ГЛАВА 2
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУДОВОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С ПОДРУЛИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ
2.1. Математическая модель теплового нагружения судового дизеля
при пуске подруливающих устройств
Основными причинами повреждения судового дизеля являются механические и тепловые перегрузки. В судовых условиях тепловое состояние дизеля оценивают по температуре отработанных газов на выходе из цилиндров и коэффициенту избытка воздуха при сгорании топливных смесей в цилиндре.
Приближенно изменение абсолютной температуры T в цилиндре описывают дифференциальным уравнением вида [20]
где Qв - количество теплоты, которое возникает в цилиндре при сгорании топлива;
Qw - количество теплоты, которое передается стенкам рабочей полости цилиндра;
V - мгновенный объем цилиндра;
p - давление газов в цилиндре;
U - удельное внутреннее давление газов;
mг - масса газов в цилиндре;
m1 - масса газов, входящих в цилиндр;
m2 - масса газов, выходящих из цилиндра;
? - коэффициент избытка воздуха цикловой подачи топлива;
h1, h2 - положения топливной рейки;
? - угол поворота коленчатого вала.
Давление газов в цилиндре можно определить по формуле И.И. Вибе
где mL - масса воздуха;
mB - масса топлива;
T - абсолютная температура газов в цилиндре;
Rг - газовая постоянная;
Vs - текущий объем цилиндра;
?(?) - аналог перемещения поршня.
Для судовых четырехтактных дизелей используют формулу И.И. Вибе [20]
где ;
;
,
mB? =bц - цикловая подача топлива;
?сг - угол поворота коленчатого вала начала сгорания топлива в цилиндре;
?ZB - продолжительность тепловыделения;
QH - теплота сгорания топлива;
m - показатель кривой тепловыделения И.И. Вибе;
?m - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
?Z - коэффициент теплоотдачи от газов до стенок цилиндра;
A? - поверхность теплообмена;
TW - средняя условная температура стенки цилиндра.
Для судовых дизелей можно использовать кривую тепловыделения В.С. Семенова и В.И. Квятковского [63, 37].
При перегрузке дизеля при положении рейки на упоре, уменьшается давление наддува, уменьшается расход воздуха и коэффициент избытка воздуха ?. Увеличивается цикловая подача топлива bц, максимальное давление сгорания смеси , и температура отработанных газов цилиндра Tц.
За счет смещения начала сгорания к верхней мертвой точке, учли достижения максимальных значений , давление и температура смещаются от верхней мертвой точки на линию расширения. Увеличиваются дымность отработанных газов и расход топлива, уменьшается КПД турбокомпрессора, при этом, показатели теплового состояния изменяются быстрее чем показатели механической напряженности.
Таким образом, для первой стадии нагрузки дизеля при пуске СПУ основным видом перегрузки деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) является перегрузка теплового характера. При разгоне дизеля механические перегрузки кривошипно-шатунного механизма (KШM) являются основными.
На морских судах повышение тепловой и механической напряженности дизеля является основной причиной износа деталей, нерасчетной выработки ресурса и аварийных повреждений ЦПГ и KШM.
Основными видами отказов, ограничивающих ресурс до первой разборки, являются отказы ЦПГ (30 ... 40 % от общей суммы отказов). Эффективным способом уменьшения отказов ЦПГ является уменьшение тепловых перегрузок. При увеличении момента дизеля основными являются тепловые перегрузки, при разгоне дизеля - механические.
Критерием для ограничения теплового состояния деталей ЦПГ может служить отношение (m - показатель тепловыделения; ? - коэффициент избытка воздуха).
Выбор закона изменения цикловой подачи топлива bц=f(?) обеспечивает максимальное значение m/?. Это уменьшает темп выработки расчетного ресурса и повышает долговечность деталей ЦПГ и KШM.
При нагружении дизеля, который работает на холостом ходу, температура стенок деталей, которые контактируются с рабочим телом, ниже температуры стенок при квазистационарных условиях. Поэтому при нагружении потери количества теплоты в окружающей среде будут увеличенными, индикаторный КПД уменьшается.
Для установления тепловой инерции необходимо определить давление в цилиндре. Мониторинг давления в цилиндре позволяет получить индикаторную диаграмму. Из диаграммы находим максимальное давление сгорания, показатели политропы и расширения.
При нагрузке дизеля происходит максимальное самопроизвольное изменение индикаторного давления (8 ... 10) % от среднего номинального [51].
При переходе с холостого хода на номинальные условия температура стенок увеличивается на 100 ... 150 ?C при Tстенок=500 ... 600 K, в стенки отводится от 13 до 38 % общего количества теплоты. Температурные колебания больше 20 ?C возникают при одновременном уменьшении числа оборотов и увеличении цикловой подачи топлива. Из-за тепловых колебаний возникают механические напряженности, особенно в верхних слоях ЦПГ.
Под понятием теплонапряженности понимают количество теплоты, которое приходит за 1 с через 1 м2, то есть удельный тепловой поток.
Удельные тепловые потоки в верхних частях ЦПГ сильно зависят от цикловой подачи топлива и механического состояния ЦПГ и тепловой аппаратуры. Исследование тепловой напряженности ЦПГ является необходимым для обеспечения надежной работы судовых дизель-генераторов. Через стенки цилиндра, от газов до охлаждающей жидкости передается до 30 % количества теплоты, которая поступает в цилиндр в виде химической энергии топлива. Эта часть количества теплоты и количество теплоты выхлопных газов определяет значение индикаторного КПД дизеля.
Чем больше удельный тепловой поток деталей ЦПГ, тем неравномернее распределение температуры по их объему. Эти неравномерности значений температур создают температурное напряжения, которые с механическими напряженностями определяют общее напряжение деталей дизеля.
Необходимо учитывать характер изменения удельных тепловых потоков при пусках, изменении числа оборотов и т.д., если это не делать, то
- Київ+380960830922