Завышение толщины стенок деталей, работающих при высоких температурах

Надежность деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) современных мощных судовых дизелей определяется величинами механической и тепловой напряженности. На ранней стадии постройки дизелей, до введения наддува, механическая напряженность обеспечивалась достаточными запасами прочности, а тепловая напряженность была еще меньше, чем механическая. По мере внедрения наддува и повышения цилиндровой мощности дизелей тепловая напряженность стенок деталей ЦПГ, и особенно поршней, настолько возросла, что появилась необходимость в ее тщательном расчете.
В современном представлении  тепловая напряженность, как и механическая, характеризуется напряжениями, возникающими в стенках теплопередающих деталей вследствие перепадов температур. Тепловая напряженность, кроме того, определяется уровнями температур в нескольких наиболее нагретых точках поршня, крышки и втулки цилиндра. Прежде всего это максимальная температура днища поршня, которая зависит от формы днища и материала головки поршня.
Обратимся к примерам.
Рис 2 Температурные поля головки поршня дизелей Зульцер RD76 и Бурмейстер и Вайн VT2BF84/180
На рис. 2, а показано температурное поле головки поршня дизеля Зульцер RD76 с цилиндровой мощностью 1500 э л. с, полученное путем моделирования поля на электропроводной бумаге. Такой способ изображения температурного поля с достаточной точностью сходится с данными, полученными опытным путем, и вполне надежен при оценке тепловой напряженности деталей.
На рис. 2, б показано температурное поле поршня дизеля Бурмейстер и Вайн VT2BF84/180 с цилиндровой мощностью 2100 э л с, полученное таким же способом.
Как видно из рисунков, наиболее высокие температуры наблюдаются на периферийной части днища поршня. По данным Ю. Я. Фомина, в подавляющем большинстве случаев такое распределение температур наблюдается и у других дизелей. Например, у дизеля Зульцер RD76 с масляным охлаждением поршня температура периферийной части днища достигает 540°С. Правда, фирма вскоре перешла на водяное охлаждение поршня (на рис. 2, а показано температурное поле поршня с водяным охлаждением).
От перепадов температур между поверхностью стенки днища, обращенной к камере сгорания, и охлаждаемой поверхностью, которые достигают 350—360°С (дизель Зульцер RD76 с водяным охлаждением), зависят температурные напряжения в поршне: чем больше перепад температур, тем выше напряжения. Кроме того, вследствие высоких температур ограничено применение сталей, не обладающих жаропрочностью.
Температурные поля на поверхностях со стороны камеры сгорания не являются статическими, так как температуры поверхностных слоев металла колеблются в зависимости от температуры рабочего процесса. Во время пуска дизеля и прогрева деталей ЦПГ температурное поле этих деталей непрерывно изменяется и, как показали эксперименты, на некоторых этапах работы дизеля наивысшие температуры головки поршня и перепады температур между поверхностями головки значительно превышают таковые, полученные расчетным путем. И теплоперепады, и наивысшие температуры отдельных частей поршня будут тем выше, чем больше толщина стенки этих частей.
При возрастающих параметрах рабочего процесса новых дизелей вопрос снижения тепловой напряженности деталей ЦПГ, и прежде всего поршня, становится решающим. Повышения надежности головок поршней можно достигнуть: уменьшением толщины стенки поршня в наиболее теплонапряженных местах; применением стали с более высоким пределом длительной прочности; разработкой новых конструкций поршней, крышек и втулок.
Уменьшение толщины стенок лимитируется механическими напряжениями, которые в новых дизелях также растут, тогда как необходимые коэффициенты запаса прочности уменьшаются и в некоторых отдельных узлах современных дизелей механическая напряженность уже близка к предельной. Поэтому ведущие дизелестроительные фирмы при создании новых дизелей и модернизации существующих разрабатывают совершенно новые конструктивные решения, основной целью которых является уменьшение толщины днищ поршней с обеспечением их достаточной жесткости.
Не меньшее значение в уменьшении теплонапряженности деталеи ЦПГ имеет разработка наиболее рациональных схем их/ охлаждения для новых дизелей, а также модернизация таковых у дизелей существующих (например, переход с масляного охлаждения на водяное).

Так, при переводе дизеля Зульцер RSAD76 с масляного охлаждения на водяное температура наиболее теплонапряженных участков днища поршня понизилась в среднем на 145°.
Первая модель дизеля Зульцер RD76 также имела масляное охлаждение поршня (рис. 3, а). Температурное поле поршня и верхней части втулки этого дизеля показано при ре=7 кгс/см2. Как видно по изотермам, температура в угловой части головки поршня была очень высокой, значительно превышающей 500°С. Это объясняется значительным увеличением толщины стенки в этой части, а также воздействием лучистой энергии от горящего факела топлива.
При переводе дизеля на водяное охлаждение головка поршня была модернизирована (рис. 3,6): толщина днища и угловой части головки поршня уменьшена, а для компенсации этого уменьшения днище усилено ребрами жесткости, вследствие чего сопротивляемость днища изгибающим моментам, вызываемым давлением газов, увеличилась. Это позволило уменьшить толщину и боковой стенки поршня в месте перехода в зону поршневых колец, и, кроме того, создать местное утонение, которое Ю. Я. Фомин называет своеобразной тепловой дамбой, снижающей температуру колец.
Конструктивные изменения и введение водяного охлаждения резко снизили теплонапряженность поршня. Несмотря на увеличение нагрузки в 1,43 раза (поршень, изображенный на рис. 3, 6, имеет ре~ 10 кгс/см2), температуры в центре поршня одинаковы в обоих вариантах, а на периферии и над первым кольцом ниже на 80 и 25°С соответственно. В дальнейшем на этих дизелях, в частности на 6RD76, давление ре было снижено до 8,06—8,07 кгс/см2 и тепло-напряженность поршня еще более снизилась (см. рис. 2, а, где давление на поршень ре = 8,07 кгс/см2).
Много недостатков имеют головки поршней дизелей фирмы МАН, особенно марки DMRK6Z57/80C (изготовлена в ГДР по лицензии фирмы и установлена на многих грузовых и пассажирских судах, построенных для Советского Союза).
Стремясь улучшить эксплуатационные качества своих дизелей, фирма МАН непрерывно совершенствует конструкции наиболее ответственных узлов новых дизелей и модернизирует существующие конструкции.
Рис 4. Изменения конструкции головки поршня дизеля МАН KZ
На рис. 4, а, 6, в показаны последовательные изменения конструкции головок дизелей типа KZ для уменьшения толщины стенки днища поршня с одновременным обеспечением достаточной его жесткости. Головка поршня дизеля KZ105/180 вследствие высокого давления газов на поршень при таком большом его диаметре (1050 мм) отличается от предыдущих конструкций тем, что со стороны камеры охлаждения имеет двойной ряд кольцевых перегородок (см. рис. 4,в), что позволило уменьшить толщину как днища, так и боковых стенок толовки. Кроме того, уменьшена толщина стенок и верхней части втулки цилиндра, образующей камеру сгорания, путем установки специальных уплот-нительных колец в районах фланца втулки (узел I, рис. 5) и нижней ее части (узел II). Там же показаны средние температуры стенки втулки. Такое изменение конструкции позволило уменьшить термические напряжения при нагревании и охлаждении втулки.
Рис 5. Втулка цилиндра дизеля МАН KZ105/180
Существенно изменила конструкцию головки поршня и втулки в своих дизелях фирма «Фиат», разгрузив днище поршня от изгибающих моментов путем упора днища на силовую вставку. Такая вставка, сохраняя необходимую жесткость днища, позволила значительно уменьшить его толщину. Тепловой поток через днище возрос, но благодаря уменьшению его толщины температура днища понизилась, а следовательно, понизилась и его теплонапряженность. В наиболее нагретых частях днища уменьшение температуры достигло до 140°С.
С такой же целью была модернизирована втулка дизеля 900S. На рис. 6, а показана первоначальная конструкция втулки с утолщенной частью ниже фланца, расположенной в районе камеры сгорания, и массивным телом в остальной части вследствие наличия вставной гильзы. В литературе неоднократно отмечался ненормально высокий износ втулок этих дизелей, который приписывали именно значительному утолщению верхней части втулки, способствующему повышению температуры ее рабочей поверхности.
В новой конструкции втулки (рис. 6,6) утолщение верхней части ликвидировано, общая толщина стенок втулки уменьшена, охлаждение сделано более интенсивным. Из графиков (рис. 6, в) средних температур стенок втулки в зависимости от давления ре видно, что в тонкостенной конструкции средняя температура втулки значительно снизилась, вследствие чего улучшились условия работы пары поршень — втулка и прекратились аварийные износы втулок.
Рис. 6. Конструктивные варианты втулки дизеля Фиат 900S
Рис 7. Температурные поля в деталях дизеля  Мицубиси UEC75/150
Из сказанного можно сделать следующие выводы. Детали ЦПГ, которые передают тепло от топлива к охлаждающей жидкости, тем надежнее, чем тоньше их стенки (с условием обеспечения их механической прочности). Чем тоньше стенка и меньше в ней температурный перепад, тем меньше температурные напряжения. Кроме того, чем тоньше стенка, тем более интенсивно она передает тепло, поэтому и начальные температуры таких стенок со стороны камеры сгорания ниже, чем толстых стенок. Это особенно важно для рабочих поверхностей втулок, максимальная температура которых ограничивается условием образования и сохранения масляной пленки.
В целях поддержания температурных напряжений на возможно более низком уровне конструкторы идут на увеличение механических напряжений в допустимых пределах.
Так, при создании дизеля Зульцер 8RND105 обнаружилось, что увеличение сечений деталей, пропорциональное отношению диаметров цилиндров 1050 и 900 мм, приводило к слишком высоким температурам на поверхностях наиболее тешюнапряженных участков и, при значительной толщине стенок, к высоким термическим напряжениям. Поэтому было решено оставить основные сечения такими же, как у дизеля RD90, допустив увеличение механических напряжений на 20%. Как показали испытания, термические напряжения при этом понизились, а надежность деталей возросла.
Как пример не совсем удачного распределения толщин основных деталей ЦПГ, Ю. Я. Фомин анализирует температурные поля в деталях дизеля Мицубиси UEC75/150 (рис. 7). Охлаждение поршня дизеля водяное, давление ре=7,55 кгс/см2, частота вращения п=120 об/мин, цилиндровая мощность JV = = 1330 э.л. с.
В основной части днища крышки температуры сравнительно низкие (200— 270°С), и только в перемычке между стаканами под форсунку и выпускной клапан, в месте плохого охлаждения и большой массы металла, температура достигает 300°С. Температурное поле на поверхности днища поршня имеет перепад температур от центра к периферии 150°С. Перепад температур по толщине стенки в центре днища 170°С, а в месте перехода в боковую стенку достигает 250°С. Кромка поршня из-за очень массивной угловой части и радиационного теплового потока от факела топлийа имеет повышенную температуру (более 400°С). Ю. Я. Фомин полагает, что менее массивной выполнить эту часть поршня невозможно, так как днище поршня имеет сравнительно с другими дизелями малую толщину (всего 43 мм).
Дизели Мицубиси не получили в нашем флоте большого распространения, поэтому трудно судить, насколько долговечны в эксплуатации описанные детали дизеля UEC75/150.
Нельзя считать, что судовые механики совершенно беспомощны перед таким дефектом дизеля, как завышенная толщина стенок теплопередающих частей деталей ЦПГ. При достаточной наблюдательности можно заметить некоторые симптомы, указывающие на то, что данный участок какой-либо детали работает с тепловой перегрузкой. Например, при осмотрах охлаждаемой поверхности головок поршней можно увидеть, что отложения (нагар при масляном охлаждении или накипь—при водяном) распределяются по поверхности неравномерно. Разумеется, нужно обратить внимание на участки с наибольшей толщиной отложений. Спроектируй эти участки на наружную поверхность головки, следует тщательно осмотреть ее с лупой. В этой зоне можно обнаружить прерывистые или сплошные цепочки местных коррозионных разрушений, а иногда и значительные площади сплошного разрушения. Как правило, нагар в виде сажи на этом участке отсутствует.
Если такие явления наблюдаются неоднократно и площадь разрушений с наружной стороны продолжает увеличиваться, можно полагать, что этот участок головки работает с тепловой перегрузкой. Вопрос только в том, что является причиной этой перегрузки: мощный тепловой поток, с которым стенка справляется с трудом, или дефекты системы охлаждения. Вероятность той или иной причины перегрева стенки определяет механик.
При работе цилиндровой втулки при недопустимо высокой температуре на рабочей поверхности появляется так называемый лак, указывающий на то, что вследствие высокой температуры масло потеряло свои свойства и процесс смазки втулки нарушен. Правда, это явление может возникнуть и в том случае, когда используют цилиндровое масло, марка которого не соответствует данным условиям.
Другим признаком высокой температуры стенки втулки является усиленный износ в ее верхней части. Но и здесь причиной может быть не высокая температура втулки, а низкое качество чугуна, из которого она изготовлена.
Из изложенного ясно, что обнаруженный дефект следует оценивать с учетом всех возможных факторов, явившихся его причиной.

Комментариев нет:

Отправить комментарий

Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.

Djohn2008 Store

  Доброго времени суток! Мы занимаемся продажей цифровых товаров с 2008 года и смогли завоевать отличную репутацию среди наших клиентов. В д...