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

По мере удаления от центра тепловой поток растет й достигает на периферии днища 975 -103 ккал/м2 - ч.

Тепловые потоки распределяются неравномерно в различных сечениях поршня, что предопределяет также различие температурных полей поршня в разных его сечениях.

Рис. 17. Удельные тепловые потоки через днище нижнего (выпуск­ ного) поршня двигателя Д100 при Na — 2000 л. с., п = 850 об/мин:

а — в сечении по оси форсунок; б — в сечении, перпендикулярном оси фор­ сунок

Так, например, на периферии поршня двигателя Д 100 в сечении по оси форсунок g = 620103 ккал/м2-ч, а мак­ симальная температура (Птя1.= 500°С.

В сечении, перпендикулярном к оси форсунок на периферии поршня, q= 975- 103 ккал/м2-ч, а максималь­ ная температура tnmav— 520° С.

Температура поверхности днища, охлаждаемого мас­ лом, зависит главным образом от условий охлаждения и отличается стабильностью в различных сечениях.

На рис. 16,в видно, что кривые 2 и 4 изменения тем­ пературы поршня в двух разных сечениях практически совпадают.

Кривые распределения температур втулки цилиндра двигателя Д100 также отличаются от кривых распреде­ ления температур, изображенных на рис. 15. В районе выпускных окон температура втулки резко возрастает до 200°С, а в зонах, охлаждаемых водой, падает до 80-=-100°С. Однако в средней части, в районе камеры сгорания, несмотря на охлаждение, температура вновь возрастает до 15СРС. Некоторое повышение отмечается также и в зоне продувочных окон, видимо, за счет подо­ грева от газов, забрасываемых в продувочный ресивер.

Предельно допустимая температура поршня зависит от двух основных факторов: механической прочности и условий надежной работы поршневых колец.

При достижении в канавке верхнего кольца опреде­ ленной температуры усиливаются отложения лака и нагара, возрастает вероятность закоксовываиня и пригорания колец.

§ 10. ПОНЯТИЕ О НАГРУЗКЕ И НАПРЯЖЕННОСТИ ДИЗЕЛЕЙ

Нагрузка дизеля

Нагрузка дизеля обычно оценивается величинами среднего индикаторного давления р,- или среднего эф­ фективного давления ре.

Соответствующими эквивалентами этих параметров могут быть индикаторный М,- или эффективный Ме кру­ тящие моменты.

Следует считать более оправданным использование в качестве критерия нагрузки индикаторных показателей, учитывающих воздействие на детали двигателей суммар­ ной работы газов.

При этом принимается во внимание все количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива и превращается в механическую работу, а не только та ее часть, которая используется на фланце двигателя в ви­

де эффективной работы.

Весьма распространенное применение среднего эф­ фективного давления в качестве основного показателя нагрузки объясняется:

— большей доступностью для количественной оценки по сравнению с рй

82

циональная зависимость, то величины pi и ре также ха­ рактеризуют механическую нагрузку двигателя.

Кроме механической нагрузки, необходимо учитывать тепловую нагрузку.

Тепловую нагрузку цилиндра двигателя принято оце­ нивать количеством теплоты, проходящим в единицу вре­ мени через единицу поверхности стенок цилиндра, т. е. удельным тепловым потоком.

Из формулы (72) следует, что удельный тепловой поток прямо пропорционален р,Ст и обратно пропорцио­ нален индикаторному к. п.д.

Средняя скорость поршня является косвенным пока­ зателем механической нагрузки, так как при прочих рав­ ных условиях с ней связаны величины сил инерции масс движущихся деталей. Величина Рг связана прямой зави­ симостью с индикаторным крутящим моментом, а потому характеризует не только тепловую, но и. механическую нагрузку.

Таким образом, величина q включает показатели, характеризующие суммарную нагрузку дизеля.

Взаимозависимость q и щ определяется тем, что индикаторный к. п.д. устанавливает долю распола­ гаемого тепла, используемую на совершение полезной работы.

Чем больше величина гр, тем меньше доля потерь тепла, т. е. тем относительно меньшее количество тепла

будет отводиться через различные каналы, в том числе и через стенки цилиндра.

Теплонапряженность

В литературе по двигателям внутреннего сгорания нет точного и общепринятого определения понятия «теп­ ловая напряженность».

Некоторые авторы не делают различия между теплонапряженностью и тепловой нагрузкой двигателя, при­ нимая в качестве критерия того и другого величину удельного теплового потока через стенки цилиндра.

В отдельных случаях дополнительным критерием теплонапряжениости считается осредненная температура нагреваемой поверхности стенок цилиндра.

Если исходить из того, что теплонапряженность яв­ ляется критерием для сравнительной оценки работоспо-

84

ёобности двигателя, то её показатели должны прежде всего характеризовать уровень температур и темпера­ турных напряжений деталей.

Таким образом, теплонапряжениость — значительно более широкое понятие, включающее и тепловую на­ грузку, и тепловые напряжения, и температурный уро­ вень основных деталей.

Сложные сечения поршня, крышки и втулки цилинд­ ра, неравномерность распределения материала в раз­ личных участках, неравномерность нагрева по поверх­ ности деталей и в различных сечениях — все это создает значительные препятствия для расчетного определения поля напряжений и их использования в качестве пока­ зателя теплонапряженности.

В связи с этим прибегают к использованию комплек­ са показателей, которые позволяют прямо или косвенно оценивать теплонапряжениость двигателя.

К параметрам, непосредственно характеризующим теплонапряжениость, относятся температура стенки де­ тали и температурный градиент.

От температуры зависят прочность материала и ус­ ловия смазки.

От разности температур зависит величина напряже­ ний. Одной из основных деталей, от напряженности ко­ торых зависит работоспособность двигателя в целом, как правило, является поршень. Рост температуры порш­ ня по мере форсирования дизелей снижает механиче­ скую прочность, приводит к интенсификации процессов нагарообразоваиия и лакообразования, увеличивает ве­ роятность закоксовывания и пригорания поршневых ко­ лец, ухудшает условия смазки, ведет к возрастанию из­ носа и снижению надежности двигателя.

Для снижения температуры поршней форсированных дизелей применяют масляное охлаждение. Эта мера, снижая температурный уровень, вместе с тем приводит к росту градиента температур в днище поршня и к росту температурных напряжений.

Высокой теплонапряжениостью отличаются также вы­ пускные клапаны, днища крышек, верхний пояс ци­ линдровых втулок и рабочие лопатки наддувочной га­

зовой турбины.

Существует прямая связь между количеством тепла, выделяющимся во время сгорания в цилиндре двига-

85

-теля, и теплонапряжениостью. Эта обстоятельство дает основание использовать в качестве косвенного показа­ теля теплонапряженности удельный тепловой поток или другие параметры, позволяющие получить данные срав­ нительной энергоиасыщенности единицы рабочего объ­ ема цилиндра.

В конечном счете введение косвенных показателей ■ позволяет сравнивать различные двигатели по уровню их форсировки с учетом как тепловой, так и динамиче­ ской (механической) напряженности, что вполне оправ­ данно, так как в двигателе трудно отделить органически взаимосвязанное воздействие тепловых и механических нагрузок.

Косвенные показатели напряженности

Для сравнения и оценки форсировки и напряжен­ ности двигателей могут быть приняты следующие кос­ венные показатели:

Показателем Яи можно оценить уровень напряжен­ ности с учетом достигнутой величины удельной нагрузки цилиндра ри степени быстроходности Сш, тактности к и эффективности преобразования располагаемого тепла в

работу gi.

Из рассмотрения формулы (78) следует:

— чем больше величина piCm—n"H, тем больше на­

пряженность двигателя;

— при равных величинах Я" напряженность двух­

тактного двигателя больше напряженности четырехтакт­ ного двигателя;

86

— чем меньше g t, т. е. чем выше экономичность, тем при прочих равных условиях меньше напряженность двигателя.

Это положение не всегда оказывается правильным. В определенных условиях протекания рабочего процес­ са при возрастании скорости выделения тепла и относи­ тельном уменьшении теплоотвода средняя температура цикла и температура деталей могут возрасти-г'Что повле­ чет за собой увеличение теплонапряженности, несмотря на улучшение экономичности.

Показатель Я" , выраженный через среднее эффек­

тивное давление, часто называют показателем форси­ ровки двигателя.

Однако использовать его можно с полным основа­ нием только для сравнения напряженности однотипных двигателей или данного двигателя на различных режи­ мах.

Для оценки уровня форсировки и напряженности ча­ сто используют удельную и поршневую мощности. Удельная мощность

где z — число цилиндров двигателя; Vh — рабочий объем цилиндра, м3.

Если рабочий объем цилиндра выражается не в ку­

бических метрах, а в литрах, то в этом случае удель­ ную мощность принято называть литровой.

Поршневая мощность

где 2,Fn— суммарная площадь всех поршней.

Так как д== то в формулы (82) и (83) можно

вместо числа оборотов п подставить пропорциональную величину средней скорости поршня.

Сравнивая выражения Яуд и Яп с показателем на­ пряженности П н’ , мы видим, что все они по существу

физически идентичны и отличаются лишь величинами по­ стоянных коэффициентов.

87

Из рассмотрения формул (82) и (83) следует также, что удельная и поршневая мощности зависят от разме­ ров цилиндра (5 и D).

Из самого определения удельной мощности вытекает, что при прочих равных условиях величина ее тем боль­ ше, чем меньше размеры цилиндра.

Очевидно, что поршневая и удельная мощности не могут считаться вполне объективными критериями для оценки и сопоставления степени напряжениости двига­ телей с разными размерами цилиндра.

Этот вывод в равной мере относится также и к по­ казателям я „ , я ; и П'1 .

Вместе с тем при прочих равных условиях с изме­ нением размеров цилиндра изменяется и его напря­ женность.

Если остаются неизменными число оборотов, дав­ ление наддува, среднее индикаторное давление и ус­ ловия сгорания, то с увеличением диаметра цилиндра возрастают силы инерции и динамические нагрузки на главные подвижные детали двигателя, так как масса этих деталей увеличивается так же, как и рабочий объ­ ем цилиндра, т. е. пропорционально третьей степени диаметра.

Следовательно, чем больше диаметр цилиндра, тем больше механические напряжения. Но с ростом диамет­ ра цилиндра возрастает также теплонапряженность, ухудшаются условия охлаждения цилиндра, так как уменьшается относительная поверхность охлаждения и растут температура и температурный градиент стенок цилиндра, поршня и крышки.

§ П. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАПРЯЖЕННОСТЬ ДИЗЕЛЯ

Давление наддува

От давления наддува зависит величина среднего ин­ дикаторного давления, а следовательно, и величина по­ казателей напряженности:

88

Величина удельного теплового потока также возра­ стает с увеличением давления наддува, в том числе и в случае сохранения a = const. Для качественного анализа можно воспользоваться рис. 18, на котором представлены графики зависимости среднего эффективного давления, тепловой нагрузки и удельного расхода топлива от давления наддува. Кривые (рис. 18, а, б, в, г) соответ­

хранения постоянства тепловой нагрузки.

При изменении jtK от 1 до 4 тепловая нагрузка дви­ гателя возрастает в 1,5—1,6 раза, если применяется ох­ лаждение воздуха, и в 2,4—2,5 раза, если воздух не ох­ лаждается (рис. 18, в).

Среднее эффективное давление при этом возрастает более интенсивно в случае применения охлаждения воз-

89