книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа
..pdfРис. 122. Зависимость износа ша |
Рис. 123. Относительное изменение интен |
||||||
тунного (-------- ) и (———) коренно |
сивности износа шатунного |
подшипника |
|||||
го подшипников двигателя ЗИЛ-130 |
в зависимости от ускорения |
коленчатого |
|||||
за |
106 оборотов коленчатого |
вала |
|
вала: |
|
||
от |
эквивалентного числа оборотов |
О |
— пэ = 1 2 0 0 об/мин; |
X — пэ = |
1600 об/мин; |
||
при различных ускорениях |
в неу- |
||||||
□ |
— «э = 2000 об/мин; |
Д — пэ |
— 2400 об/мин |
||||
|
становившихся режимах: |
||||||
|
|
|
|
|
|||
/ — Ер = 0; 2 — е = 5 1 /с 2; 3 —Е = |
|
|
|
|
|||
= |
10 1/с2; 4 —ер =15 1/с2; 5 - Е р = |
20 1/с2 |
|
|
|
|
Рис. 124. Изменение содержания Fe (а) и Сг (б) в пробе масла за 106 оборотов коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130 в зависимости от характера нагрузки:
1 — установившийся режим; 2 и 3 — неустановившиеся режимы с коле банием нагрузки (рэ ± 0,5 кгс/см2) при скорости ее изменения соответ
ственно 0,102 и 1,53 кгс/(см2-с)
Рис. 125. Интенсивность износа ша тунного подшипника в зависимости от характера нагрузки (обозначения те же, что на рис. 124)
200
изменяется по закону прямой, |
при этом |
8Ш— 1 |
-f а8р , где а — |
= 0,13-7-0,15. |
отмечает, |
что при |
положительном |
Автор исследования [23] |
ускорении коленчатого вала в начальный период переходного про цесса давление подачи масла снижается (до 0,66—0,82 кгс/см2), а затем возрастает, значительно отставая по времени от изменения скоростного режима.
Влияние характера нагрузки на износ деталей двигателя ЗИЛ-130 видно из рис. 124 и 125. Интенсивность износа возрастает как с увеличением нагрузки, так и с увеличением скорости ее изменения. Так, в зоне значений рэ — 4ч- 6 кгс/см2 при скорости изменения нагрузки 0 ,1 0 2 кгс/(см2 -с) интенсивность износа (по железу в масле) таких деталей, как гильза цилиндра и нехромированные кольца, а также шатунные подшипники, возрастает при близительно в 1,3 раза по сравнению с соответствующими устано вившимися режимами, а при скорости изменения нагрузки 1,53 кгс/(см2 -с) — в 2 раза в первом случае ив 1,6 раза во втором.
Основными причинами, вызывающими увеличение интенсив ности износа карбюраторных двигателей в неустановившихся ре жимах, автор исследования [23 J считает влияние сил инерции, нарушение гидродинамического режима смазки в сочетании с из менением подачи смазки к трущимся парам, увеличение топливной пленки, попадающей на стенки цилиндра, а также несоответствие температурного режима деталей цилиндро-поршневой группы из менению скорости и нагрузки.
37. Влияние неустановившегося режима работы на износостойкость дизеля
Исследования разгона двигателя ЯМЗ-236 с двумя вариантами топливоподачи (серийная и ступенчатая) показали, что динамиче ские характеристики цикла (максимальное давление и скорость нарастания давления), существенно влияющие на износ основных
деталей |
и общий уровень шума, в режимах |
разгона выше, чем |
|
в соответственных установившихся режимах |
[18]. Разгон |
произ |
|
водился |
при полной цикловой подаче топлива в пределах |
850— |
2 0 0 0 об/мин, при этом положение органов управления тормозной установкой оставалось неизменным. Установочная исходная на грузка реи, с которой начинался разгон, в опытах принята 0,35рен; 0,48реа и 0 ,6рею где реа — номинальное среднее эффективное дав
ление. |
установочном режиме при п = |
После снятия показаний на |
|
— 800 об/мин рейка топливного |
насоса быстро передвигалась, |
и начиная с 850 до 2000 об/мин разгон протекал в условиях полной цикловой подачи топлива.
Изменение состава смеси и условий смесеобразования, откло нение тепловых условий, возрастание периода задержки воспламе нения, отклонение термодинамических параметров по сравнению
201
с соответствующими значениями на установившихся режимах обу словили повышение максимального давления цикла р2 (рис. 126) и скорости нарастания давления Лр/Дф (рис. 127). Максимальное превышение рг и Др/Лф при разгоне с серийной топливоподачей наблюдается в зоне п = 1500-е-1700 об/мин и в зависимости от исходной нагрузки составляет соответственно 7—18 кгс/см2 и 1—2,2 кгс/(см2 -град). При ступенчатой топливоподаче превыше ние указанных показателей наблюдается в той же зоне числа обо-
Рис. |
126. |
Зависимость |
максималь |
Рис. 127. Зависимость скорости на |
||||||
ного |
давления цикла двигателя |
растания |
давления |
|
двигателя |
|||||
ЯМЗ-236 от частоты вращения в ус |
ЯМЗ-236 |
от частоты |
вращения |
|||||||
ловиях разгона при полной цикло |
в условиях разгона при полной |
|||||||||
вой подаче топлива (----- ) |
и в ус |
цикловой |
подаче |
топлива |
(---- -) и |
|||||
ловиях |
установившегося |
режима |
в условиях установившегося режи |
|||||||
(------ —): а — ступенчатый |
впрыск |
ма (------ ): а — ступенчатый впрыск |
||||||||
топлива; |
б — серийный |
впрыск |
топлива; |
б — серийный |
впрыск |
|||||
|
|
топлива; |
|
|
|
топлива; |
|
|
||
1~ Реи |
0,35 реп, |
2 |
рен |
0,48 Peil't |
1 ~ Реи = |
°’35 Рен' |
2 ~ |
Реи = °'48 Рен |
||
|
|
3 — Реи = |
0,60 р |
|
3 |
- Реи = |
° ' 6 |
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ротов, но менее значительно. Так, превышение максимального давления составляет 4—9 кгс/см2, а скорости нарастания давления
0,5—1,45 кгс/(см2• град).
На рис. 128 приведено максимальное относительное превыше ние 6 тах динамических показателей цикла в зависимости от степени нагрузки PeJPeH- Отклонение показателей тем больше, чем меньше исходная нагрузка в начале разгона. Разгон при малой начальной нагрузке обусловливает высокие ускорения (на рис. 128 приведены их максимальные значения ертах), что приводит к большим превы шениям динамических показателей по сравнению с их значениями в установившихся режимах.
Так, если для серийной топливоподачи при разгоне |
с реи = |
||
= 0,35рен имеем 6< др / д ф)гпах = |
85% и 6р2тах = |
20%, то |
при раз |
гоне С Реи ^ 0,6реи ПОЛУЧИМ |
6 (Д р/д ф) тах = 42% |
И |
= 11%. |
В случае ступенчатой топливоподачи при уменьшении началь ной нагрузки от 60 до 35% величина 6 (др/дф) тах понижается с 63 до
202
26%, а бр max — с 15 до 7%. В пределах повышения исходной на
грузки в начале разгона от 35 до 60% отклонения динамических показателей цикла уменьшаются приблизительно вфдва раза
вобоих вариантах топливоподачи.
Вработе тракторных двигателей характерным, особенно на пахоте, является колебательный характер нагрузки. При этом степень неравномерности момента сопротивления достигает вели
чины 6 мкр = |
0,3-т-0,4, |
а |
период |
|
|
|
|
|
|
||||
его изменения Т = |
1-н2 с. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Колебательный |
характер на |
|
|
|
|
|
|
||||||
грузки |
|
неблагоприятно |
сказы |
|
|
|
|
|
|
||||
вается |
на мощностных |
и топлив |
|
|
|
|
|
|
|||||
ных показателях двигателя, а так |
|
|
|
|
|
|
|||||||
же приводит к повышенному из |
|
|
|
|
|
|
|||||||
носу. Так, по данным исследований |
|
|
|
|
|
|
|||||||
тракторного дизеля, |
проведенным |
|
|
|
|
|
|
||||||
в ВИМе, при переменной нагрузке |
|
|
|
|
|
|
|||||||
(имитация на тормозном стенде) |
|
|
|
|
|
|
|||||||
износ подшипников по содержа |
|
|
|
|
|
|
|||||||
нию меди в масле (вкладыши из |
|
|
|
|
|
|
|||||||
свинцовистой |
бронзы) |
возрастает |
|
|
|
|
|
|
|||||
на 35—40% по сравнению |
с изно |
|
|
|
|
|
|
||||||
сом в установившихся режимах. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
Износ |
тракторного |
двигателя |
Рис. 128. Зависимость наибольшего |
||||||||||
Д-50 в условиях неустановившихся |
относительного превышения |
макси |
|||||||||||
режимов исследовался П. П. Хруш- |
мального давления |
цикла |
(бр тах) |
||||||||||
и скорости |
нарастания |
давления |
|||||||||||
ковым |
[50] |
на стенде, который |
|||||||||||
позволял |
осуществить |
синусои |
(6 (ДР/ДФ) шах) ПРИ Разгоне |
двига |
|||||||||
теля ЯМЗ-236 от |
степени |
исход |
|||||||||||
дальное изменение нагрузки. При |
|||||||||||||
ной нагрузки перед |
разгоном при |
||||||||||||
этом ставилась задача приблизить |
серийном |
(----- ) |
и |
ступенчатом |
|||||||||
ся к наиболее тяжелым эксплуата |
(---------- ) впрыске топлива |
ционным режимам работы трак тора, характеризующимся степенью неравномерности момента
сопротивления 0,3—0,5 и периодом его изменения 2—3 с. Принятые для исследования три варианта неустановившихся
режимов и три сопоставимых установившихся режима соответ ствовали верхней области регуляторной характеристики и охва тывали часть регуляторной и часть корректорной ветви (табл. 19).
В качестве обобщенного показателя для оценки неустановившегося режима работы двигателя использован размах колебаний рейки топливного насоса. При исследовании помимо общих пока зателей работы двигателя осциллографом записывались индикатор ная диаграмма рабочего процесса, угловая скорость коленчатого вала, перемещение рейки топливного насоса, отметка времени, на грузка на тормозе и др. Для определения износа основных сопря жений двигателя применен метод эмиссионного спектрального ана лиза с предварительным озолением проб масла и отложений и по следующей фотографической регистрацией спектров. Определение
203
Т а б'л и ц а 19
Характеристики исследованных неустановившихся и сопоставимых установившихся режимов двигателя Д-50
Р еж им
Неустановившийся
Устано-
В И В Ш И Й С Я
|
|
|
|
|
Варианты |
|
характеристики |
1 |
2 |
3 |
|||
|
|
|
|
|||
Область |
работы дви- |
Регулятор- |
Переход |
Корректор- |
||
гателя |
|
|
|
ная ветвь |
с регуля |
ная ветвь |
|
|
|
|
характери |
торной на |
характери |
|
|
|
|
стики |
корректор |
стики |
|
|
|
|
|
ную ветвь |
|
|
|
|
|
|
характери |
|
|
|
|
|
|
стики |
|
Зона нагрузки (Л4КР) |
70—100 |
80—115 |
— |
|||
в % |
|
|
|
|
|
|
Степень |
неравномер |
0,4 |
0,5 |
0,3 |
||
ности |
момента |
сопро |
|
|
|
|
тивления |
|
|
|
|
|
|
Период |
изменения |
2 |
3 |
2 |
||
момента сопротивления |
|
|
|
|||
в с |
|
|
|
|
|
|
Средняя |
частота вра |
1630 |
1600 |
1510 |
||
щения двигателя в |
|
|
|
|||
об/мин |
|
|
|
|
|
|
Колебания |
частоты |
±30 |
±50 |
±110 |
||
вращения в об/мин |
|
|
|
|||
Частота |
вращения |
1630 |
1600 |
1510 |
||
двигателя в об/мин |
|
|
|
|||
. Эффективная |
мощ |
42,3 |
50 |
52,8 |
||
ность в л. с. |
|
|
|
|
||
Крутящий |
момент |
18 |
22,4 |
25,1 |
||
в кгс*м |
|
|
|
|
|
|
Часовой |
расход топ |
8,34 |
10 |
10,15 |
||
лива в |
кг/ч |
|
|
|
|
концентраций характерных элементов износа осуществлялось по эталонным зависимостям. Износ вкладышей шатунных подшип ников определялся с помощью серебряных радиальных вставок (по восемь штук на каждый вкладыш) с общей площадью трения 50 мм2. Перед каждым режимом двигатель прогревался и проходил послепусковую обкатку.
Выполненные исследования показали, что различие динамиче ских показателей рабочего цикла в неустановившихся и установив шихся режимах зависит в первую очередь от характеристик режима (колебания крутящего момента, рейки топливного насоса, частоты вращения и др.) и ускорений коленчатого вала. В зависимости от
204
режима размах колебаний рейки составлял 0—3,5 мм, при этом величина углового ускорения коленчатого вала достигала 36 1/с2.
Повышение максимального давления цикла в неустановившихся режимах по сравнению с сопоставимыми установившимися составило 13—16%, а скорости нарастания давления — 21—35% (в зависимости от характера режима). Колебание числа оборотов приводит к возникновению неустановившегося режима и в системе смазки. Анализ производительности масляного насоса показал, что в течение периода изменения нагрузки наименьшее значение производительности совпадает по фазе с наибольшими динамиче скими показателями цикла, при этом ухудшается эффективность очистки масла. Отношение загрязненности масла элементами из носа в неустановившихся режимах к загрязненности в сопостави мых установившихся с увеличением размаха колебаний рейки топливного насоса возрастает. В исследованных режимах это отношение достигало величины 1,4.
На неустановившихся режимах колебание угловой скорости, возрастание нагружепности шатунных подшипников и увеличение относительного эксцентриситета приводят к нарушению гидроди намического режима смазки, при этом возможен переход к гранич ному трению с разрывом масляной пленки, что интенсифицирует абразивный износ.
Тепловая инерция поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы, возрастание максимальных давлений цикла форсируют коррозионный износ.
Исследования двигателя Д-50 показали, что в не установив шихся режимах при колебательном характере нагрузки и частоты вращения износ таких деталей, как гильзы цилиндров, компрес сионные и маслосъемные кольца, вкладыши подшипников, поршни, бронзовые втулки и др., возрастает по сравнению с установив шимися режимами в 1,2 —1,8 раза. В зависимости от характера неустановившегося режима износ возрастает: по железу в масле
в1,3—1,49; по хрому в 1,34—1,42; по алюминию в 1,39—1,65; по серебру (вставки вкладышей подшипников) в 1,36—1,78; по магнию
в1,32—1,41; по меди в 1,18—1,42 раза. Если учесть, что основные эксплуатационные режимы работы тракторного двигателя соответ ствуют верхней части регуляторной ветви характеристики (зона нагрузок 70—100%), то наибольший интерес представляет влияние колебаний нагрузки на износ именно в этих режимах. Характер изменения отношения Р (отношения износа в неустановившихся режимах к износу в установившихся режимах для указанной зоны нагрузок) в интервале размахов колебаний рейки топливного насоса от 0 до 2,5 мм может быть принят линейным (коэффициент линейной корреляции около 0,7). Тогда приближенная эксперимен тальная формула связи отношения р и размаха колебаний рейки топливного насоса Ah (в мм) для двигателя Д-50 имеет вид
р = 1 |
ки Ah, |
205
где /си — постоянный для данного материала коэффициент оценки износа: для железа 0,236; для алюминия 0,216; для хрома 0,211; для меди 0,152; для серебра 0,328; для магния 0,236.
Учет особенностей показателей износа в условиях неустановившихся режимов работы тракторного двигателя позволяет более точно оценивать его ресурс в связи с характером эксплуатационной нагрузки.
38. Влияние показателей рабочего процесса на надежность и долговечность газотурбинного двигателя при разгоне
При эксплуатации автотракторных двигателей, сопровождае мой частыми и резкими изменениями режима работы, их детали находятся под воздействием повышенных напряжений. Это отно сится как к деталям, непосредственно подверженным воздействию тепловых потоков, так и к связанным с ними деталям. В ГТД такими деталями являются камеры сгорания, сопловые и рабочие лопатки и поверхности, ограничивающие рабочие объемы газового тракта, а также диски ротора. Неустановившиеся режимы вызы вают в роторе и лопатках турбин значительную неравномерность распределения температуры [43]. Это приводит к возникновению термических напряжений, которые алгебраически складываются с напряжениями от центробежных сил. Исследование температур ных полей при неустановившихся режимах и оценка по ним терми ческих напряжений позволяют обоснованно выбирать режимы эксплуатации и пути снижения термических напряжений.
Изменение термодинамических показателей по закономерно стям, рассмотренным в предыдущих параграфах, обусловливает появление значительной разности температур в лопатках и свиде тельствует о существенном влиянии на эту разность таких факто ров, как геометрические размеры лопатки, длительность воздей ствия изменяющейся температуры газа от исходного до конечного значения и др.
Причиной возникновения неравномерного температурного поля в лопатке является неравномерность прогрева, так как тон кие ее кромки прогреваются значительно быстрее, чем массивная центральная часть профиля. Как показывают эксперименты, не равномерность температурного поля лопатки достигает больших значений, что вызывает соответствующие температурные напряже ния и деформации, часто являющиеся причиной термоусталост ного разрушения.
Остановимся на некоторых результатах экспериментальных исследований ГТД. Схема установки термопар для измерения тем пературы сопловой (в точках 1—12) и рабочей (в точках 1—5) лопаток представлена на рис. 129.
Закономерности изменения температур Тс л тела сопловой ло патки в точках установки термопар при работе ГТД на режимах
206
разгона представлены на рис. 130. Как видно из рисунка, в период разгона сопловая лопатка прогревается до значительных темпера тур. Например, при разгонах с исходной нагрузкой в 32% от номи нальной и tKP = 2 с температура в точке 4 (см. рис. 129, а) через 8,5 с после начала разгона достигла 912 К. При этом температура в верхней, наиболее массивной и частично охлаждаемой потоками воздуха части (точка 1 на рис. 129, а) отставала от температур кромок на 85° С и более.
Рис. 129. Схема установки термопар в лопатках газотурбинного дви гателя: а — сопловая лопатка; б — рабочая лопатка:
1— 12 — точки установки термопар
При резких разгонах большой расход рабочего газа обеспечи вает высокий коэффициент теплоотдачи от рабочего газа к телу лопатки и ее температура (особенно кромок) быстро достигает максимума.
При увеличении времени открытия проходного сечения топлив ного крана до 7 с время достижения двигателем номинального теплового режима увеличивается по сравнению с разгонами при 1кр = 2 с на 25—40%. Заброса температур в точках размещения термопар в сопловой лопатке (рис. 130) не наблюдалось. Макси мальная же скорость нарастания температуры (dTe Jd t)max при разгонах, получаемая проведением касательной к кривой Тс л = = / (/) в точке, где кривая имеет наибольший угол наклона к оси времени, для указанных условий при tKP= 2 с составляет 20 град/с.
Изменение температуры тела рабочей лопатки ГТД в тех же условиях разгона приведено на рис. 131. Измерение температур рабочей лопатки производилось вблизи хвостового соединения лопатки с диском в точках, показанных на рис. 129, б. Размещение термопар в других сечениях лопатки было затруднено в связи с ма лой ее толщиной и габаритами.
207
Рис. 130. Закономерности изменения температур в теле сопловой лопатки ГТД при разгонах с исходной часто
той вращения л£ри =
— 23 000 об/мин; а — N en =
|
0,2 |
Neu\ _ / кр ~ |
2 с; б — |
|
N fл ~ |
0,2 N еп\ ^ |
/кр — 7 с; |
||
в |
N eil = 0,32 |
N j a\ tKp— 2 с; |
||
г |
N ей ~ 0,32 |
Nen\ /Ир —7 с; |
1—8—кривые изменения темпе
ратур |
в соответствующих |
то ч |
|
ках |
установки |
термопар |
(см. |
|
рис. |
129, а) |
|
Рис. 131. Закономерности из менения температур в теле рабочей лопатки ГТД при разгонах с tKр = 2 с;
й - |
N e\i — 0,2 (VfuJ |
|
|
б — Neii — 0,32 ЛГен; |
|
||
------------ |
разгоны при a i = |
ll° |
40'; |
9°40';---------------1; |
разгоны при |
ctj |
= |
3; 5 — кривые измене |
ния температур в соответствую щих точках установки термопар
(см. рис. 129, б)
208
\
При разгонах ГТД температура тела рабочей лопатки в ука занных точках существенно повышалась. Например, при разгонах с исходной нагрузкой в 32% от номинальной при tKP = 2 с и а 1 = 11° 40' температура в точке 5 (вблизи выходной кромки кор невого сечения) через 14,1 с после начала разгона достигла 975 К. При этом температура центральной, наиболее массивной части сечения (линия 3 на рис. 131, б) больше чем на 35° отставала от
температуры в точке 5. При Nen = 0,2jNea температура |
в точке 5 |
|||||||||||||
через 11 с после начала разгона |
а> |
|
|
6) |
|
|
||||||||
достигала 960 К (рис. 131, а). |
лЛ |
|
|
|
|
|
||||||||
Отметим, что при размещении |
|
|
|
|
|
|
||||||||
термопар |
в точках, указанных |
|
|
|
|
|
|
|||||||
на рис. |
129, |
б, заброса темпе |
|
|
|
|
|
|
||||||
ратур тела лопатки не наблю |
|
|
|
|
|
|
||||||||
далось. Это объясняется тем, |
|
|
|
|
|
|
||||||||
что термопары были располо |
|
|
|
|
|
|
||||||||
жены в массивных (по сравне |
|
|
|
|
|
|
||||||||
нию с кромками) |
частях лопат |
|
|
|
|
|
|
|||||||
ки. Кроме того, |
продолжитель |
|
|
|
|
|
|
|||||||
ность |
воздействия |
максимума |
|
|
|
|
|
|
||||||
температур |
в |
период |
разгона |
|
|
|
|
|
|
|||||
относительно небольшая. По |
|
|
|
|
|
|
||||||||
этому температура тела лопатки |
|
|
|
|
|
|
||||||||
в указанных |
сечениях |
отстает |
|
|
|
|
|
|
||||||
от температуры рабочего газа. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
По закономерностям измене |
|
|
|
|
|
|
||||||||
ния |
температуры |
в различных |
|
|
|
|
|
|
||||||
точках сечения построено рас |
Рис. |
132. |
Распределение |
температуры |
||||||||||
пределение температуры вдоль |
||||||||||||||
корневого сечения рабочей ло |
вдоль корневого сечения рабочей ло |
|||||||||||||
патки при разгонах с исходной часто |
||||||||||||||
патки для |
отдельных моментов |
ты вращения 23 000 об/мин при /кр = |
||||||||||||
разгона (рис. |
132). Здесь точки |
= 2 с: и — N ен " |
0,2 AU* б |
Л^и — |
||||||||||
1—5 на оси абсцисс показывают |
|
|
= |
0,32 Л/ен |
|
|
||||||||
места заделки термопар по ши |
|
b до этих точек от вход |
||||||||||||
рине лопатки, |
а цифры — расстояние |
|||||||||||||
ной |
кромки. |
Как видно из рисунка, |
температура вдоль корне |
|||||||||||
вого сечения как на исходном |
перед разгоном режиме (t = 0 ), |
|||||||||||||
так |
и |
в |
период |
разгона существенно |
изменяется. |
Так, |
если |
в центре корневого сечения она на исходном режиме составляет 855 К (рис. 132, б), то на границах кромок (слева и справа от цен тра) — соответственно 897 и 927 К. В процессе разгона темпера тура растет: чем больше время t после начала разгона, тем выше температура лопатки в соответствующих точках. При этом темпе ратура центральной части лопатки отстает от температур кромок и достигает максимального значения через 13 с (рис. 132, а) и 17 с (рис. 132, б) после начала разгона. В первом случае температура центра корневого сечения рабочей лопатки доходит до 925 К, а температура кромок слева и справа от центра — соответственно
14 Ждановский Н. Q. |
209 |