автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование теплового состояния цилиндропоршневой группы тепловозных дизелей при работе в условиях высоких температур окружающего воздуха

V Я О*

МПС СССР

ХАРЬКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛ.-ДОР. ТРАНСПОРТА имени С. М. Кирова

На правах рукописи ЛИТВИНЧУК Виктор Владимирович

УДК 621.436.242

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ РА60ТЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА

05.04.02 — тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков 1990

Работа выполнена на кафедре „Теплотехника и тепловые двигатели" Харьковского института инженеров железнодорожного транспорта им. С. М. Кирова.

Научный руководитель — д о к т о р технических наук

профессор Г. Б. Розенблит

Официальные оппоненты — д о к т о р технических наук

профессор А. Ф. Шеховцов; — кандидат технических наук Ф. Г. Гринсберг

Ведущая организация — Институт проблем машиностроения АН УССР.

Защита состоится „ д^/кЯ-Л? г. в часов

на заседании специализированного совета К 114.04.01 по специальности 05.04.02 — тепловые двигатели при Харьковском институте инженеров железнодорожного транспорта имени С. М. Кирова

по адресу: 310050, г. Харьков-50, пл. Фейербаха, 7, ХИИТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенном печатью Вашего учреждения, просим направлять в адрес специализированного совета.

Автореферат разослан „ ¡А/0 \Л УрхХ _ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного сонета,

кандидат технических наук В. И. ПЕЛЕПЕЙЧЕНКО

лТ- - I -

' ГГ'.А I

ОБРЛЯ ХЛГЖТЕРИСПКА РАКУ]

' '"'•Дкт7аг?ьностъ те;.'». Тепловозные двигатели эксплуатируются в раз-чшег тг^.таткческгск условиях, что создает неблагоприятные условия я их работы , особешго при вис'оких температурах окружающей среда пониженном барометрическом давлении. Повышение температуры округлого воздуха приводит я снижению расхода воздуха, понижению давле-я наддува, что при постоянном расходе топлива уменьшает коэффи-ент избытка воздуха в цилиндре, вызывая пошшэние индикаторюго Д. Вследствие этого понижается мощность, растет удельный расход плава» попытается температура гааов, растет теплоотвод в систему лаждения. Баланс теплоты устанавливается при более высоком уровне •глзератур я температурных градиентов в стенках деталей цилиндропор-[евой грушш /ЩГ/.

Опыт эксплуатации, например, на Среднеазиатской железной доро-> свидетельствует о том, что наибольшее количество отказов по ди-«гам приходится да летние месяцы и большинство их связано с ростом ;пловой напряженности деталей и узлов ДОГ* Пока еще при создании шловозгапс дизелвй..не соблюдается принцип соответствия конструкции тлатическим условиям района их эксплуатации. Выполненные иссле-эвания в основном посвящены вопросам влияния атмосферных условий а мощность и другие основные параметры работы дизелей. В отечест-энных и зарубежных стандартах такав рассматривается влияние атмос-эрных условий на изменение мощности.' В литературе иыезтся крайне эзначительное количестй^рейот, посвященных нсследоЕс^'кт, влияния емпературы окружающего воздуха на тепловое .состояние дизелей, что э позволяет "обобщить эти данные и, как следствие, отсутствует ме-одая* расчетного прогнозирования температурного состояния деталей ПГ'при изменении температуры округащего воздуха. В связи с этим 'каждом конкретном случае приходится проводить трудоемкие вкспа-именты, что требует определенных зьхрат средств л времени. Отсюда ытекает целесообразность проведения широкого исследования, которое о8волило бы установить закономерность изменения температурного сос-ояния деталей ЩГ тепловозных дизелей в зависимости от темперагу-н окружающего воздуха.

Все вшгс>пзлоденное определяет актуальность диссертации, тема :оторой связала с выполнением работ по совершенствованию дазелей дш. маневровых тепловозов в Ш "Пепздизельмаш" и созданию дизеля ) экспортном исполнении дая работы в условиях повышенных темпера-окружающего воздуха,.

Пелъ и аадачи исследования. Целью данной диссертационной ра( ты является исследование теплового состояния ЩГ тепловозных дез^ лей при работе в условиях повышенных тешератур окружающего воз, ха и разработка методики прогнозирования изменения уровня теплов . состояния а зависимости от температуря окружающего воздуха. Исхо, вз этого сфорлулировакы следуюшде задачи исследования:

1. Разработать методику исследования влияния температуры ок жавадзго воздуха на тепловое состояние ЩГ тепловозных дизеле;! в ловиях заводского испытательного стенда и провести аксперклентад ше работы.

2. Обобщить результаты экспериментального исследования и ра ботать методику расчетного определения локальных температур в с к ах до а алей ЦТ при изменении температур:/ окруяаззщо'го воздуха«

3. Разработать алгоритм определения величины давления наддз при изменении температуры окружающего воздуха для использования математической модели рабочего процесса»

4.Провести расчетные исследования влияния температура окру: щого воздуха на теплообмен в цилиндре дизеля и температурное со( 1шэ деталей ЦПГ.

5. Предложить методику перерегулировки тепловозного дизеля обеспечивающую неизменный уровень температурного состояния дизе. ЩГ при росте температуры окружающего воздуха.

Объектами исследовагшя являлись дизели 641131,8/33 /ПЩМ/ 841126/26 /17ПДГ-2/, устанавливаемые на маневровых тепловозах.

Научная новизна. Па основе обобщения результатов экспериме талытах исследований температурного состояния деталей ЦПГ тепло ных дизелей при их работе в условиях повышенных температур окру щего воздуха разработана методика расчетного определения темпер туршх полей в стенках этих деталей.

Получеш эмпирические зависимости дня определешш локалыш температур в стенках деталей ВДГ широкого класса тепловозных ди лей в зависимости от температуры окружающего воздуха. Дополнена тематическая модель расчета рабочего процесса алгоритмом опреде кия давления наддува яри повышении температуры окружающего вoз^

Предложена методика экспериментального исследования работь гелей при повшиешшх температурах воздуха на всасывании в турбс компрессор /Ж/ в условиях заводского стенда.

Практическая дзикооть. Разрзбояаг.с:ая ;. -годика расчетного спр.з-:еиия тогдхератур деталей ЩГ дизелей при пзботе п условиях пок:-тх температур округаэдего воздуха позволяет сц-з .на стоял ггго-'ирования, доводки и в эксплуатация с достаточной точностью оце-■ь уровень тег/лератур в стенках деталей ДОГ. Эхо обеспечивает ;ествеиное сокращошю затрат времени и средств на проведение исс-жентальннх работ.

Реализация •результатов работа. Результате данной дсссертадпон-I работы были исиользоваш; в ПО "Пенздизелькаш" при создании рсированного внеокозкошлягчного дизеля 841126/26 /Г7ЩГ-2Т/ в яюртном исполнении для маневрового тепловоза, предназначенного т работа в условиях высоких температур окрух-^го-его воздуха.

/тгробпепя работа. Результата работы докладывалась на 3-й Бсс-ззноЙ научно-технической конференции "Проблем! развития локо:ло-востроения" /г.Лугансхс, 22-24 гая 19Э0 г./» на пи;~:нз~техтг1ес~ х конференциях Харьковского института ппгенеров Еелезнодороиюго экспорта-км.С.».Кирова в 1938-1990 п>.

Публикации. Основные положения и результата диссертации опуб-ковапн в 2-х статьях и тезисах докладов на Всесо1эзиой научно-сех-ческой конференции.

Структура и объем работе. Диссертация состоит из вв-зденн;;, 1вх глав, заключения, списка попользованных- источников и нрппопз-й. Она изложена на 132 страницах паппшоппеного текста, содер 3 рисунков, 12 таблиц. Снчеок использованных источников гаязчзег ! наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается.актуальность работы.

В первой главе дан обзор работ и приведен анализ исслед ннй по влиянию параметров окружающего воздуха на основные пока ли работы л тепловое состояние деталей ЦПГ дизелей с газотурби наддувом при их работе на реяпмах различных характеристик.

Исследования по влияшао параметров окружающего Еоздзуха пр дались на двигателях различных типов и назначения. Большой обь исследовательских работ по теплогозным и судовым двигателям, в полнен ЦНЩЩ, ВЗ.ШУ /Ленинград/, ЦЕИИ им.Крылова, ЕНИТИ, ЕНЖЕ Коломенскш тепловозостроительным заводом, ПО "Завод игл.В.А,.На ва", ХИИТом, 2ПИ, ТапИйТом, ВЗИИТом и др.

Основными воцросамк, которые решались в процессе проводим исследований, были: определение величины и характера изменения гости, удельного расхода топлива, давления наддува, частоты вр ния ротора Ж, коэффициента избытка воздуха в цилиндро, максим кого давления сгорания, температуры газон перед газовой турби и др., а такяй в некоторых работах исследовалось температурное тоя1Шо деталей ЦПГ двигателя.

Тепловозные двигатели эксплуатируются в различных условия ругающей срода без специальной регуллровки топливных насосо-в г то давления. Корректирование подачи топлива з зависимости от I! нения условий окружающей среда в тепловозных дизелях, как праг на предусмотрено. Цикловая подача топлива определяемая неизме положением регулирующего органа, сохраняется неизменной при из ни;: параметров окружающего воздуха.

Поэтому, учитывая особенности эксплуатации тепловозных да < практический интерес представляют приведенные в литературе рез ты экспериментального и расчетного исследований по влиянию па£ ров окружающего воздуха на основные показатели работы дизелей постоянных часовом расходе топлива и частоте вращения вала да»: ля, которые соответствуют ренату номинальной мощности.

Анализ приведенных в литературе данных по дизелям 12ДН23/ /1'1Д40/, 6ЧШЗ/П,5 /СЦД-62/, 10ДН20,7//2х25,4/ /ЮД100/, 1641: /2Л70/ и 641121/21 /2НД-1/ показывает, что повышение темперам окружающего воздуха на Ю°С при постоянном часовом расходе тог и неизменной частоте вращения коленчатого вала вызывает умет сфхектквной мощности на 1%, 1,1%, 1,86% и2,5# соотвествс

этом удельный расход топлива у данных дотлей увеличивается на 5 г/ /кВт.ч/.

Параметры окрукащого воздуха не оказывают непосредственного ния на эффективные показатели работы дизелей. Изменение зффок-. нх показателей вызвано раздельным влиянием параметров окруяап-

воздуха на индикаторные показателя и мощность механических соп-злений. С повышением температуры окружающего воздуха мощность пи уменьшается вследствие увеличения температуры стенок трущих-юверхностей и масляной пленки, что мо:кет приводить к- повипенл» шического КПД, однако, превалирующим является уменьшение илди.".-юго КПД вследствие'ухудшения протекания сгорания, что и обуслав . ает ухудпение эффектпвннх показателей. Анализ экспериментальных данных показывает, что более интенсив-уменьшение величины индикаторного КПД при повышении температуры уяакщэго Еоздуха у дизелей с более высоким давлением наддува, шление температуры окружающего воздуха на Ю°С вызывает у дезе-» 1641125/27, 10ДН20.7/ /2x25,4/.и 6ЧН31,8/33 уменьшение индикатор-о КПД на 2%, 1,6% и 0,6$ соответственно. . ■ •

При постоянном" часовом расходе топлива и неизменной частоте щения вала двигателя основное влияние на изменение индикаторно-КПД оказывает изменение коэффициента избытка воздуха в цилиндре-, орый уменьшается с ростом температуры окружающего воздуха . Это ■словлено снижением массового расхода воздуха и понижением дав-кя наддува вследствие уменьшения плотности воздуха при повышенна шературы окружающего воздуха. Таз;, например, с повышением темпе--ури окружающего воздуха на Ю°С коэффициент избытка воздуха у ¡елей 12ДН23/ЭЭ, бЧШЗ/11,5, 10ДН20,7//2x25,4/, 16ЧН25/27 и 121/21 уменьшается на 2,9%, 4,1%, 4,05%, 3,3% и 3,7* соответствию-.

Анализ экспериментальных данны: показывает, что дал дизелей с злением наддува более 0,2 Ша повышение температуры округавдего здуха на Ю°С вызывает уменьшение давления наддува на 1,5...2,Ъ% пля дизелей о давлением наддува меньше 0,2 Ш1а на 0,5...1,5%,

В диссертации подробно анализируется и изменение других пока-гелей работы дизелей от параметров округлщего воздуха.

На основании проведенного анализа, экспериментальных данных зличных исследований по влиянию параметров окружающего воздуха основные показатели работы дизелей могко сделать следующие общения:

- изменение показателей работы дизелей в зависимости от пературы окружающего воздуха носит линейный характер;

- характер изменения основных показателей работы: дизеле параметров окружающего воздуха остается практически одинаков ьсех рассмотренных дизелей, независимо от системы и степени ва, что объясняется достаточно высокими и мало отличающимися от другого коэффициентами избытка воздуха;

- наибольшее влияние на параметры работы дизелей оказыг мзннние температуры окружающею воздуха и в меньшей степеш изменение давления* а влияние влажности несколько возрастаем вишенных температурах воздуха;

- изменение температуры окружающего воздуха оказывает с влияние на показатели работы дизелей с более высоким давлен! дува;

- частота вращения ротора Ж остается практически неиз1 при изменении температуры окружающего воздуха.

Обзор литературных источников показал, что имеется лилг сколько работ , в которых приведены результаты исследований нив температуры окружающего воздуха на тепловое состояние д ЩГ. В частности, такие результаты приведены по дизелям ЮД /2x25,4/ п 6ЧН21/21. От: показывают, что повышение теыперат ружающего воздуха вызывает существенный рост температуры и турных градиентов в стенках деталей ЩГ. Ограниченность в д по влиянию температуры окружающего воздуха на тепловое сост ЩГ обуславливает необходимость проведения таких ксследова современных форсированных дизелях.

Бо второй главе рассматривается методика эксперимента исследований, методика расчетного исследования теплообмена ре двигателя и разчета температурных полей и температурных нрний. Дано описание экспериментальной установки.

Затраты времени и средств при проведении исследований нпю параметров окружающего воздуха на основные показатели ] тепловое состояние ЩГ двигателя существенно зависят от спс организации. Б настоящее вреш кзьестны три метода проводе; ржентальных. исследований: в реальных условиях эксплуатации ксщческнх камерах; на стендах, оборудованных устройствами цил изменения параметров окружавшего воздуха на впуске е з двигателя.

Проведение экспериментальных исслэдовакиц в реальных ;

эксплуатации; особенно тепловозных дизелей, представляет весьма сложную задачу и требует длительного времени ь. затрат средств для их проведения и характеризуется невозможностью повторения необходимо: условий, что существенно ограничивает возможности эксперимента. Использование климатической камеры практически не накладывает ограничений на объем и условия проводимых экспериментов, однако создашь такой камеры и ее эксплуатация требуют больших затрат средств ч производственной площади.

Исследования на экспериментальном стенде, позволяющем пмкт;---ювать пзыеншше параметров окружающего воздуха, язляэтся наиболее целесообразными. В настоящей работе был использован тетю такой метод.

Подогрев воздуха з условиях заводского непитательного стенда осуществляется при помощи подогревателя, з качестве которого использовался серийно выпускаемый промышленностью водр-воздупкий теддооб-мотшкк с низким апродгизмлтческим сопротивлением. Подогреватель воздуха устанавливался на всасывании в компрессор Ж и включался в первый контур охлаждения дизеля, вода которого использовалась в качестве теплоносителя. Температура всасываемого воздуха изменялась ч поддерживалась на заданном уровне путем расхода горячей воды через подогреватель воздуха. Расход вода регулировался при помощи ^вух задвижек. Как показали результаты расчета подогревателя воздуха, которые в процессе испытаний были подтверждены экспвршен-тально, для выбранного иша теплообменника к принятых расходов воз-даоса 1,5 кг/с и 2.0 кг/с аэродинамическое сопротивление подогревателя составляло 431 Па и 716 Па соответственно, а гидравлическое -142,5 Па при расходе вода. 20 г.^/час. Данный подогреватель позволяет нагревать всасываемый воздух при данных расходах до темпорату-ры 80..»85°С;

Объектами исследований были четырехтактные тепловозные дизели с газотурбинным наддувом 8ЧН26/26 /17ПДГ-2/ и 641131,8/33 /ШДГ-4/, предназначенные для маневровых тепловозов, и которые по своим тех-шжо-эко комическим показателям находятся на уровне лучших образцов современных двигателей. Испытуемые дизели были установлены на испытательных стендах ГО "Пенздззельмаш" и оснащены'соответствующим комплектом измерительной аппаратуры.

Перед началом экспериментальных исследований при г шпоратуре окружающего воздуха 20°С мощность устанавливалась равной 683 кВт для дизеля 841126/26 и 993 кВт для дизеля 6ЧН31,8/33 при частоте вращения вала 750 мин-*. Нагрукение дизель-генераторов осущестатя-

лось при помощи водяных реостатов.

Программой Бкспариментальшх исследований по влиянию темпер; тури окружщхцего воздуха на основные параметры работы и тепловое состояние ЩГ дизелей предусматривалась их работа на режиме при постоянном часовом расходе топлива и невамолной частоте вращения коленчатого вала, соответствующих режиму номинальной мощности. Пр. этом температуры еоды и масла на входе в двигатель поддергивались ка уровне ?5...60°С соответственно. Температура воздуха з надпуво ном ресиворе поддергивалась на уровне 57.,.60°С.

В процессе экспериментального исследования производились зам ря осноеных параметров работы дизелей, термометрироЕание деталей ЩГ, индицирование цилиндра двигателя и снятие теплового баланса.

Термометрирование деталей ЦДГ осуществлялось контактном спос бом при помощи термопар группы ХА. Измерение температур в днище крыджи цилиндра производилось при помощи переносного посенцкомет]; ПП-63 класса 0.05 и автоматического электронного потенциометра КСП-4 класса 0,5. Для замера температур поршня использовались поо циометр ППТВ-1 класса 0,2 и электронный осцилограф С1-55 класса 0,5. Периодическое подключение термопар поршня к измерительной ц( пп осуществлялось при помощи гидравлического устройства с контаз тами ударного типа;

Снятие индикаторных диаграмм производилось с помощью электр пневматического индикатора стробоскопического типа МА11-2А в комп< лекте с мембранным датчиком, а снятие одноцикловых индикаторных диаграмм производилось с помощью датчика с проволочными преобрази Еателямк, тензостанщш УТС-ВТ-12 и лучевого осцилографа Н1017.

При проведении экспериментальных исследований расход воздух двигателем измерялся при помощи мерного устройства, вход которог выполнен по лемнискате Бернулли, и которое устанавливалось перед подогревателем воздуха. Расход еоды в первом и втором контурах о лавдения дизеля измерялся с помощью мерных диафрагм, а расход ма ла через двигатель измерялся объемным способом при помощи специ ного устройства конструкции ПО "Пенздазельмаш": _

При проведении экспериментальных исследований выполнялись г вила, регламентированные ГОСТ 18509-Ю.

Расчетное исследование теплообмена в цилиндре двигателя прс изводилось по методике, разработанной профессором Розенблитом Г, Для расчета средних локальных значений коэффициента теплоотдачи использовались следующие зависимости:

теплоотдача от газов к тепловосйршпякжтм поверхностям

+

/I/

Теплоотдача в зоне контакта "поршновое кольцо - гильза цилиндра"

теплоотдача от вдщкишвЯ поверхности головки поршня к маслу

Расчет тошзратзфпнх полой л тешгаргисуркнх явромовшкй в двумерной посзгшоЕке гадали осуществлялся о еспользовошх-зм тесяоппого готода ~ катода кодеишх элементов АНЭ/ по прогрыз, разработкой л иистаэуго лроолем проююогз ЛЧ УССР» При этом яопользога-гесь уроуго-шшв "опо*"п.:о ояекопаи. Распределение тешор'згур янулта ;тго из здшэптов прпзпгмалось по лзгаоглпой ззхястюстд о? томлогагул ?з уздошх точках. Дже расчетной области норзпя било пр1шято 452 узла, а для крыцгд щтлпндра - 659 узлов»

р^пкугьой. втпгч пржгодоия результаты исследования теплэпого состояния деталей Ц1ТГ пря гшс-ттт тешераяура окрулахщего мзда / /. Настоящие исследования проводились прл изменении том-лгзрятуры воздав па всасыглхпщ в компрессор Ж в штурвале он

12/

=4,3

/П/

20 ». « 2S°C до 48*..50°C дизелей 6ЧН26/26 /Г7ПДГ-2/ к 641131,8/33 /ЛШ?~4/ при icî работе на режиме с постоянным часовым расходом топлива /В/п неизменной частотой вращения коленчатого вала /п /, соответствующих релшыу ног,сальной мощности.

Анализ влияния изменения £с на тепловое состояние деталей ЩГ кожет бить выполнен лили. на основе данных по изменению основных параметров работы дизелей, включая параметры вяутрицилиндров! работы, определяема: по индикаторным диаграммам.

На рис.1 приведены графики изменения основных параметров работы Eunoyi:ûSGHiûix дизелей при изменении ta . Из приведешшх графиков видно, что зависимость основных параметров работы от t.a коспт лилейный характер / аналогичные результаты по другим двигателям приведет в 1-ой глаБе настоящей диссертации/. Анализ показ гает, что интенсивность их изменешш при изменении t а выше у дизеля 8ЧН26/26 с более высоким давлением наддува / pint /.

Изменение параметров работы дизелей обусловлено главным образом изменением индикаторных показателей^ Анализ индикаторных диаграмм показал, что с ростом t а сшивается индикаторный КПД/^- у", скорость нарастания давления / dp/dv/, максимальное давление сгорания / ртах / и повышается максимальная температура цикла / Ттах /. Уменьшение величины ^ вызвано уменьшением коэффициента избытка воздуха /о^, /, определяемого уменьшением расхода воздуха / &Ыг / и снижением pint вследствие уменьшение плотности воздуха. Повышение îa на 10°С вызывает у дизелей 841126/26 и 6ЧН31,8/33 уменьшение ^ на 1,7$ и I 13% £ Oi f HQ, и 2,7$; p.nt на 2,1$ и 1,4%; pmax на 4,1$ и 2%; dp/d1? ка 2,8$ и 4,8$ и увеличение Ттш на 22°С и 25°С.

Анализ результатов проведенных исследований по вышеуказаншд дизелям, а такие результатов исследований других .типов дизеле; / ЮДГОО, 14Д40, 2Д70, 211Д-1 и СУД-62/ показал, что с изменение)

t а частота вращения ротора Ж / И>и / остается практически неизменной при работе дизелей на рестме В = const и n=canst Это позволило сделать допущение, что адиабатическая работа стати юздуха в компрессоре Ж остается неизменной в зависимости от t Пренебрегая изменением сопротивления холодильника надпувочн воздуха и фильтров воздухозаборного устройства, а также теплообм ном воздухом и стоиками всасывающего тракта, после несло»

' преобразований била получена зависимость для определения ве давления в наддувочном ресивера в зависимости от ta

г г / о.гвб .

а

где UCc - степень повышения давления при исходной температу-

, PS Тсг i Та - текущее значение температуры.

Зависимость / -í / была проверена на адекватность с опытными данными не только по исследуемым дизеля»,i, а к по ряду других транспортных дизелей /рис.2/. Кз пригзденпых графгтов видно удовлетворительное совпадешь расчетных и опытных значений рLnt , расхождение между которыми но превышает 2$ в исследованном интервала п:<--менения ta . Такт образом, расчетные значения • plnt мог: и использовать для расчета индикаторных диаграмм.

Анализ результатов термометривзнпл деталей ЩГ показат, т.'о повышение t вызывает существешшй рост температур в стенках деталей ЦПГ, который обусловлен ростом температуры газов в цалппдрз вследствие уменьшения c¿ 1 . Изменение температур л деталях Г£Г ь зависимости от tа носит линейный характер.

Результаты термометрирования крышки цилиндра дизеля 6ЧН26/С6 приведены на рис.3. Из приведенных графиков видно, что наиболее интенсивный рост температуры оптового днища крышки цилиндра гмеа? : эсто в зоне выпускных клапанов. Повышение f на Ю°С вызывает увеличение температура в перемычке выпускных клапанов на ПЭС /4,5$/, а э перемычке впускных клапанов на 3°С /1,375/. При этом перепад температур мезду перемычками увеличивается па 8°С /5,С/.

Изменение температуры в различных точках поршня дизеля 6ЧН31,8/33 в зависимости .от ta чривздеко на рис.4. Из прив'?дзн-шх графиков видао, что наиболее интенсивный рост темпера тупи поршня имеет место на гребне донышка и в зоне верхнего кольца, и уменьшается с приблгкеиием к центру головки поршня в радиальном направлении, а такзэ по мере удаления от дшща по образующей поршня.

Повышение t я на 10°С приводит к росту температуры порти со стороны пгусяа и кгауска в зоне первого кольца па, соотьатсгвек-по, 6°С /?.,'■! и П°С /5,3л/, на кромке днища гл 12°С /4,22/ и 14°С /4,6fj, в сродной части выемки днища па 7,5°С /ЗУ и &С /3,5?/, а в центре головки поршня на 6°С /35/. При этом радаалыь-1 поре-пад температуры по головае поршня увеличивается па 7...Я°С /2,4...2,83/.

Результаты экспериментального саслэяоЕатггя по алгянпг Г0 на

температуру деталей ЦПГ, а такта использование некоторых данных других исследований, позволили получить эмпирические зависимости для расчетного определения локальных температур в стенках деталей ЩГ:

К = lf{ojs г (f- la ra 'a M

г; -1 _ i А/

t т: Ta .... 1 ) +0,7^ + 0,3} , a J /?/

t к та T' •) ^-+0,2] , 181

где Т , Тп , Тпк и Tgr - температур и в стенках огневого дшл

крышки цшпшдра,'наружной поверхнос днища торпня, порззш в зоне колец втулки цнлзз!дра при исходном значе1 Т

'а >

текущее значение температуры окружающего воздуха ; относительный рздаус цилиндра / Z - т екущеее зиаче]

/? - радаре цилиндра/ ; относительная высота лорс-шя от наружной поверхности днища / h - текущее знгчение, hn- высота поршня относительное расстояние от плоскости стыка втулки и крыжи цилиндра / i - текущее значение, S - хо поргащ/.

Наибольшие расхождения расчетных и опытных значений темпера р:; в различных точках огневого днища крышки цилиндра и поршня /см. рис, 3 и 4/ составляя? порядка и 2% в исследованном инте ло и о тш температура ta .

Зависимости /5, 6, 7 и 8/ были проверен!! на адекватность ог нш дашым по другим двигателям. Наибольшее расхождение расчетнь и опытных значений -температуры для охлаэдаеглых иорлной дизеле! ЮД100 и 211Д-1 составляет 5%, для втулки /гильзы/ цилиндра дизе ¿ИД-1 и ЛСДЮО - 2,52, в днище крыжи цилиндра дизеля 2ПД-1

1,6 о.

Пров?донкое исследование теплообмена в цилиндре дизеля при соте в условиях повышенных темлегатур гокгзал следующее. С поь

г «= г/7? -k *= h ]hn -I- i/S -

[ем ta локальные коэффициенты теплоотдачи от газа к тепловосири-иающим поверхностям / Ct 2 / деталей ДПГ незначительно умонь-штся. Так, например, повышение tа на Ю°С вызывает уменьшение осгср в различных точках огневого днища крышки цилиндра дизеля IH26/26 на 9...II Вт/ /м2.°С/, а уменьшение СХгс/,к днищу головки >ршня дизеля 6ЧН31,8/33 составляет 3...9 Вт/ /гл2.°С/.

Средняя результирующая по теплоотдаче температура газа / ре,J цилиндре с ростом fa повышается. Так, в дизеле 8ЧН26/26 для рцшки цилиндра повышение £в на 10°С вызывает увеличение trpr3 а I4...I8°C, в а дизеле 6ЧН31.8/33 для головки поршня на 20..„25°С. эстолько больший уровень изменения агср млеет место при теплоот-аче от газа к боковой поверхности головки поршня до 1-го поршневого ольца. Здесь увеличение ta на 10°С вызывает уменьшение oczCp а, примерно, II Бт/ /м2.°С/ и повышение па 22°С. В этом

лучае наибольшее влияние на изменение се оказывает изменение кокТ$пционта проникновения теплоты" поскольку в этой зоне не проявке? себя ни колебание давления газа з цилиндре, генерирующее "вто-гачные течения", ни радиационная составляющая теплообмена.

-X

Незначительное изменение Oc.ico с ростом Ьа молю обьясглть и основе анализа изменения составляющих теплообмена н их опредэля-:щих параметров. Изменение конвективной составляющей теплообмена )бусловлено главншл образом уменьшением "коэффициента прокик-ювения теплоты". Теплопроводность и теплоемкость газа повышаются : ростом температуры газа в цилиндре при повышении ta , а плотность газа снижается. Превалирующее влияние оказывает уменьшение плотности.

Б больше!! степени от ta зазнсит tf рдз , Это обусловлено изменением температуры газов в цилиндре, в значительной степени

зависящей от а , изменение которого при В = const обуслозлоыо + *

измекеш1ем .

Обобщение результатов исследования изменения локальных осг и позволило получить эмпирические зависимости для опре-

деления Сх^ ср и tr в зависимости от t а » если известно их зннчеиие для исходного регима /например, стандартной температуры

К / «

г t

= OCz J 1,2589-0,4822 ~r -O.ZQSA- 2 +

- -i

t - t 2 +0,1805 j?- 2 + 0,2335 (j?) + 0, HQS 2

— 2 1

г'грез = -1,5655-Ю* г +

а

{ + .г _2-Г'

+ 3,0325-10 тг 2-0,208Б(^ ) + 2 , ,

/

где t - текучее значение температуры ;

2 .= г//? - относительный радиус / г - текущее значение радиус; /? - рад^иус цилиндра/. Приведенные зависимости позволяют рассчитывать локальные злг чения сс г и с .погрешностью порядка 3?!.

При решешш проблема надежности работы ЩГ в условиях измен* вш ¿^ необходимо располагать данными не только об изменении уров.чя температуры в стенках деталей, но и о ее распределении. Такие сведения мо»:о получить, располагая температурными полями. Они могут быть получены путем непосредственного изменения темпер, тур в деталях. Однако, еще на этапе проектирования, наряду с мод ль» рабочего процесса желательно иметь расчетное температурное п По методике, разработанной в НЛП АН УССР были рассчитаны те. поратурные поля и температурные перемещения для поршня дизеля 6Щ231,¡3/33 и крышки цилиндра дизеля 841126/26. Дашше расчеты про водились для двух значений Та /20...23°С и 48...50°С/.

Программой расчета предусмотрено автоматическое разбиение расчетной области на треугольные конечные элементы. Количество у лэвых точек, определяемое геометрией задаваемой расчетной облает принято для поршня 452 и для крышки цилиндра - 659.

В.качестве примера на рис.5 приведено температурное поле ис ня при £а=48°С в сечении, перпендикулярном оси коленчатого вала. Расхождение расчетных и опытных значений температур поршня не г вытает 10%. С повышением £а увеличив^ зтея осевой градиент ч ператур поршня, что свидетельствует о повышении тепловой нагруз* Повышение температуры Сс с 20°С до 43°С вызывает увеличение с вых температурных градиентов в среднем на

Таккэ были рассчитаны температурные поля для огневого днш крышки цилиндра при t а 23°С и 50°С. Максимальное расховдз] расчетных и опытных значений температур имеет место в перемычка иожду выпускными клапанами и но превышает 12$, а в остальных ьг

таг - Наибольшее значение осевого температурного градиента

)Т место в зове выпускных клапанов и при г.: вытекли 1а с 23°С до 50°С он увеличивается на 7%, а'в п-ремычке между впустили клапанами - на 4,3^.

По методике, о которой упоминалось высз, били проведены расчеты температурных перемещений. Анализ результатов расчета показал, тао максимальные радиальные перемещения гслевт место на периферии днища портя в т.5 /см. рис.5/. Повшенио t^ с 20°С до 46°0 вызывает приращение перемещения на 0,101 мм. Таким образом, радиальный зазор между порхнем и гильзой цилиндра уменьшается до 0,442 мм» Нанбольние осевые перемещена шест место в средней части голо;-.;;:: поршня в т.8 и при повышении £а а 20°С до 48°С прпращеш:е г>?ого перемещения составляет 0,068 мм.

Повышение £ с 23°С до 50°С вызывает шпгсащение осоьы:;

а *

перемещекш: з сродней части днища краккя цилиндра на 0,1 мм, что составляет 15?. Приращения рпдиальных перемещений в указанном интервале изменения ¿а не превышают 0,02 мм.

Обобщение результатов выполненного исследования позволило получить комллекс эмпирических уравнений, которые позволяя» пргсоок-ровать изменение температуры з стенках деталей ЦПГ, а также а: ,и Ъгрез в зависимости от £в . Такш образом, лрэдстаздяотся гоз-можность с достаточной для практики достоверностью определять тепловое состояние деталей ЦПГ расчетным путем, не прибегая к специальным экспериментам.

Проведение экспериментальных исследований связано с затратами средств и времени. Общая стоимость проведения такого исследозапит составляет не менее 27100 руб. Стоимость работ, связанных с математическим моделированием, составляет приглерно 2000 руб. Таким образом, экономический эффект определяется в сумме 25100 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе содержится новое решение задачи исследования теплового состояния деталей ЦПГ дизелей маневровых тепловозов. Получены новые результаты по влиянию темлерагуры

окружающей среда на тепловое состояние деталей ЦПГ. Осуществлено обобщение результатов выполненных экспериментальных исследований, на базе которого создана методика расчета теплового состоять л?.— талей 1ЩГ при изменении температуры окружающего воздуха.

Основные результаты выполненной работы сводятся к сдедгацоиу;

I.Исследовано влияние температуры окрудп'~щ<згъ вотдуха т ос-

новные параметры работы, тепловозных четырехтактных дизелей при пос тоянноы часовом расходе топлива и неизменной частоте вращения кол« чатого вала. Показано, что основные параметры работы обоих исследс ванных дизелей 6ЧН31.8/33 /ПДГ-4/ и 8ЗД26/26 /17ПДГ--2/ изменяют« по линейному закону в зависимости от температуры окружающего воздуха. Повышение температуры окружающего воздуха на 10°С вызывает ; дизеля 6ЧН31,8/33 уменьшение элективной мощности на I,8/i, расход воздуха на 2,7%', давления наддува на 1,4%, давления сгорания в ци. дре на 2%, давления газов перед газовой турбиной на 1% и повышен температуры газов перед турбиной на 2,4$. Для дизеля 8ЧН26/26 с 6i лее высоким давлением наддува изменение температуры окружающего воздуха на 10°С вызывает квменеш:е данных параметров работы, соот ветствснно, ira 2,3$, 4,4$, 2,1%, 4,1%, I,SÇ» и 2,2%* Учитывая лзвз ныо даннке результатов исследования других транспортных дизелей, где шлоот место аналогичный характер изменешя показателей работы момно сделать вывод, что для дизелей различного тина характерна линейная зависимость ochobilux параметров работы от температуры ок ;навщего воздуха.

Экспериментально установлено, что при постоягашх часовом ра ходе топлива и частоте врацешк вала двигателя частота вращения р тора турбокомпрессора практически не изменяется в зависимости от тадаературы окружающего воздуха. Аналогичные результаты получены при исследовании других дизелей. Это позволило ирбятожгь метод: ку определения величий; давления наддува в зависимости от mmspt тут:; окружающего воздуха. Расчетные значения давлотш наддува 'Щ изменении температуры окружающего воз, уха в интервале 20...55°С »¿еэт вполне удовлетворительное совладение с оштяши дашшла! не только по исследуемым дизелям, но к по целому ряду других транс1 шх дизелей. Расхоздеиге расуеишх и отшах ьлачетй давления га дува порядка 2$. Благодаря этому повышается достоверность матемг тпч&ского моделирования рабочего процесса ;~\зсля яри изменении tî доратуры окружающего воздуха, что поджворздается удовлетворптелы сходилостьи расчетных и ошшшх цнднкатошш: даагрсслгл.

2„йроведенное' оксперименталъкое исследование темиоратурнозк состояния деталей ДОГ показало, что с ростом температуры окружаю: го воздуха на 10°С происходит увеличение температуры в наиболее нагретых мостах огневого днища кршаш цилиндра на 5.„.П°С, при : перепад температур между перемычками внуешшх и взгаускных клапан увеличивается на 6.,.8°С. Повышение температуры окружающего воз, ха на Ю°С вызывает увеличение температуры в головке поршня на

Г0..414°С, при этом радиальный перепад температур по голоеке поршня увеличивается на 7...8°С.

3.Обобщение результатов проведенного терлометрирования позволило получить зависимости локальных температур стенок деталей ЕДГ от ть:.!-пературы окружающего воздуха. В указанных зависимостях" в качестве переменных рассматриваются относительные величины, представляющие собой отношение одноименных величин. Это повышает степень обобщения опытны:: данных и расширяет возможность применения полученных зависимостей для более широкого класса тепловозных дизелей. Проверка адекватности опытным данным производилась сравнением расчетных и опытных данных , по целому ряду транспортных дизелей. Расхождение опытных и расчетных значений температуры не превышает 5%.

4. Анализ расчетных температурных полей показывает удовлетворительное совпадение с опытными данными. Максимальные расхс.щлс-нпл менду расчетными и опытны;;я данными имеют место лишь в о дне л точке огневого днища крышки цилиндра и не превышают 12%, в головк; гзршня в зоне поршневых колец не превышают 10%', а в остальных точка::, головки поршня, так и огневого днища крышки цилиндра это расход ние составляет 2.».6%,

Это свидетельствует о тем, что принятая методика расчетного определена температурных полей деталей ЦПГ при изменении т-гггзнатуры окружающего воздуха обеспечивает получение 'достоверна':: ратуряых полей, которые могут быть использованы при реше-пг: термоупругой задачи, в частности при определении температурных ний.

5.Практическая реализация основных положений и рекомэндхг.::: данной диссертации при создании дизеля 17ЦДГ-2? для ^анс-врс г-:, тепловоза, предназначенного для .работы в условиях повыше^нь.-: гомпз-ратур окружающего'воздуха, показывает, что :*спользоз?.н:-:е пр-:;^::.тонной методики прогнозирования теплового состояния деталей ЦТ созспз-чивает сокращение затрат средств и времена на экспзрпментзли^-з работы. Годовой экономический эффект при этом составляет 25,1 т^'о. ЕУб.

Основные положения диссертация опубликованы з сл-эдухщ/а работах:

Г.Розенблнт Г.Б.', Лктзинчук З.В. Влккие тзмлзратуг* о-руг;. кщего воздуха па основные параметры работы тента везк.-: днзо.-:' - К., 1939 - 12 с. /ШГГ. - Двп. Е ЦпИИТЭЛ МНС,

2. Розенблит Г.Б., Литвинчук В.В., Шаройко H.A. Влияние те пературы окружающего воздуха на тепловое состояние деталей ЦПГ тепловозных дизелей // Тезисы докладов Ш Всесоюзной научно-техн ческой конференции "Проблемы развития локомотивостроения". - Лу ганок, 1990, с. 45-46.

3.Розенблит Г.Б., Литвинчук В.В. Тепловое состояние ЦПГ те ловозных дизелей при повышенных температурах окружающего воздух Двнгателестроение. - 1990. -Jü S. - с. 5-8.

Ui№Henue oc/ío6hó,'X fiaparfp/npotf po/fo/vt?/ ot/jejeú

Orn /7?PAt/7cpO/7?!p}6/ t7rpyWa*3Ct(eeO ¿>(73d(/J(C?

C 3- cansé, a* cansé)

ic ¿7

max>

580 560 5VO

$30 ■ ■

fe, s/x2m-v

SiO

zoo

r?t ATS/77

Mc/C. /

Зобисимость даблешя от à?e^ne/>а/г/ура/

окрумагвщего воздуха (реяи/п ß*cöns-6f п*consí)

1-6W3ÍB/33 (Pe - 776 кВт)] z - 64H1Щ5 (fh= Ж кВт),

3 - ад н 23/30 СPe = шо Kßm);

4 - /Û/И 20,?/(Я *22/аAß/n); f~/âW 25/2? (Pe=20?Û A-ß/77)

Рис.2.

oaâucurtocmb темлг/^о/пцо Apô/ш/га Ц(//?и//(?/о<? С/7) /7?ем/7£/0С7/0&/7?!^об/ о/е/о</#гаА?щег<? à'ûs&ysc? Л/.71/ £-C{7/7S¿, /7 -- cansé

¿50

■¡ g ¿>

i 1 1 ! i

za

-опытные —

/

va ta¡ °c

Рис. 3.

изменение /аекнерагаур тнсун.9 с/7: теме/га/тры окруманнцега âsjâyxa про 6»ccnst cü/7¿-¿

-опытные .значения;----расчетше значения.

Рас. к

Расчетное температурное лме ла/)и/к0 opa ía '48 °с (сторона О0//7 уса-о).

Ш&З

(Ш*)- nailßZ'l

ЩШ P&40SÍJ

ЩЦ - опытное значение п7емпсро/пур0/^\

- очертание ларшм, cüo^e/ncmSy- \\ ./i

ющее / 'г ¿о "с ■ \\

■ opas i . \\

о.сез ) ~ Приращение перемещения при х изме/уеяиа ¿а °/п ¿О Ь öo 9в "с :

Числа/пелi ~рэадс<у/7£//ое

¿яаменаге^б- осевое. Масштаб ле/оелгесценио: J/W /?а veprí><4¡/ ¿///ум леаел/еи/е/чс/Я,

Рас. 5.