Теплонапруженість і показники теплонапруженості

Під тепловим навантаженням розуміється значення питомого потоку, що передається від робочого тіла до поверхні деталі. Теплота передається від робочого тіла до поверхні деталей радіацією і тепловіддачею. Роль радіації особливо велика в дизелях у зв’язку з тим, що в них має місце переважно дифузійне горіння, що супроводжується рясним утвореному і подальшим вигоранням сажа. Вміст в полум’ї сажа є причиною високого ступеня його чорноти, а тому високій випромінювальній здатності полум’я.

В результаті температура полум’я істотно (на 15….25%) перевищує знання середньої за об’ємом термодинамічної температури. Високі значення температури полум’я і ступеня його чорноти визначають значну частку теплоти, що передається випромінюванням, в загальному теплообміні (за деякими оцінками, до 45% і більше). Деяку роль грає також випромінювання трьохатомних газів. Теплове вантаження окремих ділянок деталей залежить в основному від розташування ділянки по відношенню до факела і тому нерівномірне. Наприклад, для дизелів з камерою згорання в поршні деякі зони таких деталей, як гільза циліндра, кришка циліндра і сам поршень, екрановані корпусом поршня від факела в період найбільш інтенсивного випромінювання.

Тепловіддача включає конвективний теплообмін в основній частині заряду і передачу теплоти теплопровідністю через пограничний шар заряду. Інтенсивність тепловіддачі визначається більшою мірою локальними умовами сумішеутворення і тепловиділення, які ще недостатньо вивчені. З аналізу численних досліджень виходить, що на розподіл теплового навантаження по деталях робить вплив не стільки інтенсивність і характер руху заряду в циліндрі і камері згорання, створені при впусканні, скільки рух заряду, що ініціюється при згоранні, а також розподіл палива, що згорає, за об'ємом камери згорання, залежне від числа і розташування паливних струменів, розмірів і конфігурації камери згорання. Останні чинники визначають локальну температуру заряду.

Важливе значення має наявність істотного нестаціонарного теплообміну в поршневих двигунах і нерівномірний розподіл теплового навантаження по деталях. Нестаціонарність теплообміну визначається змінністю в часі всіх чинників, що впливають на радіацію і тепловіддачу (параметрів стану заряду, його швидкості, зокрема пульсаційної її складової, структури полум'я і так далі). Слід зазначити, що при нестаціонарному теплообміні максимальне значення питомого теплового потоку може в декілька десятків разів перевищувати його середнє за часом значення. Найбільша частка теплоти передається в період інтенсивного горіння. Так, приблизно за 1/10 часу циклу (від 10° до ВНТ і до 60° після ВМТ) від заряду до стінок циліндра передається до 70% всієї теплоти, передаваної за цикл.

Нерівномірність розподілу середнього за часом теплового навантаження по поверхні деталей КШМ представлена на рис. 6.25, з якого виходить, що по поверхні поршня питомий тепловий потік змінюється в 2,5 рази, кришки циліндра — в 2,5 рази, гільзи циліндра — в 2,3 рази.

На нерівномірність розподілу теплового навантаження істотно впливають тип і розміри камери згорання. Так, в дизелях з камерою згорання в поршні нерівномірність розподілу теплового навантаження підвищується при зменшенні відносного діаметру камери згорання. У дизелях з роздільними камерами згорання вказана нерівномірність по поверхні поршня і кришки циліндра, як правило, вище, ніж в дизелях з нероздільною камерою згорання.

Рівень теплових навантажень більшою мірою визначається ступенем форсування (літровою потужністю), тактністю двигуна, ступенем стиснення, частотою обертання колінчастого валу, кутом випередження подачі палива, коефіцієнтом надлишку повітря, тиском наддувочного повітря, конструкцією камери згорання, фазами газорозподілу, ступенем охолоджування наддувочного повітря, характером зміни зовнішнього навантаження, тиском і температурою повітря перед повітрязабірними пристроями дизеля, режимами і перехідними процесами, що мають місце в силових установках в умовах експлуатації.

а – поршень; б – кришка циліндра; в – гільза циліндра;

– відстань зони вимірювання від осі циліндра ; – відстань зони вимірювання від верхнього торця гільзи; – довжина гільзи

Рис. 6.25. Розподіл теплового навантаження по деталях дизеля

Термін «теплова напруженість» використовується для вираження комплексу явищ, пов'язаних з тепловим станом деталей двигуна. Тепловий стан деталей впливає на міцнісні характеристики матеріалів, з яких вони виготовлені, на інтенсивність відкладень на деталях, на умовах їх змащування, тертя, зносу, а також на напруження в деталях. Поява температурних напружень пов'язана з нерівномірним розподілом температури в деталях і з тим, що конструкція більшості деталей не забезпечує можливості вільного розширення найбільш нагрітих ділянок.

Із сказаного виходить, що теплова напруженість визначається розподілом температури в деталях, яка є функцією теплового навантаження, конструкцією деталі і умовами її охолоджування. Від конструкції деталей залежать розподіл місцевих термічних опорів. Найбільш теплонапруженими деталями дизеля є поршень, кришка циліндра, циліндрова втулка.

Розглянемо вплив конструктивних і експлуатаційних чинників на рівень теплового навантаження, а отже, теплонапруженість двигуна.

1. Літрова потужність. При збільшенні літрової потужності підвищується кількість робочої суміші в циліндрі, а отже, тиск і температура продуктів згорання, що впливає на збільшення механічних навантажень і теплонапруженого стану деталей циліндропоршневої групи. Форсування літрової потужності повинне супроводжуватися підбором відповідних матеріалів для деталей КШМ, розрахунком їх конструктивних параметрів і вибором ефективної системи охолоджування дизеля.

2. Здійснення двотактного циклу. Експериментальні дослідження і порівняльні розрахунки свідчать про те, що літрова потужність двотактного двигуна при інших рівних параметрах (ступінь стиснення, тиск повітря на вході в циліндри, коефіцієнт надлишку повітря, індикаторний ККД) більше літрової потужності чотиритактного дизеля в 1,5…1,7 рази. Тому двотактні двигуни відрізняються вищою теплонапруженістю в роботі в порівнянні з чотиритактними.

3. Ступінь стиснення (). Із зростанням зменшується відносна кількість теплоти, що виділяється в основній фазі згорання, і збільшується частка палива, що догорає в процесі розширення.

Внаслідок підвищення максимальної температури в циліндрі збільшується інтенсивність дисоціації і теплопередачі в стінки циліндра і поршня. В результаті має місце збільшення механічних навантажень і підвищення теплонапруженості двигуна. В цілях зниження механічних і теплових навантажень в дизелях величину вибирають виходячи з умов забезпечення надійного пуску і допустимого навантаження на деталі двигуна.

4. Коефіцієнт надлишку повітря (). При зниженні коефіцієнта надлишку повітря до певної межі збільшується відношення , а отже, і питома потужність. Пониження коефіцієнта дозволяє зменшити прохідні перетини випускних і впускних органів і трубопроводів, розміри турбін і компресорів, тобто знизити масу і габаритні розміри комбінованого дизеля. Проте при роботі двигуна з нижчими значеннями коефіцієнта підвищуються максимальна і середня температури циклу і температура випускних газів, що приводить до зростання теплонапруженності основних деталей циліндропоршневої групи і газової турбіни. Крім того, при знижених значеннях зростають вимоги до організації процесу сумішоутворення і згорання.

5. Частота обертання колінчастого валу (). Із збільшенням зменшується тривалість циклу, що позначається на протіканні робочого процесу: поліпшується якість розпилювання палива, а отже, процесів сумішоутворення, скорочується відносна кількість теплоти, що відводиться в систему охолодження, і збільшуються параметри заряду в циліндрі в кінці стискування. Останнє робить сприятливий вплив на процеси згорання палива. Із зростанням зменшується коефіцієнт наповнення при незмінних фазах газорозподілу і прохідних перетинах впускних і випускних органів. По сукупності приведених факторів витікає, що при підвищенні теплонапруженність двигуна зростає. Крім того, в даному випадку збільшується середня швидкість поршня, витрати потужності на газообмін і навантаження від сил інерції. В результаті зростають втрати на тертя, знос деталей КШМ, що труться, напруження в колінчастому валові, шатуні, шатунових болтах і інших деталях двигуна, що може викликати необхідність застосування матеріалів вищої якості і досконаліших технологій при їх обробці.

6. Кут випередження подачі палива (). При зменшенні кута розтягується процес згорання палива, знижується максимальний тиск згорання . При високому тиску наддуву згорання палива в основному відбувається під час процесу розширення, а це погіршує економічність і збільшує теплонапруженість деталей, утворюючих камеру згорання, випускних органів і турбіни. При збільшенні кута період затримки займання палива підвищується, до моменту початку займання в циліндрі скупчується велика частина палива. В цьому випадку процес горіння стає некерованим і супроводжується високою швидкістю горіння палива і наростання тиску продуктів згорання в циліндрі. В результаті виникають ударні навантаження на кривошипно–шатунний механізм дизеля, двигун працює жорстко.

Швидке протікання процесу горіння в безкомпресорному дизелі обумовлює жорсткість роботи, яка оцінюється швидкістю наростання тиску , ступенем підвищення тиску фактором динамічності циклу , що є відношенням кількості палива, поданого в циліндр за період затримки займання , до циклової подачі палива : . Із збільшенням фактору динамічності циклу зростають максимальний тиск згорання і жорсткість процесу згорання , що сприяє зростанню механічної напруженості і зносу основних деталей і вузлів дизеля. Тому для зниження і , а отже, теплових і механічних навантажень, слід здійснювати, наприклад, ступінчасте уприскування палива, при якому в період затримки займання в циліндр подавати невелику кількість палива, а в подальший період – решту кількості палива. Відповідно до експериментальних даних в швидкохідних комбінованих дизелях з = 0,2 МПа застосування ступінчастого уприскування дозволяє зменшити максимальний тиск газів в циліндрі на 6,5%, а жорсткість згорання на 23%, а отже, знизити теплові навантаження на КШМ.

7. Збільшення тиску повітряного заряду (наддування). Відомо, що збільшення щільності повітряного заряду на впусканні в циліндри дозволяє підвищити ефективну потужність двигуна, що привело до створення комбінованих дизелів. При цьому слід зазначити, що при підвищенні тиску наддувочного повітря збільшується механічна і теплова напруженість двигуна.

Збільшення механічних навантажень на деталі дизеля з підвищенням наддування обумовлене зростанням максимального тиску газів в циліндрі. Так, при збільшенні від 0,3 до 0,6 МПа, збереженні = 1,4 = const і = 13 = const тиск може зрости в 2 рази.

Із збільшенням тиску наддування підвищується також і теплова напруженість кришки циліндра, клапанів, циліндра і особливо поршня. Унаслідок зростання кількості теплоти, що виділяється при згоранні палива і припадає на одиницю робочого об'єму циліндра, збільшується кількість теплоти, що відводиться через стінку. Цьому сприяє також підвищення коефіцієнта тепловіддачі від газу в стінки в результаті зростання тиску газу в циліндрі. Підвищення температур і температурних градієнтів приводить до збільшення напруження в деталях двигуна, погіршенню умов змащування, що несприятливо позначається на ефективності охолоджування, особливо поршня і надійності роботи силової установки і КШМ зокрема.

Таким чином, зростання механічної і теплової напруженості дизелів є основною причиною, що обмежує збільшення тиску повітря . Звідси витікає, що, підвищуючи тиск заряду для збільшення ефективної потужності, необхідно обмежувати максимальний тиск газу в циліндрі і швидкість його наростання, температуру і температурні градієнти в стінках деталей. Цього добиваються впровадженням конструкторських і технологічних удосконалень, а також раціональною організацією робочого процесу комбінованого двигуна.

8. Продування циліндра двигуна. На температурний режим деталей впливають наявність і тривалість продування. У чотиритактних двигунах продування камери згорання досягається збільшенням фази перекриття клапанів. При цьому коефіцієнт продування досягає 1,10…1,15. Продувальне повітря охолоджує поршень, випускні органи, лопатки газової турбіни і тому подібне, а також покращує очищення камери згорання від відпрацьованих газів, унаслідок чого збільшується коефіцієнт наповнення.

Ефективність охолоджування деталей при продуванні зростає із зменшенням температури наддувочного повітря. Так, за результатами випробувань дизеля 6ЧН15/18 (типу Д6) при = 0,775 МПа, = 1500 об/хв., = 0,15 МПа із зміною фази перекриття клапанів від 40° до 120° і температури наддувочного повітря = 90°С температура в центрі днища поршня зменшується за рахунок продування на 10°С, при = 45°С – на 16°С і при = 25°С – на 20°С. Температура випускних газів при = 45°С і тиску газів в кінці розширення 0,12 МПа у вказаних вище межах зміни фази перекриття клапанів знизилася на 66°С. Із збільшенням частоти обертання колінчастого валу вплив продування на температурний стан деталей зменшується унаслідок скорочення часу обдування гарячих стінок продувальним повітрям.

9. Охолоджування наддувочного повітря. Одним з раціональних способів зниження температури деталей комбінованого двигуна є охолоджування повітря після компресора. В цьому випадку зменшується початкова температура циклу, а отже, і середня температура за цикл, що приводить до пониження температури деталей. Зменшення температур повітря, що поступає, і деталей двигуна обумовлює збільшення масового наповнення циліндра повітрям і потужності двигуна. Дослідні дані показують, що потужність дизеля з проміжним охолоджуванням повітря збільшується приблизно на 2…4% на кожні 10°С зниження температури повітря.

Звичайне проміжне охолоджування застосовують при >0,15 МПа, тобто коли температура повітря після компресора вище 55…60°С. З підвищенням тиску ефективність проміжного охолоджування повітря зростає.

При збільшенні коефіцієнта надлишку повітря за рахунок проміжного охолоджування повітря температура деталей знижується інтенсивніше, ніж при збільшенні за рахунок зростання (рис. 6.26).

–––– при підвищенні тиску ;

- - - - при проміжному охолоджуванні повітря

Рис. 6.26. Залежність максимальної температури поршня двигуна типу Д100 від

Для охолоджування наддувочного повітря окрім поверхневих охолоджувачів і спеціальних холодильних установок використовують турбодетандери, уприскування води (випарне охолоджування) і внутрішнє охолоджування за способом Міллера. У останньому випадку тиск повітря після компресора дещо більше тиску, необхідного для отримання заданих показників двигуна. Впускання повітря в циліндр припиняється до того моменту, коли поршень переміститься в н.м.т. (за 40…50° кута повороту колінчастого валу). При русі поршня до н.м.т. об'єм циліндра збільшується і відбувається розширення заряду до тиску, при якому досягається необхідна потужність двигуна. В результаті зменшується температура заряду на початку стискування і знижується теплонапруженість двигуна. Регулюючи фази газорозподілу, можна змінювати величину тиску заряду на початку стискування, а отже, максимальний тиск газів в циліндрі.

10. Температура () і тиск () навколишнього середовища (атмосферні умови). Вплив температури і тиск на показники роботи дизеля тепловоза 10Д100 представлено на рис 6.30, 6.31, з яких виходить, що при підвищенні температури і зниженні барометричного тиску навколишнього середовища зменшується ефективна потужність підвищується питома витрата палива , знижується коефіцієнт надлишку повітря при постійній цикловій подачі палива, що істотно впливає на тепловий стан дизеля; погіршується ефективність охолоджування теплоносіїв двигуна, унаслідок чого підвищуються температури води і масла в системах охолоджування і мастила дизеля і має місце їх перегрів. У цих умовах росте температура циклу, а отже, і теплонапруженість силової установки. Так, для дизеля 10Д100 на кожні 10°С підвищення температури зовнішнього повітря температура відпрацьованих газів підвищується на 20…25°С, температура нижнього поршня – на 12…16°С, циліндрової втулки в зоні випускних вікон – на 7…8°С. При зниженні температури спостерігається зменшення теплонапруженості двигуна з одночасним зростанням механічної напруженості із-за збільшення максимального тиску згорання і жорсткості роботи двигуна.

11. Стан газоповітряного тракту. При погіршенні технічного стану газоповітряного тракту (зниженні критерію , де – тиск наддувочного повітря, – тиск газів перед турбіною турбокомпресора) унаслідок забруднення системи повітрязабезпечення і закоксування випускного тракту, збільшення опору на впусканні і противотиску на випуску при постійній цикловій подачі, відповідній номінальній потужності, погіршується наповнення циліндра свіжим зарядом повітря, знижується коефіцієнт надлишку повітря. В результаті підвищуються температура циклу, а отже, теплові навантаження на деталі і вузли КШМ і їх теплова напруженість. Так, для двигуна типу 5Д49 при зниженні на 25 % значення падає на 12…14%, а температура випускних газів перед турбіною підвищується на 11…13%. Для двотактних дизелів 10Д100 в тому ж діапазоні зміни величини значення температури газів перед турбіною збільшуються на 25…30%.

12. Температури теплоносіїв дизеля. При підвищенні температур води і масла в системах охолоджування і змащування двигуна знижується тепловідвід від заряду до середовища, що охолоджує, що супроводиться підвищенням температури циклу, зменшенням коефіцієнта наповнення і коефіцієнта надлишку повітря, а отже, збільшенням теплового стану і теплонапруженості двигуна. Підвищення температур теплоносіїв дизеля в експлуатації можливо унаслідок погіршення технічного стану системи охолоджування дизеля і пристрою тепловоза, що охолоджує, експлуатації двигуна в умовах вищих температур зовнішнього повітря і низьких значень барометричного тиску. При створенні нових тепловозів для підвищення індикаторного проектуються високотемпературні системи охолоджування силових установок. Проте при їх застосуванні слід врахувати підвищення теплової напруженості двигуна і забезпечити впровадження для найбільш напружених елементів дизеля більш високоміцних матеріалів і сучасних технологій.

13. Зовнішнє навантаження. Теплова напруженість двигуна залежить від режиму роботи локомотивної енергетичної установки. При експлуатації дизеля по зовнішньої характеристики при зниженні частоти обертання колінчастого валу на 25% коефіцієнт надлишку повітря зменшується на 25…30% для двохтактного і на 12…16% для чотиритактного дизеля, температура випускних газів перед турбіною зростає відповідно на 10…12% і 7…8%. Теплова напруженість двигуна при цьому зростає. При переході на загороджувальну характеристику, в межах якої ефективна потужність двигуна підвищується на 10% відносно щодо номінальної, теплова напруженість двигуна ще більш підвищується, викликаючи перегрів його найбільш навантажених деталей і вузлів.

14. Перехідні процеси. Під час перехідних процесів температура теплонапружених деталей циліндропоршневої групи двигунів зазнають значні зміни, при цьому зміна температури завжди відстає в часі від зміни режиму роботи. Спостерігається так звана теплова інерція. Таким чином, робочий процес в циліндрі при несталих режимах здійснюється при температурах стінок камери згорання, що в значній мірі відрізняються від їх значень, властивих відповідним сталим режимам. Ця відмінність у ряді випадків може робити істотний вплив на характер робочого процесу, особливо при щодо малих температурах деталей. Під час експлуатації двигунів тепловозів з частими змінами режимів при незавершених перехідних процесах спостерігається коливання температури деталей відносно середнього значення, що часто значно перевищує температуру, властиву середньому за робочий цикл машини сталому режиму двигуну.

При великих середніх завантаженнях середні експлуатаційні температури деталей можуть бути вище за температури, характерні для номінального режиму роботи дизеля.

Несталий температурний стан (прогрів або охолоджування) супроводиться помітним зростанням різниці температур в тілі деталей і в більшості випадків – збільшенням температурних напружень.

Так, наприклад, перевищення температурних напружень, характерних для поминального режиму, відмічене при різкому переході дизелів тепловозів Д49 і 14Д40 з холостого ходу на номінальний режим.

На рис. 6.27,а представлений характер зміни в часі за вказаних умов напружень на вогневій поверхні днища поршня дизеля Д49 (крива 1) і в найбільш небезпечній з погляду напруженого стану точки на внутрішній поверхні головки поршня (крива 2). У першому випадку закид напружень на початку фази перехідного процесу в порівнянні з їх значеннями після остаточного прогрівання дизеля складає близько 15%. Значне перевищення температурних напружень спостерігається і в зоні верхнього бурта втулки циліндра (приблизно 13%). За аналогічних умов завантаження дизеля тепловоза 14Д40 температурні напруження у верхньому бурті втулки циліндра на 15% вище, ніж при номінальному режимі.

а) – накид навантаження (дизель Д49); б) – раптова зупинка

Рис. 6.27. Температура і температурна напружень в головках поршнів

при перехідних процесах

На рис. 6.27,б показана зміна температурного стану поршня після раптової зупинки повністю навантаженого дизеля «Гетаверкен». З рисунка виходить, що температура поршня в точці 3 через 2 хв. після зупинки дизеля піднялася з 225 до 275°С. У точці 2 протягом 1 хв. до зупинки масляного насоса, температура знизилася. Проте з моменту припинення подачі масла температура почала підвищуватися за рахунок передачі теплоти від зовнішньої поверхні днища поршня і через 14…15 хв. перевищила 200°С. Якщо при цій температурі запустити двигун повторно, то можливі відкладення на поверхні, омиваній маслом, і поява тріщин у зв'язку з виникненням температурних напружень. Наведений приклад свідчить про те, що для охолоджених поршнів при різкому скиданні навантаження і подальшій зупинці двигуна можливе помітне збільшення температури в окремих точках днища поршня. При повторному пуску двигуна це могло б привести до виходу з ладу поршня. Для забезпечення нормальної роботи поршневої групи необхідно дотримуватися в таких випадках певних режимів зупинки двигуна і охолоджування.

Різка зміна режиму роботи двигуна в процесі прогрівання або охолоджування деталей, як правило, приводить до виникнення в них температурних напружень, що значно перевищує їх значення при відповідних сталих режимах роботи. Останнє слід враховувати при розрахунку деталей на міцність.