萬(wàn)榮華, 李 鑫, 彭 博, 楊 燕

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魚雷活塞發(fā)動(dòng)機(jī)高壓?jiǎn)螌託飧滋自O(shè)計(jì)

萬(wàn)榮華1, 李 鑫2, 彭 博3, 楊 燕4

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

為了進(jìn)一步優(yōu)化活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套設(shè)計(jì)方案, 應(yīng)用MSC.Patran軟件對(duì)魚雷活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套不同方案的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元溫度及應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比計(jì)算分析, 確定了較為合理的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案可適用于更高燃?xì)鈮毫Φ陌l(fā)動(dòng)機(jī), 最高工作壓力大于30 MPa, 較現(xiàn)有技術(shù)有明顯提高。氣缸套通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證, 滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用要求。

魚雷; 活塞發(fā)動(dòng)機(jī); 單層氣缸套

0 引言

為保證魚雷活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作, 通常需設(shè)計(jì)氣缸套結(jié)構(gòu)。氣缸套設(shè)計(jì)中, 除考慮氣缸套和活塞的對(duì)磨問(wèn)題外, 還需考慮氣缸套的冷卻和高溫高壓燃?xì)獾拿芊獾燃夹g(shù)問(wèn)題。目前, 擺盤活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用多層缸套的結(jié)構(gòu)形式, 由于采用多層結(jié)構(gòu), 在外層結(jié)構(gòu)上用“O”型圈進(jìn)行徑向密封不會(huì)存在密封圈過(guò)燒問(wèn)題, 可實(shí)現(xiàn)高溫高壓的燃?xì)饷芊?。但此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是氣缸套結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 需要占用的徑向空間較大。對(duì)于徑向設(shè)計(jì)空間和質(zhì)量都受限的輕型魚雷斜盤活塞發(fā)動(dòng)機(jī), 多層氣缸套并不適用。

為節(jié)省設(shè)計(jì)空間和質(zhì)量, 斜盤活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用單層氣缸套較為合理。單層氣缸套常采用的密封形式為端面密封, 但此密封形式適用燃?xì)鈮毫ψ罡呒s為20 MPa, 難于滿足更高壓力發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求。為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的氣缸套結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用較大徑向空間, 以及普通單層氣缸套燃?xì)饷芊鈮毫Φ偷牟蛔? 本文提出了一種用于高溫高壓燃?xì)饷芊獾膯螌託飧滋捉Y(jié)構(gòu)。

1 設(shè)計(jì)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸套是發(fā)動(dòng)機(jī)主要的受熱和受力件, 設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮其熱強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度。有限元分析是目前用于設(shè)計(jì)校核較為常用而有效的方法。通過(guò)合理的有限元分析計(jì)算, 可以了解氣缸套的工作溫度分布情況和應(yīng)力分布情況, 為氣缸套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供幫助。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套進(jìn)行有限元計(jì)算主要分析如下問(wèn)題: 1) 氣缸套熱強(qiáng)度是否滿足要求; 2) 氣缸套頭部(缸底端)“O”形圈槽溫度是否滿足“O”形圈工作要求; 3) 氣缸套機(jī)械強(qiáng)度是否滿足要求。

單層氣缸套的結(jié)構(gòu)及密封設(shè)計(jì)如圖1所示。缸套冷卻水通道采用矩形環(huán)槽結(jié)構(gòu), 徑向?qū)θ細(xì)膺M(jìn)行“O”形圈密封。考慮到圖1(a)方案1中, 密封圈槽溫度過(guò)高, 容易對(duì)“O”形圈造成破壞, 使密封失效, 或者無(wú)法滿足缸內(nèi)更高燃?xì)鉁囟?、壓力的工作要求。因此設(shè)計(jì)中提出了新的改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案, 即在“O”形圈槽底部開槽隔熱, 如圖1(b)方案2所示。

圖1 單層氣缸套結(jié)構(gòu)

為分析方案1是否滿足使用要求, 同時(shí)對(duì)比新方案的設(shè)計(jì)效果, 本文同時(shí)對(duì)上述2種方案進(jìn)行有限元分析計(jì)算。分析用Patran軟件進(jìn)行。

2 3D實(shí)體模型建立

實(shí)體模型的建立是有限元分析的基礎(chǔ), 建立真實(shí)的3D實(shí)體模型是一項(xiàng)十分重要的工作, 它關(guān)系到整個(gè)有限元分析成敗的關(guān)鍵。為了發(fā)揮UG軟件的建模優(yōu)勢(shì), 氣缸體3D實(shí)體模型用UG軟件建立, 并通過(guò)PARASOLID圖形文件導(dǎo)入PATRAN軟件進(jìn)行有限元分析。這里考慮到氣缸套結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱, 為簡(jiǎn)化計(jì)算及計(jì)算中加載的方便, 其對(duì)稱模型的1/2進(jìn)行分析計(jì)算。3D實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 氣缸套3D實(shí)體圖

3 有限元網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格的劃分采用自由網(wǎng)格劃分, 單元用10節(jié)點(diǎn)四面體單元, 單元長(zhǎng)度為5 mm。得到方案1的節(jié)點(diǎn)數(shù)52722個(gè), 單元數(shù)30852個(gè); 方案2的節(jié)點(diǎn)數(shù)50262個(gè), 單元數(shù)29083個(gè)。劃分單元后的實(shí)體如圖3所示。對(duì)單元進(jìn)行Jacobian Ratio檢查, 2個(gè)方案中的單元絕大多數(shù)Jacobian Ratio小于2, 最大值都為20.2, 說(shuō)明自由劃分的網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖3 實(shí)體網(wǎng)格劃分

4 邊界條件確定

4.1 溫度場(chǎng)計(jì)算邊界確定

氣缸套的熱邊界主要包括2個(gè)方面: 一是和冷卻水的換熱; 二是和缸內(nèi)燃?xì)獾膿Q熱。

氣缸套和冷卻水的換熱系數(shù)用水力當(dāng)量直徑的管流公式來(lái)計(jì)算[1-2]。

燃?xì)馀c汽缸套壁之間的換熱方式, 主要是對(duì)流換熱的過(guò)程, 這里采用W.J.D.Annand提出的經(jīng)驗(yàn)公式(2)對(duì)燃?xì)馀c汽缸套壁之間的對(duì)流傳熱進(jìn)行計(jì)算[1-2]。

式(2)反映的是缸套內(nèi)壁的平均換熱。實(shí)際在一個(gè)循環(huán)中, 內(nèi)層缸套表面與燃?xì)饨佑|時(shí)刻和時(shí)間間隔是不同的, 受熱表面越靠近氣缸上部, 被活塞覆蓋的時(shí)間越短, 與燃?xì)饨佑|的時(shí)間越長(zhǎng), 受燃?xì)鈧鳠岬挠绊懢驮酱?。位于活塞下止點(diǎn)時(shí), 相應(yīng)第一活塞環(huán)位置以下的壁面在整個(gè)工作循環(huán)內(nèi)始終被活塞覆蓋, 沒(méi)有受到燃?xì)獾闹苯訐Q熱。內(nèi)層缸套內(nèi)表面還接受部分活塞側(cè)面的散熱, 同時(shí)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí), 同缸套內(nèi)壁的摩擦也產(chǎn)生一定的熱量。因此, 內(nèi)層缸套的熱負(fù)荷在長(zhǎng)度方向是從上部到下部逐漸減弱的。并且, 當(dāng)/(行程/活塞直徑)發(fā)生變化時(shí), 內(nèi)層缸套內(nèi)表面穩(wěn)態(tài)傳熱邊界條件也發(fā)生相應(yīng)的改變, 因?yàn)楫?dāng)/增大時(shí), 燃?xì)鈧鹘o活塞、缸蓋的熱量相對(duì)減少, 傳入內(nèi)層缸套的熱量相對(duì)增加。內(nèi)層缸套內(nèi)表面穩(wěn)態(tài)傳熱邊界條件沿軸向高度上有如下分布規(guī)律[1-2]。

4.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算邊界確定

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算邊界包括受力、約束和溫度邊界3個(gè)方面。

對(duì)于缸套而言, 受力情況較為簡(jiǎn)單, 主要是缸內(nèi)的燃?xì)鈮毫? 從實(shí)際工作來(lái)看, 缸內(nèi)燃?xì)鈮毫捌渥饔玫拿娣e是變化的, 為加載和計(jì)算方便, 取缸內(nèi)最大工作壓力進(jìn)行加載, 另考慮到一定的安全余量, 應(yīng)力分析時(shí)缸內(nèi)加載壓力為實(shí)際最高工作壓力的1.25倍。

對(duì)缸套的約束采用柱坐標(biāo)()進(jìn)行, 選擇缸套和氣缸體的接觸面作為向約束面; 缸套的2個(gè)軸向截面作為向約束面; 為保證約束封閉, 選擇缸套軸向截面棱外上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行向約束。

另外缸套是發(fā)動(dòng)機(jī)主要的受熱件之一, 熱應(yīng)力是強(qiáng)度分析時(shí)不可忽略的組成部分, 分析中通過(guò)PATRAN軟件域的功能將溫度場(chǎng)映射到應(yīng)力分析計(jì)算中, 作為應(yīng)力分析的溫度邊界。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 計(jì)算結(jié)果

在PATRAN軟件中對(duì)缸套的有限元模型進(jìn)行處理后, 調(diào)用ANSYS對(duì)其進(jìn)行計(jì)算, 得到缸套的溫度和應(yīng)力分布如圖4和圖5所示。

圖4 氣缸套溫度分布云圖

圖5 氣缸套應(yīng)力分布云圖

5.2 結(jié)果分析

從有限元計(jì)算結(jié)果得出, 缸套溫度最高的部位在缸套內(nèi)壁和氣缸體底面接觸部位, 最高溫度方案1為387℃, 方案2為280℃。“O”形圈環(huán)槽溫度方案1約為240℃, 方案2約為130℃。從應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果看, 2種結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)無(wú)本質(zhì)差別, 最大應(yīng)力均為555 MPa左右。最大應(yīng)力位于環(huán)行水槽開口處的根部。

通過(guò)對(duì)缸套溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算分析, 得出如下結(jié)論。

1) 2種方案缸套工作溫度都在缸套材料(滲碳合金鋼, 如38CrMoAl)許用范圍內(nèi)。

2) 方案1在算例參數(shù)條件下“O”形圈環(huán)槽溫度較高, 難于使用現(xiàn)有橡膠密封材料進(jìn)行密封。

3) 通過(guò)在“O”形圈環(huán)槽底部開槽隔熱, 可使“O”形圈環(huán)槽溫度從240℃降至130℃, 從而使密封采用橡膠密封圈方案可行。

4) 缸套最大綜合應(yīng)力(555MPa)小于材料(滲碳合金鋼, 如38CrMoAl)的極限強(qiáng)度, 加之計(jì)算過(guò)程中加載考慮了一定的安全余量, 因此缸套強(qiáng)度可滿足使用要求。

5) 在環(huán)行水槽開口處的根部, 有應(yīng)力集中現(xiàn)象, 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮有較大的倒角, 減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的單層氣缸套(方案2)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用, 并隨動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了功率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 新結(jié)構(gòu)的單層氣缸套可滿足使用要求, 缸內(nèi)工作參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。該缸套的設(shè)計(jì)為輕型魚雷斜盤發(fā)動(dòng)機(jī)小型、輕質(zhì)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供有力的技術(shù)支撐。

[1] 楊世銘. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1987.

[2] 萬(wàn)榮華, 彭博, 何長(zhǎng)富. 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)魚雷熱動(dòng)力系統(tǒng)工作溫度建模[J]. 魚雷技術(shù), 2002, 10(4): 6-9.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Design of Single Layer Cylinder Sleeve under High Pressure for Torpedo Piston Engine

WAN Rong-huaLI XinPENG BoYANG Yan

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

The software MSC.Patran and finite element method are employed to analyze the temperature and stress fields of different designs of cylinder sleeves for torpedo piston engine, hence a more reasonable scheme is determined. This scheme is applicable to the engine with the maximum gas pressure higher than 30 MPa, and the corresponding single layer cylinder sleeve is verified by the testing.

torpedo; piston engine; single layer cylinder sleeve

TJ630.32

A

1673-1948(2014)03-0200-04

2014-03-02;

2014-03-24.

萬(wàn)榮華(1972-) 男, 碩士, 高工, 主要研究方向?yàn)轸~雷熱動(dòng)力技術(shù).