Современные проблемы машиностроения

Подождите немного. Документ загружается.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

а) б)

а) во вторичных электронах (SET); б) в рентгеновском излучении (x-RayCu)

Рис. 4. Поверхность колодки при смазке И-ЛГ-А-15 (без присадки)

а) б)

а) во вторичных электронах (SET); б) в рентгеновском излучении (x-RayCu)

Рис. 5. Поверхность ролика при смазке И-ЛГ-А-15 (без присадки)

Результаты теоретических расчетов [2] температуры вспышки в зоне контакта для об-

разцов без покрытия, с гальваническим покрытием (хромирование) и для образцов, на по-

верхности которых в результате избирательного переноса образуется медная плен ка, приве-

дены в таблице, где введено понятие коэффициента изменения температуры в спышки, кото-

рый определяется как

max

. (1)

Здесь maxT

и maxT

– максимальные значения температуры вспышк и для контакти-

рующих поверхностей с покрытием и без покрытия соответственно. Этот коэффициент ха-

рактеризует снижение температуры вспышки (К

1) и ли ее увеличение (К

1) в зоне к онтак-

та при наличии покрытия.

Таблица

Результаты расчета температуры вспышки

Вариант покрытия

Толщина

покрытия,

, мкм

maxT

Коэффициент

Без покрытия (сталь)

606

Гальваническое

хромирование

453

0,75

434

0,72

Медная пленка

479

0,79

394

0,65

349

0,57

Анализ результатов проведенных расчетов позволяет сделать следующие выв оды.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

Наличие защитной медной пленки значительно снижает величину температуры вспыш-

ки на стальной поверхности. Толщина пленки обычно не превышает 1…2 мкм, что практиче-

ски не влияет на величину зазора сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения.

Гальваническое хромирование также снижает величину температуры вспышки. За ис-

ходные данные для расчета были выбраны оптимальные значения толщины покрытия. На

практике толщина его колеблется от 3 до 20 мкм. Кроме того, гальванические покрытия, как

правило, являются технологическими концентратами напряжений. Детали с г альванически-

ми покрытиями, которые в процессе эксплуатаци и испытывают переменные нагрузки, ино-

гда разрушаются, в то время как такие детали без покрытия при тех же нагрузках не разру-

шаются. Наиболее сильно снижает выносливость (малоциклов ую прочность, усталостную

прочность) деталей нанесение износостойк их покрытий из электролитического хрома, нике-

ля. В зависимости от вида покрытия и условий эксплуатации выносливость деталей снижает-

ся от 5 до 70 % по сравнению с их выносливостью без покр ытий.

С целью обоснования теоретических исследований были проведены натурные и экс-

плуатационные испытания подшипников скольжения промышленных швейных машин. Ре-

зультаты измерения средней поверхностной температуры Т

в зоне контакта подшипниково-

го узла приведены на рис. 6.

1 – И-ЛГ-А-15; 2 – И-ЛГ-А-15 + 0,3% МКФ-18У

Рис. 6. Изменение температуры трущихся поверхностей подшипника

Анализ полученных результатов показывает:

– использование в качестве смазочного материала масла с металлоплакирующей при-

садкой приводит к образованию защитной медной пленки, наличие которой подтверждено

исследованием трущихся поверхностей подшипников скольжения методом электронной

микроскопии;

– защитная медная пленка приводит к уменьшению величины температуры вспышки и,

как следствие, средней температуры трущихся поверхностей подшипников Тп на 10…15

С по

сравнению с подшипниками, которые смазывались обычным маслом И-ЛГ-А-15;

– проведение промышленных испытаний швейных машин показало, что уменьшение

температуры т рущихся поверхностей пары трения скольжения является одной из причин

снижения износа быстрои знашивающихся подшипников скольжения в 2…3 раза и приводит

к увеличению их долговечности.

Приведенные примеры подтверждают высок ую эффективность введения антифрик-

ционных покрытий на поверхностях контактирующих тел для снижения температуры

вспышки. Это приводит к улучшению температурного режима работы в зоне контакта и, как

следствие, к снижению износа поверхностей контактирую щих деталей и увеличению долго-

вечности трибосопряжений.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

Литература

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (Износ и безызносность): учебник / Д.Н. Гаркунов. –

Изд. 4-е, перераб и доп.– М.: Изд-во МСХА. – 2001. – 616 с.

2. Литвинов А.Н. Прикладные модели механики гетерогенных структ ур изделий при-

боростроения: монография/ А.Н. Лит винов, М.А. Литвинов, В.В. Смогунов; под ред.

В.В. Смогунова. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. – 2009. – 320 с.

МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ФОРСИРОВАННОГО ДВС

В.А. Жуков, к.т.н., доц., М.А. Тарасов

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П.А. Соловьева, Тутаевский филиал

152300, Ярославская обл., г. Тутаев, ул. Промышленная, 1, тел. (48533)2-64-84

E-mail: gukovv@rambler.ru

Работа любого теплового двигателя, независимо от его конструкции, сопровождается

потерями теплоты, которые можно разделить на две составляющие:

1. потери, обусловленные II Началом термодинамики, величина которых зависит от

совершенства рабочего цикла двигателя, степени его приближенности к циклу Карно;

2. потери, связанные с необходимостью охлаждать детали двигателя для обеспечения

их работоспособности, выражаемые теплотой, отводимой через систему охлаждения.

Системы охлаждения современных и перспективных форсированных поршневых и

комбинированных двигателей должны обеспечивать оптимальное и стабильное тепловое со-

стояние деталей и узлов. Оптимальным следует считать такой температурный уровень, при

котором материалы деталей сохраняют свои прочностные свойства, моторные масла сохра-

няют высокую смазыва ющую и несущую способность, а потери теплоты через систему ох-

лаждения минимальны. Известно, что на работе двигателя отрицательно сказывается как не-

достаточное, так и излишнее охлаждение. Перегрев двигателя вызывае т ухудшение наполне-

ния цилиндров воздушным зарядом, неполное сгорание топлива и его повышенный расход,

нарушение условий жидкостного трения, возникновение повышенных износов и задиров

трущихся поверх ностей в узлах трения, повышенный расход масла на угар, снижение проч-

ностных свойств материалов и п оявление термоусталостных разрушений. Переохлаждение

двигателя приводит к чрезмерному повышен ию вязк ости масла и, в следствие этого, к воз-

растанию механических потерь, снижению эффективного КПД двигателя, а также к ухуд-

шению смесеобразования и воспламенения, переносу процесса сгорания на линию расшире-

ния и повышенным расходам топлива.

Работу системы охлаждения можно охарактеризовать рядом параметров, разбив их на

следующие группы:

Конструктивные (количество конт уров ох лаждени я, способы подвода и распределе-

ния охлаждающей жидкости п о полостям охлаждения, характерные размеры полостей охла-

ждения и т.д.);

Режимные (количество отводимой теплоты, скорость циркуляции жидкости, давление

в системе, температура жидкости);

Водно-химические (тип и состав теплоносителя, его теплофизические и химические

характеристики).

Размеры полостей и каналов зарубашечного пространства определяются в большин-

стве случаев технологическими соображениями, оптимизация гидродинамических характе-

ристик систем охлаждения представляет большую сложность и требует большого объема

экспериментальных численных методов.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

Удельное количество теплоты, отводимое от двигателя системой охлаждения, состав-

ляет н а номинальных режимах работы от 12 до 35 %, а с переходом на долевые нагрузки эти

потери еще более возрастают. Очевидно, что для п овышения эффективности двигателей теп-

ловые потери, в том числе, и через систему охлаждения необходимо сокращать.

В перспективных системах охлаждения сокращение тепловых потерь осуществляется

за счет повышения температуры охлаждающей жидкости. Экспериментальные данные о

влиянии повышения температурного уровня системы охлаждения на основные параметры

рабочего цикла двигателя, приведенные в работах [1, 2], позволяют утверждать, что высоко-

температурное ох лаждение может обеспечить улучшение большинства характеристик двига-

теля, в связи с чем, ее можно рассматривать, как одну из перспективных систем охлаждения

ДВС [3].

При решении задачи следует учитывать, что с увеличением форсированности двига-

телей по среднему эффективному давлению или частоте вращения происходит перераспре-

деление составляющих теплового баланса: потери теплоты, связанные с охлаждением надду-

вочного воздуха и смазочного масла возрастают, а потери, связанные с охлаждением деталей

остова снижаются.

Опыт эксплуатации комбинированных ДВС показывает, что при существующих ха-

рактеристиках моторных масел оптимальная температура охлаждающей жи дкости для замк-

нутых систем находится в пределах 75-90

С.

В настоящее время применяется два метода поддержания заданн ой температуры в

системе охлаждения поршневых ДВС:

1. Изменением количества жидкости, проходящей через двигатель;

2. Изменением интенсивности теплообмена в теплообменных аппаратах.

Эти методы могут быть реализованы тремя основными способами:

– дросселированием: в этом случае производительность насоса определяется величиной ре-

гулируемого гидравлического сопротивления;

– обводом: при этом часть охлаждаемой жидкости направляется по вспомогательной магист-

рали в обвод охлаждаемого объекта (двигателя или теплообменника);

– перепуском: в этом случае регулирующий орган н аправляет часть охлаждаемой жидкости

после выхода из объекта вновь на всасывание циркуляционного насоса, т.е. происходит воз-

вращение жидкости в объект без ее охлаждения.

Наибольшее распространение в настоящее время получили следующие способы регу-

лирования температурного состояния двигателя [4].

1. Установка термостатов, направляющих охлаждающую жидкость по малому конту-

ру (в периоды пуска и прогрева) или по большому через водо-водяные или водо-воздушные

холодильники.

2. Установка термодатчиков, управляющих автоматическим включением и отключе-

нием вентилятора, имеющего привод от электродвигателя.

3. Установка ги дромуфт в механизм привода вентилятора, позволяющих регулировать

частоту вращения вентилятора.

Указанные способы и их комбинации не всегда позволяют достичь требуемого каче-

ства регулирования теплового состояния ДВС. Перспективным направлением совершенство-

вания систем охлажд ения и управления теплоотводом представляется повышение давления в

системе. Особенно эффективным этот метод представляется для высокофорсированных дви-

гателей, в полостях охлаждения которых наблюдается поверхностное кипение.

Интенсивность теплообмена в присутствии кипения зависит от температуры охлаж-

даемой поверхности, ее состояния и степени перегрева жидкости.

Выделяют три характерных зоны теплообмена [2]: естественная конвекция, пузырько-

вое кипение, пленочное к ипение. Первый режим соответствует работе двигателя на малых и

долевых н агрузках, второй режим имеет место в полостях охлаждения при максимальных

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

нагрузках, появление третьего режима на охлаждаемых п оверхностях недопустимо, так как

неизбежно приведет к их перегреву и может явиться причиной выхода двигателя из строя.

Температурный уровень, соответствующий переходу от режима конвективного теп-

лообмена к режиму теплообмена при пузырьковом кипении может регулироваться путем из-

менения гидростатического давления в системе охлаждения. Повышение давления в системе

затрудняет образование паровых пузырьков на охлаждаемой поверхности и увеличивает

температурный интервал конвективного теплообмена. Зависимость температуры насыщения

от гидростатического давления определяется по формуле

286,0

p315t 

. (1)

Коэффициент теплоотдачи при кон вективном теплообмене в системе охлаждения рас-

считывается по эмпирической формуле Г.Б. Розенблита [5]

36,032,0

23,0

виб

41,0

wСw





, (2)

где С – коэффициент, зависящий от условий закрепления гильзы; w

– скорость потока охла-

ждающей жидкости; w

виб

– амплитудная скорость вибрации;



– плотность жидк ости; d – эк-

вивалентный диаметр кольцевой щели.

При пузырьковом кипении для коэффициента теплоотдачи предлагается формула [4]

2,066,0

pq38,0

. (3)

Экспериментальные исследования [5] позволили получить зависимости коэффициен-

та теплоотдачи и температуры охлаждающей жидкости от давления в системе охлаждени я.

При прочих равных условиях повышение давления приводит к снижению коэффициента те-

плоотдачи.

Это объясняется тем, что с ростом давления увеличивается температура насыщения, и

режим поверхностного кипения наступает при больших значениях температуры теплоот-

дающей поверхности. Эксперименты позволили установить качественные зависимости для

коэффициентов теплоотдачи в охлаждающую жидкость [6]



, (4)





85,0





. (5)

Снижение коэффициента теплоотдачи способствует сокращению тепловых потерь че-

рез систему охлаждения и обеспечивает повышение экономичности двигателя при одновре-

менном снижении термических напряжений в цилиндровой втулке. Такой принцип реализу-

ется в существующих высокотемпературных системах охлаждения, в кото рых поддержива-

ется постоянное высокое давление.

Температурное состояние деталей цилиндропоршневой группы можно оптимизиро-

вать, изменяя давление в системе в зависимости от режима работы двигателя.

С этой целью предлагается:

 модернизировать традиционный элемент жидкостных систем охлаждения – расширитель-

ную цистерну. Модернизация состоит в установке в ней эластичной мембраны, за счет воз-

действия на которую появляется возможность изменять давление в системе охлаждения;

 разработать закон управления давлением в системе охлаждения в зависимости от режима

работы двигателя и теплового состояния деталей цилиндропоршневой группы.

Существующие расширительные цистерны решают следующие основные задачи:

– обеспечивают возможность теплового расширения охлаждающей жидкости;

– компенсируют утечки охлаждающей жидкости из системы охлаждения;

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

– обеспечивают безкавитационный режим работы циркуляционного насоса за счет созда-

ния необходимого статического давления.

Известно, что в большинстве ДВС, особенн о судовых, применяются открытые (не-

герметичные) системы охлаждения, причем элементом через который происходит поступле-

ние воздуха является расширительная цистерна. Насыщение воды воздухом в таких сист емах

способствует росту коррозионных разрушений, а малое статическое давление интенсифици-

рует кавитацию в зарубашечном пространстве и циркуляционном насосе, способствует по-

вышению тепловых потерь в охлаждающую жидкость при поверхностном кипении.

Для уменьшения насыщения воды воздухом используют гидрозатворы, а для повышения

статического давления во внутреннем контуре системы охлаждения производят подъем расши-

рительной цистерны на высоту 7…15 метров, применяют водоструйные устройства и т.п.

Согласно ранее приве ден ным требованиям к системам охлаждения форсированных

двигателей расширительные цистерны должны дополнительно обеспечивать:

- герметичность замкнутых контуров системы охлаждения;

- поддержание постоянства статического давления независимо от частоты вращения ко-

ленчатого вала и вала насоса;

- удаление солей жесткости и коррозионноактивных газов из охлаждающей жидкости и

подпиточной воды.

В связи с этим, схема теплового регулирования должна и меть расширительные цис-

терны новых конструкций.

В модернизированной системе охлаждения, реализован п ринцип поддержания посто-

янства заданного статического давления путем воздействия на вод у с помощью сжатого воз-

духа. Основным элементом регулирования является расширительная цистерна, представлен-

ная на рис. 1.

Рис. 1. Схема расширительной цистерны

Расширительная цистерна 1 состоит из двух частей 2 и 3, причем полости, заполнен-

ные воздухом и ох лаждающей жидкостью, для предотвращения насыщения последней ки-

слородом, разделены гибкой мембраной 4.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

Пространство над мембраной соединено воздушным трубопроводом 5 через обратный

клапан 6 с источником повышенного давления (например, выходным патрубком компрессо-

ра агрегата наддува или судовой системой сжатого воздуха).

Дизель с новой конструкцией расширительной цистерной работает следующим образом.

Перед или во время запуска воздух от пусковых баллонов после редуцирования по

трубопроводу 5 через обратный клапан 6 поступает в верхнюю часть 3 расширительной цис-

терны. Возд ух, воздействуя на гибкую мембрану 4, повышает статическое давлени е в высо-

котемпературном контуре системы теплового регулирования. Для увеличения максималь-

ного прогиба мембраны 4, она может быть выполнена гофрированной. Максимальные про-

гибы мембраны ограничены решетками 7.

Для исключения разгерметизации системы охлаждения и обводнения масла в картере

двигателя предусмотрены предохранительные клап аны как в воздушной части расширитель-

ной цистерны – 8, так и в полости заполненной водой – 9.

Расширительная цистерна связана с системой охлаждения трубопроводом 10, напри-

мер, со всасывающей магистралью циркуляционного насоса высокотемпературного контура

и пароотводящими трубками .

В отличие от широко известных, но пок а мало применяемых высокотемпературных

систем охлаждения, в предложенной системе температура охлаждающей воды на режимах

свыше 50 % от номинальной ниже температуры к ипения (85  5

С) при давлении в заруба-

шечном пространстве 0,2 – 0,3 МПА.

После остановки двигателя давление в системе охлаждени я остается повышенным,

т.к. обратный клапан 6 предотвращает утечку воздуха из верхней полости расширительного

бака. Это и сключает вскипание воды и з-за прекращения работы циркуляционного насоса

внутреннего контура.

Таким образом, герметизация высокотемпературного контура и повышение статиче-

ского давления в ней за счет наддува пространства над мембраной в зависимости от режима

работы двигателя обеспечивает снижение эрозионно-коррозионных разрушений, интенсив-

ности поверхностного к ипения и накипеобразования, что благоприятно сказывается на ре-

сурсе и экономичности ди зелей. Предлагаемый способ регулирования теплового состояния

двигателя может быть использован совместно с традиционными системами регулирования.

Проведенные исследования свидетельствуют, что совершенствование свойств охлаж-

дающих жидкостей путем применения присадок, выбор структурной схемы и параметриче-

ских характеристик системы охлаждения является многофакторной задачей, которую целе-

сообразно решать с применением методов оптимизации. В качестве кри териев оптимизации

следует принимать показатели топливной экономичности (удельный эф фективн ый расх од

топлива), экологичности (содержание токсичных соединений в отработавших газах) и ресур-

са (термомеханические напряжения в наиболее нагруженных деталях).

Научное и практическое решение поставленной задачи позволит улучшить эксплуата-

ционные показатели двигателей: увеличить их ресурс, повысить топливную экономичность,

сократить эмиссию токсичных соединений с отработавшими газами.

Литература

1. Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей / А.М. Кригер, М.Е. Дискин,

А.Л. Новенников, В.И. Пикус. – М.: Машиностроение, 1985. – 176 с.

2. Петриченко Р. М. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей

внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1975. – 224 с.

3. Теория двигателей внутреннего сгорания. Под ред. Н.Х. Дьяченк о. – Л.: Машино-

строение, 1974. – 552 с.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

4. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигате-

лей / С.И. Ефимов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. –

М.: Машиностроение,1985. – 456 с.

5. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигате-

лей / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. –

М.: Машиностроение,1983. – 372 с.

6. Т еплона пряженность дви гателей внутреннего сгорания: Спра вочное пособие /

А.К. Костин , В.В.Ларионов, Л.И. Михайлов. – Л.: Машиностроение, 1979. – 222 с.

СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

В ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВС

В.А. Жуков, к.т.н., доц., Е.Н. Николенко

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П.А. Соловьева, Тутаевский филиал

152300, Ярославская обл., г. Тутаев, ул. Промышленная, 1, тел. (48533)2-64-84

E-mail: gukovv@rambler.ru

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в настоящее время вырабатывают более 70 %

энергии, потребляемой человечеством, они широко применяются не только на транспорте, но

и в различных отраслях промышленности. Совершенствование конст рукции ДВС и их техни-

ческой эксплуатации с целью энерго- и ресурсосбережения является актуальной задачей.

Современные вы сокофорси рованные дви гатели оснащаются жидкостными системами

охлаждения, во внутренний к онтур которых (рис. 1) включаются три т еплообменных аппара-

та: охладитель охлаждающей жидкости (радиатор в автомобиль ных и тепловозных двигате-

лях, водо-водяной теплообменный аппарат в судовых и стационарных ДВС), охладит ель

масла, охладитель н адувочного воздуха, рубашка охлаждения, представляющая собой внут-

ренние полости двигателя и насос, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости по

замкнутому контуру.

Рис. 1. Внутренний контур системы жидкостного охлаждения ДВС

Одним из показателей совершенства конструкции двигателя внутреннего сгорания

является его механический КПД, характеризующий не только потери на трение, но и затраты

мощности на привод вспомогательных механизмов, в том числе и циркуляционного насоса

системы охлаждения. Мощность, затрачиваемая на привод насоса в жидкостных системах

охлаждения, определяется режимными параметрами системы, такими как ги дравлическое

сопротивление контура циркуляции Δp и расход охлаждающей жидкости G

охл

. Гидравличе-

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

ское сопротивление внутреннего контура системы охлаждения для различных ДВС составля-

ет от 0,05 до 0,35 МПа. Наибольшие потери характерны для систем с протяженными трубо-

проводами и увеличенным к оличеством теплообменных аппаратов, включенных в контур

цирк уляции (охладители наддувочного воздуха, водомаслян ые холодильники, кондиционеры

и т.п.). Распределение гидравлических потерь между элементами системы охлаждения при-

ведено в табл. 1 [1].

Таблица 1

Элемент контура охлаждения

Гидравлические потери р, %

Трубопроводы

20…25

Полости охлаждения в ДВС

28…32

Теплообменные аппараты

45…50

Снизить затраты энергии на прокачивание теплоносителя и повысить механический

КПД двигателя можно тремя способами:

1) Путем конструктивной модернизации системы охлаждения с целью уменьшения

местных потерь и потерь на трение. Этот путь требует значительных материальных затрат,

которые, по-види мому, не буд ут компенсированы достигнутым повышением эффект ивности

двигателя.

2) Путем уменьшения скорости цирк уляции охлаждающей жидкости по системе.

Это приведет к снижению интенсивности теплоотвода от охлаждаемых поверхностей и мо-

жет вызвать перегрев двигателя.

3) Изменением физико-химических свойств охлаждающих жидкостей, опреде-

ляющих гидродинамические потери. Такое изменение свойств может быть обеспечено за

счет введения в охлаждающую жидкость комплексных присадок [ 2]. Основными целями

применения присадок являются обеспечение надежной защиты деталей двигателя от кави-

тационно-коррозионных разрушений и предотвращение накипеобразования в полостях ох-

лаждения. В состав многофункциональных комплексных присадок входят компоненты, спо-

собные влиять на гидродинамические свойства жидкостей, такие как поверхностно-активные

вещества (ПАВ) и водорастворимые полимеры.

Способ снижения гидравлических потерь путем изменени я свойств охлаждающей

жидкости является наиболее целесообразным для систем охлаждения двигателей, находя-

щихся в эксплуатации.

Определение потерь энергии является одним из важнейших вопросов почти любого

гидравлического расчета [3]. В гидравлических расчетах прих одится иметь дело с двумя ви-

дами потерь.

Сопротивления по длине, встречающиеся в чистом виде при течении жидкости по ци-

линдрическим трубам или каналам с постоянной по длине средней скоростью потока. Вели-

чина линейных гидравлических потерь, выраженная в еди ницах столба данной жидкости,

определяется формулой Дарси-Вейсбаха, которая для круглых труб принимает вид [4]:

  



, (1)

где

– длина участка; d – диаметр т рубы; v – средняя скорость; λ – гидравлический коэффи-

циент трения.

Потери энергии, выраженные в размерности давления, определяются по формуле [4]:



   

, (2)

где



– плотность жидкости.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

Гидравлический коэффициент трения



зависит от конфигурации граничных поверх-

ностей и числа Re. Числа Re, характерные для течений в системах охлаждения, лежат в об-

ласти доквадратичного и квадратичного сопротивлений, в которой для круглых труб реко-

мендуется формула Никурадзе [5]:

25,0

316,0



. (3)

Местные ги дравлические сопротивления – потери на таких участках трубопроводов,

где имеет место нарушение нормальной конфигурации потока. При этом за нормальную

конфигурацию потока принимается конфигурация потока на прямолинейном участке трубо-

провода на расстояниях, достаточно удаленных от входа. Таким образом, всевозможные вхо-

ды в трубопровод, расширения и сужения трубопроводов, вентили, клапаны и т. п. представ-

ляют собой местные сопротивления.

Общей зависимостью для определения потерь напора в местных сопротивлениях слу-

жит формула Вейсбаха

мм





или

мм





где



– коэффициент местного сопротивления, зависящий в общем случае от числа Re и

конфигурации граничных условий. Движение жидкости в контуре охлаждения может осуще-

ствляться в доквадратичной области (Re < 10

), тогда

квм



, (4)

где

кв



– коэффициент местных сопротивлений в квадратичной области (Re > 10

);

– постоянный коэффициент, зависящий от формы местного сопротивления.

Учитывая сложные конфигурации каналов и местных сопротивлений в контурах сис-

тем охлаждения, использование классических зависимостей вызывает определенные трудно-

сти, так к ак входящие в них коэффициенты и средние скорости потоков на отдельных участ-

ках не известны.

Задача определения гидравлических потерь может быть решена с использованием ме-

тодов численного моделирования, результаты которого проверяются лабораторным экспе-

риментом.

С целью оценки влияния состава и свойств жидкости на гидравлические потери в за-

рубашечном пространстве двигателя был проведен численный эксперимент, первым этапом

которого было создание конечно-элементной модели зарубашечного п ространства. Для этого

были использованы рабочие чертежи гильзы цилиндров и блока двигателя ЯМЗ-841.

Данные чертежи используются для создания модели потока жидкости в рубашке ох-

лаждения двигателя рис. 2 . Следующим этапом было разбивка модели на конечные элемен-

ты рис. 3.

Основной характеристикой жидкости, определяющей гидравлические потери, являет-

ся ее кинематическая вязкость , входящая в число Re, которое в свою очередь определяет

как гидравлический коэффициент трения



, так и коэффициент местного сопротивления



Кинематическая вязкость исследуемых жидкостей приведены в таблице 1. В качестве

присадок были использованы: полиакриламид (ПАА), поверхностно-активное вещество –

синтанол ДС-10 (ПАВ), силикат натрия.

В результате численного эксперимента, проведенного с использованием трехмерных

моделей, установлены гидравлические потери при использов ании различных охлаждающих

жидкостей. При проведении численного эксперимента кроме вязкости жидкости з адавалась

средняя скорость теплоносителя в зарубашечном пространстве, равная 1,0 м/с и температура

жидкости, равная 80 °С, так как именно такие параметры характерны для систем охлаждения