Расчет_поршня_(ТС_НДС) (Раздаточные материалы)
Описание файла
Файл "Расчет_поршня_(ТС_НДС)" внутри архива находится в папке "Раздаточные материалы". Документ из архива "Раздаточные материалы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "основы автоматизированного проектирования (оап)" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "основы автоматизированного проектирования (сапр)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Расчет_поршня_(ТС_НДС)"
Текст из документа "Расчет_поршня_(ТС_НДС)"
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Домашнее задание № 1
по предмету "КОНСТРУИРОВАНИЕ ДВС"
Расчет теплового состояния поршня бензинового
двигателя 4ЧН 9.5/7.1
Студент: Сорокин С. Н.
Руководитель: Краснокутский А. Н.
Москва 2004
-
Расчет теплового состояния поршня.
Расчет теплового состояния поршня на установившемся режиме работы двигателя заключается в определении его температурного поля.
Суммарный теплообмен между газом и головкой поршня конвекцией и излучением характеризуется коэффициентом = 1 теплоотдачи и результирующей температурой Тг_рез газа по теплоотдаче. При этом рассматриваются осредненные за цикл локальные значения 1 и Тг, что относится и к другим теплонапряженным деталям двигателя. Если не учитывать локальность параметров теплообмена по поверхности поршня, то можно допустить существенную ошибку при определении его теплового состояния.
-
Определение расчетной модели и типа конечного элемента.
Для расчета теплового состояния поршня использовался универсальный пакет AnSys 8.0. Эта программа позволяет реализовать метод конечных элементов в трехмерной постановке.
В этой работе исследуется поршень бензинового авиационного двигателя 4ЧН 9.5/7.1. На трехмерной модели этого поршня базируется расчетная модель. Так как поршень является фигурой вращения, то для визуального наблюдения распределения температурного поля внутри поршня и в целях экономии аппаратных средств, взята только четверть детали (рис. 1).
Рис. 1 Трехмерная модель поршня |
При построении расчетной модели не учитывались следующие факторы:
-
овально – бочкообразная форма поршня
-
литейные приливы
В качестве типа элемента выбран трехмерный 20ти узловой Solid90
-
Определение свойств материала.
Для данного поршня взят материал: Алюминиевый сплав АК4. Его свойства приведены в таблице 1.
Таблица 1 | |||||
Параметр | Температура, [К] | ||||
273 | 373 | 473 | 573 | 673 | |
Плотность, [кг/м3] | 2770 | ||||
Модуль упругости, [Па]10-10 | 7.3 | 7.1 | 6.7 | 6.1 | 5.3 |
Теплопроводность, [Вт/(мК)] | 190 | 198 | 206 | 214 | 222 |
Коэффициент Пуассона | 0.33 |
-
Задание граничных условий.
Для определения температурных полей поршня используем граничные условия третьего рода (задание коэффициента теплоотдачи и температуры на поверхности Тг).
Для определения ГУ со стороны камеры сгорания наибольшее распространение получила формула Вошни, которая определяет коэффициент теплоотдачи от индикаторной диаграммы, скорости поршня, температуры газа и давления прокрутки.
Несмотря на значительные колебания, как коэффициента теплоотдачи , так и температуры Тг, в течении цикла колебания температур в деталях ЦПГ крайне незначительные.
Температурное поле и теплообмен на установившемся режиме работы двигателя принимают условно стационарными. Условия осреднения коэффициента теплоотдачи , и температуры Тг:
Полученные значения , и Тг_рез необходимо распределить по радиусу камеры сгорания в зависимости от ее типа.
Значения параметров , и Тг_рез, взяты из расчета рабочего процесса двигателя. Расчет проводился в программе Дизель – 4Т. Результаты расчета приведены в таблице 2.
Таблица 2 |
───────────────── МОЩНОСТНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ─────────────── 5000.0 - n - Частота вращения коленчатого вала, 1/мин 63.531 - Ne - Mощность, кВт 15.173 - Pe - Cреднее эффективное давление, бар .05607 - qc - Цикловая подача топлива, г .27115 - ge - Удельный эффект. расход топлива, кг/(кBт*ч) .30175 - Eta_e - Эффективный KПД 17.490 - Pi - Cреднее индикаторное давление, бар .34554 - Eta_i - Индикаторный KПД 2.2692 - Pтр - Давление трения, бар .87327 - Eta_mex. - Mеханический KПД ───────────────────── ПАРАМЕТРЫ ОКРУЖАЩЕЙ СРЕДЫ ───────────────────── 3.5000 - Н_ур.мор - Высота над уровнем моря, км 655.00 - W_полета - Скорость полета, км/час .73045 - Ро* - Давление заторм. потока, бар 287.18 - То* - Температура заторможенного потока, К .71488 - Pот - Статическое давление за турбиной, бар .72315 - Ро_вх* - Давление заторм. потока за фильтром, бар ──────────────────────── НАДДУВ И ГAЗOOБMEH ───────────────────────── 1.3429 - Pк - Давление наддува, бар 303.15 - Tк - Tемпература наддувочного воздуха, K .06953 - Gair - Pасход воздуха через цилиндры двиг., кг/с .50160 - КПД_тк - KПД агрегата наддува 1.0559 - Pr* - Среднее давление перед турбиной, бар 1198.6 - Tr* - Cредняя температура перед турбиной, K .07425 - Ggas - Pасход O.Г. через цилиндры двиг., кг/с 1.0000 - Alfa_sum - Kоэфф. избытка воздуха суммарный .05259 - Pнх - Среднее давление насосных ходов, бар 1.0840 - Eta_v - Kоэффициент наполнения .00678 - Gamma_r - Kоэффициент остаточных газов 1.0526 - Fi - Kоэффициент продувки .00000 - G_забр.% - % заброса O.Г. во впускной коллектор .00000 - G_утеч.% - % утечек через поршневые кольца ──────────────────────── BПУCKHOЙ KOЛЛEKTOP ───────────────────────── 1.3550 - Ps - Среднее давление во впуск. коллект., бар 306.11 - Ts - Средн. температ. во впуск. коллект., K 307.11 - Tws - Cредняя температура стенки вп. колл., K 137.86 - Alfa_ws - Kоэфф. теплоотдачи во вп. колл., Bт/(м2*K) 111.16 - Alfa_wsc - Kоэфф. теплоотд. в клап.канале, Bт/(м2*K) ──────────────────────── BЫПУCKHOЙ KOЛЛEKTOP ──────────────────────── 1.0217 - Pr - Среднее статическое давление O.Г., бар 1190.0 - Tr - Cредняя статическая температура O.Г., K 154.77 - Wr - Cредняя скорость газа, м/с 1101.4 - Twr - Cредняя температура стенки вып. колл., K 418.57 - Alfa_wr - Kоэфф. теплоотдачи в вып. колл., Bт/(м2*K) 580.44 - Alfa_wcr - Kоэфф. теплоотд. в клап.канале, Bт/(м2*K) |
─────────────────────────────── CГOPAHИE ──────────────────────────── 0.9500 - Alfa - Kоэффициент избытка воздуха при сгорании 73.901 - Pz - Mаксимальное давление цикла, бар 2399.0 - Tz - Mаксимальная температура цикла, K 16.000 - Fi_pz - Угол максимального давления, град. за BMT. 23.000 - Fi_tz - Угол максимальн. температуры, ---- / ---- 2.8551 - dP/dFi - Maкс. скор. нарастания давл., бар/град. 21.000 - Fi_опер - Oпережение впрыска / зажигания, град.до BMT .28900 - Fi_задер.- Период задержки воспламен. в цилиндре, град. 49.000 - Fi_горeн.- Продолжительность сгорания, град.п.к.в. 3.0000 - m_v - Показатель сгорания в цилиндре по Вибе 80.220 - Октан.чсл- Мин. октановое число топлива -грань детонац ───────────────── ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛООБМЕНА ЦИЛИНДРА ──────────────────── 1295.3 - T_ср. - Средняя эквивалентная температура цикла, K 501.96 - Alfa_w - Cр. коэфф. теплоотд. от газа к стен,Bт/м2/K 574.73 - Tw_поршн - Cредн. температура огневого днища поршня, K 428.00 - Tw_втулк - Cредн. температ. огневой поверхн. втулки, K 560.91 - Tw_крышк - Cредн. температ. огневой поверхн. крышки, K 392.43 - Tw_охл - Cредн. температура со стороны охлаждения крыш крышки цилиндра, K 399.39 - Tкип. - Температ.кипения в сист. жид. охлаждения, К 11363. - Alf_w_охл- Cредн. коэфф. теплоотдачи [Bт/(м2*K)] от стенки крышки цилиндра к охлажд. среде. 2612.3 - q_крышки - Тепловой поток в крышку цилиндра, Дж/с 2452.6 - q_поршня - Тепловой поток в поршень, Дж/с 2730.4 - q_цилинд.- Тепловой поток во втулку цилиндра, Дж/с ────────────── ПAPAMETPЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ────────────── 8.5000 - Степ.сжат- Степень сжатия 70.000 - Нач.вып. - Начало выпуска, град. до НMT (ВПуск. вала) 48.000 - Кон.вып. - Конец выпуска, град. за ВMT (ВПуск. вала) 50.000 - Нач.впуск- Начало впуска, град. до ВMT (ВПуск. вала) 45.000 - Кон.впуск- Конец впуска, град. за НMT (ВПуск. вала) |
─────── ПAPAMETPЫ КОМПРЕССОРА ступени высокого давления ───────────── .00000 - n_квд - Частота вращения ротора, 1/мин 19.555 - N_квд - Mощность, кBт .76000 - КПД_квд - Адиабатный КПД .96000 - КПДм_квд - Механический КПД .15419 - G_квд - Расход воздуха, кг/с 3.4781 - Gпр_квд - Расход воздуха приведенный .00000 - n.пр_квд - Частота вращения ротора (приведенная) 2.7500 - П_квд - Степень повышения давления .00000 - K.пи_квд - Коэффициент Кпи .75973 - Ро_квд - Полное давление на входе, бар 286.18 - То_квд - Температура торможения на входе, К 2.0893 - Рк*"квд - Полное давление за компрессором, бар 412.37 - Тк*"квд - Температура торможения за компрессором, К .70000 - Eохл_квд - Эффективность охладителя воздуха 286.18 - Tохл_квд - Температ. охл. агента в охладит. воздуха, К 2.0793 - Рк*_квд - Давление наддува, бар 324.04 - Тк*_квд - Температура наддувочного воздуха, К ──────────── ПAPAMETPЫ ТУРБИНЫ ступени высокого давления ──────────── .00000 - n_твд - Частота вращения ротора, 1/мин 19.578 - N_твд - Mощность с учетом мех. КПД, кBт .78125 - КПД_твд - Адиабатный КПД .96000 - КПДм_твд - Механический КПД .15826 - G_твд - Расход газа, кг/с 2.4137 - Gпр_твд - Расход газа приведенный .00000 - n.пр_твд - Частота вращения ротора приведенная 2.6610 - П_твд - Перепад давления 19.933 - В_твд - Относительная работа 1.7293 - Рт*_твд - Полное давление на входе, бар 677.88 - Тт*_твд - Температура торможения на входе, К .64989 - Ро_твд - Противодавление за турбиной, бар 560.74 - То_твд - Температура газа за турбиной, К |
Для наложения граничных условий на трехмерную модель поршня его поверхность была разбита (рис. 3, 4) на секции (рис. 2). Для каждой секции применены граничные условия (таблица 3).
|
Рис. 3 Разбиение поверхности поршня на секции |
Таблица 3 | ||||||
№ | , [Вт/м2К] | Тг, [К] | № | , [Вт/м2К] | Тг, [К] | |
1 | 650 | 1295 | 16 | 20000 | 491 | |
2 | 600 | 1295 | 17 | 300 | 485 | |
3 | 570 | 1295 | 18 | 15000 | 481 | |
4 | 530 | 1295 | 19 | 150 | 478 | |
5 | 530 | 1295 | 20 | 20000 | 475 | |
6 | 460 | 1295 | 21 | 300 | 470 | |
7 | 410 | 1295 | 22 | 15000 | 465 | |
8 | 350 | 1295 | 23 | 5000 | 460 | |
9 | 320 | 1295 | 24 | 4818 | 448 | |
10 | 150 | 693 | 25 | 4636 | 440 | |
11 | 150 | 615 | 26 | 4454 | 433 | |
12 | 20000 | 530 | 27 | 4273 | 426 | |
13 | 300 | 530 | 28 | 4091 | 415 | |
14 | 15000 | 522 | 29 | 3909 | 410 | |
15 | 150 | 500 | 30 | 3727 | 405 | |
31 | 3545 | 401 | 35 | 2200 | 365 | |
32 | 3364 | 396 | 36 | 2100 | 363 | |
33 | 3182 | 390 | ||||
34 | 3000 | 385 |
Примечание: Охлаждение днища поршня осуществляется опрыскиванием маслом, подаваемым через специальную масляную форсунку.
-
Результаты расчета.
После задания свойств материала, типа расчета и вида элемента произведена разбивка поршня на конечные элементы (рис. 5), с последующим наложением граничных условий.
|
Рис. 5 Разбивка поршня на конечные элементы |
На основе теплового расчета (рис. 6, 7), были получены температуры в наиболее значимых точках поршня (таблица 4).
Таблица 4 | ||
Температура Т, [С] | ||
Поршня | Предельная | |
Максимальная | 282 | 340…360 |
В районе первого поршневого кольца | 230…240 | 220…250 |
Минимальная | 101 | … |
|
Рис. 6 Температурное поле поршня |
|
Рис. 7 Температурное поле днища поршня и области поршневых колец |
Результаты расчета:
Температура в зоне первого поршневого кольца – 507.9К=234.9 °С (максимально допустимая - 250 °С).
Температура максимальная – 545.778К=272.778 °С (максимально допустимая – 360 °С).
-
Вывод
На основе полученных данных можно утверждать, что конструкция поршня работоспособна в данных рабочих условиях.