книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

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

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

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

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-

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.

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

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

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

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 =

1—8—кривые изменения темпе­

Рис. 131. Закономерности из­ менения температур в теле рабочей лопатки ГТД при разгонах с tKр = 2 с;

ния температур в соответствую­ щих точках установки термопар

(см. рис. 129, б)

208

\