船用发电柴油机排气阀三维稳态温度场分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第４期　２００７年８月　文章编号：１６７１—７９５３（２００７）０４—００４９—０４　船海工程　ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００７　船用发电柴油机排气阀三维稳态温度场分析　马　星。杨柳　（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉４３００６３）　摘要：分析某船用发电柴油机排气阀的工作环境及失效机理，建立柴油机排气阀的传热边界条件，结合　ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，得出了排气门工作时的稳态温度场分布，为相关故障诊断提供参考依据。　关键词：船用发电柴油机；排气阀；有限元法；热负荷　中图分类号：Ｕ６６４．１２１　文献标识码：Ａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　３一Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａ１　Ｓｔｅａｄｙ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆｉｅｌｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｖａｌｖｅ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｄｉｅｓｅ１　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＭＡＫｉｎｇ，ＹＡＮＧＬｉｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕＢａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｉｎｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｖａｌｖｅ　ｏｆ　ｍａｒｉｎｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎ—　ｇｉｎｅ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｉｎ　ＡＮＳＹＳ　ｔＯ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｎｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｅｘｈａｕｓｔ　ｖａｌｖｅ；ＦＥＭ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｌｏａｄ　某船舶运营中，发生过因为发电柴油机排气　阀阀杆断裂的故障，导致了重大机损事故的事件。　因此，有必要分析排气阀的工作环境及主要失效　因素，确定排气阀的热边界条件，用有限元分析软　件对其进行三维有限元热分析，为相关改进设计　１．２排气阀主要失效形式与机理　燃油（特别是低价劣质燃料）的化学成分中含　有大量的硫、钒、钠等元素，燃烧后生成氧化物以　及这些氧化物生成的聚合物，往往具有较低的熔　点，一般在５３５℃左右，具有很强的腐蚀性。排气　提供参考依据ｌ１］。　阀在工作时，由于排气温度较高，使它们以液态附　着在阀盘及阀座上，腐蚀气阀使阀面和座面上产　生麻点，密封性变坏，引起漏气。当漏气严重时，　火焰从此穿过，引起局部过热使阀座变形，阀门翘　曲和烧损。　１排气阀工作环境及失效机理　１．１排气阀工作环境　１）阀面与高温燃气相接触，承受着很高的热　负荷，通常排气阀最高温度可达６５０￣８００℃左右。　２）受到高温燃气的冲刷。排气阀打开瞬间　的燃气温度可达９００￣１　０００℃，排气气流速度可　超过８００　ｍ／ｓ。　２　排气阀热边界条件的分析与确定　２．１传热特点　柴油机工作时，阀盘作为燃烧室的一部分，直　３）气阀承受着很高的机械负荷，很高的气体　接与高温燃气相接触，受热状态与气缸壁、缸盖相　似。柴油机在稳定工况时，燃烧室内零件在燃气　冲击作用下，温度波动的频率很高，但这种波动仅　爆发压力的作用及与阀座撞击时很大的冲击性交　变载荷。　４）受到废气的侵蚀等。　收稿日期：２００７—０１—３０　修回日期：２００７—０２—０９　仅存在与受热件表面很薄的一层区域内，即所谓　热边界层，振幅很小，且波动的幅值按指数规律迅　速衰减。由此可近似认为阀盘在燃烧过程中所承　受的热负荷是稳态恒定的。　２．１．１缸内燃烧时的排气阀传热分析　４９　作者简介：马星（１９６３一），女，大学，助理研究员。　维普资讯 http://www.cqvip.com 船用发电柴油机排气阀三维稳态温度场分析——马星，杨柳　１）通过阀盘底部传人的热量，源于缸内燃气　与阀盘底部之间的对流换热及热辐射，是造成阀　１）Ａ区域边界条件的确定　盘底部温度最高的主要因素。　２）通过排气阀外表面传导的热量，主要由气　门阀外表面与排气管中高温废气之间的对流换热　引起。由于废气温度高于排气阀，热量传递方向　为从废气到排气阀。将对流换热方式划归有限空　排气阀底盘同气缸盖火力面一样，在整个工　作循环中始终承受高温燃气的直接传热。近似地　认为气缸壁内表面上同一轴向高度各处的换热系　数相同。所以，Ａ区的边界条件由下式确定　］：　一　ｍｄｒ　间的自然对流。　３）排气阀座与排气门座相接触，以导热形式　发生换热，因为气缸体温度低，所以热量传递方向　为从排气阀到排气门座。　４）排气阀与气门导管之间的换热量，主要传　热方式为导热，为整个排气阀最重要的冷却措施。　２．１．２排气时的排气阀传热分析　１）高温废气传给排气阀的热量，主要换热方　式为对流换热。研究对象为排气阀，因此以排气　阀为中心，可以将此对流换热方式划归强制对流　一外部流动一外掠平板的对流换热。　２）排气阀与气门导管之间的换热量，主要传　热方式为导热。　２．２排气阀热边界条件分析　根据排气阀传热特点，将整个排气阀边界划　分为３个区域。Ａ为排气阀底盘区域（燃烧时构　成燃烧室），主要传热方式为热对流及热辐射；Ｂ　域为阀座区域，排气时与高温燃气直接接触，主要　传热方式为对流换热（忽略与排气门座相接触的　冷却效应）；Ｃ为与气门导管相接触的区域，主要　传热方式为导热，见图１。　由于排气阀关闭时与打开时气门导管的相对　位置不固定，所以将其冷却效应平均分布到整个　接触区间中。　图１排气阀实体模型　２．２．１排气阀关闭时排气阀传热边界条件分析　根据排气阀工作过程，传热特点及边界分区，　Ａ和Ｂ采用第三类边界条件，即用接触介质的温　度和换热系数作为边界条件；Ｃ采用第～类边界　条件，即给定该边界的温度。　５０　０　出　（１）　式中：　——燃气在一个工作循环内的平均换热　系数；　燃气瞬时换热系数；　——燃气在一个工作循环内的综合平均　温度；　Ｔ——燃气瞬时温度。　其中燃气瞬时温度Ｔ可由示功图获得。ｈ的　影响因素很多，迄今还没有一个完整通用的结论　性公式，计算时可先根据具体机型选择合适的经　验公式，试算出排气阀温度场，然后比较排气阀特　征点的温度实测值与计算值，如有差异，根据传热　学理论修正传热边界条件，重新计算，直至计算值　与实测值的误差在允许范围内为止。　２）Ｂ区域边界条件的确定　该区域在燃烧过程中与位于排气管中的高温　废气进行对流换热，属于有限空间自然对流换热。　换热系数按照如下实验准则关系确定［３］：　Ｎｕ　１９７（ＧｒｉＰｒ）｛（　Ｈ）。　Ｐｒ一６×１０。～２×１　（２）　Ｎｕ一０．０７３（ＧｒｉＰｒ）吉（　Ｈ）。　Ｇｒ￣Ｐｒ＝２×１０　～１．１×１０　ｈ　’一一　＿ｄ　【Ｊ　一ｇａ　矿　Ａｔ，　￣式中：Ｎｚ￡——努塞尔数　Ｇ　——以　为特征长度的格拉晓夫数；　Ｐｒ普朗特数；　——纵横比；　对流换热系数；　维普资讯 http://www.cqvip.com 船用发电柴油机排气阀三维稳态温度场分析——马星，杨柳　燃气导热系数；　划分，最后得出排气阀热分析有限元模型见图２。　当量直径；　ｃ——燃气粘度。　３）Ｃ区域边界条件的确定　这部分在气缸内燃烧的过程中与气门导管紧　密接触，受热状态与缸盖相似，故此时的边界温度　可根据缸盖温度决定。　２．２．２排气阀打开时排气阀传热边界条件分析　排气阀打开时，Ａ，Ｂ以及Ｃ的一部分都处于　高温废气冲刷之下，传热方式为对流换热，此时主　要考虑对象为燃气与排气阀之问的热对流，因此　将其归结为外部流动强制对流换热。换热系数按　照如下实验准则关系确定［　：　ｈ　一０．３３２　Ｐ多Ｐｒ寺，Ｒｅ≤２×１０　（３）　Ｎｕ　一０．３３２ＲＰ　１　Ｐｒ｛　』　，４　手　３３２（等）　』　＋０・　６（　）　０　Ｉ　，　］Ｐｒ｛，Ｒｅ＞２×１０ｓ　。－Ｊ　Ｎｕ　一（０．０３７Ｒｅ４—８７１）Ｐｒ￣　式中：Ｒ　在计算过程中，废气温度按实际测量值取值，查　得相关物性参数，按照此公式确定对流换热系数。　３排气阀有限元模型的建立及稳态　温度场的数值仿真　３．１边界条件的确定　某型号船用发电柴油机缸径为２００　ｍｍ，活　塞行程为３００　ｍｍ，立式直列６缸机，标定功率为　２２１　ｋＷ，转速为７５０　ｒ／ｍｉｎ，２０℃时，排气阀材料　属性见表１。　表１排气阀材料　麓翟密度　凿　磁性　由于排气阀是对称结构，不考虑径向差异，取　排气阀四分之一建立三维模型，在ＡＮＳＹＳ热分　析模块的单元库中选择Ｓｏｌｉｄ７０单元，指定单元　大小，按照ＡＮＳＹＳ提供的Ｓｍａｒｔ方式进行网格　图２排气阀网格　按照上述确定排气阀热边界条件的方法，来　确定排气阀热边界条件，由于是稳态分析，在此提　出几点假设：　１）忽略排气阀座与排气门座相接触的冷却　效应　２）忽略排气阀打开时与气门导管脱离而暴　露在高温废气中的部分阀杆的对流换热　３）将循环间断的燃气对流换热过程按传热　效果等效为持续的对流换热过程　４）将气门导管对于排气阀的冷却效果平均　分布到整个接触区间中。　根据式（１）、（２）、（３）计算得出ｈ　＝３４５，ｒｍ　＝１　００５，ｈｂ一２２６．２。确定边界条件见表２。　表２排气阀的传热边界条件　区域　Ａ　Ｂ　Ｃ　参数　杂　其中ｈ　为计算得到的平均换热系数，　为　废气温度；Ｔｃ　为Ｂ，Ｃ区交接处温度；　，　。为排　气阀中特征点温度。　３．２排气阀温度场　基于以上排气阀有限元模型和热边界条件，用　有限元分析软件ＡＮＳＹＳ可以方便的得出排气阀温　度场分布。数值分析得出的排气阀温度场见图３。　图３　排气阀温度场　５１　维普资讯 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第３６卷第４期　２００７年８月　船海工程　ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００７　文章编号：１６７１—７９５３（２００７）０４—００５２—０４　模糊层次分析法在轮机管理中的应用　高岚，李俊，宋庆国　（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉４３００６３）　摘要：针对轮机管理的不确定性，难以进行定量和定性的分析，采用模糊层次分析法，把难以量化的因　素数字化，做出了具体的排序向量，为轮机管理的决策提供参考。　关键词：轮机管理；模糊层次分析法；权重　中图分类号：Ｕ６７６．４　文献标识码：Ａ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｕｚｚｙ　ＡＨＰ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｓｈｉｐ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ＧＡＯ　Ｌａｎ，ＬＩ　Ｊｕｎ，ＳＯＮＧ　Ｑｉｎｇ－ｇｕｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔａｃｔ：Ｔｈｅ　ｕｎｃｅｒｔｒａｉｎｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉ￣ｒｉｎｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｍａｋｅｓ　ｉｔ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔＯ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ａ　ｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉａｔｉｖｅ　ｔａｎａｌｙｓｉｓ，Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｅｔ　ｆｏｒｔｈ　ａ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｕｚｚｙ　ＡＨＰ　ｔＯ　ｄｉｇｉ　ｔａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｂｙ　ｗｅｉｇｈｔ　ｖｅｃｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｅｎｇｉｎｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｎｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｆｕｚｚｙ￣ＡＨＰ；ｗｅｉｇｈｔ　海洋更清洁、船舶更安全是当今航运业的两　大主题。随着科学技术的发展，船舶上的硬件（指　机电设备、导航仪器、自动控制设备等）已达到了　原始的方法进行管理：自己干。当独自工作时，　这一管理模式适用。第二代管理：指导性管理。　这种方法通过专家指导其他人工作来调整自己　相当完善、可靠的程度。船舶能否安全、高效、经　济地营运，直接取决于管理者的管理水平。　的时间，并能使工作保持专家的水准。当雇佣　新手时，需要严格地监督和详细地指导，这一管　１轮机管理的管理模式及现状　１．１四代管理模式　理模式适用。第三代管理：结果管理。在这种　管理方法中，管理者告诉执行者完成某项任务　所要达到的预期结果，以及什么时候完成这一　任务，然后由执行者自己决定如何去实现这一　任务。这是目前广为运用的一种方法。为了达　第一代管理：行为管理。它采用最简单、最　收稿日期：２００７—０１—２９　修回日期：２００７—０３—１３　到预定结果，执行者有时求助于扭曲机制和篡　改数据的手段来实现这一结果。第四代管理：　质量、科学方法和团队一体化相结合的综合管　参考文献　作者简介：高岚（１９６５－－），女，博士，副教授。　４结论　１）最高温度发生在构成燃烧室的排气阀底　座部分。　２）温度梯度较大的地方主要集中在气阀收　口处，需要采取措施来降低该处的热负荷。　３）排气阀工作环境恶劣，承受热负荷大，这对　［１］孔祥谦．热应力有限单元法分析［Ｍ］．上海：上海交通　大学出版社，１９９９．　Ｅ２］俞水良，顾宏中．柴油机缸内局部瞬态对流换热的模　型预测［Ｊ］．上海交通大学学报，１９９６（２）：３６—４２．　［３］杨世铭，陶文铨传热学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９＆　［４］李斯特。柴油机全集（第３卷）．柴油机传热［Ｍ］．哈尔　滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，１９９２．　于制造材料、工艺、结构等方面提出了更高要求。　４）在模拟计算中代人理论公式计算得之换热　系数获得的温度场分布与实际测量值基本相符。　５２　［５］陆瑞松，林发森．内燃机的传热与热负荷［Ｍ］．北京：　国防工业出版社，１９８５．