Введение к работе
Актуальность. Всемерное стремление к повышению эффективности и экономичности энергетических установок потребовало организации высокоэффективного рабочего процесса в условиях недостаточного объема для развития и сгорания топливных факелов, характерных для судовых малоразмерных дизелей. Судовые малоразмерные дизели типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 применяются в судостроении в качестве главных двигателей катеров, малых рыбопромысловых судов, рабочих спасательных шлюпок, а также в качестве вспомогательных для привода судовых электрогенераторов, компрессоров, насосов и различных комбинированных агрегатов. Мощностной ряд этих двигателей находится в пределах от 10 до 45 кВт, частота вращения коленчатого вала – в пределах от 1500 до 1900 об/мин. Организация рабочего процесса осуществляется двумя способами: вихрекамерным и объемно-пленочным с камерой сгорания в поршне. Согласно принятой в России «Концепции развития судостроения» определено, что вновь строящиеся суда должны будут комплектоваться энергетическими комплексами только Российского производства. В этой связи все двигателестроительные заводы России приступили к обновлению модельного ряда выпускаемой продукции с той целью, чтобы судовые двигатели по своему техническому уровню соответствовали лучшим мировым аналогам. Это относится и к двигателям, которые являются объектом исследования. Производитель этих двигателей ОАО «Завод ДАГДИЗЕЛЬ» (г. Каспийск) совместно с государственным научным центром НАМИ ведут разработку перспективного судового дизеля 4ЧН 9,5/11 с частотой вращения коленчатого вала 3000 об/мин, форсированного наддувом. Номинальная мощность двигателя должна составить 75 кВт, что более чем в три раза превышает мощность существующих прототипов.
Поскольку теплонапряженное состояние элементов рабочего цилиндра (цилиндровой втулки, поршня, крышки цилиндра) является одним из основных факторов, определяющих работоспособность двигателя, то задача исследования его теплового состояния: температур, температурных градиентов, распределения тепловых потоков и общих компонентов теплоты по статьям теплового баланса актуальна. В этой связи научной идеей диссертационной работы является необходимость поисковых работ по исследованию тепловой нагруженности деталей рабочего цилиндра судового малоразмерного дизеля с камерой сгорания в поршне.
Объект исследования – судовые малоразмерные двигатели типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11.
Цель работы разработка методологии комплексного теоретического, расчетно-аналитического и экспериментального определения тепловой нагруженности элементов рабочего цилиндра для выработки конкретных рекомендаций по конструктивному оформлению этих элементов для перспективного судового дизеля.
В ходе диссертационного исследования были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:
– предварительные теоретические исследования основных физических закономерностей протекания процессов теплопроводности в цилиндре малоразмерного дизеля с камерой в поршне;
– исследования формирования тепловой нагрузки со стороны тепловоспринимающей и теплопроводящей поверхностей деталей цилиндра на различных режимах работы малоразмерного дизеля;
– расчеты по определению температурного состояния деталей цилиндра малоразмерного дизеля конечно-разностным методом;
– расчетно-экспериментальное определение располагаемой теплоты внутри цилиндра по статям теплового баланса судового дизеля.
– расчетно-аналитическое определение суммарной тепловой нагрузки цилиндровой втулки со стороны газов, от трения, от поршня.
– разработка рекомендаций, направленных на форсирование по частоте вращения коленчатого вала и среднему эффективному давлению судового малоразмерного дизеля с камерой сгорания в поршне.
Методы исследования. Были использованы теоретические и экспериментальные способы решения задач теплопередачи и теплообмена, исследования температурного состояния и температурных полей деталей цилиндра дизелей, научные разработки отраслевых научно-исследовательских организаций: ЦНИДИ, НАТИ, НАМИ, ХПИ и многих технических вузов и двигателестроительных заводов.
Исследование задач температурного состояния и температурных полей деталей цилиндра судового малоразмерного дизеля выполнено на основе теории теплообмена и дифференциального уравнения теплопроводности, решение которого обеспечил конечно-разностный метод.
Экспериментальное исследование проводилось на судовых дизелях 4Ч 8,5/11 с Nе =17,65 кВт и nном = 1500 об/мин и 4Ч 9,5/11 с Nе = 24 кВт и nном = 1500 об/мин при его работе по нагрузочной характеристике. Все исследуемые объекты оснащены средствами контроля и измерения параметров работы, обеспечивающими точность проводимых исследований в соответствии с нормами, установленными ГОСТ 10448 – 80, ГОСТ 30574 – 98, ГОСТ Р52517 – 2005, ГОСТ Р52408 – 2005.
Достоверность и обоснованность работы. Обоснованность результатов обусловлена корректным применением указанных методов исследования. Достоверность экспериментальных данных подтверждается статистической обработкой и сравнением результатов расчета предлагаемым методом с результатами экспериментального анализа.
Основные элементы научной новизны, которые выносятся на защиту:
– комплексные теоретические, расчетно-аналитические и экспериментальные исследования теплонагруженности элементов рабочего цилиндра (цилиндровой втулки, крышки цилиндра, поршня);
– обобщенная методика аналитического расчета суммарной тепловой нагрузки на цилиндровую втулку малоразмерного судового дизеля с учетом составляющих теплопередачи: от газов, трения и поршня;
– расчетно-аналитическое определение суммарной тепловой нагрузки на цилиндровую втулку от газов, трения и поршня судового малоразмерного дизеля.
Защищаемые элементы новизны дают результаты, необходимые для создания форсированного наддувом перспективного дизеля по среднему эффективному давлению и по частоте вращения коленчатого вала.
Практическая значимость. Работа направлена на решение актуальной практической задачи разработки методологии комплексного теоретического, расчетно-аналитического и экспериментального исследования тепловой нагруженности элементов рабочего цилиндра (поршня, крышки цилиндра, цилиндровой втулки) для разработки конкретных рекомендаций по конструктивному оформлению этих элементов для перспективного судового дизеля.
Апробация работы. Диссертационная работа получила апробацию при ежегодных обсуждениях на заседаниях кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» ФГОУ ВПО «АГТУ» (2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.). Основные положения диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ФГОУ ВПО «АГТУ» (2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.); на региональной научно-практической конференции «Конструкторское и технологическое обеспечение надежности машин (г. Махачкала, 2006 г.); на 7 Межрегиональном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы судовой энергетики и машинодвижительных комплексов» на базе ФГОУ ВПО «АГТУ» (г. Астрахань, 2006 г.); на Международном научном семинаре «Перспективы использования результатов фундаментальных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России» на базе ФГОУ ВПО «АГТУ» (г. Астрахань, 2008 г.). Кроме того, материалы диссертации докладывались на конференциях, проводившихся на базе Каспийском государственном университете технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова.
Публикации. Материалы диссертации представлены в 7 публикациях, в том числе 5 по списку ВАК Министерства образования и науки России.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 24 рисунка. Работа состоит из введения, четырех разделов основного текста, заключения, списка использованной литературы из 164 наименований, в том числе 24 иностранных.
Похожие диссертации на Тепловая нагруженность элементов рабочего цилиндра судового дизеля
