Тепловая нагруженность элементов рабочего цилиндра судового дизеля

Всемерное стремление к повышению эффективности и экономичности энергетических установок с судовыми малоразмерными дизелями требует организации высокоэффективного рабочего процесса в условиях недостаточного объема для развития и сгорания топливных факелов.

Объектом исследования являются судовые малоразмерные дизели типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11. Эти двигатели применяются в судостроении, в качестве главных двигателей катеров, малых рыбопромысловых судов, рабочих спасательных «шлюпок, а также в качестве вспомогательных двигателей для привода судовых электрогенераторов, компрессоров, насосов и различных комбинированных агрегатов. Мощностной ряд этих двигателей находится в пределах от 10 до 45 кВт и частота вращения коленчатого вала — в пределах от 1500 до 1900. об/мин. Организация рабочего процесса осуществляется с двумя типами смесеобразования: вихрекамерным и объемно-пленочным с камерой сгорания в поршне.

Согласно принятой в России «Концепции развития судостроения» и-при образовании объединенной* судостроительной корпорации определено, что вновь строящиеся суда должны будут комплектоваться энергетическими, комплексами только Российского производства. В этой связи все двигателе-строительные заводы России приступили к обновлению модельного ряда выпускаемой продукции с той целью, чтобы" судовые двигатели по своему техническому уровню соответствовали лучшим мировым аналогам. Это относится и к двигателям, которые являются объектом исследования.

Производитель этих двигателей ОАО «Завод ДАГДИЗЕЛЬ» (г. Каспийск) совместно с государственным научным центром НАМИ ведут разработку перспективного судового дизеля 4ЧН 9,5/11 с частотой вращения-коленчатого вала 3000 об/мин, форсированного наддувом. Номинальная мощность двигателя должна составить 75 кВт. Это более чем в три раза превышает мощность существующих прототипов.

Камера сгорания является основным источником теплоподвода и обеспечивает интенсивное омывание стенок камеры в поршне, огневого днища головки поршня, крышки цилиндра, впускного и выпускного клапанов и выступающей из крышки цилиндра части распылителя горящими газами, циклически вытекающими из камеры в поршне и перемещающимися в надпоршневом пространстве со скоростью не менее 20 м/с.

Периодический характер протекания рабочего процесса предопределяет пульсирующее воздействие тепловых потоков на детали цилиндра. Так, в течение каждого термодинамического цикла наблюдаются г колебаниятемпературы рабочего тела в цилиндре от наименьшей величины 290 -ь 340 К во время наполнения цилиндра до максимальной величины во время сгорания 2300 -г- 2500 К [20, 21]. Таких циклов в цилиндре малоразмерного дизеля на эксплуатационных режимах работы реализуется от 5 до 12,5 в секунду. В каждом цикле сочетаются все три основные формы теплопередачи: лучеиспускание, теплопроводность и конвективный теплообмен, которые взаимодействуют и* создают сложную картину процесса теплопередачи в условиях, изменяющихся' во времени: объема и поверхности теплоотвода от цилиндрадавления, температуры, плотности и интенсивности вихревого движения рабочего тела.

Особенности конструкции малоразмерных дизелей и специфические условия работы на установившихся, неустановившихся и переходных режимах, связанных с резким колебанием теплоподвода и теплоотвода, приводят к неравномерному распределению температур в основных деталях цилиндра и перегреву их отдельных зон.

В диссертационной' работе проведен анализ показателей рабочего процесса двигателей прототипов и обзор экспериментальных, теоретических и расчетно-аналитических исследований различных авторов по вопросам теплового состояния, теплопередачи и теплообмена в ДВС.

Этим вопросам посвящено большое количество исследований крупных научных организаций, таких как ЦНИДИ, НАМИ, НАТИ, ЦНИИ имени Крылова, высших. учебных заведений, таких как МГТУ имени Баумана, МАДИ.

ГТУ), Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, ГМА имени адмирала С. О. Макарова, Астраханский ГТУ и др., а также работы исследователей и опытно-конструкторских подразделений дизеле-строительных заводов. Исследованию теплового состояния ДВС посвящены многие работы российских и иностранных ученых A.C. Орлина, В.А. Ван-шейдта, М. Г. Круглова, P.M. Петриченко, А. К. Костина, М. К. Овсянникова, Г. Б. Розенблита, Г. Эйхельберга, H.A. Иващенко, Р. З. Кавтарадзе и других. Успешно решаются задачи по оценке тепловой нагруженности двигателей с помощью косвенных критериев [21, 27], существуют методы исследования теплопередачи на основе теории пограничного слоя, гидромеханики и методы моделирования процессов теплообмена1 [23 — 25] и др.- решаются задачи теп-лонагруженности деталей ДВС [26, 27]. Однако, как отмечают сами авторы работ, методики и рекомендации, изложенные ими, применимы лишь к узким группам сходных между собой двигателей и не могут претендовать на широкие обобщения. Ряд работ [23, 25] базируется на решении задач теплопередачи с граничными условиями, взятыми по аналогии из задач теплофизики, гидромеханики, поэтому труднореализуемых как в практике расчетов, так и в экспериментальных исследованиях ДВС. Вследствие этого остаетсяактуальной проблема разработки методики аналитического определения температурного состояния и параметров теплообмена, базирующейся на стабильных и единых принципах для различных режимов работы дизелей. Уровень температурного и теплонапряженного состояния элементов рабочего цилиндра экспериментально и расчетно-аналитически исследовался рядом ученых и специалистов промышленности, такими как H.H. Иванченко, В. Н. Семенов, М. Я. Завлин, А. Ф. Дорохов, A.A. Аливердиев, В. П. Копцев и рядом других.

Результаты этих исследований отражены в периодических научных изданиях, таких как журналы «Двигателестроение», «Судостроение», «Вестник машиностроения», «Вестник АГТУ», а также в ряде монографий и учебных пособий.

Поскольку теплонапряженное состояние элементов рабочего цилиндра (цилиндровой втулки, поршня, крышки цилиндра) является одним из основных факторов, определяющих. работоспособность двигателя, то задача исследования его теплового состояния — температур, температурных градиентов, распределения тепловых потоков и общих компонентов теплоты по статьям теплового баланса, является актуальной.

В результате анализа выполненных научно-исследовательских работ было установлено, что для двигателей с КС в поршне комплексное исследование теплового состояния^ включающее в" себя все элементы рабочего цилиндра, не проводилось. Было установлено, что результаты исследований! теплового состояниядвигателей" прототипов* можно экстраполировать* на двигатель с более высоким уровнем форсирования.

Отсутствие в литературе. необходимых обобщений методики? для определения температурного состояния элементов рабочего цилиндра (поршня, крышки цилиндра, цилиндровой втулки), теплообмена и теплопередачи судового малоразмерного дизеля с камерой сгорания в поршне, потребовало проведениятеоретических и расчетно-экспериментальных исследований в этом направлении.

На основании вышеизложенного основной научной идеей диссертационной работы является необходимость поисковых работ по исследованию" тепловой? нагруженности деталей, рабочего цилиндра судового малоразмерного дизеля с камерой сгорания в поршне. Успешнее всего это может быть осуществлено на основе предварительного теоретического исследования" основных физических закономерностей протекания процессов теплопроводности в? цилиндре малоразмерного дизеля. Пути, намеченные по результатам теоретических исследований и анализа литературных данных, должны быть проверены в ходе экспериментальных исследований.

Таким образом, актуальность, диссертационного исследования, посвященного разработке методологии комплексного теоретического, расчет-но-аналитического и экспериментального исследования тепловой нагруженности элементов рабочего цилиндра для? разработки конкретных рекомендаций по конструктивному оформлению перспективного судового малоразмерного дизеля, обусловлена:

— общими тенденциями развития дизелестроения в области снижения расхода топлива на единицу выполняемой работы;

— повышением удельной мощности отечественных судовых малоразмерных дизелей;

— необходимостью обеспечения эксплуатационной надежности деталей рабочего цилиндра.

Диссертационная работа получила апробацию при ежегодных обсуждениях на заседаниях кафедры «Судостроение и энергетические комплексы* морской техники» ФГОУ ВПО «АГТУ» (2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.). Основные положения диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ФГОУ ВПО «АГТУ» (2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.) — на региональной научно-практической конференции «Конструкторское и технологическое обеспечение надежности машин (г. Махачкала, 2006 г.) — на 7 Межрегиональном научно-техническом» семинаре «Актуальные проблемы судовой энергетики и машино-движительных комплексов» на, базе ФГОУ ВПО «АГТУ» (г. Астрахань, 2006 г.) — на Международном научном семинаре «Перспективы использования результатов фундаментальных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России» на базе ФГОУ ВПО «АГТУ» (г. Астрахань, 2008 г.). Кроме того, материалы диссертации докладывались на конференциях, проводившихся на базе Каспийском государственном университете технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова.

Материалы диссертации представлены в 7 публикациях, в том числе 5 по списку ВАК Министерства образования и науки России.

Диссертация выполнялась в Каспийском государственном университете технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова (КГУТиИ им. Есенова) и-Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Судостроение и энергетические комплексы морской техники».

Выводы.

На основании проведенного расчетно-аналитического исследования суммарной нагрузки на цилиндровую втулку СМД можно отметить следующее: а '.

— соотношения количеств теплоты ~р: через отдельные участки поршня, и.

АТХ относительные перепады температур —— зависят только от относительс ных величин тепловых сопротивлений отдельных участков и не зависят ни-от абсолютной величины теплопередачи ()ст, ни от абсолютного уровня температурного напора АТС;

— результаты расчетов с использованием разработанной методики расчетно-аналитического определения" суммарной тепловой нагрузки на цилиндровую втулку малоразмерного дизеля с учетом составляющих теплопередачи от газов, трения и от поршня соответствуют полученным данным теплобалансовых испытаний;

— исследования показали, что уровень тепловых потерь в охлаждение чрезвычайно высок даже для малоразмерного дизеля: из ~ 40% потерь около 30% приходится на теплоотвод от цилиндровой втулки.

Заключение

.

Подводя итог выполненной работы, отметим, что теоретические и экспериментальные исследования тепловой нагруженности элементов рабочего цилиндра судового малоразмерного дизеля позволяют оценить теплона-пряженность основных элементов рабочего цилиндра дизеля (поршня, крышки цилиндра, цилиндровой втулки) с целью разработки рекомендаций для ведения работ по форсированию^ дизелей, типа Ч 9,5/11 путем газотурбинного наддува, предполагая при этом, что новый дизель 4ЧН 9,5/11 будет развивать мощность в 75 кВт.

Таким образом, по проведенным в работе исследованиям сделаны следующие выводы:

— по результатам расчетно-экспериментального исследования теплонагру-женности элементов рабочего цилиндра судового малоразмерного дизеля с достаточно большой степенью уверенности можно утверждать, что существующей в-настоящее время системе охлаждения и конструкционным решениям по крышке цилиндра и поршню не удается обеспечить их теплона-пряженность на уровне, гарантирующем обеспечение назначенного ресурса;

— процессы теплопередачи в цилиндре малоразмерного дизеля реализуются в условиях весьма ограниченного объема и компактного размещения деталей цилиндра, обуславливающих их интенсивное омывание как свежим воздушным зарядом, так и горящими газами;

— среди методов теоретического" исследования для-малоразмерных дизелей предпочтение следует отдать численным методам, а именно конечно-разностному методу решения дифференциальных уравнений теплопроводности в численных производных, который позволяет наиболее эффективно получить данные о распределении температуры и параметров теплообмена в цилиндре дизеля в зависимости от его конструкции, среднего эффективного давления и средней скорости поршня;

— исследования показали, что уровень тепловых потерь в систему охлаждения чрезвычайно высок даже для малоразмерного дизеля. При этом из 40% потерь около 30% приходится на теплоотвод от цилиндровой втулки;

— термосифонный принцип охлаждения цилиндровой втулки не решает задачу снижения тепловых потерь, т. к. значительная часть теплоты отводится в виде скрытой теплоты парообразования;

— двигатели типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 идентичны по конструкции, способам смесеобразования и охлаждения, поэтому можно считать одинаковыми уровни тепловых потерь в охлаждении, а, следовательно, и оценку уровня теплонапряженности.