автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Влияние температуры топлива на изменение прецизионного зазора в плунжерной паре топливных насосов высокого давления судовых дизелей

& О 0 3. 9-*

' ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" НАУЧНО-ИССЛВДОВАТКЕЬСКИЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ДМИТРИЕВ Игорь Михайлович

УДК 621.431.74.038.5

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОПЛИВА НА ИЗМЕНЕНИЕ ПРЕЦИЗИОННОГО ЗАЗОРА В ПЛУНЖЕРНОЙ ПАРЕ ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертатдаи на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург, 1992

Работа выполнена в Центральном ордена "Знак Почета" научно-исследовательскоы дизельном институте.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

М.К.Овсянников

Научные консультанта - кандидат технических наук, доцент

В.Н.Агафонов;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б.С.Агеев

Официальные оппонента- доктор технических наук, профессор

Л.В.Тузов;

кандидат технических наук, доцент В.А.Шишкин

Ведущая организация - Калининградское управление рефрижераторного и транспортного флота

Защита диссертации состоится ¿1С<л,р>/)7С1___

в /'О часов в конференц-зале института на заседании специализированного совета . при Центральном ордена "Знак Почета" научно-исследовательском дизельном институте до адресу: 196158, г.Санкт-Петербург, Московское шоссе, дом 25. корл.1.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах, заверенных печать», по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан " __

Ученый секретарь совета, х

К» т.н.»с,н.

с. Б.И.Богданов

^Актуальность,работа. Тепловые двигатели и судовые дизели, в тности, являются одними из основных потребителей.топлив, изго-ливаемых из нефти. При этом, как правило, используется неболь-доля продуктов ее переработки - дизельные топлива. Запасы та в мире быстро истощаются, что приводит к необходимости ользовать в дизелях более вязкие фракции ее перегонки. В нас-«ее время в мировой практике судового дизелестроения обозна-ась устойчивая тенденция к использованию средне- и высоко-!СЮС топлив. *

Сжигание вязких топлив С ВТ ) в судовых дизелях наталкива-* на ряд .трудностей, связанных со снижением надежности эле-гов топливной системы и топливных насосов высокого давления ЩЦ ) в частности.

Наиболее распространенными неисправностями ЖВД при работе »лей на ВТ, наряду с кавитацией и эрозией, являются задиры шхся поверхностей плунжерных пар и заклинивание плунжеров ¡тулках. Причинами этих неисправностей предполагается неказенная топливоподготовка, малые технологические зазор! мезду [кой и плунжером, а также изменение этих зазоров в результате :овых деформаций плунжерной пары в процессе перевода дизелей ловязкого ( МВТ) на ВТ и наоборот. Данным вопросам посвящены ты В.Ф.Большакова, Е.И.Гулина, Л.Г.Гшзбурга, А.М.Гагарина, Ивановского, Г.В.Никонова, Р.В.Русинова, Б.н.файнлейба, Филиппова, Ю.Я.Фомина, В.А.Циулшна и других авторов. Среди работ, посвященных надежности ТНВД, отсутствуют спе-ъные исследования тепловых деформаций деталей плунжерной в процессе смены топлива, что не позволяет точно оценить тявное влияние его температура как на стадии конструирования

так и во время эксплуатации 1НВД.

Отсутствие вышеупомянутых исследований объясняется их сложностью и отсутствием комплекса надлежащих методов исследования. Решение задач, связанных с влиянием температуры топлива на изменение прецизионного зазора плунжерной пары - еще один ¡aar в решении проблемы обеспечения надежности ТНВД , а следовательно, и всего дизеля при широком использовании ВТ, что в настоящее время является актуальным.

Цель и основные задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы является исследование влияния тепловых деформаций плунжерных пар ТНВД, обусловленных температурой топлива, на изменение их прецизионного зазора.

Для достижения поставленной цели необходима было решить следувдие основные задачи:

определить физическую модель и дать математическое описание процесса теплообмена меэду топливом и плуняерной парой ШВД;

разработать методики экспериментального и расчетного исследования теплового и напряженно-деформированного состояния плунжерных пар;

провести исследование влияния тепловых деформаций плунжерных пар на изменение прецизионного зазора и работоспособность ТНВД.

Методы исследования. Тепловое состояние плунжерных пар исследовалось экспериментальным методом на стенде,позволяющем моделировать эксплуатационные условия работы 1НВД судовых дизелей.Оценка напряженно-деформированного состояния плунжерных пар осуществлялась расчетным методом на ЭВМ типа ECI035.

Научная новизна. Дано математическое описание процесса

шообмена между топливом и плунжерной парой, которое учитыва-основные факторы, оказывающие влияние на тепловое состояние бледней. Предложены аналитические зависимости для определения ншчных условий теплообмена.

Проведено исследование влияния эксплуатационных и конструк-ших факторов на тепловое состояние плунжерных пар ШВД при ¡оте судовых дизелей на вязком топливе и определены величины (териев теплового подобия.

Разработан метод исследования и определено влияние на пре-1ИОННЫЙ зазор плунжерных пар ПОД монтажных усилий, темлера-)ы и давления впрыскивания топлива.

Практическая ценность. Получен и рекомендован расчетный ме-; оценки теплового состояния плунжерных пар, который может быть юльэовая при проектировании ТНВД.

Разработаны рекомендации по организации переходных процессов (ввода дизелей с дизельного топлива на топливо повышенной вяэ-ти и наоборот, которые позволяют упростить судовые топливные теш и сократить время переходного процесса.

Реализация работы. Результаты выполненных исследований ис-ьзоваш в работах лаборатория топливной аппаратуры ШИДИ при одке ТНВД и систем тояливоподачи дизелей ЧН 25-26/34. Реко-дация по организации топливных систем судовых дизелей и пареных процессов их перевода на вязкое топливо планируется внед-ь на судах Калининградского управления рефрижераторного и яспортного флота.

Алтэобапяя работц. Основные положения диссертационной работы и доложены и обсуждены на заседаниях научно- технического ета отдела № 26 ЦЩИ (Ленинград, 1987, 1988, 1989, 1990 г.г.).

на научно-методических семинарах кафедры "Судовые энергетические установки" Калининградского высшего инженерного морского училища (г.Калининград обл., КШШУ, 1988, 1989, 1990 г.г.), на межвузовских научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных и инженерно-технических работников вузов Минрыбхоза СССР (г.Калшшнград, 1986, 1987, 1988, 1989 г.г

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатные работы. Отдельные разделы исследований отражены в отчетах КВИМУ до выполненной научно-исследовагеогьской теме, участником которой был автор.

Структуру и обьем работа. Диссертационная работа изложена на 89 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 79 страницах и состоит из введения, 5 глав, зак-лшения, списка использованной литературы из 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит обоснование актуальности теш работы и ее краткую характеристику.

В первой главе проведен анализ современного состояния рассматриваемого вопроса. Рассмотрены перспективы применения вязких топлив в судовых дизелях, выявлены особенности конструкций ТНВД и дан анализ их отказов яря работе на ВТ, определены цель и основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследовании процесса теплообмена между топливом и плунжерной парой ТНВД.

Проведенный анализ схем распределения тепловых потоков показал, что с точки зрения особенностей теплообмена между топливом и плунжерной парой, существующие ШВД судовых дизелей можно

- / -

разделить на три группы.

К первой группе относятся насосы клапанного типа с омнва-нием топливом внутренней поверхности втулки и торца плунжера. К насосам этой группы относятся ШВД дизелей типа 8 ДР 43/61, ВАН-22 (ЧН 22/32) и др.

Ко второй группе относятся насосы золотникового типа, которые отличаются от насосов первой группы лишь тем, что топливом омывается не только торец плунжера, но и ого верхняя часть через центральное осевое сверление. К насосам данной группы можно отнести ИЩ дизелей типа N VU - 48И (4P 32/48), G 8 V 23,5/33 (8 ЧН 23,5/33), 8 VUS 36/24 (8 ЧН 36/24) и др.

К третьей группе относятся также насосы золотникового типа, которые отличаются от насосов двух предыдущих групп тем, что топливом омывается не только внутренняя, но и наружная поверхности втулки. К этой группе относятся ТНВД дизелей типа NV3) - 48- 2 АИ (ЧРН 32/48), ЧН 36/45, 8 ¿3 72/48 А ■ - I (8 ДРН 48/72) и др.

В процессе нестационарной теплопроводности плунжерной пары температура топлива изменяется, поэтому аналитическое решение задачи в общем виде практически невыполнимо и может быть получено только при введении упрощений.

Рассмотрим особенности нагрева плунжерной пары в насосах Ш группы. С ростом температуры топлива теплота от него посредством конвективного теплообмена будет передаваться втулке с обеих сторон с одинаковой интенсивностью, а так как термическое сопротивление материала втулки мало, то температура в ее слоях будет практически одинакова. В этом случае физическую модель теплообмена можно представить следующим образ-ом(рис.1 Л).

Тело полой цилиндрической формы погружено в жидкость.В на-

Физическая модель процесса теплообмена между топливом и плунжерной втулкой

¿ж • ¿/>

Рис Л

льный момент времени тело во всех точках объема имеет одина-вуи температуру, равную температуре жидкости. За счет процесса нвективного теплообмена между жвдкостыэ и телом последнее уве-чивает свою темяературу равномерно по всему объему. Подводи-я извне теплота расходуется на изменение энтальпии тела. Сос-вив уравнение баланса и сделав преобразования, имеем выражение, и помощи которого можно определить коэффициент теплоотдачи от плива к деталям плунжерной пары ТНВД:

и«-(I)

Согласно данного выражения, к основным факторам, влияющим процеос теплообмена между топливом и плунжерной парой, отно-гся: тешшфизическяе свойства материала плунжерной пары (плот-зть у°с , теплоемкость Срс ); ее геометрические размеры 5верхность теплообмена , объем Мс ); разность

.шератур топлива и элемента плунжерной пары ( 1 ><с - ^ с ) жоросгь изменения температуры пары ( с1Ле /с1г ).

В третьей главе дано описание экспериментальной установки, шедены характеристики средсгз измерения, определена погрешность ¡ерения температур, изложены методики исследования теплового :апряженно-дсформированного состояния ( НДС) плунжерных пар.

Экспериментальное исследование проводилось на установке зухтояливной системой, позволяющей моделировать реальные ловил работы 1НВД судовых дизелей с частотой вращения распре-лтелыюго вала до 450 ш"^, В качестве МВТ использовалось ;9льное топлкео ДЯ, а в качестве ВТ - гомогенизированный мазут ¡. Диапазон изменения температуры тодлив лежит в пределах •150°С. Измерение температур топлива, втулки плунжера и корпуса

ВД осуществлялось хромель-копелевыми термопарами с диаметром ювода 0,5 мм. Погрешность измерения не превышает 3°С. Регист-;ция температур производилась автоматическим потенциометром ла КСП-2. Проведены исследования с ТНВД дизелей 8 ДР 43/61, - 48 И и V1 X - 48 2 АИ, выбор которых обусловлен их зличием по принципу смывания топливом элементов плунжерной ¡ры.

Использовалась следующая методика экспериментального иссле-вания, Термометрированннй ТНВД собирался с требуемым усилием ¡тяжки и запускался в работу на МВТ. Вязкое топливо циркулиро-1Л0 по отдельному контуру и подогревалось до требуемой темпера-ры ( t вт . ), Перевод с МВТ на ВТ осуществлялся с ыаксималь-| возможной в условиях эксперимента скоростью изменения темпе-¡туры топлива перед ТНВД и с требуемым перепадом температур ± - 1„ - 1 >,ст . Работа на ВТ продолжалась до достижения

г ВТ мцх

деталях ТНВД установившегося теплового режима, после чего ¡оизводилоя обратный перевод на МВТ.

В программу испытаний входило исследование влияния на теп-®ое состояние ТНВД при смене тошшв следующих факторов: цикло->й подачи топлива ( оц =0,4*1,0), частоты вращения кулачково-1 вала ( ги =0,4+1,0) и перепада температур топлив ( д!т = Ю+ЮО°С).

По результатам исследований получены зависимости температуры >плива и деталей ТНВД от времени. В качестве иллюстрации на рис. представлены функции температур для дизеля Ну'Т) - 48 И при Ги =1,0; "¡^ =0,4 и лЦ=60°С. Полученные экспериментальные ависимости позволили определить величину, характер изменения и юпределения температур в деталях ТНВД в конкретный момент

г - температура топлива; . - температура в деталях ППЗД

Рис.2

зременя смени топлив, исследовать влияния С|и и а на теп-ювое состояние плунжерных пар, оценить величину коэффициента теплоотдачи между топливом и плуняерной парой.

С помощью программы " разработанной в МВТУ

[м.Н. Э.Баумана на базе метода конечных элементов, произведен засчет теплового и НДС плунжерных пар на ЭВМ типа ЕС-ЮЗ 5. Ко-шчно-элементная модель ( КЭМ ) каждого из исследованных ТНВД нишчала в себя втулку, плунжер и часть корпуса. Плунжер уста-¡авливался в ЖГ я ШТ. Геометрическое положение нескольких уз-ювых точек КЗМ совпадало с размещением термопар, использован-шх при экспериментальном исследовании.

Расчетное исследование теплового состояния плунжерных пар )существлялось с целью разработки рекомендаций по определению 'раничннх условий теплообмена в КЭМ. Для этого проведена груп-шровка границ КЗД яо принципу тождественности условий теплооб-«ена и душ каждой группы определены температуры и значения коэффициентов теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи между топливом I элементами плуняерной лары оценивался согласно уравнения ;1) и достигал значений от 500 Вт/м2 град до '2-Ю3 Вт/м2 град. Точность задания граничных условий теплообмена подтверждена равенством экспериментальных и расчетных температур в контролируемых точках КЭМ.

Программой расчетного исследования НДС плунжерных пар просматривалось оценить изменение прецизионного зазора под дей-¡твием следующих факторов: монтажных усилий, действующих при :борке 1НВД; температуры топлива; максимального давления впрыс-сивания топлива, величина которого, с учетом требований к дер-ахектившш дизелям, изменялась в диапазоне р.т =60+200 МПа.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального асчетного исследования теплового и НДС плунжерных пар, дан анализ.

—При проведении испытаний ни в одном из ПОД заклинивания нжерных пар не наблюдалось. Скорость изменения температуры шзва перед "ШВД значительно превышала рекомендуемые значения 5+4°С/мин). а достигала бб4бб°С/иин. Установлено, что режим зты ШВД ( ^ , п. ) влияет лишь на время достижения плун-мй парой установившегося теплового режима. Основным же фак-)м, влияющим на ее конечное тепловое состояние является тем-эатура топлива.

Получены аналитические зависимости для определения средних дператур на границах КЕМ по известной температуре топлива, отдельных границ теплообмена они имеют вид 1: - а. * ,

> I - о-Ц . с помощью метода наименьших квадратов опре-

г

)ны постоянные этих уравнений.

Установлено, что при сборке 1НВД в плунжерных втулках возни-• отрицательные (направленные в сторону уменьшения прецизион-I зазора) монтажные деформации в районе верхнего торцевого 1тнения. На рис.3 в качестве примера приведены монтажные легации втулки ШВД дизеля Мл) - 48 2 Ш. Уменьшение преци-[ного зазора за счет этих деформаций для исследованных ТНВД •авило =0,3 мкм при Р^ =60 МПа и йом =2 мкм яри

=200 Ша.

Произведена оценка совместного действия на прецизионный за-| в различные моменты времени смены топлив монтажных усилий ) и температур«; топлива ( "л.от ). Величина радиальных рмаций втулки ( £вт ) и плунжера ( £ Пг_ ) фиксировалась сей их рабочей длине. В качество иллюстрации на рис,4 пред-

=60 Ша;

Lsr

(мм)

í¿>

4Û

2Û

-г -/_û / _¿ fw}

\ 1Л

л. ч \

Ч| \ ч

s

! ♦ \

д

J / i

Ii

-x—X— t=iœ Mila; Рис.3

.д— Д— =200 МПа

i

J?

- f 5 -

¡тавлвно изменение прецизионного зазора плунжерной пары Ш8Д [изеля ИУЪ _48 И для различных моментов времени смены тошшв. !ахсимальное изменение зазора ( ¿.5, ьб. - --¿_г-£„ ) анали-

* МТ м 'см

ировалось при крайних положениях плунжера. За счет наличия ра-иальных тепловых деформаций плунжера и втулки прецизионный за-ор уменьшается с ростом температуры топлива при положении плун-ера в ВМТ. Для исследованных плунжерных пар это уменьшение оставило не более I ш при увеличении температуры ВТ на каждые Ш°С..

Результаты исследования по изменению прецизионного зазора случае, когда плунжерная пара подвергается совместному дейст-аю монтажных усилий, температуры топлива и максимального давле-зя впрыскивания топлива ( ьор5, сведены в табл.1

представлены в качестве примера для ТНВД дизеля NVII) -48И I рис. 5. Установлено, что максимальное давление впрыскивания (шиша не только устраняет уменьшение зазора, обусловленное ¡нтажными усилиями и температурой топлива, но и приводит к его ¡еличению.

В пятой главе рассматриваются вопросы практического исполь-¡вания результатов исследований.

С целью обоснования распространения полученных результатов I подобные ряды ИВД судовых дизелей определены критерии подо-я (табл.2), к которым относятся постоянная'геометрического добия /ь с , а также критерии Рейнольдса и Прандтля.

Разработан расчетный метод оценки теплового состояния плун-рных пар, который может быть использован яри проектировании ВД, работающие на ВТ. Опробирование данного метода на ТНВД зеля ЧН 25/34 показало, что его погрешность не превышает 3°С.

Предложен алгоритм организации переходного процесса при

(пм) SO

sa

to

2û

РТ = 60 МПа; -X Pj = 100 МПа; -а /»г " 200 Ша

Рис.5

Л? 3Û <s

жаилица х

Изменение прецизионного зазора плунжерных пар ТНВД при работе на ВТ

ТНВД дизеля ! ^ ет » ! (Ор) , Рт » (МПа) ! бт ! (мкм) ! ¿пд ) (мкц) ! ! (мкм) ! ! ! (мкм) ! { (мкм)

8 ДР 43/61 60 16,8 17 -0,3 —6,5 6,6 -0,2

102 100 17,3 17,1 -0,7 -6,5 7,4 0,2

200 18,0 •17,2 -1,8 -6,5 9,1 0,8

ЫУВ - 48 2АИ 60 20,0 17,5 -0,3 -3,5 6,3 2,5

89 100 22,8 18,5 -0,8 -3,5 8,6 4,3

200 29,8 20,9 -2,1 -3,5 14,5 8,9

ГЧУБ - 48 И 60 21,7 18,1 -0,3 -2,5 6,4 3,6

123 100 24,9 19,4 -0.7 -2,5 8,7 5,5

200 32 22,2 -2,0 -2,5 14,3 9,8

гераводе судовых дизелей с МВТ на ВТ.

Таблица 2

Критерии подобия

ТНВД дизеля ! Груша ТНВД ! (ьО ' 1

I ДР 43/61 I 0,4 9000 218

- 48 И П 0,2 8000 218

- 48 2 АИ ш ОД 6000 218

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатам экспериментального и расчетного исследования деланы следующие основные выводы.

1. Установлено, что при смене дизельного топлива на гомо-енизированное вязкое и наоборот, заклинивания плунжерных пар е происходит. При этом скорость изменения температуры топлива еред ТНВД превышала рекомендуемые значения (2+4°С/мин) и досягала 50*65°с/мин.

2. Основным эксплуатационным фактором, влияющим на тепловое остояние плунжерных пар, является температура топлива. Влияние е режима работы ТНВЦ (частоты вращения распределительного вала

цикловой подачи топлива) не является существенным при смене оплив.

3. С ростом температуры топлива происходит уменьшение пре-изионного зазора в плунжерных парах при положении плунжера в МТ.Зазор уменьшается за счет различия в величине радиальных тепло-

внх деформаций плунжера и втулка. Для исследованных ШВД уменьшение зазора составило не более I мкм при увеличении температуры топлива на каждые Ю°С.

4. Развиваемое ЗНВД максимальное давление впрыскивания топлива не только устраняет уменьшение прецизионного зазора, обусловленное температурой топлива, но и приводит к его увеличению.

5. Дано математическое описание процесса теплообмена между гоплявом и плунжерной парой, которое позволяет получить распределение температур по ее объему л учитывает влияние на этот процесс теплофязичэоких свойств материала пары, ее геометрических размеров и температуры топлива.

6. Разработан расчетный метод оценки теплового состояния ыуняерннх пар, который может быть использован яри проектирова-1Ш ШВД, работающих на вязком топлива. Обоснован состав конеч-ю- элементной модели 1НВД и даны рекомендации по определению зе граничных условий теплообмена.

?. На базе проведенных исследований разработаны рекомендации по организации переходного процесса перевода судовых дизе-1ей на вязкое топлива, которые позволяют упростить топливную шсгему низкого давления, сократить переходный процесс смены соплив и увеличить промысловое время судна.

8. Годовой экономический эффект при выполнении предлагаемых юкомендаций по судну типа БМРТ проекта 1288 составит не менее ' тыс.рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Агафонов В.Н., Дмитриев И.М. Организация смены тошшв,-5 кн.: Использование вязких тошшв в дизелях судов флота рыбкой

юшпшенности. - М.: Агропромиздат, 1986. - С.45-54.

2. Дмитриев Й.М., Агафонов В.Н. Анализ возможностей приме-гния высоковязких тсшшз в судовых дизелях. - Л.: Двигагале-

гроение, Я 2, 1991. - С.27-28.

3. Повышение эксплуатационной эффективности судовых знерге-1ческих установок судов флота рыбной промышленности. Отчет, инв. 0287.0072048, КВШ, Агафонов В.Н., 1987. - С.16-58 ( в соав->рстве).