книги из ГПНТБ / Брук М.А. Инженерные основы эксплуатации корабельных дизелей учебник

90

где

А2—

Наклон прямой 1 на рис. 18, а определяется отноше­ нием

Ре_

рк

При увеличении а tg р уменьшается, т. е. интенсив­ ность роста ра при увеличении рк замедляется' (рис. 18,d).

Для того чтобы при увеличении давления наддува со­ хранить постоянство тепловой нагрузки, нужно увеличи­ вать коэффициент избытка воздуха.

На рис. 18, е видно, что отношение «воздух—топли­ во», эквивалентное величине а при изменении як от I до 4, нужно увеличить в 1,7 раза при охлаждении воз­ духа и более чем в 4 раза, если воздух не охлаждается.

В последнем случае работа дизеля с Ри^>2 кгс/смг оказывается не только невыгодной, но и лишенной прак­

воздуха не предусмотрено, а возрастает в значительно

большей степени, чем рк1'1 , поэтому среднее эффектив­ ное давление прогрессивно снижается.

В действительности при форсировании двигателей по наддуву коэффициент избытка воздуха остается при­ мерно на таком же уровне, как и у двигателей без наддува, что приводит к неизбежному росту тепловой нагрузки, температур основных деталей и общей напря­ женности двигателя.

Изменение нагрузки при n= const

Изменение нагрузки двигателя осуществляется дози­

рованием подачи топлива [формулы (89) и (90)]. При переходе с одного режима нагрузки на другой изменение показателя напряженности двигателя подчиняется соот­

ношениям:

91

Если для сравнения нагрузок двигателя использует­ ся среднее эффективное давление или эффективный кру­ тящий момент, а для оценки форсировки двигателя — поршневая мощность, то

С учетом формулы (89) можно написать

Объективным показателем, характеризующим напря­ женность двигателя, при его работе по нагрузочной ха­ рактеристике может служить температура основных де­ талей.

25 50 75 100

Рис. 19. Зависимость максимальной температуры поршней от нагрузки:

1 —дизель 37Д; 2 —дизель 6ЧН 30/38

На рис. 19 показана зависимость температуры наи­ более нагретых участков поршней корабельных дизелей

ператур поршня 6ЧН 30/38 при повышении нагрузки от холостого хода (ре = 0) до р0= 16,3 кгс/см2.

92

t'c

Рис. 20. Изменение температурного поля поршня 6ЧН 30/38 в зави­ симости от нагрузки:

93

В указанных пределах изменения нагрузки темпера­ тура в точке 3 возрастает более чем на 220° С, в точ­ ке 4 — на 100° С, а в точке 6 — всего на 40° С.

Величины средней скорости нарастания температуры, отнесенные к единице изменения среднего эффективного давления, для соответствующих точек составляют

М= 2,45

ту же величину температура поршня в разных участках растет с различной скоростью. Однако при этом сохра­ няется характерная закономерность, которую необходи­ мо учитывать при оценке влияния нагрузки на теплонапряженность поршня': чем выше температура данного участка поршня на любом пз промежуточных режимов работы двигателя, тем, как правило, больше скорость нарастания температуры при увеличении нагрузки.

Сопоставление кривых температурного поля (а, б, в, г, д) и скорости нарастания температуры (пунктирная линия), изображенных на рис. 20, позволяет заключить, что они имеют подобный вид, являющийся следствием вышеуказанной закономерности.

Аналогичный характер изменения температуры порш­ ня в зависимости от нагрузки обнаруживается как у четырехтактных, так и у двухтактных двигателей не­ зависимо от конструктивных особенностей поршней. Так, например, в точке максимального нагрева поршня двух­ тактного дизеля 37Д скорость нарастания температуры

°С

на снижается до 5,5-------- .

кгс/см2

Качественно такой же характер изменения темпера­ туры различных участков поршня можно отметить на рис. 21, где каждая из кривых соответствует изменению температуры в определенной точке поршней четырех­ тактных судовых дизелей с высоким наддувом.

С ростом нагрузки возрастают также температуры выпускных клапанов, втулок и крышек цилиндров.

94

Как правило, максимальный температурный уровень днища крышки цилиндра четырехтактных двигателей на всех режимах работы отмечается в перемычке между гнездами выпускных клапанов.

При увеличении нагрузки двигателя на этом участ­

По мере удаления от перемычки температура днища уменьшается и соответственно уменьшается скорость нарастания температур. Минимальная величина скоро­ сти нарастания температур соответствует наименее на­ гретым участкам крышки, замеренным в точках 3 и 4, и составляет

м

При этом режим охлаждения остается на всех на­ грузках неизменным, так как температура охлаждающей воды на входе в двигатель а и на выходе из него б ос­ тается практически постоянной.

95

t-с

Рис. 22. Зависимость температуры днища крышки цилиндра экспе­

замера и соответствующие нм кривые

Наличие значительных перепадов температур между различными участками крышки цилиндра, в особенности на полных нагрузках, может стать причиной возник­

новения короблений, местных выпучиваний, разрушения седел выпускных клапанов и появления трещин в пере­ мычках между выпускными клапанами.

Вследствие наличия разности температур менее на­ гретый участок крышки препятствует расширению бо­ лее нагретого участка, что приводит к появлению на­ пряжений сжатия в более нагретой области и напря­ жений расширения в менее нагретой области.

96

Тензометрирование различных участков крышки цилиндра быстроходного двигателя типа ЧН — [57] по­

казало, что термические напряжения в перемычках меж­ ду выпускными клапанами могут на форсированных ре­ жимах превысить предел текучести. В этом случае перемычка будет деформироваться, а при остывании в ией могут возникнуть значительные напряжения растя­ жения, которые приведут к появлению трещин.

Попадание в трещины продуктов сгорания, содер­ жащих агрессивные включения, ускоряет разрушение

крышки в зоне перемычки.

Термические напряжения по величине намного пре­

и температуре перемычки между выпускными клапанами около 260°С напряжения от сил давления газа равны

Рис. 23. Изменение температуры выпускного клапана дви­ гателя 6ЧН 30/38 в зависимости от нагрузки:

'г — температура выпускных газов; 1, 2, 3 —точки замера и соот­ ветствующие нм кривые

31 кгс/см2, в то время как термические напряжения ежатия достигают 1920 кгс/см2.

Одной из наиболее напряженных деталей, лимитиру­ ющих эксплуатационную надежность форсированных ди­ зелей, является выпускной клапан.

На рис. 23 показан характер изменения температу­ ры выпускного клапана корабельного дизеля 6ЧН 30/38.

Рис. 24. Изменение температуры поршня, втулки ци­ линдра и выпускного клапана двигателя 14ЧН 24/27:

/ — температура выпускных газов; /, 2 — точки замера и соответствующие им кривые

Кривые 1, 2 и 3 соответствуют температуре одно­

именных точек на схеме.

Кривые изменения температуры выпускных газов /г, днища поршня, верхней части втулки цилиндра и вы­ пускного клапана, изображенные на рис. 24, получены

98

при' термометрировании двигателя 14ЧН 24/27 в лабо­ ратории Харьковского политехнического института [56].

Из рассмотрения экспериментальных данных измене­ ния температур основных деталей двигателей, представ­ ленных графически' на рисунках 19—24, можно сделать следующие выводы:

—нагрев деталей двигателя в различных участках отличается значительной неравномерностью;

—при повышении нагрузки двигателя возрастает температура поршня, втулки и крышки цилиндра, вы­ пускных клапанов и выпускных газов;

—степень воздействия изменения нагрузки на рост

температуры Деталей неодинакова в различных участ­ ках: чем выше уровень температуры данного участка

детали, тем интенсивнее рост температуры при повыше­ нии нагрузки;

— у форсированных двигателей, как правило, наибо­ лее напряженной в тепловом отношении деталью являет­ ся выпускной клапан, температура которого на полных нагрузках превышает 700° С (рис. 23, 24), в то время

как максимальная температура поршня редко подни­ мается выше 400° С.

Однако о степени напряженности детали и ее рабо­ тоспособности нельзя судить только по одной темпера­ туре ее нагрева, так как суммарные напряжения и ус­ ловия работы различных деталей неодинаковы. Извест­ но, что работоспособность двигателя, как правило, за­ висит от напряженности поршня. Если в районе канав­ ки верхнего кольца температура поршня превышает 200° С, то при продолжительной работе двигателя соз­ даются условия для пригорания кольца, повышенного прорыва газов в картер, перегрева нижних участков поршня, что может вызвать задиры поршня и втулки ци­ линдра.

К тем же последствиям может привести высокая тем­ пература в зоне поршневых колец вследствие закоксо-

вывания канавок и колец. Накопление нагара и лака вызывает увеличение работы трения, повышенный износ и вероятность задиров поршня и втулки цилиндра.

Кроме того, при высокой температуре в указанной зоне поршня усиливается износ боковых поверхностей канавок при ударах о них колец. ,