Тепловая напряженность судовых дизелей

Понятие тепловой напряженности; параметры, ее определяющие

Детали цилиндропоршневой группы (поршень, втулка, крышка) при работе дизеля находятся под воздействием переменного по времени поля температур. В точке Z цикла температура достигает 1500 — 2000 °С. Воздействие высоких температур определяет тепловую “нагрузку” цилиндра.

Под тепловой нагрузкой имеется в виду количество тепла, передаваемого от газов к охлаждающей среде. Тепловая нагрузка определяется долей тепла Qохл в уравнении теплового баланса:

Qт — Qе + Qгаз + Qохл + Qнб

В качестве параметра тепловой нагрузки обычно используется величина удельного теплового потока:

  • qохл = K ( Tгаз — Tохл ), (№1)
  • где K = 1 / (1 / α1 + δ / λ + 1 / α2) — коэффициент теплопередачи;
  • α1 — коэффициент теплоотдачи от газов к стенке цилиндра;
  • α2 — коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей среде;
  • λ — коэффициент теплопроводности материала стенок цилиндра;
  • δ — толщина стенок цилиндра;
  • Тгаз и Тохл — температура газов и охлаждающей среды.

Тепловая нагрузка цилиндра определяет его тепловую напряженность, которая в большинстве случаев является главной причиной аварийных износов и разрушений деталей ЦПГ, особенно у высокофорсированных двигателей.

Под тепловой напряженностью имеется в виду абсолютная температура на поверхности стенок цилиндропоршневой группы (Тст1, Тст2), а также температурные напряжения из-за неравномерности температуры в различных точках деталей цилиндра. Связь между тепловой нагрузкой и температурой на поверхности деталей устанавливается уравнениями теплоотдачи и теплопроводности:

qохл = α1газ — ТСТ1); (№2)

qохл = λ / δ (ТСТ1 — ТСТ2). (№3)

На установившемся режиме работы двигателя температура в каждой точке поверхности ЦПГ и в толще металла сохраняется практически постоянной, несмотря на циклические изменения температуры газов в цилиндре за цикл и соответственно изменение величины qохд — это объясняется большой тепловой инерционностью металла, благодаря чему температура деталей не следует за изменением температуры газов в цилиндре. Небольшие колебания температуры наблюдаются лишь на самой поверхности стенок камеры сгорания.

Судовой дизельный двигатель

Очевидно, что температура в каждой точке ЦПГ определяется положением этой точки в цилиндре, особенностями конкретного двигателя и режимом его работы. Допустимый уровень температуры в каждой точке зависит от условий работы деталей. К примеру, при работе пары трения: кольцо-цилиндровая втулка, — максимально допустимая температура определяется условиями смазки. Там, где нет пары трения, могут быть допущены большие температуры.

Рассмотрим возможные последствия превышения допустимых уровней тепловой напряженности в деталях цилиндропоршневой группы.

  1. Максимальная температура на поверхности стенок камеры сгорания достигла таких значений, когда возможна пластическая деформация металла. В совокупности с высоким давлением в цилиндре это привело бы в худшем случае к разрушению двигателя; в лучшем случае высокая температура приводит к “выгоранию” металла в наиболее нагретых местах.
  2. Максимальная температура на поверхности стенок ЦПГ не достигла уровня, при ко-тором возможна пластическая деформация или выгорание металла, однако высокие градиенты температур (большая температура у поверхности соприкосновения с газами и низкая — со стороны охлаждения) могут привести к недопустимым тепловым напряжениям. Более нагретые частицы металла у газовой поверхности расширяются и испытывают сжимающие усилия из-за влияния остальной массы металла. Напротив, частицы металла со стороны охлаждения нагружены растягивающими усилиями. Превышение предела прочности металла при термических напряжениях приводит к трещинам материала стенок и выходу цилиндра из строя.
  3. При частых изменениях температурного режима ЦПГ, связанных с маневрами, изменением условий плавания, у высоконагруженных в тепловом отношении двигателей возникает явление “термической усталости”. Термическая усталость определяется накоплением циклов теплосмен и тепловых напряжений. Схематично это явление можно представить следующим образом: при высокой температуре деталей ЦПГ возможна пластическая деформация в поверхностном слое из-за напряжений сжатия; при последующем быстром охлаждении стенки в этом слое появляются растягивающие усилия (материал не успевает “избавиться” от пластической деформации), которые при превышении предела прочности приводят к поверхностным трещинам.
  4. Температура на поверхности втулки в районе действия поршневых колец имеет величину, при которой невозможно создание прочной масляной пленки — масло теряет смазывающие свойства, стекает вниз, окисляется. Это приводит к повышению коэффициента трения и еще большему росту температуры из-за трения, износу колец и втулки, “задирам” поршней и выходу двигателя из строя.
  5. Деформация втулки из-за неравномерного нагрева по высоте и по окружности приводит к нарушению ее геометрии, расцентровке, выбиранию зазора между поршнем и втулкой в некоторых местах, как следствие — к нарушению смазки, аварийным износам и задирам. Аналогичные явления могут происходить при неравномерном нагреве поршня. Такие аварии характерны для двигателей с контурными системами газообмена, имеющими асиметричный нагрев по окружности втулки, особенно в районе выпускных окон.
  6. Повышенная температура поверхности поршня со стороны охлаждения может привести к интенсивному коксообразованию, нарушению режима охлаждения, перегреву и авариям поршня. Такие явления наблюдаются при масляном охлаждении поршней, когда двигатель останавливается с полной нагрузки.

Надежность работы двигателя снижается при повышении температурного уровня других деталей — распылителя форсунки, выпускных клапанов, перемычек между окнами, т.д.

Наиболее объективные данные о тепловом состоянии двигателя в процессе эксплуатации могут быть получены при непосредственных замерах температуры и температурных напряжений в характерных точках. Эти данные обычно получают, преодолевая значительные трудности, в процессе специальных испытаний двигателя на стенде. До последнего времени на серийно выпускаемых двигателях аппаратура для непосредственного замера теплового состояния ЦПГ не устанавливалась.

В настоящее время на некоторых двигателях устанавливаются датчики температуры. Обычно температура измеряется у поверхности втулки цилиндра с газовой стороны на уровне 1-го компрессионного кольца при нахождении поршня в ВМТ. В Новороссийском высшем инженерном морском училище была создана в 80-е годы аппаратура контроля температуры поршня бесконтактным способом. Такие системы контроля позволяют своевременно обнаружить тепловую перегрузку цилиндров.

Обычно температуры в характерных точках деталей ЦПГ судовых малооборотных двигателей не превышают величин:

  • Головка поршня (масляное охлаждение) — 450-550 °С;
  • Головка поршня (водяное охлаждение) — 400-500 °С;
  • Температура поршня в районе 1-го поршневого кольца — 160-180 °С;
  • Температура втулки в районе камеры сгорания — 180-200 °С;
  • Температура втулки в районе 1-го поршневого кольца, когда поршень находится в ВМТ — 140-160 °С;
  • Днище крышки цилиндра — 300-400 °С;
  • Выпускные клапаны — 600-700 °С.

Ввиду исключительной трудности непосредственных замеров тепловых напряжений в деталях ЦПГ, для их оценки используется косвенный показатель — градиент температур dt/dx, показывающий изменение температуры в деталях по толще металла. Обычно градиент температур у судовых двигателей не превышает значений: dt/dx ≈ 4-5 °С/мм.

Приведенные значения температур и температурных градиентов близки к предельно допустимым. В отличие от запаса механической прочности, запас по тепловому состоянию цилиндров невелик и при дальнейшей форсировке дизелей продолжает уменьшаться. Вот почему основным фактором, ограничивающим цилиндровую мощность, является тепловая напряженность.

При отсутствии системы непосредственных замеров температуры тепловое состояние ЦПГ оценивается косвенно по показателям: положению топливной рейки (Т.Р.), температуре уходящих газов по цилиндрам, температуре охлаждющей воды и масла, перепаду температур в системах охлаждения, температуре воздуха, среднему индикаторному давлению, частоте вращения коленчатого и т.д. Такая оценка не гарантирует своевременного обнаружения тепловых перегрузок. Она требует комплексного анализа параметров работы двигателя, что предполагает наличие известного опыта и глубокого понимания взаимосвязи объективных показателей работы двигателя. Без такого анализа можно придти к неправильным выводам.

Так, повышение температуры уходящих газов еще не говорит о повышении температуры стенок цилиндра. Это явление может произойти при T.P. = const и недостаточном угле опережения впрыска топлива или же при ухудшении распыливания топлива и перераспределении тепла между Qi и Qгаз при Qохл = const. Если выпускные трубопроводы сгруппированы по 3 (в импульсной системе ГТН), то показания термометра температуры уходящих газов на среднем цилиндре будет на 40-50 °С выше, чем на крайних цилиндрах. Это, однако, не говорит о повышенной тепловой нагрузке цилиндра — на показания термометра оказывает влияние выпуск из соседних цилиндров.

Последствия тепловой перегрузки можно обнаружить при вскрытии цилиндра по наличию выгорания металла, цветам побежалости и следом ударения факела в головку поршня, повышенным износам втулки, поршневых колец и поршня, ’’залеганию” или поломке поршневых колец.

Август, 18, 2016 1352 0
Читайте также