1.5. .Lựa chọn mơ hình tính toán
3.3. Xác định trường nhiệt độ và khe hở nhiệt của cặppít tơng xilanh
3.3.1. Tính tốn điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho bài toán xác định trường nhiệt độ trường nhiệt độ
3.3.Ỉ.Ỉ. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho bài toán xác định trường nhiệt độ của ống lót xi lanh
Các giả thiết tính tốn cho bài tốn xác định trường nhiệt độ của ống lót xi lanh đã được trình bày trong phần 2.3.4.
a. Điều kiện biên hình học
Do tỉ số đường kính ngồi và đường kính trong của ống lót xi lanh = 140 = 1,17 < 2 nên theo mục 2.3.4 coi đây là bài toán là truyền nhiệt qua vách phẳng và quá trình truyền nhiệt cho thành ống lót xi lanh chỉ diễn ra theo phương hướng kính.
b. Điều kiện biên vật lí
Vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ 6^12/14 là gang xám CT24-44 (GX24-22), các đặc tính của vật liệu chế tạo ống lót xi lanh như Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Đặc tính vật liệu của gang hợp kim chế tạo ống lót CT24-44 [31]
TT Các đặc tính vât liệu Các giá trị tương ứng
1 Nhiệt độ, [K] 273 373 473 573 673
2 Mô đun đàn hồi,. 103[N/mm2] 92,8 90,76 86,87 81,66 72,99 3 Hệ số giãn nở nhiệt, .10-6 [K-1] 10,8 12 12 12 12 4 Hệ số dẫn nhiệt, .10-3[W/mm.K] 43,12 42,44 41,78 41,02 40,35
5 Khối lượng riêng, [kg/m3] 7200
6 Nhiệt dung riêng, [J/kg.K] 510
7 Hệ số Poisson 0,29
Vật liệu chế tạo khối thân xi lanh động cơ 6^12/14 là gang xám CT18-36 có các đặc tính như Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Đặc tính vật liệu của gang hợp kim chế tạo thân máy C T18-36 [31]
TT Các đặc tính vât liệu Các giá trị tương ứng
1 Nhiệt độ, [K] 273 373 473 573 673
2 Mô đun đàn hồi,. 103[N/mm2] 92,8 90,76 86,87 81,66 72,99 3 Hệ số giãn nở nhiệt, .10-6 [K-1] 10,8 12 12 12 12
4 Hệ số dẫn nhiệt, .10-3[W/mm.K] 45 44 43 41 40
5 Khối lượng riêng, [kg/m3] 7200
6 Nhiệt dung riêng, [J/kg.K] 510
7 Hệ số Poisson 0,29
1----------LT-------------------------------------------
c. Điêu kiện biên thời gian
Đối với động cơ diesel lai máy phát điện trên tàu thủy, việc tính tốn trạng thái nhiệt, trạng thái ứng suất và biến dạng thường được khảo sát ở chế độ tải 100% tương ứng với số vịng quay định mức. Ngồi ra có thể khảo sát ở các chế độ 10%, 20%, 40% tải v.v...
d. Điều kiện biên trao đổi nhiệt tiếp xúc
* Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa bề mặt gương xi lanh với hỗn hợp khỉ cháy trong buồng cháy
Quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt gương xi lanh với hỗn hợp khí cháy trong buồng cháy bao gồm trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ. Lượng nhiệt trao đổi thơng qua bức xạ nhiệt của khí cháy và của ngọn lửa phụ thuộc vào mật độ, áp suất riêng phần của khí cháy, trạng thái khí. Theo giáo sư Diachencơ thì lượng nhiệt bức xạ chỉ chiếm khoảng 3^5% của toàn bộ lượng nhiệt trao đổi. Do đó khi tính tốn ta xét đến trao đổi nhiệt bức xạ thông qua phần bổ sung của hệ số toả nhiệt đối lưu.
Quá trình trao đổi nhiệt của xi lanh với môi chất công tác được đặc trưng bằng hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng aỵ (quá trình đối lưu và bức xạ), nhiệt độ của mơi chất Tỵ và dịng nhiệt qỵ. Do Tỵ và vận tốc xốy lốc của mơi chất cũng như áp suất trong thể tích cơng tác ln ln thay đổi nên các đại
lượng biến thiên có tính chất chu kỳ. Nếu như áp suất được coi là đồng đều theo các vị trí tại cùng mỗi thời điểm thì ngược lại ax, Tx và qx lại không đồng đều tại cùng mỗi thời điểm mà phụ thuộc rất nhiều vào vị trí. Để đơn giản hố, người ta coi q trình trao đổi nhiệt là quá trình tựa tĩnh, ax, Tx và qx nhận một giá trị trung bình tương đương nhất định nào đó, sao cho tổng lượng nhiệt mà môi chất truyền cho xi lanh tương đương với tổng lượng nhiệt mà bề mặt gương xi lanh nhận được trong một chu trình cơng tác tại mỗi chế độ làm việc ổn định của động cơ mà ta cần tính tốn. Hiện nay chưa có các cơng thức tốn học chính xác để xác định ax, Tx và qx theo thời gian và theo tọa độ vị trí. Nhiệt độ mơi chất được xác định thơng qua kết quả tính tốn chu trình cơng tác và được coi là khơng phụ thuộc vào vị trí.
Để xác định các điều kiện biên về hệ số trao đổi nhiệt làm thơng số đầu vào khi tính tốn trường nhiệt độ bằng phần mềm ANSYS ta chia các bề mặt trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh thành các vùng như trên Hình 3.4. Các vùng từ 1^9 là của mặt gương ống lót xi lanh. Các vùng này được chia dựa trên cơ sở tính tốn chu trình cơng tác của động cơ và vị trí các vùng của pít tơng khi ở điểm chết dưới. Các vùng từ 10^14 là các bề mặt bên ngồi của ống lót.
Hình 3.4. Sơ đồ các vùng trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ 6Ч 12/14
Giá trị hệ số trao đổi nhiệt tức thời có thể tính theo cơng thức Woschni (197S), [11]:
0,Б
(3.1)
trong đó:
Cl = 2,2S + 0,30S.cu/cm đối với quá trình cháy giãn nở; Cl = 6,1S0 + 0,4l7.cu/cm, đối với q trình trao đổi khí; C2 = 0,00324 đối với động cơ phun trực tiếp;
C2 = 0,00622 đối với động cơ phun gián tiếp; D - đường kính xi lanh, [m];
cm - tốc độ trung bình của pít tơng, [m/s];
cu - tốc độ tiếp tuyến; (cu = n.D.nd/60 trong đó nd - tốc độ xốy của mơi chất, nd = S,5n)
Vd - thể tích cơng tác của 1 xi lanh, [m]; pc - áp suất môi chất trong xi lanh, [Pa]; pc,0 - áp suất khí trời, [Pa];
Tc 1 - nhiệt độ mơi chất trong xilanh tại thời điểm đóng xupáp nạp, [K]; pc 1 - áp suất môi chất trong xilanh tại thời điểm đóng xupáp nạp, [Pa]. Hệ số trao đổi nhiệt trung bình và nhiệt độ trung bình cho tồn bộ quá trình được xác định như sau [11], [3S]:
ф - Góc quay trục khuỷu, [độ];
a g (фф) - hệ số trao đổi nhiệt bề mặt theo góc quay trục khuỷu;
ã - hệ số trao đổi nhiệt tổng trung bình trên đỉnh pít tơng, tính theo [17]; T - nhiệt tổng trung bình trên đỉnh pít tơng, tính theo [17];
т- hệ số kì, bằng 2 với động cơ 2 kì, bằng 4 với động cơ 4 kì.
Y пт a = „ í a (ф)dф , [W/m2K] пт 0 (3.2) т = —V í a g (ф)т(Ф)dФ , [K] Т Г Т Г / J пт (3.3) n a 0 trong đó:
Với bài tốn cụ thể khi tính tốn trường nhiệt độ xi lanh động cơ 6Ч 12/14 ta sẽ tính tốn với xi lanh thứ nhất.
Vùng 1 là vùng buồng cháy, vùng này theo [10] có a xll = a ; Txll = T .
Để đặt tải lên mơ hình được chính xác ta chia bề mặt thể tích cơng tác của xi lanh động cơ ứng với q trình pít tơng chuyển động từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới trong hành trình cháy giãn nở thành 5 vùng, các hành trình tiếp theo sẽ lặp lại tại các vị trí đó.
Để xác định phần diện tích ống lót xi lanh tiếp xúc trực tiếp với môi chất công tác theo thời gian, cần xác định chuyển vị của pít tơng theo góc quay trục khuỷu. Chuyển vị của pít tơng được xác định từ công thức (2.1). Cơ sở xác định các khoảng chia này dựa vào đặc tính nhiệt độ trong xi lanh trong chu trình cháy giãn nở, kết hợp với góc quay trục khuỷu tương ứng với hành trình pít tơng.
- Vùng 2: Từ khi pít tơng ở điểm chết trên ф = 3600, S = 0 mm đến khi ф = 3SS0, S = 14 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt a z l và nhiệt độ Tzl.
- Vùng 3: Từ khi ф = 3SS0, S = 14 mm đến khi ф = 4270, S = 43 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt az2 và nhiệt độ Tz2.
- Vùng 4: Từ khi ф = 4270, S = 43 mm đến khi ф = 4610, S = 76 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt az3 và nhiệt độ Tz3.
- Vùng 5: Từ khi ф = 4610, S = 76 mm đến khi ф = 4950, S = 109 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt az4 và nhiệt độ Tz4.
- Vùng 6: Từ khi ф = 4950, S = 109 mm đến khi pít tơng ở điểm chết dưới ф = 5400, S = 140 mm. Ta có hệ số trao đổi nhiệt azs và nhiệt độ Tz5.
Từ đó ta có cơng thức xác định hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các vùng như sau:
a xl 3 a 12 T = T = Txl 3 TS2 586 1 ị f 293 653 — I j a . d p + j a .d p 86 V 0 360 293 653 I j a .T .d p + j a . T . d p V 0 360 586.a (3.5) T = T -L ..1 A xl 4 -L \S3 T = Txl 5 S 4 ị i 259 619 > — I j a . d p + j a . d p 18 V 0 360 y 259 619 —— I j a .T .d p + j a .T .d p 8 aS3 V 0 360 y ị i 214 574 > = I j a d p + j a . d p 428 V 0 360 y 214 574 — —---- 1 [ a .T .d p + [ a . T . d p 4 2 8a 4 V 0 j 360j ị i180 540 > j a . d p + j a . d p 360 ' (3.6) (3.7) a xl6 = a S5 = — j a d p + j a d p 360 V 0 360 y ị i 180 540 Txl6 = TS5 =^T^---- I j a .T d p + j a .T d p 360 a S5 V 0 360 (3.8)
Hệ số trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với bề mặt gương xi lanh, nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp môi chất trong buồng đốt theo góc quay trục khuỷu được xác định khi tính tốn chu trình cơng tác bằng phần mềm Diesel-RK. Sơ đồ tính tốn như Hình 3.5, kết quả tính tốn được trình bày trong Phụ lục 1.
Mơ hình gồm các phần tử:
- Inlet - biến đầu vào, mơ tả các thuộc tính của dịng khí nạp vào động cơ như nhiệt độ, áp suất, tổn thất áp suất trên đường nạp,...
- Turbocompressor: khai báo các thông số làm việc của bộ tua bin - máy nén như: tỷ số tăng áp, các thơng số hình học của tua bin và máy nén, ...
- Inlet Valves, Exhaust Valves: khai báo các thông số đặc trưng cho q trình trao đổi khí như kích thước đường ống nạp, ống thải, góc mở sớm, đóng muộn xu páp nạp, xu páp t h ả i ,.
E x h a u s t V a l v e s
C y li n d e r s a n d p is t o n s R - K m o d e l
Hình 3.5. Mơ hình tính tốn chu trình động cơ 6H 12/14 bằng Diesel-RK - Fuel: khai báo các thông số về nhiên liệu như thành phần H, C, O, độ nhớt động học, nhiệt trị, khối lượng riêng, ...
- Fuel Injection System and Combustion Chamber: khai báo các thông số của hệ thống nhiên liệu như quy luật phun, áp suất phun, số vịi phun, bố trí vịi phun.. .và các thơng số của buồng cháy.
- Cylinders and pistons: khai báo các thơng số liên quan đến kích thước xi lanh, tỷ số nén, đường kính pít tơng, tốc độ định mức, số xéc măng, ...
- RK- model: khai các thơng số của mơ hình RK.
Để tính tốn các chế độ tải khác nhau ta thay đổi lượng cấp nhiên liệu tương ứng. Chế độ tính tốn gồm có 20, 40, 60, 80, 100% tải, các chế độ tính tốn này có cơng suất trùng với với chế độ cơng suất có ích của động cơ thực đo được tại Nhà máy X46 Hải quân.
* Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa bề mặt gương xi lanh và p ít tơng
Vùng 7, 8, 9 là vùng trao đổi nhiệt giữa bề mặt gương xi lanh và pít tơng là q trình trao đổi nhiệt tiếp xúc. Do việc xác định hệ số trao đổi nhiệt giữa xéc măng và bề mặt gương xi lanh rất phức tạp và khó để xác định một cách chính xác nên trong nội dung luận án khi tính tốn trường nhiệt độ của xi lanh động cơ 6^12/14 ta có thể chọn gần đúng các giá trị theo [10], [38].
a x l7 = 0,5a x l6 ; T x l7 = T x l6
- Vùng 8, 9 là vùng xéc măng tiếp xúc với bề mặt ống lót xi lanh và vùng trao đổi nhiệt của thân pít tơng với bề mặt ống lót xi lanh theo [10]:
a ^ 9 = 500 - 3500 [W /m 2K]; Tm9 = 450 - 320 [K]
* Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa thành ngồi ống lót xi lanh với nước làm mát
Vùng 12 là vùng trao đổi nhiệt giữa thành ngồi ống lót xi lanh với nước làm mát. Đây là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu, quá trình này bao gồm trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên và trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Khi động cơ hoạt động, nước làm mát liên tục được chảy trong các áo nước và đường ống tạo thành một vịng tuần hồn kín dưới tác dụng của bơm nước. Do đó các quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên là không đáng kể, khi tính tốn q trình trao đổi nhiệt giữa thành ngồi ống lót xi lanh với nước làm mát ta bỏ qua trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên mà chỉ tính đến trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Coi đây là tỏa nhiệt đối lưu khi dòng chuyển động ngang qua ống.
Hệ số trao đổi nhiệt giữa thành ngồi ống lót xi lanh với nước làm mát được xác định theo tiêu chuẩn Nusselt [3], [16]:
Khi hệ số Reynolds của nước Re < 103
■'*.0,25 N u = 0 , 5 9 . R e 0,47. P r 0,38' n P r n V P r t J (3.9) Khi Re > 103 \0,25 N u = 0 , 2 1 . R e 0,62 . P r 0n 38 P r n V P r y (3.10) (ữ.l trong đó: Re = — (3.11)
© - Tốc độ dịng chảy của nước làm mát, [m/s];
l - Kích thước xác định tỏa nhiệt đối lưu, [m];
V - Độ nhớt động học của nước làm mát, [m2/s];
Prn - Hệ số Prandt xác định tại nhiệt độ của nước làm mát; Prt - Hệ số Prandt xác định tại nhiệt độ của thành xi lanh;
Đối với xi lanh động cơ 6^12/14, tra cứu các thơng số tính tốn theo bảng 4 [3].
Mặt khác theo tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt:
Ằ - Hệ số dẫn nhiệt của nước làm mát tại nhiệt độ khảo sát, [W/m.K].
Nhiệt độ tại thành ngoài ống lót xi lanh chọn bằng nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong khối thân xi lanh.
* Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa vai tựa trên ống lót xi lanh với thành khối thân xi lanh
Vùng 10, 11 tại khu vực vai tựa trên của ống lót xi lanh bao gồm trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với mặt gương xi lanh, trao đổi nhiệt dẫn nhiệt giữa thành ngoài với thành khối thân xi lanh, quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên giữa thành khối thân xi lanh với khơng khí bên ngồi động cơ và q trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa thành khối thân xi lanh với nước làm mát. Trên thực tế, cịn có q trình trao đổi nhiệt dẫn nhiệt giữa các thành của các xi lanh cạnh nhau với khối thân nhưng do khi đó bài tốn trao đổi nhiệt trở lên rất phức tạp bởi không xác định được nhiệt độ của môi chất trong các xi lanh bên cạnh. Trong khuôn khổ của luận án chỉ xét mơ hình trao đổi nhiệt bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt giữa thành khối thân xi lanh với khơng khí bên ngồi do lượng nhiệt truyền qua là nhỏ. Mơ hình trao đổi nhiệt được thể hiện như trên Hình 3.6.
(3.12)
Õ'yJ,ẦxỊ ỏìhì^th
Hình 3.6. Mơ hình trao đổi nhiệt khu vực vai tựa trên ống lót xi lanh động cơ 6H 12/14
Giả thiết rằng nhiệt trở hai lớp tiếp xúc bằng không, mật độ dòng nhiệt qua mỗi lớp bằng mật độ dịng nhiệt qua tồn vách q. Mật độ dòng nhiệt truyền qua các vách xác định theo các công thức [3], [16]:
q = V m c ự m c - T t1 ) Ẳ q = i r T - T 2) s .xl (3.13) £ q = a n( T 3- T n) trong đó:
q - Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, [W/m2];