Вы здесь

Удосконалювання експлуатації суднових дизелів регенерацією властивостей їх основних елементів

Автор: 
Тарапата Всеволод Всеволодович
Тип работы: 
Дис. докт. наук
Год: 
2005
Артикул:
0505U000237
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

Раздел 2
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
2.1. Обеспечение термодинамической замкнутости рабочего пространства цилиндра
дизеля как необходимое условие совершенствования и повышения эффективности его
эксплуатации
Судовой дизель представляет собою машину, предназначенную для преобразования
химической энергии топлива в механическую, потоки которой обеспечивают ход
судна, работу электрогенераторов и других СТС [210]. Это преобразование
происходит в замкнутом пространстве (рис. 2.1), ограничен-
ном рабочими поверхностями основных элементов (деталей) дизеля: головки поршня
1, втулки 2 и крышки 3 цилиндра.
Проанализируем, используя подходы [92], процессы энергопреобразования в рабочем
цилиндре двухтактного дизеля, являющегося наиболее распространенной
энергетической установкой морских транспортных судов – на его долю приходится
до 70 % суммарной мощности главных двигателей [93]. В основу анализа положим
критерий термодинамической замкнутости, т.е. отсутствие или наличие массообмена
с окружающей средой – утечки газообразных продуктов сгорания или воздушного
заряда из надпоршневой полости рабочего цилиндра дизеля.
Рассмотрим вначале процессы в новом двигателе, когда размеры деталей,
образующих камеру сгорания, и зазоры д [3 Зазор рассматривается как комплексная
величина, включающая: а) зазор между телом головки поршня и втулкой; б) зазоры
между поршневыми кольцами и канавками ГП] между деталями остова дизеля и
перемещающимся поршнем равны построечным (рис.2.2).
По окончанию продувки (т. а) и перекрытия головкой поршня продувочных окон
втулки начинается процесс сжатия воздушного заряда в надпоршневой полости
рабочего цилиндра дизеля. Он может быть выражен уравнением политропы:
где p и V – давление и объем камеры сгорания (соответственно),
– показатель политропы сжатия.
Когда поршень приходит в ВМТ, давление рс в цилиндре достигает 4,5…10 МПа, а
температура Тс – 800…1000 0С [94]. По окончанию сгорания топлива и повышения
давления до pz начинается рабочий ход поршня, который можно представить
политропой расширения с показателем .
Основную роль в обеспечении термодинамической замкнутости рабочего пространства
играет головка поршня, находящаяся при эксплуатации в наиболее неблагоприятных
условиях. Это проявляется в том, что у нее хуже условия охлаждения (в сравнении
с крышкой и втулкой рабочего цилиндра), больше путь трения (следовательно,
интенсивность изнашивания). На нее дополнительно действуют инерциальные
нагрузки и пр.
Переходя к характеристике свойств головки поршня как важнейшего элемента
дизеля, следует отметить, что она имеет массу mГП, при нагружении способна
упруго деформироваться, а ее перемещение относительно втулки создает силу
трения, зависящую от свойств материала ГП (коэффициента трения, твердости,
смачиваемости маслом и пр.) и направленную в сторону, противоположную
перемещению. Важнейшим свойством головки поршня являются размеры ее рабочих
поверхностей:
– трибосопряжений (опорной поверхности канавок под поршневые кольца, наружной
цилиндрической поверхности;
– коррозионных повреждений, численно равной площади головки поршня SГП.
Во время рабочего хода на поршень действует, в среднем, движущая сила Fдвиж,
равная
где рi – среднее индикаторное давление.
Тогда силовое воздействие на поршень можно представить следующим образом:
(2.1)
где – полезное усилие, передаваемое на коленчатый вал нового дизеля;
– усилие упругой деформации головки поршня; указанная нагрузка является
пульсирующей и ведет при большом числе циклов нагружения к возникновению в
головке поршня усталостных трещин;
– сила инерции при движении головки поршня;
– сила трения, зависящая от свойств материалов рабочей поверхности втулки
цилиндра, головки поршня и условий смазки.
После того, как дизель проработал в течение некоторого времени ф, возникает
возмущающее усилие Fвозм(ф, DМдет), имеющее двоякую природу и уменьшающее
движущую силу:
(2.2)
(2.3)
Составляющая , обусловленная износом при трении и увеличением вследствие этого
зазора между головкой поршня и втулкой, приводит к 2-м отрицательным явлениям.
При рабочем ходе из-за понижения компрессии и протечки продуктов сгорания в
подпоршневую полость происходит уменьшение среднего индикаторного давления рi
и, соответственно, движущей силы .
В такте сжатия вследствие вызванной износом утечки части заряда воздуха степень
сжатия оказывается меньше номинальной. Это приводит к понижению давления до ,
температуры нагрева заряда и, как следствие, к неполному сгоранию топлива.
Причиной возникновения 2-ой составляющей является выгорание днища ГП под
влиянием высокой температуры до Tz = 1700…1800 K во время вспышки топлива и
химически активной среды, ведущее к нежелательному увеличению объема камеры
сгорания. Это обуславливает уменьшение давления сжатия в момент завершения 1-го
такта на ~ 2…5%, ухудшение качества горения топлива и, в конечном счете –
понижение рi.
Уменьшение давлений , и до значений , и при неизменных значениях и (см. рис.
2.2) приводит к снижению показателей степени политроп – как сжатия , так и
расширения . Это уменьшает полезную работу, определяемую по площадям
соответствующих диаграмм, и понижает к.п.д. дизеля.
В то же время энергию и силу упругого взаимодействия Fупр, зависящих от
жесткости, т.е. конструктивных особенностей головки поршня, в первом
приближении можно считать неизменными. Остается постоянной и инерционная
составляющая Fинерц, т.к. уменьшение массы головки поршня из-за износа рабочих
поверхностей невелико. По оценкам [58], оно не превышает 0,03…0.07 %. Без
зна