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

Ti — температура внутренней поверхности стенки;

F— поверхность стенки, ж2;

т— время, ч.

Суммарный коэффициент теплоотдачи от газов к стенке

Эти формулы составлены на основании частных экс­ периментов и не могут служить обоснованными зависи­ мостями, вскрывающими общие закономерности тепло­ передачи в дизелях разных типов.

Возможность распространения подобных формул на

другие типы двигателей связана с необходимостью каж­ дый раз экспериментально подбирать коэффициенты.

В общем виде формула Брилинга—Нуссельта может

В формулах (51) и (52) влияние лучеиспускания не учитывается и полагается, что вся теплота передается конвекционным теплообменом.

Вместе с тем имеются данные, указывающие на то, что значительная часть теплоты передается лучеиспус­ канием.

Исследования, проведенные на дизелях Д50 и ДЮО, показали [28], что теплоотдача лучеиспусканием со­ ставляет в среднем 15—16% общей теплоотдачи и пре­

небрегать ею нельзя, так как это вносит весьма су­ щественные погрешности в расчет.

70

Н. Т. Ожгихин предложил все разновидности формул для определения аг свести к одному общему виду:

Здесь давление pv заменено плотностью газа уг, яв­ ляющейся функцией давления и температуры. Следова­

тельно, в формулу (53) входят те же физические пара­ метры, что и в формулы (51) и (52).

Так как все эти параметры изменяются в широких пределах с периодом колебаний, равным продолжитель­ ности рабочего цикла, то величины аг и теплового пото­ ка также изменяются циклически.

Выше делалось допущение о стационарности тепло­ вого потока. Для того чтобы замена нестационарного теплового потока стационарнымбыла обоснована с точ­ ки зрения количественных результатов расчета, необхо­

димо обусловить равенство количеств теплоты стацио­ нарного и нестационарного потоков за цикл:

Так как колебание температур на поверхности стенок за цикл невелико, можно принять Т{ = Т1ср

71

Примем

лг. ср Т

1 г. ;

откуда средняя заменяющая температура газа

"о

|* «V Гг rft

под кривой аг= !2{х). Для построения кривой arTr=fi(x) необходимо знать мгновенные значения аг и Тг. На

рис. 14 изображены кривые изменения Тт, аг, (Ттаг) и поверхности теплопередачи Fv четырехтактного дизеля. Кривые изменения Тт и аг за цикл у четырехтактного и двухтактного двигателей подобны.

Чем больше давление наддува, тем выше значение всех теплопередаточных функций двигателя.

Для построения кривых теплопередачи необходимо иметь индикаторную диаграмму двигателя и кривую из­ менения поверхности F<f, = f(q) или объема V = / '(ф). Пользуясь уравнением состояния, можно построить кри­ вую 7’г = /з ( т ). Зная значения рг и Тг, можно, пользуясь

а затем, плаииметрируя площади под кривыми, опреде­ лить величины

аг.ор> ^”г.ср И Тт 3.

Средняя Заменяющая температура газа всегда выше средней температуры газа за цикл и обычно составляет

Тг.з = (1 ,3 ^ 1 ,6 )Т г.ор.

72

т'и

■ о

оа

Передача теплоты через стенку и от стенки к охладителю. Определение температуры стенки

Удельным тепловым потоком называется количество теплоты, которое проходит в единицу времени через еди­ ницу поверхности станки:

Fz

Для установившихся условий работы двигателя вели­ чина теплового потока не изменяется при передаче теп­

лоты от газов к стенке, через стенку и от стенки к охлаж­ дающей воде:

Суммируя частные температурные напоры, получим полный температурный напор при передаче теплоты от газов к охлаждающей воде:

где/с — общий коэффициент теплопередачи от газа к охлаждающей воде;

74

а температуру Тг на среднюю заменяющую температуру Тг.з, тогда

Другая формула для подсчета 7\ может быть получена

75

■ или из выражения б формулы (59)'.

Для определения температуры Д по формуле (67) нужно знать величины X и aD.

Коэффициент теплопроводности X зависит от материа­ ла, из которого изготовлена деталь.

Величина au определяется по эмпирической формуле:

а„ == 300 -)- 1800 Y w [ккал/м2 • град • ч],

где w —0,25-4-2,0 м/сек — скорость воды.

Если во время работы двигателя на стенках откла­ дываются накипь, нагар, лаковые пленки, то результа­ том этого будет возрастание термического сопротивле­ ния и уменьшение общего коэффициента теплопередачи.

Чем больше толщина лаковой пленки на внутренней поверхности поршня и меньше коэффициент теплопро­ водности отложений, тем больше термическое сопротив­ ление и тем больше при прочих равных условиях темпе­ ратура стенки со стороны газа.

Коэффициент теплопроводности лаковых отложений примерно в 400 раз меньше коэффициента теплопровод­ ности чугуна и составляет 0,09-4-0,1 ккал/м - ч • град, по­ этому даже тонкий слой лака на внутренних поверхно­ стях поршня может вызвать его перегрев.

Для подсчета температур Т{ и Т% нужно знать ве­ личину удельного теплового потока q.

Значение q может быть определено эксперимен­

тально.

Приближенное значение q может быть определено, если выразить тепловой поток через параметры рабочего

процесса с учетом доли а общего количества выделив­ шейся при сгорании теплоты, которая переходит в ох­

где Hv — низшая теплотворная способность топлива; GT — часовой расход топлива, кг/ч;

76

Рц— полная охлаждаемая поверхность рабочего ци­ линдра, м2.

После подстановки выражения (71) в формулу (70) получим

Если в формулу (70) подставить значение часового расхода топлива, выраженное через эффективные пока­ затели, то получим встречающуюся в литературе зави­ симость удельного теплового потока в виде

потоком за один цикл.

Максимальное значение теплового потока в несколь­ ко раз больше средней величины. Объясняется это тем, что основная часть теплоты передается стенкам ци­ линдра во время сгорания и расширения, эти процессы составляют по сравнению с общей продолжительностью рабочего цикла менее одной четверти для четырехтакт­ ных двигателей и около одной трети для двухтактных двигателей.

Тепловая нагрузка различных участков деталей ци­

линдропоршневой группы также неодинакова.

Те участки деталей, на которые непрерывно воздей­

ствуют газы, будут испытывать большие тепловые на­ грузки, чем участки, лишь периодически соприкасающи­

еся с газами.

Температурные поля основных деталей

Вследствие значительной неравномерности нагрева деталей двигателя для суждения об их тепловой напря­ женности недостаточно определить температуру в ка­ кой-либо одной точке на их поверхности. Необходимо знать распределение температур по всей поверхности и в различных сечениях каждой детали.

77

Наибольшему нагреву подвергаются поршень, втулка, крышка цилиндра и выпускные клапаны, непосредствен­ но соприкасающиеся с продуктами сгорания.

°с

Рис. 15. Характер распределения температуры в деталях дви­ гателя:

а и б —•в поршне: в — во втулке цилиндра; / — температура внутренней поверхности втулки; 2 — температура наружной поверхности втулки

Температурные поля деталей могут быть определе­ ны с достаточной достоверностью лишь эксперименталь­ ным путем.

Характер распределения температур неохлаждаемого поршня показан на рис. 15, а и рис. 15,6, а втулки ци­ линдра— на рис. 15, в. ■

В рассматриваемом случае максимальная темпера­ тура поршня располагается в районе центра днища. По

78

мере удаления к периферии днища температура сни­ жается. По длине поршня температура снижается в nV правлении от днища к направляющей части.

Максимум температуры втулки цилиндра распола­ гается в верхней части, по мере удаления от которой температура интенсивно снижается.

Характер изменения температуры поршней и втулки цилиндра, изображенный на рис. 15, не является уни­ версальным. Закономерности температурного поля обу­ словлены характером распределения топливного факела в камере сгорания, условиями вихреобразования, особен­ ностями конструкции и охлаждения деталей двигателя, участвующих в теплопередаче.

Так, например, у поршней двухтактных двигателей с ПДП камера сгорания образуется в пространстве между днищами поршней в средней части втулки. Здесь же рас­ полагаются форсунки. Распределение. температурного поля обусловлено в данном случае таким направлением топливных факелов, при котором наибольший тепловой поток и максимальная температура располагаются не в центре, а на периферии днища поршня. Это видно на рис. 16 и 17, где изображены температурные поля и кривые распределения теплового потока в днище поршня

Радиальный перепад температур составляет примерно

20° С на 1 см.

В геометрически идентичных точках температура вы­ пускного поршня выше на 30—50° С, чем температура продувочного поршня. Внутренняя поверхность поршня, охлаждаемая маслом, имеет максимальную температуру 260°С и минимальную 190—200° С.

Перепад температур по толщине днища изменяется

рис. 1 6 , 0 следует, что по мере удаления от центра порш­ ня к периферии разность температур закономерно воз­

растает.

Минимальный удельный тепловой поток зарегистри­ рован в центральной части поршня, где он составляет

2 1 0 • 1 03 ккал1мг • ч.

79