетической установки, затрудняет пуск дизеля и отрицательно сказывается на всех технико-экономических показателях. Одним из основных факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики двигателя, является его тепловое состояние. Нарушение режима охлаждения и несоблюдение требований к качеству охлаждающей воды приводит к тяжелым последствием, поэтому актуальное значение имеет повышение долговечности и надежности дизеля, которые определяются в целом по отдельным его деталям, и в первую очередь по работоспособности ЦВ.
Как показывает практика эксплуатации судов, замена цилиндровой втулки из-за внезапного отказа приводит к многочасовому простою судна с соответствующими трудозатратами. Повышение эффективной мощности судовых дизелей приводит к увеличению тепловых потерь с выхлопными газами и в охлаждающую дизель воду. Через цилиндровую втулку судового дизеля в охлаждающую воду отводится до 40 % тепловых потерь от их общего количества. Следовательно, уменьшение тепловых потерь через ЦВ дизеля приведет к повышению экономичности судовой энергетической установки в целом [1, 2].
В связи с этим актуальное значение имеют вопросы, связанные с разработкой точных универсальных методик определения и прогнозирования температурного состояния ЦВ на всех нагрузочных, скоростных и тепловых режимах.
На кафедре «Судовые энергетические установки» Астраханского государственного технического университета разработана методика определения температурного состояния цилиндровых втулок судовых дизелей по данным внешнего теплового баланса с учетом:
- отдельных составляющих теплопередачи: от газов к втулке, через поршень, поршневые кольца и в результате трений тронка поршня и колец на основе экспериментальных данных индицирования цилиндра и термо-метрирования стенок его втулки;
- гидродинамического и теплового смазочного слоя в сопряжении поршневых колец втулки цилиндра;
- геометрического, гидродинамического и теплового подобий в за-рубашечном пространстве.
В ходе исследований были решены следующие задачи:
- проанализированы основные конструкторские и инженерные решения, заложенные в концепции современных дизелей ведущих мировых двигателестроительных фирм MaK, Caterpillar, Wartsilla, SKL; проанализированы наиболее известные зависимости теории теплообмена ДВС [3-5] (рис.1);
ф, рад.
Формула Хохе 1берга
.... Формула Эйхельберга
' Формула Цапфа ' Формула Кавтарадзе
Рис. 1. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, рассчитанный по различным зависимостям
- привлечена и применена хорошо разработанная на сегодняшний день теория теплового и пограничного смазочного слоя в сопряжении кольцо-цилиндровая втулка судового дизеля [6, 7]. В результате была предложена методика определения толщины гидродинамической масляной пленки с учетом механических потерь в ДВС [8] (рис. 2 );
5о = 2 мкм
----- 5о = 2 мкм
' 5о = 2 мкм
” ' 5о = 2 мкм
5о = 2 мкм
Рис. 2. Эквивалентные эпюры плотностей тепловых потоков по высоте
цилиндровой втулки в результате работы трения поршневого кольца при заданной начальной толщине 5 о = 2, 3, 4, 5 и 6 мкм соответственно
- сформулирована и экспериментально проверена расчетноэкспериментальная зависимость суммарной тепловой нагрузки на зеркало цилиндра с учетом отдельных составляющих теплопередачи: от газов ко втулке, через поршень, поршневые кольца и в результате трений тронка поршня и колец на основе экспериментальных материалов индицирования цилиндра и термометрирования стенок его втулки [4, 5] (рис. 3);
- обобщены для других дизелей результаты расчетноэкспериментальных исследований формирования суммарной тепловой нагрузки на зеркало цилиндра с применением теории геометрического, гидродинамического и теплового подобий [9];
- разработан стенд на базе среднеоборотного дизеля №УБ24 (3417,5/24) для апробации предложенной методики определения температурного состояния ЦВ по данным внешнего теплового баланса;
- проведен анализ достоверности и точности разработанной методики путем сопоставления результатов математического моделирования температурных полей с данными экспериментальных исследований;
- исследованы механические потери в двигателе с полной и частичной комплектацией поршня поршневыми кольцами.
6 .1
4.5 .1
И 3 .1
1.5 .10 --
Я тр .к 1
------------ Я тр к 2
Я тр .к 3 Я тр .к 4
^ д тр . к + ^ д к д тр . ю + д ю . п
- д у п ( г)
Рис. 3. Плотности тепловых потоков: общего (яе.п) в результате работы
трения поршневых колец (Ятр.кЬ ?тр.к2, ?тр.к3, ?тр.к4,) И юбки ПорШНЯ (Ятр.ю) и теплопередачи через поршневые кольца (2д.к) и юбку поршня (яюп)
На основании выполненной работы и проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:
1. Анализ конструкций современных дизелей ведущих мировых двигателестроительных компаний показывает, что:
- пакет поршневых колец, состоящий из двух компрессионных и одного маслосъемного кольца, является оптимальным и успешно справляется с задачей по подбору оптимального межкольцевого перепада давления, в результате чего уменьшаются потери на трение;
- необходим переход к локальному принципу охлаждения, т. е. там, где намечаются максимальные значения теплового потока, нужно интенсивно охлаждать, а в тех местах, где более вероятно появление низкотемпературной коррозии, необходимо поддерживать высокий уровень температуры посредством отказа от охлаждения или нанесения термоизолирующего покрытия;
- целесообразно применение схем с двумя контурами охлаждения: высокотемпературным (НТС) и низкотемпературным (ЬТС). Первый контур включает головку цилиндра и цилиндровую втулку. В нем температура воды в системе поддерживается до 95 °С, что способствует хорошему раздроблению, воспламенению и сгоранию топлива. Это очень важно при работе двигателя на тяжелых сорта топлива и на частичных режимах. Такой температурный напор позволяет увеличивать эффективность рекуперативных систем. Для наибольшей эффективности систему еще подключают ко второй ступени системы охлаждения наддувочного воздуха. На тех же частичных режимах часть тепла из смазочной системы регенериру-
г, мм
ется. Второй контур включает первую ступень холодильника наддувочного воздуха и масляный холодильник;
2. Метод электротепловой аналогии показывает, что с увеличением теплоотвода в масло:
- уменьшается количество теплоты, отводимой в систему водяного охлаждения;
- уменьшается количество теплоты, отводимой через первое, второе и третье поршневые кольца;
- уменьшается теплоотвод как через юбку поршня, так и непосредственно от газов в цилиндровую втулку; отмечается обратный приток теплоты от поршневых колец к донышку поршня при прохождении поршня по середине цилиндровой втулки (т. е. там, где значения сил трения максимальные) и отсутствии сгорания в камере сгорания;
- отсутствие лишнего источника тепловой энергии (работы трения) приведет к отсутствию обратного притока теплоты от поршневых колец к донышку поршня [1о].
3. Результаты математического моделирования, полученные на основе электротепловой аналогии, подтверждают предположения о том, что часть теплоты трения колец воспринимается поршнем и по этой причине должна быть учтена в тепловом балансе поршня.
4. Было доказано, что на основании хорошо разработанной на сегодняшний день теории теплового и пограничного смазочного слоя в сопряжении кольцо-цилиндровая втулка судового дизеля вполне можно оценивать механические потери дизеля и то, что толщина гидродинамической масляной пленки на порядок выше высоты неровности на поверхности кольца.
5. Исследования по формированию суммарной тепловой нагрузки на зеркало цилиндра в целом подтверждают результаты ранних работ по определению тепловой нагрузки на цилиндровую втулку и могут служить основой для расчета теплопередачи и теплообмена как со стороны газа, так и со стороны воды [11-13].
6. Анализ результатов моделирования температурных полей цилиндровой втулки указывает на хорошую сходимость (с точностью до 6 % в верхней части и более 3 % в нижней части) экспериментально полученных значений температур в местах заделок термопар с расчетными, причем не только на номинальных тепловом и нагрузочном режимах работы двигателя, но и во всем диапазоне изменения нагрузки как в случае полной комплектации поршня, так и в случае частичной комплектации.
7. Обработка кривых часового расхода топлива, полученных в результате теплобалансовых испытаний на различных тепловых режимах с температурой воды на выходе из двигателя Т/3 равной 7о, 8о и 9о °С, дает следующие соответствующие результаты:
- в случае дизеля с полным набором колец: мощность механических потерь Рт= 6,3; 6; 5,8, кВт; механический КПД: цт = о,7; о,717; о,725;
- в случае дизеля с частичной комплектацией поршня поршневыми кольцами (без 1-го компрессионного и 1-го маслосъемного колец): мощ-
ность механических потерь: Pm = 6,1; 4,98; 4,26 кВт; механический КПД: цт = 0,715; 0,755; 0,783 кВт.
Полученные значения механических потерь и механического КПД подтверждаются результатами аналитического расчета, проделанного под руководством профессора А. Ф. Дорохова по двум различным методикам: Гиттиса (nm = 0,701) и Шабшаевича (nm = 0,713).
Таким образом, можно утверждать, что уменьшением числа поршневых колец в комбинации с высоким тепловым режимом можно достичь увеличения механического КПД на 10 % и более.
8. На основании проведенных исследований в Астраханском государственном техническом университете разработана и внедрена в учебном процессе новая методика по определению температурного состояния ЦВ дизеля по данным внешнего теплового баланса.
Разработанная методика позволит оценивать резервы мощности как у находящихся в эксплуатации дизелей, так и на стадии их проектирования или модернизации с учетом температурного состояния ЦПГ.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Хамзин Р. М. Повышение экономичности и долговечности судовых дизелей путем плазменного покрытия цилиндровых втулок: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Санкт-Петербург, 1997 /http: // ramil.spb.ru/plazma/dis.
2. Хамзин Р. М. Повышение экономичности и долговечности судовых дизелей путем плазменного покрытия цилиндровых втулок: Дис. ... канд. техн. наук. -Санкт-Петербург, 1997 / http: // ramil.spb.ru/plazma/dis.
3. Кавтарадзе Р. З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб. пособие для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.
4. Дорохов А. Ф., Зеббар Дж., Мирзабеков А. М. Расчетно-аналитическое исследование тепловой нагрузки на зеркало цилиндровой втулки судового дизеля. Материалы науч. конф. / Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2002. - C. 286-287.
5. Дорохов А. Ф., Зеббар Дж., Мирзабеков А. М. Расчетно-экспериментальное исследование формирования суммарной тепловой нагрузки на цилиндровую втулку судового дизеля // Двигателестроение. - 2004. - № 4.
6. Петриченко Р. М., Канищев А. Б., Шабанов А. Ю.Трение и теплопередача в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания: Справ. пособие / Под ред. Р. М. Петриченко. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1990.
7. Петриченко Р. М., Квасов Е. Е. Формирование эпюры тепловой нагрузки зеркала цилиндра // Двигателестроение. - 1981. - № 4. - С.16-18.
8. Зеббар Дж. Исследование трения и теплопередачи в сопряжении кольцо-цилиндровая втулка судового дизеля // Ежегодная XVI Междунар. Интернет-конф. молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения / Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. Москва, 2004 /http://www.imash.ru/conf.
9. Зеббар Дж. Обобщение результатов расчетно-экспериментального исследования тепловой нагрузки на цилиндровую втулку судовых дизелей // Вест. АГТУ. - 2004. - № 1(20). - С. 152-155.
10. Устинов А. Н. Исследование поршневых колец дизелей. - Саратов, 1974.
11. Дорохов А. Ф. Разработка методологии, принципов проектирования и модернизации производства судовых малоразмерных дизелей: Дис. ... д-ра техн. наук. - Махачкала, 1997.
12. Дорохов А. Ф. Анализ теплопередачи через стенку цилиндра судового малоразмерного дизеля // Двигателестроение. - 1987. - № 6. - С. 6-7.
13. Дорохов А. Ф., Ханов Ш. М. Анализ тепловых потерь в охлаждающую воду судового вспомогательного дизеля // Экспресс-инфор. Отечественный опыт, конструирование и эксплуатация оборудования / Центр. науч.-исслед. ин-т информ. и техн.-эконом. исслед. по тяжелому и транспортному машиностроению. Сер. 4. ДВС. Вып. 10. - 1986.
Получено 14.02.05
DEFINITION OF THERMAL CONDITIONS FOR THE PARTS OF THE CYLINDER-PISTON GROUP IN SHIP DIESEL ENGINES
Zebbar Jallel
There have been worked out experiment-calculated methods of determining temperature state of cylinder bushings of the marine internal-combustion engines concerning the data of external heat balance. There were used results of experimental research of formation of the total thermal load on the cylinder bushing glass.
The results were obtained on the base of experimental materials of indicating the cylinder and getting temperature survey of bushing sides. Also there were used experimental data of thermobalance, theory of geometrical, hydrodynamic and thermal similarity; theory of heat exchange in jacket of the internal combustion engine with fluid cooling, and mathematical apparatus for modeling temperature fields.
These methods will help to estimate power reserve of the diesel engines in operation as well as at the stage of their projecting or modernization regarding the temperature state of cylinder-piston group.
