Obciążenie cieplne silnika - temat nr 7 (4):

a/ obciążenia cieplne elementów komory spalania silnika,

b/ ocena obciążenia cieplnego silnika.

Silniki okrętowe współczesnej konstrukcji charakteryzuje duża moc jednostkowa, osiąganą dzięki dużym wartościom średniego ciśnienia efektywnego p_e i średnich prędkości tłoka c_śr.

Oba te parametry, a szczególnie średnie ciśnienie efektywne, wykazują ciągłą tendencję wzrostową i w kresie ostatnich 25 lat średnie ciśnienie efektywne wzrosło od 0,7 - 2,5 MPa.

Spowodowało to znaczny wzrost obciążeń silnika, zwłaszcza obciążeń cieplnych elementów komory spalania.

Obciążenia te coraz częściej wyznaczają granice dopuszczalnych parametrów pracy silnika.

Na zespół zjawisk określanych wspólnym mianem „obciążenie cieplne” wpływają:

• proces termodynamiczny, jakiemu podlega czynnik roboczy w przestrzeni roboczej,

• zjawiska cierne grupy cylindrowo-tłokowej,

• proces wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym a czynnikami chłodzącymi.

Pojecie obciążenia cieplnego.

Pod pojęciem „obciążenie cieplne”, rozumie się zarówno ilość, jak i przebieg wywiązywania się ciepła w przestrzeni roboczej, a także cieplne oddziaływanie mediów ( spalin, powietrza ładującego, wody chłodzącej) na elementy silnika ( tłok, głowicę, tuleję cylindrową, zawory rozrządu ładunku) i wyniki tych oddziaływań, w tym:

• temperaturę ( gradient temperatury),

• naprężenia termiczne,

• odkształcenia termiczne.

Obciążenie cieplne komory spalania.

Podstawową wielkością, stanowiącą o obciążeniu cieplnym komory spalania jest ilość ciepła

Q_I [ kJ/cykl] doprowadzona w czasie jednego cyklu pracy do czynnika roboczego.

Wielkość ta nazywa się strumieniem cieplnym.

Q_I = Q_d - Q_strat [kJ/cykl]

gdzie:

Q_d = gw W [kJ/cykl] - ciepło doprowadzone w jednym cyklu roboczym,

g_w [ kg/cykl] - dawka paliwa doprowadzona do silnika w jednym cyklu roboczym,

W [kJ/kg] - wartość opałowa paliwa,

Q _strat [kJ/cykl] - straty niecałkowitego i niezupełnego spalania i straty dysocjacji paliwa.

Ilość wydzielonego ciepła w funkcji OWK α - Q_I = f (α) - określa współczynnik wydzielania ciepła

Q_I

χ = ____

g_{w ⋅} W

Przebieg obciążenia cieplnego komory spalania - rys.4.40.

Obciążenie cieplne elementów komory spalania.

Strumień ciepła Q_ch [kJ/cykl], przekazywany w jednym cyklu roboczym od czynnika roboczego ściankom komory spalania stanowi jedno z kryteriów porównawczych obciążenia cieplnego silnika.

Dla oceny porównawczej komór spalania różnych silników lub obciążenia cieplnego danego silnika w różnych warunkach pracy, posługujemy się wielkością względną zwaną natężeniem strumienia cieplnego, która określa ilość ciepła przekazywaną jednostce powierzchni komory roboczej podczas jednego cyklu roboczego.

Q_ch

q_ch = ___ [kJ/ cykl ⋅ m²]

F_s

gdzie:

F_s - powierzchnia ścianek przejmujących ciepło [m²].

Natężenie strumienia cieplnego:

• wzrasta ze wzrostem prędkości obrotowej i średniego ciśnienia efektywnego,

• maleje, gdy wzrasta ilość powietrza doprowadzonego do silnika.

Opisane wyżej zjawiska i wielkości cieplne, wywołują w ściankach komory spalania określone temperatury, odkształcenia i naprężenia, będące następstwem tych zjawisk.

Różnice temperatur na powierzchniach elementów powodują ich odkształcenia i wywołują w nich naprężenia cieplne zależne dodatkowo od więzów zewnętrznych ( swobody odkształcania się).

Kryteria obciążeń cieplnych.

Do bezpośredniej oceny oddziaływania obciążeń cieplnych na wytrzymałość, trwałość i niezawodność elementów silnika służą:

• kryterium temperaturowe,

• kryteria naprężeniowe,

• kryteria odkształceniowe.

Temperatura jako kryterium obciążenia cieplnego.

Dla oceny obciążenia cieplnego danego elementu nieodzowna jest znajomość rozkładu temperatur w całym elemencie.

Krzywe stałych temperatur, obrazujące rozkład temperatury w elemencie komory spalania uzyskać można przez:

• bezpośredni pomiar miejscowej temperatury w wybranych punktach,

• lub metodami modelowania analogowego i cyfrowego.

Bezpośredni pomiar temperatury jest bardzo uciążliwy, szczególnie w odniesieniu do tłoków, zaworów i innych ruchomych części i wymaga stosowania bardzo dużej ilości termopar.

Bezpośredni pomiar temperatury komory spalania - rys.4.42 ( zastosowano łącznie 228 punktów pomiarowych)

Taki pomiar jest bardzo pracochłonny i kosztowny i nie daje jednoznacznego obrazu pól temperatur, dlatego w nowszych rozwiązaniach stosuje się modele analogowe i cyfrowe.

Rozkład temperatury w elemencie silnika decyduje o doraźnej i zmęczeniowej wytrzymałości materiałów, z jakich wykonana jest komora spalania.

Średnia wartość temperatury elementu może być jednym ze wskaźników obciążenia cieplnego elementu a lokalne wartości temperatur decydują o niezawodności poszczególnych elementów i nie mogą przekroczyć określonych wartości.

Przykładowe zalecane max temperatury pracy:

• 350^oC dla tłoków ze stopów lekkich,

• 450^oC dla tłoków z żeliwa,

• 500^oC dla tłoków ze stali,

• 200-220 ^oC - dla wewnętrznej strony denka tłoka chłodzonego olejem ( zapobieganie powstawaniu osadów koksowych),

• t_wrz + 40^o - dla tłoków chłodzonych wodą,

• 220-250^oC - najwyższa temperatura w rejonie pierwszego rowka pierścieniowego ( niebezpieczeństwo powstawania tzw. laków dla danego oleju cylindrowego),

Przekroczenie temperatury pierwszego rowka pierścieniowego może spowodować:

• rozkład (koksowanie) oleju cylindrowego w rowku,

• zapiekanie się pierścienia,

• utratę szczelności tłoka i tulei cylindrowej,

• przedmuch gazów, wzrost temperatury tłoka i tulei,

• oraz wynikające z powyższych nieprawidłowości następstwa.

Temperatura w rejonie pierwszego rowka jest wielkością decydującą o niezawodności pracy pary ciernej tłok-tuleja, określa intensywność zużycia tulei i pierścieni tłokowych.

Inne ograniczenia określane dla elementów komory spalania:

• najwyższą temperaturę głowicy w obrębie mostka między zaworami ( 350 - 400^oC), graniczna ze względu na pękanie mostków,

• najwyższą temperaturę grzybków zaworów wydechowych, ograniczoną (520 -550^oC) z powodu korozji wanadowej,

• najwyższą temperaturę dysz wtryskiwaczy ( ok.180^oC), określoną tworzeniem się osadów ( lejków) koksowych, czy też

• najniższą temperaturą powierzchni gładzi tulei cylindrowej, określana ze względu na temperaturę punktu rosy spalin. Temperatura gładzi cylindrowej w obszarze pracy pierścieni musi być wyższa od temperatury wykraplania się wody ze spalin, czyli od temperatury punktu rosy -niebezpieczeństwo korozji siarkowej.

Kryteria naprężeniowe.

Naprężenia cieplne powstają wtedy, gdy w elemencie o jednorodnej strukturze występuje gradient temperatury

Δt / Δg ≠ 0

lub Δt / Δg = 0 , jeżeli:

• więzy zewnętrzne ograniczają swobodne wydłużenie,

• element jest złożony z materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności liniowej,

• lub struktura krystaliczna materiału nie jest jednorodna.

Cykliczne zmiany temperatury powierzchni elementów mogą wywoływać naprężenia powierzchniowe.

Reasumując - element silnika może być obciążony jednym, dwoma lub trzema różnymi naprężeniami cieplnymi, takimi jak:

• naprężeniami powodowanymi różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej materiałów ( tłoki żeliwno-stalowe, zawory wylotowe pokryte warstwą stellitu lub nimonicu),

• naprężeniami termicznymi, okresowo zmiennym na powierzchni komory spalania ( zmiany temperatury czynnika roboczego, osiadaniem grzybka na zimnym gnieździe przy rozruchu silnika),

• naprężeniami spowodowanymi różnicą temperatur na powierzchniach elementu, bez lub z ograniczoną możliwością odkształceń.

Dokładne wyznaczenie naprężeń cieplnych jest zagadnieniem złożonym gdyż jest funkcją:

• pola temperatur,

• przewodności cieplnej λ,

• współczynnika rozszerzalności liniowej α,

• oraz stałych materiałowych E- modułu Younga i ν-liczby Poissona.

Funkcyjne zależności λ i α od temperatury, złożony kształt elementów, niejednorodność materiałów ich przekrojów oraz ograniczona swoboda wydłużania się elementów komplikują matematyczny opis tego zjawiska, lecz do zbliżonej oceny naprężeń można posłużyć się badaniami opartymi na znajomości różnicy temperatur Δt w ściance.

q_ch ⋅ δ

Δt = t_w - t_z = ____ [K]

λ

Z powyższego wzoru wynika, że naprężenia termiczne dla danego materiału wzrastają proporcjonalnie do różnicy temperatur Δt na powierzchniach elementów, a zatem proporcjonalnie do natężenia strumienia cieplnego q_ch i grubości ścianek δ oraz odwrotnie proporcjonalnie do przewodności cieplnej ścianki λ.

Reasumując należy stwierdzić, że tym większe będą naprężenia cieplne w elemencie stanowiącym komorę spalania, im większe będą:

• jego grubość,

• obciążenie cieplne ( natężenie strumienia cieplnego),

• opór cieplny ścianki rozumiany jako odwrotność przewodności cieplnej λ.

Kryterium odkształceniowe.

Ze względu na trójwymiarowość, asymetrię kształtu oraz rozkład masy rozpatrywanych elementów silnika, kryteria odkształceniowe są trudne do sprecyzowania.

Dlatego proporcjonalność odkształceń Δl do przyrostu temperatury Δt pozwala, w określonych warunkach, zastąpić te kryteria kryteriami temperaturowymi.

Kryteria porównawcze obciążeń cieplnych.

Do oceny stopnia obciążenia cieplnego silnika najbardziej przydatne są kryteria temperaturowe.

Uzyskanie powyższych informacji wymaga jednak skomplikowanych zabiegów pomiarowych, badań modelowych lub obliczeń, dlatego istnieje potrzeba prostych wskaźników porównawczych, opartych na parametrach znamionowych lub pomocniczych.

Występuje szereg kryteriów obliczeniowych wyznaczających wskaźniki „obciążeń cieplnych”.

Jednym z nich jest:

N_i

K₁ = __ [KW/m]

D

gdzie:

N_i - moc indykowana

D - średnica cylindra.

inny wskaźnik K₂ = N_F

Ne

gdzie: N_F = tłokowy wskaźnik mocy N_F = ___ [MW/m2]

i ⋅ F_tł

gdzie: F_tł - powierzchnia tłoka; i - ilość cylindrów.

Wskaźnik ten określa strumień ciepła oddziaływującego na jednostkę powierzchni tłoka w jednostce czasu.

Przyjmując ten wskaźnik za kryterium obciążenia cieplnego, silniki można podzielić na:

• mało obciążone N_F < 1,50,

• średnio obciążone 1,5 < N_F < 4,5,

• wysoko obciążone 4,5 < N_F < 7,5.

jeszcze inny K₃ = N_FK

Ne

gdzie: N_FK - skorygowany tłokowy wskaźnik mocy N_FK = ____ [ MW/m³]

√SD

Wskaźniki te wystarczają do jakościowego określenia „średniego obciążenia silnika” oraz tendencji zmian.

Porównawczą ocenę temperatury tłoka i głowic umożliwia parametr kryterialny K4 zaproponowany przez A.K. Kostina, którego wartość oblicza się według wzoru:

K₄ = B c_sr ^0,5 ( p_e ⋅g_e ⋅ T_d/T_o) ^0,88 ⋅ ( D/ p_d)^0,38

gdzie:

B - wartość stała: 5,73 dla silników czterosuwowych; 10,2 dla dwusuwowych.

c_sr - średnia prędkość tłoka [m/s],

p_d, T_d - ciśnienie i temperatura doładowania [MPa], [K],

T_o - temperatura otoczenia T_o = 293 K,

g_e - jednostkowe zużycie paliwa [kg/kWh],

p_e - średnie ciśnienie efektywne [MPa],

D-średnica cylindra [m].

Wszystkie dane potrzebne do wyznaczenia parametru K₄ są danymi katalogowymi.

W podobny sposób można określać wskaźniki obciążeń cieplnych innych elementów silnika, np., tulei cylindrowej, zaworów wylotowych itp.

Wskutek ciągłego doskonalenia silników, prostą i przydatną metodą wyznaczenia temperatur dla różnych warunków pracy silnika opracowała firma Autronica.

Diagram wolnoobrotowego silnika dwusuwowego i sposób wyznaczania temperatur - rys.4.43.

Podane wartości liczbowe odnoszą się jedynie do określonego silnika. Uniwersalność tego diagramu polega na poglądowym wskazaniu wpływu wybranych wielkości ( n, t_d, p_d, p_i) na temperaturę określonych obszarów głowicy cylindrowej.

Np. firma Sulzer zaleca ogólna ocenę obciążenia cieplnego swoich silników w oparciu o proste kryterium porównawcze:

p_e

Π = ____

p_d + p_b

gdzie:

p_e - średnie ciśnienie efektywne,

p_d - ciśnienie doładowania,

p_b - ciśnienie otoczenia (barometryczne).

Porównując dane wzorcowe ( z protokołu na hamowni lub prób morskich) z danymi pomierzonymi podczas eksploatacji, dla porównawczego stanu obciążenia silnika, można ocenić ogólny stopień jego obciążenia cieplnego w porównaniu do stanu wzorcowego.

Skutki nadmiernych obciążeń cieplnych.

Wysokie obciążenie cieplne powoduje zmniejszenie trwałości silnika wskutek:

• zmniejszenia się doraźnej i zmęczeniowej wytrzymałości materiału,

• zmian strukturalnych w materiałach,

• intensywniejszego zużywania się powierzchni par trybologicznych ( szybsze zużywanie się tulei cylindrowej i pierścieni).

Przekroczenie granicznych wartości obciążeń cieplnych, zwłaszcza długotrwałe, prowadzi zwykle do:

• uszkodzeń w postaci pęknięć materiału,

• ubytków materiałowych, powodowanych utlenianiem powierzchniowym,

• korozji wysokotemperaturowej,

• nadmiernym zużywaniem się par trybologicznych,

• zakłóceń w procesie roboczym silnika.

1

---