книги из ГПНТБ / Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей

сначала выпускались с иеохлаждаемыми поршнями из алюмини­ евого сплава.

При создании более форсированных дизелей 16РА4Ѵ185 (16ЧН 18,5/21, Ne = 2400 л. с., я = 1500 об/мин, ре = 16 кгс/см2)

они испытывались с поршнями, циркуляционное охлаждение которых осуществлялось при помощи спирали-змеевика, заделан­ ной в головку поршня при отливке (рис. 40). Однако в связи с не­ достаточной эффективностью циркуляционного охлаждения на

показали, что коэффициент теплоотдачи остается прежним для циркуляционного охлаждения, а для охлаждения взбалтываемым маслом он возрастает до 2500 ккал/(м2-ч-°С), так как при цирку­ ляционном охлаждении средний коэффициент теплоотдачи в основ­ ном зависит от средней скорости циркуляции масла в каналах поршня, а при охлаждении взбалтываемым маслом— от средней скорости поршня, которая значительно выше.

Впроцессе доводки дизелей РС2Ѵ (16ЧН 40/46, Ne — 8000 л. с.,

п= 520 об/мин, ре — 15 кгс/см2) были проведены при темпера­ туре масла на входе в поршень 60° С исследования трех способов охлаждения: струйного, циркуляционного и взбалтываемым мас­ лом (рис. 41).

Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что при циркуляционном масляном охлаждении поршня

77

мощность дизеля повышается на 40%, а при охлаждении взбалты­ ваемым маслом — на 75% по сравнению с мощностью дизеля, име­ ющего неохлаждаемып поршень, при сохранении прежнего тем­ пературного уровня поршня.

На дизелях PC2V были первоначально установлены цельно­ алюминиевые поршни с кольцевой полостью для охлаждения взбалтываемым маслом и вставкой под первыми компрессионными кольцами, а затем они были заменены составными поршнями (головка стальная, тронк алюминиевый) также с охлаждением взбалтываемым маслом. Аналогичное изменение конструкции

в той же последовательности имело место при доводке дизеля РСЗ

(16ЧН 48/52, Ne = 14 700 л. с., п = 450 об/мин, ре =19,5 кгс/см2).

При исследовании поршней обоих вариантов на дизеле РСЗ было установлено, что температура на уровне первого компрес­ сионного кольца на цельноалюминиевом поршне со вставкой до­ стигала 190° С, а на составном поршне вследствие наличия тонкой цилиндрической стенки 150° С (рис. 42). Это объясняется тем, что по условиям механической прочности алюминиевого сплава при­ ходится ограничивать объем кольцевой масляной полости, обеспе­ чивая наличие толстой стенки между этой полостью и кольцами, и допускать значительную теплоотдачу от днища к кольцам.

цельноалюминиевый поршень с кольцевой полостью для взбал­ тывания масла, а затем составной поршень (головка из тепло­ стойкой стали, тронк алюминиевый), охлаждаемый взбалтываемым маслом (рис. 43).

78

Тонкостенная стальная головка позволяет поддерживать очень низкую температуру в зоне первого компрессионного кольца и обеспечивает выбор минимальной величины теплового зазора между головкой поршня и втулкой цилиндра. В результате этого снижается поступление в зону поршневых колец продуктов сгора­ ния топлива и улучшаются условия смазки колец, тронка и втулки цилиндра.

Поршни дизелей МАН. Тепловозные дизели 8V 22/30ASL (16ЧН 22/30, Ne = 2080 л. с., и. = 1000 об/мин, ре = 10,3 кгс/см2)

выпускались с литыми алюминиевыми неохлаждаемыми порш­ нями. При создании высокофор­

испытывались поршни следующих конструкций: цельноалюмнниевый неохлаждаемый (рис. 44, а); алю­ миниевый с кольцевой проточкой, уплотненной сверху сварным швом (рис. 44, б); цельиоалюминиевый со змеевиком для циркуляцион­ ного охлаждения (рис. 44, в; ре = = 16 кгс/см2); составной (головка из теплостойкой стали, тронк алю­ миниевый) с охлаждением взбалты­ ваемым маслом (рис. 44, г; ре =

=16 кгс/см2).

Последний вариант оказался

наиболее надежным.

При создании быстроходных судовых и тепловозных дизе­

эвтектического алюминиевого сплава, имеющие кольцевую по­ лость для охлаждения взбалтываемым маслом, образованную при специальном процессе ковки. Для поддержания нормального температурного состояния поршня в полость охлаждения через форсунки, установленные в картере, масло подается в количе­ стве 4,0 кг/(л. с. ч) (рис. 45).

На дизелях с большими диаметром цилиндра и ходом поршня также постепенно происходил переход от циркуляционного охла­ ждения поршней к охлаждению взбалтываемым маслом. Судовой

тронк чугунный. Масло для циркуляционного охлаждения порш­ ней подводилось сначала к периферийной кольцевой полости головки, а затем уже шло по каналам, выточенным в центральной части днища. Такое охлаждение не могло быть эффективным

79

Рис. 44. Поршень дизеля W 24/30:

а — цельноалюмннневын неохлаж даемын; б — алюминиевый с кольцевой проточкой; в — алюминиевый со змеевиком; г — составной с о х л а ж д е ­ нием взбалтываемым маслом

Рис. 45. Поршень дизеля V8V 23/23

80

в связи с небольшой скоростью циркуляции масла в кольцевой полости.

ниевого сплава (рис. 46). Рабочие поверхности кольцевых канавок в головке подвергнуты газопламенной закалке и обладают высокой износостойкостью. Головка интенсивно охлаждается взбалтываемым маслом, которое первоначально поступает в периферийную кольцевую полость, а затем направляется в центральную часть головки.

Детали этого поршня обладают вы­ сокой износостойкостью. При достаточ­ ном охлаждении наиболее важных зон поршня (температура в зоне первой кольцевой канавки не превышает 140— 150° С) и минимальном зазоре между головкой и втулкой цилиндра повы­ шается долговечность поршневых колец и канавок, уменьшается износ втулок цилиндров. При работе этих дизелей на тяжелом топливе за 1000 ч работы износ канавок для поршневых колец составляет 4—5 мкм, а износ втулок

тельные исследования эффективности охлаждения поршней маслом двумя способами: циркуляционным и комбинированным (струйная подача масла на днище и взбалтывание его). Эти исследования показали значительные преимущества комбини­ рованного охлаждения, при котором обеспечивается интенсивный отвод тепла от днища в нижнем положении поршня струями масла, а в верхнем положении — взбалтываемым маслом. Охлаждение зоны компрессионных колец производится исключительно взбал­ тываемым маслом.

При комбинированном способе охлаждения температура у ка­ навки первого компрессионного кольца и внутренней стороны днища поршня примерно на 70° ниже, чем при циркуляционном охлаждении.

Конструкция поршня дизеля KZ 57/80, сравнение температур­ ных полей головок для вариантов масляного охлаждения этого поршня дизеля показаны на рис. 47.

Поршни дизелей АЛКО. Тепловозный дизель 6-539 (6ЧН 31,8/33,

Ne = 1000 л. с., п = 740 об/мин, ре = 7,73 кгс/см2) имел не­ охлаждаемый поршень из алюминиевого сплава. При переходе на новый, более форсированный тип дизелей 244 (16ЧІТ 22,9/26,7,

Ne = 2350 л. с., п — 1000 об/мин, ре = 12,1 кгс/см2) для повы­ шения надежности была усложнена конструкция поршня и вве­ дена циркуляция охлаждающего масла через кольцевые каналы, образованные между телом поршня и напрессованным на него бандажом. Для уменьшения зазора между поршнем и втулкой

Рис. 47. Конструкция и температурные поля головок поршня дизеля KZ 57/80 с масляным охлаждением:

а — кон струкц и я поршня; б — при ц и ркуляц ион ном охлаж дении ; в — при ко м б ин ир о ­ ванном охлаж дении

поршень и его бандаж изготовляли из кремнеалюминиевого сплава

суменьшенным коэффициентом линейного расширения (рис. 48, а).

Впроцессе эксплуатации этих дизелей имели место повышен­ ный износ и разбивание канавки первого компрессионного кольца.

Всвязи с этим на дизелях типа 251 следующей, более форсирован­

навки первых компрессионных'колец в бандажи заливали вставки

ющий тонкостенную головку из теплостойкой стали и алюминие­ вый тронк (рис. 48, б).

Три компрессионных кольца, расположенных ниже тонкой цилиндрической стенки головки, имеют интенсивное охлаждение вследствие взбалтывания масла в периферийной кольцевой по­ лости головки.

82

Поршни дизелей Зульцер. На двухрядных тепловозных дизе­ лях 12LDA28 (12ЧН 28/36, Ne = 2300 л. с., п = 750 об/мин,

Ра = Ю,4 кгс/см2) устанавливались поршни из кремнеалюминие­ вого сплава, идентичные по конструкции с поршнями дизеля АЛКО 244. В первых поршнях этого типа двигателей 12LDA28 для уплотнения стыка между напрессованным бандажом и основ­ ным телом поршня накладывался сверху сварочный шов. При эксплуатации было обнаружено, что из-за высоких температурных напряжений в сварочном шве появляются трещины. В то же

Рис. 48. Поршни дизелей АЛК.О:

а — 244; б — 251 F

время оказалось, что при прессовой посадке бандажа обеспечи­

вается надежное уплотнение стыка, поэтому в дальнейшем шов не накладывали.

вались такие же поршни, но со вставкой под первым компрес­ сионным кольцом.

была вынуждена перейти на новую конструкцию цельноалюминие­ вого поршня со змеевиком для циркуляции охлаждающего масла. Эти поршни также имели вставку в зоне первых компрессионных колец.

С точки зрения эффективности системы охлаждения этот пор­ шень не являлся наилучшим, так как поверхность охлаждения его спиральных каналов была относительно невелика, а скорость движения масла в них не могла быть достаточно высокой. Боль­ шие массивы металла в верхней части поршня и высокая тепло­ проводность алюминиевого сплава исключали возможность обес­

печения достаточного охлаждения зоны компрессионных колец, поэтому этот поршень был заменен новым, отлитым из кремние­ алюминиевого сплава, с кольцевой полостью для взбалтывания охлаждающего масла (рис. 49). Этот поршень, также как н поршни предыдущих вариантов, имеет жаростойкую вставку под первым компрессионным кольцом.

В процессе доводки дизелей 16LVA24 мощностью 4000 л. с. возникли трудности, вызванные систематическими задирами порш­ ней тропками. Сначала всегда образовывалось блестящее, заполи­ рованное пятно на нерабочей стороне'

В головке размещали четыре компрессионных кольца. Поршень интенсивно охлаждался взбалтываемым маслом, которое сначала поступало в кольцевую периферийную полость, а затем — в цен­ тральную часть поршня (рис. 50).

Поршни дизелей Майбах. Общая тенденция перехода от циркуля­ ционного охлаждения поршней к охлаждению их взбалтываемым маслом при повышении форсировки дизеля отразилась также на опытно-конструкторских и исследовательских работах фирмы Майбах. Выпуская в течение многих лет дизели с поршнями, имеющими циркуляционное охлаждение, эта фирма в настоящее время ведет работы по испытанию составного поршня (головка из теплостойкой стали, юбка алюминиевая), имеющего интенсив­

84

Поршни дизелей Купер-Бессемер. На тепловозных дизелях

FVA16DRT (16ЧН 22,9/26,7,1Ne = 2230 л. с., п = 1000 об/мин,

ре = 11,5 кгс/см2) устанавливаются алюминиевые поршни, со­ стоящие из двух основных частей: собственно поршня и напрес­ сованного на него бандажа с канавками для компрессионных ко­ лец. Между бандажом и поршнем образованы кольцевые каналы, к которым через шатун и поршневой палец подводится охлажда­ ющее масло. По своей конструкции поршни в основном анало­ гичны поршням фирмы АЛКО.

чугуна. По отверстию в стержне шатуна и поршневом пальце охлаждающее масло подается во внутреннюю масляную полость, образованную под днищем поршня. Охлаждение поршня обес­ печивается взбалтываемым маслом в полости под днищем. Горя­ чее масло сливается из поршня в камеру через отверстия, распо­ ложенные на периферии ниже пояса компрессионных поршневых колец (рис. 52).

Поршни дизелей Нордберг. Во время доводки судового дизеля

FMD-1116-FISC (16ЧН 28/30,5, Ne = 3600 л. с., п =900 об/мин,

ре — 12,2 кгс/см2) были испытаны поршни следующих вариантов.

1. Цельный алюминиевый со вставкой из никелевого чугуна под верхним компрессионным кольцом, имеющий струйное охла­ ждение маслом.

85

Испытания дали неудовлетворительные результаты в связи

сповышенным износом канавки верхнего компрессионного кольца.

2.Алюминиевый сварной с циркуляционным масляным охла­ ждением. Головка — кованая, из алюминиевого сплава. К ней

приваривался тронк поршня, в который заливалась вставка из никелевого чугуна для верхнего компрессионного кольца. Масло, охлаждающее поршень, поступало по отверстию в шатуне. Поршень этого варианта имел меньший износ канавки верхнего

длине, что существенно снизило удельную нагрузку в головном подшипнике и повысило его износостойкость.

На следующей модификации — дизеле 567D1 (16ЧН 21,6/25,4, Ne — 2000 л. с., и = 900 об/мин, ре = 7,25 кгс/см2) были сняты концентрические ребра на внутренней стороне центральной части днища поршня и добавлено четвертое компрессионное кольцо. Три верхних компрессионных кольца покрыты хромом (рис. 53, а).

При переходе на более форсированную модификацию — ди­

увеличения прочности днища и улучшения его охлаждения восемь ребер таврового сечения были заменены на 24 широких и более тонких радиальных ребра, которые были расположены на большем наружном диаметре, чем в предыдущем варианте. Ребра соединялись внизу широким кольцом. Толщина днища го­ ловки и ширина ребер были увеличены (рис. 53, б), а компрес­ сионные кольца опущены по сравнению с положением колец на

86