Анализ теплонапряженности судовых дизелей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

¡Выпуск 4

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА

УДК 621.436.038.6 Л. В. Тузов,

д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;

В. И. Брежнев,

аспирант,

СПбГГУ

АНАЛИЗ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

ANALYSIS OF THERMAL STRESS DIESEL ENGINES

Основываясь на понятии «теплонапряженность», которая предполагает рассмотрение работоспособности и надежности дизелей.

Based on the concept of “calorific”, which involves the consideration of efficiency and reliability of diesel engines.

Ключевые слова: теплонапряженность, теплонапряженность дизелей, дизель.

Key words: calorific, calorific diesel engines, diesel.

АМО представление о содержании термина «теплонапряженность» неоднозначно, отличаясь у разных авторов (учебников, монографий, статей) столь значительно, что по существу одним термином обозначаются различные по своим физическим и количественным характеристикам явления и воздействия, влияющие на работоспособность и надежность дизеля.

Так, например, проф. В. А. Ваншейдт [1] под теплонапряженностью рабочего цилиндра понимает «количество тепла, переходящее в час через 1 м2 охлаждаемых поверхностей стенок: £ = — Ккал/м2 ч, то есть средний удельный тепловой поток. Далее там же указывается: «Критерием теплонапряженности рабочего цилиндра, помимо количества тепла, переходящего через единицу поверхности стенки, может служить осредненная температура внутренней поверхности стенок, которая является одним из основных факторов, определяющих работоспособность цилиндровой втулки». Также формулируется понятие теплонапряженности применительно к поршню, другим деталям и дизелю в целом.

Из тех же предпосылок исходит и проф. А. К. Костин, принимая за критерий теплонапряжен-ности, как и В. А. Ваншейдт, средний удельный тепловой поток через стенки деталей и среднюю температуру поверхности стенки [2]. Основываясь на таких представлениях, выведена известная формула для оценки теплонапряженности поршня и всего двигателя, являющаяся в сущности модификацией зависимости осредненного теплового потока от параметров эффективности и экономичности:

л,

V pk

где Ь — 1,78 для двухтактного дизеля

и Ь — 1,0 для четырехтактного дизеля; D — диаметр цилиндра, дм;

T0 — 293 °K;

C — средняя скорость поршня, м/с;

£в — удельный расход топлива, кг/м2;

Рв — ср. эфф. давление кг/см2;

Pk, Tk — давление и температура воздуха перед впускными органами.

В учебнике по теории двигателей интерпретация теплонапряженности: «Теплонапряжен-ность деталей двигателя зависит от величины теплового потока через единицу площади поверхности или сечения детали, ее температуры, температурного градиента в стенках и температуры поверхностей трения. Каждый из указанных параметров в отдаленности не отражает теплонапряженности детали», и далее: «Средняя температура поверхности камеры сгорания, подсчитанная по эмпирическим зависимостям теплообмена от газов к стенке, не характеризует истинной температуры, вызывающей тепловые напряжения в детали. В действительности деталь разрушается под действием температурных напряжений, вызванных местным ее перегревом». Нельзя не согласиться с оправданностью приведенных в [3] соображений, которые вместе с тем отрицают возможность использования понятий теплонапряженности, введенных в [1, 2].

Очевидно, что при введении какого-либо понятия желательно возможно определеннее установить его содержание, сущность и пределы использования. В противном случае при упоминании одного и того же названия термина «теплонапряженность» в действительности имеют в виду разное и часто взаимоисключающее их содержание. Терминологическая неразбериха применительно к оценке напряженности имеет принципиальное значение, так как связана с неизбежностью однозначности подхода при рассмотрении работоспособности и надежности дизелей. Все это обусловливает необходимость оговорить содержание таких понятий, как «нагрузка» и «напряженность», в том числе и «теплонапряженность».

Под нагрузкой двигателя понимается величина крутящего момента или эквивалентная величина среднего эффективного давления. Нагрузка является одним из показателей режима работы двигателя. Тепловое состояние двигателя и его деталей характеризуется уровнем температур. Локальные, а не средние температуры деталей определяют температурное состояние детали и величину предела прочности материала, из которого она изготовлена. Общая напряженность двигателя, как интегральный критерий сравнительной оценки работоспособности двигателя, охватывает совокупное влияние теплонапряженности и механических напряжений.

Изыскание такого всеобъемлющего критерия — задача чрезвычайно сложная, до сих пор еще не решенная. Практически прибегают к упрощениям и использованию показателей, которые с различной степенью приближения отражают реальные условия работы деталей двигателя. Непосредственное измерение температур и температурных напряжений во время эксплуатации двигателя доступно лишь в условиях специальных исследовательских лабораторий. Но и эти измерения дают осредненные показатели на определенных установившихся режимах работы. Вместе с тем периодический характер рабочего процесса предопределяет пульсирующее воздействие механических нагрузок и тепловых потоков на стенки цилиндра, поршень и другие детали. Сами детали отличаются сложностью конструктивных форм, подвергаются различному по интенсивности воздействию тепловых потоков, что приводит к неравномерному распределению температур и напряжений в различных участках. Процесс теплопередачи усложняется воздействием теплопроводности, конвективного и лучистого теплообмена. Все это создает дополнительные трудности непосредственного определения теплонапряженности, показатели которой могут быть оценены с некоторыми приближениями при существенном упрощении действительной картины теплопередачи.

Расчеты всех основных деталей двигателя на прочность, как и сравнительная оценка напряженности различных двигателей, производятся применительно к установившимся режимам работы без учета циклических колебаний температуры, давления, крутящего момента и частоты вращения вала.

Строго говоря, двигатель никогда не работает в стационарном режиме. Чаще речь идет об установившемся или стационарном режимах, имеется в виду сохранение постоянства амплитуд показателей, изменение которых обусловлено импульсным характером рабочего процесса поршневого двигателя. Динамические напряжения, возникающие при периодическом изменении величин

Выпуск 4

¡Выпуск 4

усилий, могут явиться причиной перенапряжений деталей и появления усталостных деформаций. Все это указывает на необходимость учета влияния периодического изменения крутящего момента, давления и температур при оценке напряженности двигателя. В еще большей мере влияет на напряженность работа двигателя на неустановившихся и переходных режимах. Так, например, после пуска двигателя отмечается интенсивный рост сжимающих напряжений в головке поршня, затем при изменении нагрузки соответственно изменяются и напряжения. Колебание сжимающих и растягивающих напряжений могут явиться причиной появления трещин и даже разрушений наиболее напряженных участков деталей двигателя.

Характерные нестационарные условия работы судового двигателя возникают в штормовых условиях, при частых изменениях режимов работы, остановках и пусках, что является нормой для работы дизелей 12ЧН 18/20 на кораблях с подводными крыльями. После остановки с последующим пуском двигателя в течение некоторого времени сохраняется знакопеременный характер изменения напряжений, в широких пределах изменяется температура выпускных газов, температура поршня и втулки цилиндра. После перехода на установившийся режим параметры рабочего процесса сравнительно быстро стабилизируются, но в течение некоторого времени продолжают действовать переменные по величине и направлению напряжения. Чем резче переход от одного режима к другому, тем больше амплитуда колебаний температур и температурных напряжений. Колебательный характер изменения режимов работы, периодический процесс перехода от одного неустановившегося режима к другому, вызывая непрерывную нестационарность, создает условия повышенной напряженности в пределах допустимой нагрузки двигателя.

Экспериментальные исследования показывают, что на неустановившихся режимах величина тепловых потоков через днище поршня может превышать в 2,5 и более раз значения, зарегистрированные на установившемся режиме. Аналогично изменяются температурные напряжения днища поршня.

При рассмотрении причин поломок и повреждений, равно как и при анализе теплонапря-женности деталей с целью оценки их надежности, недостаточно учитывать величины нагрузки, температур и температурных напряжений на установившемся режиме. Следует принимать во внимание также влияние нестационарности режимов, особенности использования двигателя в характерных условиях данной энергетической установки, обусловливающих определенный ритм и частоту изменения режимов работы, а следовательно, и определенную интенсивность воздействия нестационарности.

Разумеется, что реальные возможности учета нестационарности затруднительны не только вследствие недостаточной изученности воздействия нестационарного ™ на весь комплекс факторов, влияющих на надежность, отсутствия необходимых количественных взаимозависимостей, но также из-за многообразия проявлений нестационарности применительно к различным дизельным установкам.

Как уже указывалось выше, теплонапряженность является комплексным показателем, величину которого нельзя оценить однозначной величиной. Очевидно, что попытку количественно сопоставить уровни теплонапряженности различных деталей двигателя или разных двигателей каким-либо одним параметром нельзя признать правомерной.

При оценке теплонапряженности деталей следует учитывать уровни температур, температурных напряжений, условия работы, качество материала, особенности взаимодействия с другими элементами двигателя, условия охлаждения, смазки и т. д. Поэтому необходимо индивидуально подходить к учету всех перечисленных обстоятельств каждой рассматриваемой детали данного дизеля в конкретных эксплуатационных условиях.

В П/О «Звезда» проводились весьма ограниченные экспериментальные исследования тепло-напряженности двигателей 12ЧН 18/20. Ограниченность экспериментов связана с тем, что, во-первых, исследованию подверглись не все многочисленные модификации дизелей 12ЧН 18/20, представляющие весьма широкий спектр двигателей различной форсировки, отличающиеся по мощности, частоте вращения, применяемой схеме и степени наддува, конструктивным особенностям,

назначению и условиям эксплуатации. Во-вторых, исследование теплонапряженности ограничивалось регистрацией температурных полей. Поэтому с учетом полученных данных исследования можно лишь в первом приближении судить о тепловых условиях работы деталей двигателя и их теплонапряженности.

Наиболее напряженными в тепловом отношении являются детали цилиндропоршневой группы. Уровень максимальных температур детали характеризует условия работы материала, из которого изготовлена деталь, и предел прочности. Для алюминиевых сплавов, для которых изготовлены поршни дизелей 12ЧН 18/20, допустимые максимальные температуры, обеспечивающие длительную работу, находятся в пределах 350-400 °С. Максимальная температура отмечается в центральной части головки поршня и для разных модификаций двигателя составляет 250-350 °С.

Таким образом, следует считать, что максимальная температура поршня не превышает рекомендуемых пределов. Но о работе поршня следует судить не только по максимальной и тем более не по средней температуре поверхности поршня, а прежде всего по температуре в зоне верхнего поршневого кольца. Если в районе канавки верхнего кольца температура превышает 220-240 °С, то при продолжительной работе двигателя создаются благоприятные условия для интенсивной полимеризации смазочного масла, пригорания кольца, повышенного прорыва газов в картер, перегрева нижних участков поршня, что может вызвать задиры поршня и гильзы цилиндра.

К таким же последствиям приводит интенсивное нагарообразование при повышенных температурах в зоне поршневых колец. Накопление нагара вызывает повышение потери на трение, усиление износа боковых поверхностей канавок. Предельно допустимая температура в зоне поршневого кольца зависит от качества смазочного масла и, в частности, от количества и эффективности антинагарных и моющих присадок.

Распределение температур в различных участках поршня дизеля 12ЧН 18/20 по данным исследования показано на рис. 1. На режиме нормальной мощности дизеля 500 кВт при 1500 об/мин температура в зоне канавки верхнего поршневого кольца составляет 195 °С, а максимальная температура поршня при этом не превышает 250 °С.

Рис. 1. Зависимость температуры t (°С) поршня двигателя 12ЧН 18/20 от нагрузки N (кВт) ц = 1500 мин

ГэТ

а

б

Выпуск 4

¡Выпуск 4

У дизеля М401 максимальная температура равна 280 °С, а средняя температура в зоне верхней канавки составляет примерно 225 °С (235 °С на верхней кромке и 215 °С на нижней кромке канавки). Схема распределения температур поршня М401 показана на рис. 2. Очевидно, что при перегрузке дизеля, что в условиях работы на кораблях с подводными крыльями случается весьма часто, температура в зоне верхнего поршневого кольца может превысить допустимую величину и вызвать указанные выше последствия. Отмечена характерная закономерность изменения температур деталей двигателей: чем выше температура данного участка на любом из промежуточных режимов работы двигателя, тем больше скорость повышения температуры при увеличении нагрузки. Во время разгона и выхода на крылотеплоходах «Ракета», «Метеор» и «Комета» дизель работает по внешней характеристике с большой перегрузкой. По статистике, в среднем ежедневно отмечается 120 выходов на крыло в день или 21 600 на навигацию. С учетом перегрузки и отмеченной зависимости скорости изменения температуры от нагрузки поршень работает в весьма напряженных условиях, что подтверждается относительно частыми отказами его во время эксплуатации. Так, например, из общего числа отказов прогары поршней и поломка поршневых колец составляют примерно 35 % у дизелей М400 и 20 % — у М401.

Рис. 2. Распределение температур і (°С) поршня М401

Применительно к дизелям 12ЧН 18/20 следует учитывать еще одну характерную особенность, которая может вызвать повышенную теплонапряженность поршня и других деталей. Известно, что между уровнем температур деталей двигателя и температурой выпускных газов отмечается прямая зависимость. Вместе с тем у дизелей 12ЧН 18/20 имеется значительное отклонение температур выпускных газов по отдельным цилиндрам и группам блоков. Так, например, при средней температуре выпускных газов 612 °С по группам цилиндра она составляет: 657 °С в первой группе цилиндров левого блока; 620 °С во второй группе цилиндров левого блока; 608 °С в первой группе цилиндров правого блока; 562° С во второй группе цилиндров правого блока.

Приведенные данные относятся к режиму N = 450 кВт и п = 1500 об/мин. На номинальном режиме расхождение превышает 100 °С. Очевидно, что температура поршня в лимитирующих зонах также отличается в разных цилиндрах и это обстоятельство, безусловно, отрицательно сказывается на надежности дизеля в целом. Уровень температур цилиндровых гильз и головок цилиндра ниже температур поршня. Максимальные величины составляют соответственно 150 и 180 °С.

Следует учитывать, что экспериментально замеренные температуры деталей в стендовых условиях могут отличаться от температур тех же деталей в условиях эксплуатации, когда под воздействием нестационарности, периодических перегрузок, неравномерности распределения нагрузок и прочего фактические температуры и температурные напряжения могут значительно превосходить стендовые значения. Кроме того, полученная экспериментальная температура в одном из цилиндров может существенно отличаться от температур в других цилиндрах, особенно если учесть указанную неравномерность распределения нагрузок и температур выпускных газов дви-

гателей 12ЧН 18/20. Видимо, этим объясняется отличие приведенных на рис. 2 данных о температурах поршня от экспериментально полученного распределения температур на рис. 3, где максимальная температура поршня в центральной части днища составляет не 280, а 370 °С, хотя в зоне канавки верхнего поршневого пальца температура в этом случае не превышает 240 °С.

Рис. 3. Распределение температур і (°С) поршня двигателя 12ЧН 18/20

На рис. 4 приведены зависимости температуры деталей дизеля 12ЧН 18/20 от температуры охлаждающей воды (отличаются от приведенных на рис. 2 и 3). При і = 90 °С температура поршня составляет: в центре днища 265 °С, в районе канавки верхнего кольца 220 °С. Максимальная температура крышки не превышает 180 °С, а температура гильзы цилиндра в районе остановки верхнего поршневого кольца в ВМТ составляет 145 °С.

Выпуск 4

¡Выпуск 4

Приведенные данные по термометрированию двигателей 12ЧН 18/20, полученные в исследовательских лабораториях завода, позволяют лишь весьма приблизительно судить о действительном состоянии теплонапряженности двигателей. Они отличаются неоднородностью полученных результатов и неполнотой информации, необходимой для суждения о степени теплонапряженности деталей разных модификаций двигателей 12ЧН 18/20 в эксплуатационных условиях.

Список литературы

1. Ванштейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / В. А. Ванштейдт. — Л.: Судостроение, 1977. — 392 а

2. ДВС: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учебник втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин [др.]; под ред. А. С. Орлина, М. Г. Бруглова. — М.: Машиностроение, 1983. — 372 ^

3. Брук М. А. Инженерные основы эксплуатации ДВС: учеб. пособие / СЗПИ. — Л., 1976. —

248 с.