鱼雷活塞发动机高压单层气缸套设计

万荣华, 李 鑫, 彭 博, 杨 燕



鱼雷活塞发动机高压单层气缸套设计

万荣华1, 李 鑫2, 彭 博3, 杨 燕4

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

为了进一步优化活塞发动机气缸套设计方案, 应用MSC.Patran软件对鱼雷活塞发动机气缸套不同方案的设计结构进行了有限元温度及应力场对比计算分析, 确定了较为合理的设计方案。该设计方案可适用于更高燃气压力的发动机, 最高工作压力大于30 MPa, 较现有技术有明显提高。气缸套通过试验验证, 满足发动机的正常使用要求。

鱼雷; 活塞发动机; 单层气缸套

0 引言

为保证鱼雷活塞发动机的正常工作, 通常需设计气缸套结构。气缸套设计中, 除考虑气缸套和活塞的对磨问题外, 还需考虑气缸套的冷却和高温高压燃气的密封等技术问题。目前, 摆盘活塞发动机采用多层缸套的结构形式, 由于采用多层结构, 在外层结构上用“O”型圈进行径向密封不会存在密封圈过烧问题, 可实现高温高压的燃气密封。但此结构的缺点是气缸套结构复杂, 需要占用的径向空间较大。对于径向设计空间和质量都受限的轻型鱼雷斜盘活塞发动机, 多层气缸套并不适用。

为节省设计空间和质量, 斜盘活塞发动机采用单层气缸套较为合理。单层气缸套常采用的密封形式为端面密封, 但此密封形式适用燃气压力最高约为20 MPa, 难于满足更高压力发动机的发展需求。为克服现有技术中存在的气缸套结构复杂、占用较大径向空间, 以及普通单层气缸套燃气密封压力低的不足, 本文提出了一种用于高温高压燃气密封的单层气缸套结构。

1 设计方案

发动机的气缸套是发动机主要的受热和受力件, 设计中应充分考虑其热强度和机械强度。有限元分析是目前用于设计校核较为常用而有效的方法。通过合理的有限元分析计算, 可以了解气缸套的工作温度分布情况和应力分布情况, 为气缸套的结构设计和结构优化提供帮助。对发动机气缸套进行有限元计算主要分析如下问题: 1) 气缸套热强度是否满足要求; 2) 气缸套头部(缸底端)“O”形圈槽温度是否满足“O”形圈工作要求; 3) 气缸套机械强度是否满足要求。

单层气缸套的结构及密封设计如图1所示。缸套冷却水通道采用矩形环槽结构, 径向对燃气进行“O”形圈密封。考虑到图1(a)方案1中, 密封圈槽温度过高, 容易对“O”形圈造成破坏, 使密封失效, 或者无法满足缸内更高燃气温度、压力的工作要求。因此设计中提出了新的改进结构方案, 即在“O”形圈槽底部开槽隔热, 如图1(b)方案2所示。

图1 单层气缸套结构

为分析方案1是否满足使用要求, 同时对比新方案的设计效果, 本文同时对上述2种方案进行有限元分析计算。分析用Patran软件进行。

2 3D实体模型建立

实体模型的建立是有限元分析的基础, 建立真实的3D实体模型是一项十分重要的工作, 它关系到整个有限元分析成败的关键。为了发挥UG软件的建模优势, 气缸体3D实体模型用UG软件建立, 并通过PARASOLID图形文件导入PATRAN软件进行有限元分析。这里考虑到气缸套结构和载荷的对称, 为简化计算及计算中加载的方便, 其对称模型的1/2进行分析计算。3D实体模型如图2所示。

图2 气缸套3D实体图

3 有限元网格划分

有限元网格的划分采用自由网格划分, 单元用10节点四面体单元, 单元长度为5 mm。得到方案1的节点数52722个, 单元数30852个; 方案2的节点数50262个, 单元数29083个。划分单元后的实体如图3所示。对单元进行Jacobian Ratio检查, 2个方案中的单元绝大多数Jacobian Ratio小于2, 最大值都为20.2, 说明自由划分的网格质量较好。

图3 实体网格划分

4 边界条件确定

4.1 温度场计算边界确定

气缸套的热边界主要包括2个方面: 一是和冷却水的换热; 二是和缸内燃气的换热。

气缸套和冷却水的换热系数用水力当量直径的管流公式来计算[1-2]。

燃气与汽缸套壁之间的换热方式, 主要是对流换热的过程, 这里采用W.J.D.Annand提出的经验公式(2)对燃气与汽缸套壁之间的对流传热进行计算[1-2]。

式(2)反映的是缸套内壁的平均换热。实际在一个循环中, 内层缸套表面与燃气接触时刻和时间间隔是不同的, 受热表面越靠近气缸上部, 被活塞覆盖的时间越短, 与燃气接触的时间越长, 受燃气传热的影响就越大。位于活塞下止点时, 相应第一活塞环位置以下的壁面在整个工作循环内始终被活塞覆盖, 没有受到燃气的直接换热。内层缸套内表面还接受部分活塞侧面的散热, 同时活塞往复运动时, 同缸套内壁的摩擦也产生一定的热量。因此, 内层缸套的热负荷在长度方向是从上部到下部逐渐减弱的。并且, 当/(行程/活塞直径)发生变化时, 内层缸套内表面稳态传热边界条件也发生相应的改变, 因为当/增大时, 燃气传给活塞、缸盖的热量相对减少, 传入内层缸套的热量相对增加。内层缸套内表面稳态传热边界条件沿轴向高度上有如下分布规律[1-2]。

4.2 应力场计算边界确定

应力场计算边界包括受力、约束和温度边界3个方面。

对于缸套而言, 受力情况较为简单, 主要是缸内的燃气压力, 从实际工作来看, 缸内燃气压力及其作用的面积是变化的, 为加载和计算方便, 取缸内最大工作压力进行加载, 另考虑到一定的安全余量, 应力分析时缸内加载压力为实际最高工作压力的1.25倍。

对缸套的约束采用柱坐标()进行, 选择缸套和气缸体的接触面作为向约束面; 缸套的2个轴向截面作为向约束面; 为保证约束封闭, 选择缸套轴向截面棱外上的节点进行向约束。

另外缸套是发动机主要的受热件之一, 热应力是强度分析时不可忽略的组成部分, 分析中通过PATRAN软件域的功能将温度场映射到应力分析计算中, 作为应力分析的温度边界。

5 计算结果及分析

5.1 计算结果

在PATRAN软件中对缸套的有限元模型进行处理后, 调用ANSYS对其进行计算, 得到缸套的温度和应力分布如图4和图5所示。

图4 气缸套温度分布云图

图5 气缸套应力分布云图

5.2 结果分析

从有限元计算结果得出, 缸套温度最高的部位在缸套内壁和气缸体底面接触部位, 最高温度方案1为387℃, 方案2为280℃。“O”形圈环槽温度方案1约为240℃, 方案2约为130℃。从应力场计算结果看, 2种结构应力场无本质差别, 最大应力均为555 MPa左右。最大应力位于环行水槽开口处的根部。

通过对缸套温度场和应力场有限元计算分析, 得出如下结论。

1) 2种方案缸套工作温度都在缸套材料(渗碳合金钢, 如38CrMoAl)许用范围内。

2) 方案1在算例参数条件下“O”形圈环槽温度较高, 难于使用现有橡胶密封材料进行密封。

3) 通过在“O”形圈环槽底部开槽隔热, 可使“O”形圈环槽温度从240℃降至130℃, 从而使密封采用橡胶密封圈方案可行。

4) 缸套最大综合应力(555MPa)小于材料(渗碳合金钢, 如38CrMoAl)的极限强度, 加之计算过程中加载考虑了一定的安全余量, 因此缸套强度可满足使用要求。

5) 在环行水槽开口处的根部, 有应力集中现象, 设计时应考虑有较大的倒角, 减小应力集中的现象。

6 结束语

本文提出的单层气缸套(方案2)在实际工程中得到应用, 并随动力系统进行了功率试验。试验结果表明, 新结构的单层气缸套可满足使用要求, 缸内工作参数达到设计预期。该缸套的设计为轻型鱼雷斜盘发动机小型、轻质化设计的实现提供有力的技术支撑。

[1] 杨世铭. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1987.

[2] 万荣华, 彭博, 何长富. 活塞发动机鱼雷热动力系统工作温度建模[J]. 鱼雷技术, 2002, 10(4): 6-9.

(责任编辑: 陈 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.

万荣华(1972-) 男, 硕士, 高工, 主要研究方向为鱼雷热动力技术.