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        船用發(fā)電柴油機排氣閥三維穩(wěn)態(tài)溫度場分析

        2007-09-20 05:49:12星,楊
        船海工程 2007年4期
        關(guān)鍵詞:邊界條件對流溫度場

        馬 星,楊 柳

        (武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,武漢430063)

        某船舶運營中,發(fā)生過因為發(fā)電柴油機排氣閥閥桿斷裂的故障,導(dǎo)致了重大機損事故的事件。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行三維有限元熱分析,為相關(guān)改進設(shè)計提供參考依據(jù)[1]。

        1 排氣閥工作環(huán)境及失效機理

        1.1 排氣閥工作環(huán)境

        1)閥面與高溫燃氣相接觸,承受著很高的熱負荷,通常排氣閥最高溫度可達650~800℃左右。

        2)受到高溫燃氣的沖刷。排氣閥打開瞬間的燃氣溫度可達900~1 000℃,排氣氣流速度可超過800m/s。

        3)氣閥承受著很高的機械負荷,很高的氣體爆發(fā)壓力的作用及與閥座撞擊時很大的沖擊性交變載荷。

        4)受到廢氣的侵蝕等。

        1.2 排氣閥主要失效形式與機理

        燃油(特別是低價劣質(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,一般在535℃左右,具有很強的腐蝕性。排氣閥在工作時,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,密封性變壞,引起漏氣。當漏氣嚴重時,火焰從此穿過,引起局部過熱使閥座變形,閥門翹曲和燒損。

        2 排氣閥熱邊界條件的分析與確定

        2.1 傳熱特點

        柴油機工作時,閥盤作為燃燒室的一部分,直接與高溫燃氣相接觸,受熱狀態(tài)與氣缸壁、缸蓋相似。柴油機在穩(wěn)定工況時,燃燒室內(nèi)零件在燃氣沖擊作用下,溫度波動的頻率很高,但這種波動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,且波動的幅值按指數(shù)規(guī)律迅速衰減。由此可近似認為閥盤在燃燒過程中所承受的熱負荷是穩(wěn)態(tài)恒定的。

        2.1.1 缸內(nèi)燃燒時的排氣閥傳熱分析

        1)通過閥盤底部傳入的熱量,源于缸內(nèi)燃氣與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,熱量傳遞方向為從廢氣到排氣閥。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,因為氣缸體溫度低,所以熱量傳遞方向為從排氣閥到排氣門座。

        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,為整個排氣閥最重要的冷卻措施。

        2.1.2 排氣時的排氣閥傳熱分析

        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制對流-外部流動-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。

        2.2 排氣閥熱邊界條件分析

        根據(jù)排氣閥傳熱特點,將整個排氣閥邊界劃分為3個區(qū)域。A為排氣閥底盤區(qū)域(燃燒時構(gòu)成燃燒室),主要傳熱方式為熱對流及熱輻射;B域為閥座區(qū)域,排氣時與高溫燃氣直接接觸,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)閉時與打開時氣門導(dǎo)管的相對位置不固定,所以將其冷卻效應(yīng)平均分布到整個接觸區(qū)間中。

        圖1 排氣閥實體模型

        2.2.1 排氣閥關(guān)閉時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,在整個工作循環(huán)中始終承受高溫燃氣的直接傳熱。近似地認為氣缸壁內(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——燃氣在一個工作循環(huán)內(nèi)的平均換熱系數(shù);

        h——燃氣瞬時換熱系數(shù);

        Tm——燃氣在一個工作循環(huán)內(nèi)的綜合平均溫度;

        T——燃氣瞬時溫度。

        其中燃氣瞬時溫度T可由示功圖獲得。h的影響因素很多,迄今還沒有一個完整通用的結(jié)論性公式,計算時可先根據(jù)具體機型選擇合適的經(jīng)驗公式,試算出排氣閥溫度場,然后比較排氣閥特征點的溫度實測值與計算值,如有差異,根據(jù)傳熱學(xué)理論修正傳熱邊界條件,重新計算,直至計算值與實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)按照如下實驗準則關(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——普朗特數(shù);

        ——縱橫比;

        h——對流換熱系數(shù);

        λ——燃氣導(dǎo)熱系數(shù);

        d——當量直徑;

        c——燃氣粘度。

        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,故此時的邊界溫度可根據(jù)缸蓋溫度決定。

        2.2.2 排氣閥打開時排氣閥傳熱邊界條件分析

        排氣閥打開時,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,此時主要考慮對象為燃氣與排氣閥之間的熱對流,因此將其歸結(jié)為外部流動強制對流換熱。換熱系數(shù)按照如下實驗準則關(guān)系確定[4]:

        式中:Re=

        在計算過程中,廢氣溫度按實際測量值取值,查得相關(guān)物性參數(shù),按照此公式確定對流換熱系數(shù)。

        3 排氣閥有限元模型的建立及穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)值仿真

        3.1 邊界條件的確定

        某型號船用發(fā)電柴油機缸徑為200mm,活塞行程為300mm,立式直列6缸機,標定功率為221kW,轉(zhuǎn)速為750r/min,20℃時,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)間斷的燃氣對流換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接觸區(qū)間中。

        根據(jù)式(1)、(2)、(3)計算得出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為排氣閥中特征點溫度。

        3.2 排氣閥溫度場

        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

        4 結(jié)論

        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荷。

        3)排氣閥工作環(huán)境惡劣,承受熱負荷大,這對于制造材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面提出了更高要求。

        4)在模擬計算中代入理論公式計算得之換熱系數(shù)獲得的溫度場分布與實際測量值基本相符。

        [1]孔祥謙.熱應(yīng)力有限單元法分析[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1999.

        [2]俞水良,顧宏中.柴油機缸內(nèi)局部瞬態(tài)對流換熱的模型預(yù)測[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1996(2):36-42.

        [3]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1998.

        [4]李斯特.柴油機全集(第3卷).柴油機傳熱[M].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1992.

        [5]陸瑞松,林發(fā)森.內(nèi)燃機的傳熱與熱負荷[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.

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