Зависимость параметров теплонапряженности от конструктивных и эксплуатационных факторов

Влияние эксплуатационных факторов

К эксплуатационным факторам, влияющим на тепловую напряженность, можно отнести режим эксплуатации двигателя, режимы ввода и вывода двигателя в работу, сорт и дозировку цилиндрового смазочного масла, температурный режим в системах охлаждения, чистоту поверхностей охлаждения (зарубашечного пространства и внутрипоршневых полостей, воздушных, водяных и масляных холодильников), состояние ГТН, состояние поверхности цилиндровых втулок и поршневых колец, подвижность колец.

Режим эксплуатации двигателя зависит от внешних условий. Очевидно, что при встречном ветре и полной загрузке судна для поддержания неизменной частоты вращения необходимо увеличивать подачу топлива; при этом растет теплонапряженность. Аналогичная перегрузка главного двигателя возможна при несоответствии винта корпусу судна (так называемый “тяжелый” винт). На судах типа “Дубровник”, имевших “легкий” винт, скорость износа ЦПГ была в 8 раз меньше, чем у однотипных двигателей судов типа “Муром” с “тяжелым” винтом и одинаковой загрузкой по мощности.

При пуске не прогретого двигателя его минимально устойчивая частота вращения выше, чем у прогретой машины; соответственно больше количество сжигаемого в цилиндре топлива. Изменение температуры после пуска носит характер скачка; при этом благодаря теплоинерционности материала у поверхности с газовой стороны температура растет, в то время как остальная масса металла остается холодной. Это приводит к большим тепловым напряжениям сжатия в поверхностном слое из-за высокого градиента температур, что может явиться причиной микротрещин. Поэтому двигатель необходимо прогревать перед пуском, а вывод на режим полной нагрузки производить постепенно.

Термические напряжения при остановке определяются неодинаковой скоростью охла-ждения различных частей. Скорость охлаждения в центре крышки, поршня больше, чем у периферии; скорость охлаждения крышки меньше, чем поршня. Поэтому перед остановкой или маневрами необходимо постепенно снижать нагрузку.

Так, для двигателя RD-76 рекомендуется работа на среднем ходу не менее 20-30 минут. После остановки двигатель должен прокачиваться водой и маслом, пока температура в системах охлаждения не понизится до 33 °С при разности температур на входе и на выходе из двигателя не более 3 °С. Продолжительность охлаждения — не менее 1,5 часов, прокачки маслом — не менее 2 часов после остановки двигателя.

Наиболее серьезная авария может произойти при остановке дизеля с полного хода, когда втулка охлаждается более интенсивно, чем поршень. Из-за уменьшения линейных размеров втулки при более интенсивном ее охлаждении возможна заклинка поршня и трещина втулки. Наиболее вероятна авария при масляном охлаждении поршня или при неохлаждаемом поршне.

С точки зрения теплонапряженности большое значение имеет обеспечение хорошей смазки ЦПГ. При неудовлетворительном качестве смазки, недостаточном ее количестве повышается коэффициент трения; соответственно растет температура стенок, увеличивается износ деталей ЦПГ.

Температурный режим в системах охлаждения подбирается в процессе заводских испытаний дизеля и должен корректироваться с учетом условий эксплуатации. Обычно при топливном охлаждении форсунок температура их охлаждения поддерживается порядка 40-45 °С, при водяном охлаждении — 80-85 °С. В зарубашечном пространстве температура охлаждения на входе обычно поддерживалась в пределах 60-80 °С, на выходе — 65-85 °С. При применении высокосернистого топлива температурный уровень в системе охлаждения целесообразно повышать для предотвращения кислотной коррозии. Поэтому у некоторых современных ДВС температура охлаждения на входе поднята до 80 и даже 95 °С.

При постоянных условиях подвода тепла изменение температуры охлаждающей среды незначительно изменяет температуру камеры сгорания. Так, изменение температуры воды на ± 20°С привело к изменению температуры стенки с газовой стороны на ± 5°С; на стороне охлаждения изменения температуры стенки более значительны. Следовательно, при снижении Тохл температурный уровень падает, но увеличивается температурный градиент и тепловые напряжения.

Ухудшение состояния газотурбонагнетателей, загрязнение воздушного холодильника и всего газовыпускного тракта, ухудшение воздухоснабжения приводит к росту температуры стенок. Так, при испытаниях двигателя ДКРН 74/160 в условиях эксплуатации увеличение температуры продувочного воздуха с 34 до 44 °С привело к увеличению температуры газов с 425 до 440 °С. Температура поршня при этом увеличилась на 7-10 °С.

Состояние поверхности цилиндровой втулки и поршневых колец, подвижность колец и их взаимное расположение существенно влияет на Тст. При неплотности пары трения, когда кольцо и втулка еще не приработались, газы проникают за кольцо, повышают температуру стенки. Поэтому для нового двигателя или при замене какого-то узла ЦПГ двигателя нагрузку необходимо ограничивать на период “обкатки” (приработки узлов).

Прорыв газов под кольца наблюдается даже через “усы” для распределения смазки на поверхности зеркала цилиндра. Так, в двигателе RND-105 температура втулки оказалась на 50 °С, поршня — на 20 °С выше при наличии “усов” по сравнению со случаем, когда масляные канавки отсутствовали. Поэтому нежелательно любое изменение геометрии зеркала цилиндра при эксплуатационных ремонтах.

При совпадении “замков” последовательно расположенных компрессионных колец увеличивается прорыв газов, температура в этом месте втулки и поршня растет. С этой точки зрения желательно стопорение колец.

При загрязнении поверхностей охлаждения накипью резко увеличивается термическое сопротивление, То- растет, что может привести к аварии. Для предотвращения накипеобразования в охлаждающую воду вводятся химические присадки (ранее вводились специальные эмульсионные масла), предусмотрен систематический контроль качества охлаждающей воды.

Влияние различных эксплуатационных факторов на тепловую напряженность можно качественно оценить с помощью понятия “эквивалентной стенки” (рис. 2).

Рис. 2 Изменение температуры в “эквивалентной” стенке: А- стенка чистая; Б — со стороны охлаждения имеется накипь

Понятие дается на основе зависимости для термического сопротивления при передаче тепла от газов к охлаждающей среде:

R = 1 /K = 1 / α1 + δ / λ + 1 / α2 = 1 / λ (λ/α1 + δ + λ/α2)

Если представить себе 3-слойную стенку с толщиной каждого слоя λ /α1, δ и λ/α2 и постоянной и равной для каждого слоя величиной коэффициента теплопроводности λ, то на установившемся режиме эксплуатации распределение температур в такой фиктивной (“эквивалентной”) стенке подчинится прямолинейному закону (рис. 2-А). При наличии слоя накипи стенка станет 4-слойной, а при наличии и нагара с газовой стороны — 5-слойной. Изменение количества слоев приведет к изменению уровня температур и температурных градиентов. На рис. 2-Б показан случай, когда при неизменном уровне Тгаз и Тохл абсолютная температура стенки поднялась, а температурный градиент понизился за счет появления слоя накипи. Влияние нагрузки можно оценить, изменив ординату Тгаз (так как изменение нагрузки изменяет среднюю температуру газов). Аналогично учитывается изменение температуры в системе охлаждения.

Смотрите также:

а) Влияние уровня форсировки, воздухоснабжения и рода охлаждающей жидкости
б) Влияние конструктивных факторов

Август, 22, 2016 251 0
Читайте также