Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Воробьев_Теория судовых двигателей

.pdf
Скачиваний:
525
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
4.45 Mб
Скачать

Во время работы ДВС детали ЦПГ и ГТ, соприкасаясь с ОГ, нагреваются. Работоспособность этих деталей обеспечивается их охлаждением.

Цилиндры и крышки цилиндров СДВС обычно охлаждаются пресной водой; форсунки – топливом или водой. При проведении теплобалансовых испытаний определяют раздельно теплоту, отводимую от каждого узла – цилиндров, крышек, поршня, ГТ, охладителей, наддувочного воздуха и т. д. Отдельно определяют теплоту, отводимую от циркуляционного масла в маслоохладителе.

Потери теплоты с охлаждающей средой определяются из уравнения

qохл = Gохл C (Tвых Твх ),

Ne

где Gохл – расход охлаждающей жидкости, кг/ч; Ne – эффективная мощность дизеля, кВт; С – удельная теплоемкость охлаждающей жидкости, кДж/(кг К); Tвх, Твых – температура охлаждающей жидкости на входе и выходе, К.

О потерях теплоты с выпускными газами в дизеле с ГТН существуют два понятия. При составлении внешнего теплового баланса потери теплоты с выпускными газами определяют как разность теплосодержаний выпускных газов на выходе из ГТ и поступающего в компрессор воздуха:

qг = Мφaqe C"p' T0– Lφaqe C 'p T0.

Кроме этого, при оценке внутренних составляющих внешнего теплового баланса определяют потери теплоты с ОГ по состоянию газов за цилиндром. Их вычисляют как разность теплосодержания выпускных газов за цилиндром и наддувочного воздуха перед цилиндром:

qги = Мφaqe C"p' Tт – Lφaqe C 'p Ts.

Теплота, эквивалентная механическим потерям в виде отдельной составляющей теплового баланса, не рассматривается. Теплота, выделившаяся при трении между поршнем и втулкой, отводится в основном с водой, охлаждающей цилиндры. Теплота трения подшипников отводится с циркуляционным смазочным маслом. Величина qохл учитывает теплоту, передаваемую через стенки рабочим телом и значительную часть теплоты трения. Не перешедшая в охлаждающую среду теплота механических потерь учитывается остаточным членом qнб.

121

Остаточным членом теплового баланса учитываются также потери теплоты от неполноты сгорания, потери с выходной скоростью ОГ, эквивалентные их кинетической энергии, потери на лучеиспускание двигателя в окружающую среду, ошибки от неточности измерений. Остаточный член теплового баланса определяют как разность между количеством теплоты, подведенной с топливом, и известными членами внешнего баланса:

qнб = qт (qe + qохл + qг).

У дизеля на номинальном режиме работы на отдельные составляющие теплового баланса расходуется следующее количество теплоты в %

от qт: qe = 35–42 %; qохл = 15–28 %; qг = 25–42 %; qнб = 1–8 %. При фор-

сировке ДВС с наддувом значение qe и qг повышается, а qохл снижается. При работе ДВС на винт тепловой баланс будет (рис. 12.2)

qe – теплота, эквивалентная эффективной работе; qохл – теплота, идущая в охлаждающую среду; qфорс – теплота охлаждения форсунки; qхол – теплота охлаждения наддувочного воздуха; qТК – теплота охлаждения ТК; qм – теплота со смазочным маслом; qпор – теплота охлаждения поршня; qг – теплота с выпускными газами; qнб – остаточный член

Рис. 12.2. Тепловой баланс судового дизеля

122

Из графика видно, что при увеличении Ne и n количество теплоты, эквивалентное qe увеличивается, при этом уменьшается qохл, но несколько растет qг.

12.2. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ

Данные о тепловом балансе СДВС показывают, что значительная часть теплоты теряется с охлаждающей водой и выпускными газами. Рациональное использование теряемой теплоты на судовые нужды позволяют повысить энергетический КПД СЭУ. В современных СЭУ утилизируют энергию ОГ и теплоту охлаждающей воды.

Температура газов в выпускном трубопроводе у МОД t = 350–450 °C, у 4-тактного двигателя t = 400–500 °С. Часть этой теплоты используется в ТК для наддува; при расширении газов в турбине температура снижается на 70–120 °С. После этого часть теплоты используется в утилизационных котлах для получения пара. Бывают котлы с низкой и высокой ступенями давления – рнд =300–400 кПа и рвд = 800–1200 кПа.

Пар низкого давления используется для подогрева воды, топлива, масла и для бытовых нужд. Пар высокого давления – в утилизационных паровых турбогенераторах. Пароводяной контур утилизационного котла обычно сообщен со вспомогательным котлом. Для повышения экономичности и паропроизводительности утилизационный котел снабжают экономайзерами и пароперегревателями. Утилизационные котлы работают с относительно невысокой температурой рабочего тела, и основная теплоотдача трубкам происходит за счет конвекции. Температура ОГ за утилизационным котлом должна превышать температуру теплоносителя на 50 °С для необходимой теплопередачи при ограниченной поверхности. На долевых режимах температура ОГ за котлом должна быть не ниже 160–170 °С для избежания конденсации в выпускном трубопроводе паров воды и серной кислоты (при работе на сернистых топливах).

Для избежания ухудшения рабочего процесса в цилиндрах ДВС наибольшее газодинамическое сопротивление утилизационного котла не должно превышать 2,5 кПа в 2-тактном ДВС и 4 кПа в 4-тактном ДВС.

Количество ОГ, поступающих в утилизационный котел, составляет qг 8–11 кг/(кВт ч) в 2-тактном двигателе и qг 5–8 кг/(кВт ч) в 4-тактном двигателе.

123

= 3190–3640 кДж/(кВт ч).

Располагаемое удельное количество теплоты ОГ при qг = 35–40 % и qe = 0,211 кг/(кВт ч) будет

qг = Qг Ne

Удельная поверхность нагрева утилизационных котлов составляет Fук = 0,027–0,054 м2/кВт в установках с 2-тактным двигателем и Fук = 0,082–0,136 м2/кВт для 4-тактного двигателя.

Из опыта известно, что удельная паропроизводительность утилизационного котла V = 0,34–0,41 кг/(кВт ч) – 2-тактный двигатель, и V = 0,54–0,61 кг/(кВт ч) – 4-тактный двигатель. Экономия топлива на т/х при утилизации теплоты ОГ СДВС составляет 5–10 %.

Применяется также утилизация теплоты охлаждающей воды (ОВ). Она имеет температуру на выходе 65–75 °С. Теплота ОВ используется в вакуумной испарительной установке для получения пресной воды. Располагаемое количество теплоты ОВ обычно значительно больше необходимой для выработки требующейся для судна пресной воды. В СДВС при Ne = 7360 кВт выход воды может составить 60 тонн в сутки – это значительно больше необходимого для нужд судна.

124

ЛЕКЦИЯ 13 ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТЬ ДИЗЕЛЕЙ

13.1.Показатели и критерии теплонапряженности дизеля.

13.2.Способы определения теплового состояния дизеля.

13.3.Примеры теплового состояния деталей ЦПГ.

13.1.ПОКАЗАТЕЛИ И КРИТЕРИИ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ ДИЗЕЛЯ

Повышение мощности дизеля путем наддува ограничивается в основном уровнем механической и тепловой напряженности. По механической напряженности детали дизеля обычно имеют достаточный запас прочности.

Теплонапряженность дизеля характеризуется тепловым состоянием деталей ЦПГ и оценивается целым комплексом показателей. В отличие от запаса механической прочности, разрыв между предельными значениями показателей теплонапряженности и значениями эксплуатационных показателей небольшой. Превышение предельных значений в эксплуатации приводит к выходу из строя дизеля. Поэтому проблема снижения теплонапряженности является важной при конструировании, а в эксплуатации необходим постоянный контроль этих показателей. Эти проблемы важны при повышении удельной мощности и надежности. Показатели теплонапряженности бывают непосредственные и косвенные.

Рис. 13.1. Схема теплопередачи через плоскуюстенку

125

Рис. 13.2. Схема теплопередачи через стенки разной толщины при одинаковых условиях теплоотдачи (ав = соnst)

К непосредственным относятся значения температур в характерных (реперных) точках и температурные напряжения в стенках теплонапряженных деталей ЦПГ. Температурные напряжения зависят от перепадов температур в стенках. Так, для втулок цилиндров с относительно тонки-

ми стенками ( r2 < 1,1, где r1 и r2 – внутренние и наружные радиусы) r1

температурные напряжения изменяются прямо пропорционально изме-

нению перепада температур и определяются

σт = ± 2α(т1EµT),

где αn – коэффициент линейного расширения металла втулки, К–1; Е – модуль упругости металла втулки, кПа; Т – перепад температур по толщине втулки, К; µ – коэффициент Пуассона.

Перепад температур на установившемся режиме пропорционален толщине стенки

Т = Т1 – Т2 = λq δ,

где Т1, Т2 – температура внутренней и наружной стенок втулки, К; q – удельный тепловой поток в охлаждающую среду, Вт/м2; λ – коэффициент теплопроводности металла, Вт/(м К); δ – толщина стенки, м.

126

Напряжения определяем по формуле

σт = ±

α Eqδ

,

т

2(1−µ)λ

таким образом, σт ~ δи ~ q.

Механические напряжения растяжения для втулки цилиндра можно оценить

σθ = pzδD , 2

где pz – максимальное давление, кПа; D – диаметр цилиндра, м. Механическое напряжение с увеличением δ снижается. При повы-

шении мощности дизеля наддувом увеличиваются pz и q. Задача сохранения механических напряжений в допустимых пределах требует увеличения δ. Но при увеличении δ увеличиваются температурные напряжения, аналогично происходит с увеличением D. На длительных режимах эксплуатации дизеля суммарные механические и температурные напряжения не должны превышать предельно допустимых. При конструировании деталей ЦПГ или модернизации деталей это условие является ограничением допустимой нагрузки (Рe) и выбора конструкции деталей ЦПГ, а также применяемых материалов. Повышение наддува привело к существенным изменениям конструкции деталей ЦПГ и компоновки камер сгорания. Широко применяются монолитные детали ЦПГ с каналами для охлаждающей жидкости.

Наряду с температурным напряжением в качестве непосредственных показателей теплонапряженности служат значения температур в характерных точках деталей ЦПГ.

1. Температура поршня над канавкой первого уплотнительного кольца, обуславливающая вместе с сортами топлива и цилиндрового масла состояние масляной пленки, состояние поршневых колец, их упругость и подвижность в канавках. Для современных минеральных масел эта температура 180–200 °С (230 °С – со специальными присадками), синтетические масла имеют более высокие пределы.

2. Температура внутренней поверхности втулки цилиндра на уровне первого уплотнительного кольца при положении поршня в ВМТ. Из аналогичных соображений эта температура не должна превышать 190 °С. В нижней части втулки цилиндра температура поверхности должна быть выше точки росы паров серной кислоты и водяных паров, чтобы избежать коррозии и повышенных износов (особенно при использовании сернистых топлив).

3.Максимальная температура днища поршня со стороны газов.

Вцелях достаточной прочности и долговечности поршней в дизеле с ох-

лаждаемыми поршнями со стальными головками tmax = 430–500 °C. При

127

более высоких значениях металл выгорает и теряет механическую прочность. Превышение температуры может произойти при неисправностях ТА (зависание иглы форсунки, закоксовывание сопловых отверстий и т.д.).

Рис. 13.3. Температурные поля поршня и втулки цилиндра дизеля «Зульцер»

смасляным (а) и водяным (б) охлаждением поршня

4.Максимальная температура днища крышки цилиндра. Крышка по конструкции сложна. Наличие форсунки, клапанов, впускного и выпускного каналов, полостей охлаждения усложняют обеспечение прочности. В целях обеспечения температурной и механической прочности

температура крышки не должна превышать 350 °С.

128

5. tmax днища поршня со стороны масла (при масляном охлаждении). Для предотвращения лакообразования эта температура не должна превышать 200 °С. Если tmax > 230 °С, наблюдается лакообразование, которое снижает теплопередачу, идет перегрев стенок поршня, снижается прочность металла, что приводит к образованию трещин.

6. tmax посадочного пояса выпускного клапана не должна превышать 500 °С. При tmax > 550 °C создаются условия для коррозии посадочного пояса. Соли ванадия и натрия (содержащиеся в золе топлива) при сгорании плавятся и прилипают к посадочной поверхности, нарушается плотность клапана, образуются свищи, и металл выгорает (тарелка клапана и седло). Эти явления усугубляются при использовании тяжелых сернистых топлив.

13. 2. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДИЗЕЛЯ

Значения температур в стенках деталей ЦПГ определяются при специальных измерениях теплонапряженности двигателя с помощью термопар или расчетными способами на стадии проектирования (моделирования) МКЭ, ЭТА и др. После термометрирования строятся температурные поля деталей, представляющие собой характер расположения изотерм на поперечном разрезе детали (рис. 13.4).

Наружная поверхность Внутренняя поверхность

Рис. 13.4. Температурные поля деталей

129

1325 1620 1915 Neц, кВт _700_________800_________900_______Ре, кПа

Рис. 13.5. Изменение температуры деталей от нагрузки

n, об/мин

Рис. 13.6. Зависимости температур днища поршня двухтактного дизеля «Фиат» от среднего эффективного давления и частоты вращения

130