馬 星,楊 柳
(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢430063)
某船舶運(yùn)營中,發(fā)生過因?yàn)榘l(fā)電柴油機(jī)排氣閥閥桿斷裂的故障,導(dǎo)致了重大機(jī)損事故的事件。因此,有必要分析排氣閥的工作環(huán)境及主要失效因素,確定排氣閥的熱邊界條件,用有限元分析軟件對其進(jìn)行三維有限元熱分析,為相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[1]。
1)閥面與高溫燃?xì)庀嘟佑|,承受著很高的熱負(fù)荷,通常排氣閥最高溫度可達(dá)650~800℃左右。
2)受到高溫燃?xì)獾臎_刷。排氣閥打開瞬間的燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)900~1 000℃,排氣氣流速度可超過800m/s。
3)氣閥承受著很高的機(jī)械負(fù)荷,很高的氣體爆發(fā)壓力的作用及與閥座撞擊時(shí)很大的沖擊性交變載荷。
4)受到廢氣的侵蝕等。
燃油(特別是低價(jià)劣質(zhì)燃料)的化學(xué)成分中含有大量的硫、釩、鈉等元素,燃燒后生成氧化物以及這些氧化物生成的聚合物,往往具有較低的熔點(diǎn),一般在535℃左右,具有很強(qiáng)的腐蝕性。排氣閥在工作時(shí),由于排氣溫度較高,使它們以液態(tài)附著在閥盤及閥座上,腐蝕氣閥使閥面和座面上產(chǎn)生麻點(diǎn),密封性變壞,引起漏氣。當(dāng)漏氣嚴(yán)重時(shí),火焰從此穿過,引起局部過熱使閥座變形,閥門翹曲和燒損。
柴油機(jī)工作時(shí),閥盤作為燃燒室的一部分,直接與高溫燃?xì)庀嘟佑|,受熱狀態(tài)與氣缸壁、缸蓋相似。柴油機(jī)在穩(wěn)定工況時(shí),燃燒室內(nèi)零件在燃?xì)鉀_擊作用下,溫度波動(dòng)的頻率很高,但這種波動(dòng)僅僅存在與受熱件表面很薄的一層區(qū)域內(nèi),即所謂熱邊界層,振幅很小,且波動(dòng)的幅值按指數(shù)規(guī)律迅速衰減。由此可近似認(rèn)為閥盤在燃燒過程中所承受的熱負(fù)荷是穩(wěn)態(tài)恒定的。
2.1.1 缸內(nèi)燃燒時(shí)的排氣閥傳熱分析
1)通過閥盤底部傳入的熱量,源于缸內(nèi)燃?xì)馀c閥盤底部之間的對流換熱及熱輻射,是造成閥盤底部溫度最高的主要因素。
2)通過排氣閥外表面?zhèn)鲗?dǎo)的熱量,主要由氣門閥外表面與排氣管中高溫廢氣之間的對流換熱引起。由于廢氣溫度高于排氣閥,熱量傳遞方向?yàn)閺膹U氣到排氣閥。將對流換熱方式劃歸有限空間的自然對流。
3)排氣閥座與排氣門座相接觸,以導(dǎo)熱形式發(fā)生換熱,因?yàn)闅飧左w溫度低,所以熱量傳遞方向?yàn)閺呐艢忾y到排氣門座。
4)排氣閥與氣門導(dǎo)管之間的換熱量,主要傳熱方式為導(dǎo)熱,為整個(gè)排氣閥最重要的冷卻措施。
2.1.2 排氣時(shí)的排氣閥傳熱分析
1)高溫廢氣傳給排氣閥的熱量,主要換熱方式為對流換熱。研究對象為排氣閥,因此以排氣閥為中心,可以將此對流換熱方式劃歸強(qiáng)制對流-外部流動(dòng)-外掠平板的對流換熱。
2)排氣閥與氣門導(dǎo)管之間的換熱量,主要傳熱方式為導(dǎo)熱。
根據(jù)排氣閥傳熱特點(diǎn),將整個(gè)排氣閥邊界劃分為3個(gè)區(qū)域。A為排氣閥底盤區(qū)域(燃燒時(shí)構(gòu)成燃燒室),主要傳熱方式為熱對流及熱輻射;B域?yàn)殚y座區(qū)域,排氣時(shí)與高溫燃?xì)庵苯咏佑|,主要傳熱方式為對流換熱(忽略與排氣門座相接觸的冷卻效應(yīng));C為與氣門導(dǎo)管相接觸的區(qū)域,主要傳熱方式為導(dǎo)熱,見圖1。
由于排氣閥關(guān)閉時(shí)與打開時(shí)氣門導(dǎo)管的相對位置不固定,所以將其冷卻效應(yīng)平均分布到整個(gè)接觸區(qū)間中。
圖1 排氣閥實(shí)體模型
2.2.1 排氣閥關(guān)閉時(shí)排氣閥傳熱邊界條件分析
根據(jù)排氣閥工作過程,傳熱特點(diǎn)及邊界分區(qū),A和B采用第三類邊界條件,即用接觸介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)作為邊界條件;C采用第一類邊界條件,即給定該邊界的溫度。
1)A區(qū)域邊界條件的確定
排氣閥底盤同氣缸蓋火力面一樣,在整個(gè)工作循環(huán)中始終承受高溫燃?xì)獾闹苯觽鳠?。近似地認(rèn)為氣缸壁內(nèi)表面上同一軸向高度各處的換熱系數(shù)相同。所以,A區(qū)的邊界條件由下式確定[2]:
式中:hm——燃?xì)庠谝粋€(gè)工作循環(huán)內(nèi)的平均換熱系數(shù);
h——燃?xì)馑矔r(shí)換熱系數(shù);
Tm——燃?xì)庠谝粋€(gè)工作循環(huán)內(nèi)的綜合平均溫度;
T——燃?xì)馑矔r(shí)溫度。
其中燃?xì)馑矔r(shí)溫度T可由示功圖獲得。h的影響因素很多,迄今還沒有一個(gè)完整通用的結(jié)論性公式,計(jì)算時(shí)可先根據(jù)具體機(jī)型選擇合適的經(jīng)驗(yàn)公式,試算出排氣閥溫度場,然后比較排氣閥特征點(diǎn)的溫度實(shí)測值與計(jì)算值,如有差異,根據(jù)傳熱學(xué)理論修正傳熱邊界條件,重新計(jì)算,直至計(jì)算值與實(shí)測值的誤差在允許范圍內(nèi)為止。
2)B區(qū)域邊界條件的確定
該區(qū)域在燃燒過程中與位于排氣管中的高溫廢氣進(jìn)行對流換熱,屬于有限空間自然對流換熱。換熱系數(shù)按照如下實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)系確定[3]:
式中:Nu——努塞爾數(shù);
Grδ——以δ為特征長度的格拉曉夫數(shù);
Pr——普朗特?cái)?shù);
——縱橫比;
h——對流換熱系數(shù);
λ——燃?xì)鈱?dǎo)熱系數(shù);
d——當(dāng)量直徑;
c——燃?xì)庹扯取?/p>
3)C區(qū)域邊界條件的確定
這部分在氣缸內(nèi)燃燒的過程中與氣門導(dǎo)管緊密接觸,受熱狀態(tài)與缸蓋相似,故此時(shí)的邊界溫度可根據(jù)缸蓋溫度決定。
2.2.2 排氣閥打開時(shí)排氣閥傳熱邊界條件分析
排氣閥打開時(shí),A,B以及C的一部分都處于高溫廢氣沖刷之下,傳熱方式為對流換熱,此時(shí)主要考慮對象為燃?xì)馀c排氣閥之間的熱對流,因此將其歸結(jié)為外部流動(dòng)強(qiáng)制對流換熱。換熱系數(shù)按照如下實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)系確定[4]:
式中:Re=
在計(jì)算過程中,廢氣溫度按實(shí)際測量值取值,查得相關(guān)物性參數(shù),按照此公式確定對流換熱系數(shù)。
某型號船用發(fā)電柴油機(jī)缸徑為200mm,活塞行程為300mm,立式直列6缸機(jī),標(biāo)定功率為221kW,轉(zhuǎn)速為750r/min,20℃時(shí),排氣閥材料屬性見表1。
表1 排氣閥材料
由于排氣閥是對稱結(jié)構(gòu),不考慮徑向差異,取排氣閥四分之一建立三維模型,在ANSYS熱分析模塊的單元庫中選擇Solid70單元,指定單元大小,按照ANSYS提供的Smart方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最后得出排氣閥熱分析有限元模型見圖2。
圖2 排氣閥網(wǎng)格
按照上述確定排氣閥熱邊界條件的方法,來確定排氣閥熱邊界條件,由于是穩(wěn)態(tài)分析,在此提出幾點(diǎn)假設(shè):
1)忽略排氣閥座與排氣門座相接觸的冷卻效應(yīng)
2)忽略排氣閥打開時(shí)與氣門導(dǎo)管脫離而暴露在高溫廢氣中的部分閥桿的對流換熱
3)將循環(huán)間斷的燃?xì)鈱α鲹Q熱過程按傳熱效果等效為持續(xù)的對流換熱過程
4)將氣門導(dǎo)管對于排氣閥的冷卻效果平均分布到整個(gè)接觸區(qū)間中。
根據(jù)式(1)、(2)、(3)計(jì)算得出hm=345,Tm=1 005,hb=226.2。確定邊界條件見表2。
表2 排氣閥的傳熱邊界條件
其中hb為計(jì)算得到的平均換熱系數(shù),Tb為廢氣溫度;Tc1為B,C區(qū)交接處溫度;Tc2,Tc3為排氣閥中特征點(diǎn)溫度。
基于以上排氣閥有限元模型和熱邊界條件,用有限元分析軟件ANSYS可以方便的得出排氣閥溫度場分布。數(shù)值分析得出的排氣閥溫度場見圖3。
圖3 排氣閥溫度場
1)最高溫度發(fā)生在構(gòu)成燃燒室的排氣閥底座部分。
2)溫度梯度較大的地方主要集中在氣閥收口處,需要采取措施來降低該處的熱負(fù)荷。
3)排氣閥工作環(huán)境惡劣,承受熱負(fù)荷大,這對于制造材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面提出了更高要求。
4)在模擬計(jì)算中代入理論公式計(jì)算得之換熱系數(shù)獲得的溫度場分布與實(shí)際測量值基本相符。
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