Россия
Россия
Россия
Россия
Проанализированы особенности теплового нагружения крышек цилиндров транспортных дизелей при их конвертировании в судовые. В качестве перспективных для использования в составе судовых энергетических установок предложены двигатели ряда ЧН14/14 производства Ярославского моторного завода. Особенностью конструкции данных двигателей являются индивидуальные четырехклапанные головки цилиндров, имеющие сложную геометрическую форму. Конвертация автомобильных двигателей, головки цилиндров которых изготавливались из алюминиевых сплавов, в судовые сопровождается увеличением степени их форсированности. Головки цилиндров в процессе эксплуатации испытывают значительные тепловые и механические нагрузки, что вызывает необходимость повышенных требований к материалам головок цилиндров. Рациональный выбор материала головки цилиндров представляет собой одну из важнейших задач, решаемых при модернизации и форсировании двигателей. Опыт эксплуатации судовых дизелей свидетельствует, что для обеспечения требуемой надежности при длительном воздействии повышенных температур, обусловленных форсированием, необходим выбор чугуна в качестве конструкционного материала. Разработана трехмерная модель головки цилиндров. При выполнении расчетов обоснованы граничные условия с учетом локального характера распределения тепловых и механических воздействий на головку цилиндров дизеля. В результате численного моделирования определены и проанализированы напряженно деформированные состояния головок цилиндров, изготовленных из высокопрочного чугуна, ковкого чугуна и чугуна с вермикулярным графитом. Доказана предпочтительность применения чугунов с вермикулярным графитом, обладающих удовлетворительными литейными и физико-механическими свойствами. К преимуществам применения чугунов с вермикулярным графитом следует отнести снижение температуры головки цилиндров в области межклапанной перемычки. Доказана возможность повышения мощности двигателя с 330 до 560 кВт при замене алюминиевых сплавов чугунами с вермикулярным графитом для изготовления головок цилиндров.
цилиндр, граничные условия, уравнения подобия, коэффициент теплоотдачи, поле температур, эквивалентные напряжения, деформации
Введение
В настоящее время является востребованным и широко практикуется конвертирование в судовые (главные и вспомогательные) двигатели освоенных в серийном производстве и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации тяжелых автомобильных дизелей (например, типа ЧН14/14). Актуальность подобных мероприятий обусловливается также и необходимостью решения задачи импортозамещения: в России функционируют около десяти предприятий [1], продукция которых потенциально способна покрывать весь диапазон мощностей главных и вспомогательных судовых дизелей. В работе [1] выдвинут тезис о необходимости выпуска двигателей широкого назначения, имеющих как судовые, так и несудовые модификации. В связи со спецификой работы судового дизеля в конструкцию конвертируемого двигателя должны быть внесены изменения: настройка системы наддува, установка контура охлаждения забортной водой, обеспечение длительной прочности теплонапряженных корпусных деталей при увеличении среднего эффективного давления и др. [2, 3]. В последнем случае их температуры могут достигать значений, при которых начинают ухудшаться механические свойства конструкционных материалов. Тепловые (главным образом) нагрузки ограничивают ресурс двигателя, а неравномерность температурного поля в совокупности с высокими значениями температур и малоцикловым характером теплового нагружения приводит к появлению термических разрушений [4, 5]. С целью предотвращения такого рода разрушений модернизируются методы исследования процессов теплообмена в двигателях внутреннего сгорания [6, 7], оценки теплонапряженного состояния деталей цилиндропоршневой группы [8, 9], рассматриваются возможности использования материалов, обладающих повышенными прочностными свойствами [10], и применения теплозащитных покрытий [11, 12].
В целях обеспечения длительной прочности головок цилиндров весьма вероятно их выполнение из чугуна вместо алюминиевых сплавов. При этом необходимо обоснование марки чугуна с учетом его литейных, теплофизических и других свойств. Применение чугуна может способствовать повышению уровня форсирования двигателя и, таким образом, расширению области его применения в наземных транспортных и стационарных установках.
Цель настоящей работы – оценка теплового и напряженно-деформированного состояния литой чугунной крышки цилиндров двигателя, конвертируемого в судовой, при его одновременном форсировании; обоснование марки чугуна.
Методы и материалы исследования
Поставленную задачу решали применительно к крышкам цилиндров автомобильных дизелей типа ЧН14/14 (Ne = 330 кВт при 1 900 1/мин), поскольку имеется опыт удачных попыток их конвертирования в судовые [13] и сохраняются перспективы расширения использования модернизированных автомобильных и тракторных двигателей в составе судовых энергетических установок [14, 15]. Одновременно решали задачу возможности форсирования двигателя до Ne = 560 кВт за счет повышения давления наддува.
Трехмерная модель крышки цилиндра приведена на рис. 1.
Рис. 1. Трехмерная модель крышки цилиндра дизеля 8ЧН14/14
При расчетах температурных полей сложность представляет определение граничных условий (в нашем случае III рода) теплообмена на поверхности огневого днища, обращенной к цилиндру, и в полостях системы охлаждения. Известно, что в обоих случаях имеет место локальный характер распределения значений коэффициента конвективной теплоотдачи и температур рабочего тела или охлаждающей жидкости [16].
Поскольку значения коэффициентов теплоотдачи на омываемой продуктами сгорания поверхности огневого днища распределены неравномерно, произведен расчет их локальных значений. Функция f(r) распределения локальных значений коэффициента теплоотдачи по радиусу огневого днища описана уравнением Вошни:
где r – текущее значение расстояния от центра крышки; R – радиус днища крышки; коэффициенты А и В определяются по полуэмпирическим зависимостям [17].
Локальные значения коэффициента a теплоотдачи определяются по формуле
где ͞α – осредненное за время рабочего цикла значение коэффициента теплоотдачи.
С учетом принятых значений (A = 0,5; B = 0,5; t = 1,5; p = 1,50) и средней величины коэффициента теплоотдачи, равной 1 017 Bт/(м2·К) (определена при расчете рабочего цикла дизеля в среде приложения Diesel-RK), получено распределение коэффициента теплоотдачи по радиусу днища крышки (рис. 2).
|
α, Вт/(м2·К) |
|
1 300
1 200
1 100
1 000
900
800
700
600 |
Рис. 2. Локальные значения коэффициента теплоотдачи
от продуктов сгорания к днищу крышки
В целях определения граничных условий со стороны полости охлаждения крышки использованы полученные экспериментально зависимости для локальной теплоотдачи с их последующей математической обработкой методами теории подобия. Для охлаждаемых внутренних полостей головок структура уравнения подобия для режима вынужденной конвекции имеет вид [5]:
где Nu – число Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи); Re – критерий Рейнольдса, зависящий от режима течения жидкости; Pr – критерий Прандтля, характеризующий соотношение вязкостных и инерционных тепловых свойств среды; х – расстояние от входного сечения канала; d – характерный геометрический размер системы (эквивалентный диаметр проходного сечения канала).
В нашем случае для расчета локальной теплоотдачи на охлаждаемой поверхности, в том числе и с механически обработанными каналами в межклапанных перемычках (рис. 3), использованы следующие уравнения подобия [18, 19] при угловом и осевом входе в канал охлаждающей жидкости соответственно:
где m = 0,53 (x / d)0,165 – степень влияния скорости потока, зависящая от расстояния от входного сечения канала или полости.
Рис. 3. Полость охлаждения крышки цилиндров
Коэффициент теплоотдачи α определяется из числа Нуссельта по выражению α = Nu · λf / d, где λf – коэффициент теплопроводности жидкости.
При принятых значениях средней температуры охлаждающей жидкости (80 °С), ее коэффициента теплопроводности (0,675 Вт/м·К), коэффициента кинематической вязкости (0,365 · 10–6 м2/с), числа Прандтля (2,21) рассчитаны величины коэффициентов теплоотдачи; на поверхностях внутренней полости охлаждения крышки выделены участки поверхностей, в пределах которых значения этих коэффициентов считались условно одинаковыми (рис. 4, табл. 1).
Рис. 4. Распределение значений коэффициента теплоотдачи
на участках полости охлаждения крышки (1–4)
Таблица 1
Граничные условия в полости охлаждения
|
Участок (см. рис. 4) |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2·К) |
22 |
15,5 |
12 |
6 |
|
Температура среды, К |
353 |
353 |
353 |
353 |
Построение сетки конечных элементов производилось с учетом рекомендаций [20]. При расчете предполагалось, что крышка цилиндра выполнена из высокопрочного чугуна (ВЧ), ковкого чугуна (КЧ) или чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ), физико-механические свойства которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
Механические и теплофизические свойства чугунов
|
Параметры |
ВЧ |
КЧ |
ЧВГ |
|
Модуль упругости, МПа |
1,7·105 |
1,65·105 |
1,71·105 |
|
Коэффициент Пуассона |
0,275 |
0,260 |
0,275 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) |
35,9 |
37,2 |
45 |
|
Плотность, кг/м3 |
7 130 |
7 300 |
7 370 |
|
Коэффициент линейного расширения, 1/°С |
1,12·10–5 |
1,30·10–5 |
1,12·10–5 |
Результаты исследования
В ходе расчетов определяли поля температур и эквивалентные напряжения и деформации, обусловленные неравномерным температурным полем и закреплениями, а также газовыми силами для двух нагрузочных режимов работы: Ne = 330 кВт, pz = 16 МПа и Ne = 560 кВт, pz = 19 МПа. Некоторые из результатов представлены на рис. 5–7.
Рис. 5. Поле температур, °С, крышки дизеля 8ЧН14/14 (Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, КЧ)
Рис. 6. Поле эквивалентных напряжений, МПа, крышки дизеля 8ЧН14/14
(Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, ВЧ)
Рис. 7. Поле суммарных перемещений, мм, точек огневого днища крышки дизеля 8ЧН14/14
(Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, ВЧ)
Обращают на себя внимание значительные величины суммарных перемещений точек на поверхности днища крышки, обусловленных неравномерным температурным полем (рис. 7). Не исключено, что возникнет необходимость дополнительной механической обработки днища в области перемычек во избежание соударения с поршнем при нахождении последнего в области верхней мертвой точки.
Результаты расчетов подтверждают, что при одинаковой тепловой нагрузке максимальные температуры межклапанных перемычек крышки из ЧВГ существенно ниже, чем из КЧ и ВЧ, вследствие более высоких значений коэффициента теплопроводности. Пропорционально возрастают также максимальные напряжения и деформации (табл. 3).
Таблица 3
Результаты численного эксперимента
|
Результат |
Ne = 330 кВт |
Ne = 560 кВт |
||||
|
ВЧ |
КЧ |
ЧВГ |
ВЧ |
КЧ |
ЧВГ |
|
|
Максимальная температура в межклапанных перемычках Т, °С |
424 |
420 |
393 |
524 |
519 |
491 |
|
Максимальное эквивалентное напряжение σt, МПа |
1 152 |
1 148 |
1 067 |
1 271 |
1 480 |
1 231 |
|
Деформация вследствие неравномерности температурного поля ut, мм |
0,095 |
0,106 |
0,087 |
0,121 |
0,134 |
0,112 |
|
Максимальное эквивалентное напряжение при совместном |
1 146 |
1 250 |
1 061 |
1 467 |
1 002 |
1 172 |
|
Деформация вследствие неравномерности температурного поля при совместном действии температурного поля и газовых сил utр, мм |
0,076 |
0,071 |
0,090 |
0,100 |
0,101 |
0,086 |
Таким образом, при конвертировании тяжелых автомобильных дизелей в судовые для головок цилиндров предпочтительнее использовать ЧВГ. При значительном уровне форсирования двигателя потребуется обеспечение прочности крышки за счет соответствующих термообработок или нанесения теплозащитных покрытий.
Заключение
Конвертирование автомобильных дизельных двигателей в судовые сопровождается повышением уровня их форсированности с неизбежным возрастанием тепловых и механических нагрузок на детали цилиндропоршневой группы.
Рациональный выбор материалов деталей цилиндропоршневой группы, и прежде всего головки цилиндров, – важнейшая задача обеспечения надежности дизельных двигателей. Для осуществления такого выбора необходима оценка теплонапряженного состояния деталей. В проведенных исследованиях для такой оценки использовались методы численного моделирования.
В результате проведенного исследования на основании выполненных расчетов установлено, что при конвертировании тяжелых автомобильных дизелей в судовые для головок цилиндров предпочтительнее использовать ЧВГ. При значительном уровне форсирования двигателя потребуется обеспечение прочности крышки за счет соответствующих термообработок или нанесения теплозащитных покрытий.
1. Безюков О. К., Жуков В. А. Состояние и перспективы судового двигателестроения в России // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2017. № 2. С. 40-53.
2. Курин М. С. Конвертация автотракторных ДВС в судовые модернизацией их системы газотурбинного наддува: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2006. 22 с.
3. Жуков В. А., Ратнов А. Е. Модернизация системы охлаждения дизеля 8ЧН14/14 для его использования в составе судовой энергетической установки // Двигатели внутреннего сгорания. 2012. № 2. С. 59-64.
4. Чайнов Н. Д., Станкевич И. В., Исаев Е. В., Мильштейн Л. Г. Анализ теплового состояния блочных головок цилиндров // Двигателестроение. 1985. № 5. С. 7-9, 19.
5. Новенников А. Л. Теоретические аспекты, методы и пути улучшения теплового состояния охлаждаемых деталей поршневых двигателей: автореф. дис. … д-ра техн. наук. М., 1993. 32 с.
6. Zhukov V. A., Zhelezniak A. A., Bezmennikova L. N., Erofeev V. L. Diagnosis of Thermal Processes in Motors of the Electrical Objects // Journal of Physics: Conference Series. 2017. N. 803 (1). P. 012184.
7. Zhukov V. A., Sherban S. A., Melnik O. V., Sokolov S. S., Kolesnichenko S. V. Improvement of Methods and Means of Thermal Control of Ship Power Plants // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2019 (Saint-Petersburg, Moscow, 28-30 January 2019). Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. P. 389-392.
8. Zhukov V., Melnik O., Logunov N., Chernyi S. Regulation and control in cooling systems of internal combustion engines // E3S Web Conferences. Innovative Technologies in Environmental Science and Education (ITESE-2019). EDP Sciences. 2019. Vol. 135. URL: https://www.researchgate.net/journal/E3S-Web-of-Conferences-2267-1242 (дата обращения: 10.02.2021).
9. Zhukov V. A., Pulyaev A. A., Melnik O. V., Nyrkov A. P. Ensuring the Permissible Temperature State of Parts of the Cylinder-Piston Group of Forced Diesels // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2019 (Saint-Petersburg, Moscow, 28-30 January 2019). Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. P. 385-388.
10. Dean Pierce, Allen Haynes, Jeff Hughes, Ron Graves, Claus Daniel. High temperature materials for heavy duty diesel engines: Historical and future trends // Progress in Materials Science. 2019. Vol. 103. P. 109-179.
11. Taymaz I., Çakır K., Mimaroglu A. Experimental study of effective efficiency in a ceramic coated diesel engine // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 200. Iss. 1-4. P. 1182-1185.
12. Taymaz I. The effect of thermal barrier coatings on diesel engine performance // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201. Iss. 9-11. P. 5249-5252.
13. Безюков О. К., Жуков В. А., Курин М. С., Прохоров О. Г. Опыт конвертации автотракторных двигателей в судовые // Безопасность водного транспорта: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 300-летию Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, 10-12 сентября 2003 г.). СПб.: Изд-во СПбГУВК, 2003. Т. 3. С. 121-125.
14. Жуков В. А., Курин М. С. Перспективы конвертации автомобильных двигателей в судовые в аспекте экологических нормативов // Актуальные проблемы современной науки: сб. тр. XI Междунар. конф. (Самара, 16-18 ноября 2010 г.). Самара: Изд-во СамГТУ, 2010. Ч. 3. Механика и машиностроение. С. 41-45.
15. Жуков В. А. Перспективы использования на водном транспорте газовых двигателей серии ЯМЗ-530 CNG // Сб. науч. тр. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адмирала С. О. Макарова. СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2017. С. 183-187.
16. Кавтарадзе Р. З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 592 с.
17. Чайнов Н. Д., Мягков Л. Л., Маластовский Н. С. Методика расчета согласованных температурных полей крышки цилиндра с клапанами // Вестн. Москов. гос. техн. ун-та им. Н. Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. 2012. № 10. С. 82-91.
18. Новенников А. Л., Ивнев А. А. Исследование гидродинамики и теплообмена в каналах охлаждения головок цилиндров дизелей // Изв. высш. учеб. заведений. Машиностроение. 1989. № 11. С. 73-78.
19. Ивнев А. А. Улучшение теплового состояния головок цилиндров автомобильных дизелей за счет совершенствования их охлаждения: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1991. 18 с.
20. Галышев Ю. В., Шабанов А. Ю., Макарин А. В. Оценка необходимой точности задания граничных условий теплового нагружения головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адмирала С. О. Макарова. 2014. Вып. 3. С. 75-80.
