第二章柴油机的总体结构及主要零部件.

船舶柴油机第二章柴油机的总体结构及主要零部件[2]固定部件(Fixedparts)气缸盖气缸机体机座、曲轴箱运动部件(Movingparts)活塞组件连杆组件曲轴第一节柴油机的概述柴油机的主要零部件及系统注：大型低速柴油机还有十字头组件[3]燃烧室组件气缸盖(Cylindercover)气缸(Cylinder)活塞(Piston)往复回转活塞(Piston)连杆(Connectingrod)曲轴(Crankshaft)动力和辅助系统起动系统(Startingsys.)燃油系统(F.Osys)润滑系统(L.Osys)冷却系统(Coolingsys.)操纵和控制系统第一节柴油机的概述换气系统[4]曼/曼恩B&W苏尔寿瓦锡兰卡特彼勒YANMAR三菱重工第一节柴油机的概述几种常见的柴油机第二节燃烧室部件活塞组件1活塞的作用和工作条件作用：在保证密封的情况下，完成压缩和膨胀过程组成运动机构，将力经连杆传递给曲轴；筒型机中承受侧推力，起滑块作用在二冲程机中，启闭气口,起滑块作用。工作条件：受燃气高温、高压、腐蚀、烧蚀作用热负荷和机械负荷很高，容易发生裂纹和变形磨擦与撞击，润滑困难，磨损严重具有较大的惯性力，柴油机产生振动第二节燃烧室部件要求：强度高、刚度大;密封可靠;散热性好、冷却效果好;摩擦损失小、耐磨损;中、高速柴油机还要求活塞重量轻。第二节燃烧室部件活塞的构造作用：在保证密封的情况下，完成压缩和膨胀过程组成运动机构，将力经连杆传递给曲轴；筒型机中承受侧推力，起滑块作用在二冲程机中，启闭气口,起滑块作用。工作条件：受燃气高温、高压、腐蚀、烧蚀作用热负荷和机械负荷很高，容易发生裂纹和变形磨擦与撞击，润滑困难，磨损严重具有较大的惯性力，柴油机产生振动/强度高、刚度大;密封可靠;散热性好、冷却效果好;摩擦损失小、耐磨损;中、高速柴油机还要求活塞重量轻。要求：第二节燃烧室部件十字头式柴油机活塞-活塞头：耐热合金钢-活塞裙：耐磨铸铁-头和裙组装于活塞杆上-活塞杆由段钢制造-有四道活塞环-活塞内有冷却腔，振荡冷却-活塞杆内有插管-短裙第二节燃烧室部件筒形活塞式柴油机活塞Wärtsilä32-由活塞头、活塞裙、活塞环和活塞销组成（小机器头、裙一体制造）-头部用铸钢，裙部用球墨铸铁-头部有冷却腔-有两道压缩环和一道刮油环-裙部造得坚韧以承受侧推力-销孔两端切槽以适应变形第二节燃烧室部件活塞环压缩环(气环)、刮油环活塞环的工作条件和要求活塞环的工作条件：受到高温高压燃气的作用十分复杂的运动严重的摩擦和磨损润滑条件较差可能产生裂纹或折断要求:良好的密封性能，耐磨，特别是抗熔着磨损的性能要高；要有适当的弹性，足够的强度和热稳定性。第二节燃烧室部件作用：密封、传热气环•密封原理：本身弹性和气体压力–高速柴油机装3道～5道，–低速柴油机装4道～6道第二节燃烧室部件断面形式：a为矩形环b为梯形环c为倒角环d扭曲环搭口形式直搭口斜搭口重叠搭口第二节燃烧室部件活塞环材料要求及制造工艺材料要求：弹性较好，摩擦系数小，耐磨、耐高温；有良好的初期磨合性、贮油性和耐酸腐蚀。一般采用合金铸铁(加硼、高硅)、可锻铸铁、球墨铸铁制造工艺：表面镀铬；内表面刻纹以提高弹性；松孔镀铬；外表面开设蓄油沟槽。环外表面镀铜以利磨合；喷镀钼以防止粘着磨损等。第二节燃烧室部件油环油环的结构、原理单刃油环、双刃刮油环•飞溅润滑做回转运动的曲柄销轴承把润滑油甩到气缸壁上。•气环的泵油作用第二节燃烧室部件承磨环作用：专为十字头式活塞与气缸的磨合而设置第二节燃烧室部件活塞杆填料函作用防止扫气空气和污油、污物漏入曲轴箱，以免加热和污染曲轴箱滑油，腐蚀曲轴与连杆等部件。防止曲轴箱中的滑油进到扫气箱中，污染扫气空气第二节燃烧室部件活塞销作用：筒形活塞中连接活塞和连杆小端传递气体力和惯性力工作条件：尺寸小、润滑条件也较差、受摩擦和磨损要求：足够的耐疲劳强度、抗冲击，耐磨损和重量轻材料：优质碳钢或低碳合金钢，表面渗碳淬火结构形式：浮动式、固定式和半浮动式。第二节燃烧室部件活塞的冷却冷却液的输送方式：筒形机在曲轴连杆机构中开通道十字头机有套管式和铰链式机构•非冷却式活塞(径向散热型)热量主要通过活塞环传自气缸套并通过冷却水带走•冷却式活塞(轴向散热型)使用冷却介质(如淡水、滑油)对活塞顶内腔进行强制冷却•冷却方式：自由喷射冷却循环冷却振荡冷却喷射—振荡冷却第二节燃烧室部件气缸1、作用、工作条件2、气缸的构造3、气缸套的磨损第二节燃烧室部件气缸的作用及工作条件：气缸是柴油机的主要固定部件之一，是燃烧室部件中的主体。柴油机的工作循环是在气缸的工作空间里进行的，活塞在气缸内部往复运动。主要作用：组成燃烧室；起导承作用并承受侧推力（筒形机〕；在其上开气口布置气道（十字头机〕。工作条件：上部受气缸盖安装预紧力，内壁受燃气高温、高压和低温腐蚀作用以及活塞的摩擦、敲击、侧推力；外部冷却水的腐蚀和穴蚀（四冲程机）；贯穿螺栓结构中受压，非贯穿螺栓结构中受拉。第二节燃烧室部件要求：足够的强度和刚度；良好的耐磨性和抗腐蚀性；良好的润滑和冷却；可靠的气封和水封。材料：气缸体多用灰铸铁，气缸套采用灰铸铁、耐磨合金铸铁或球墨铸铁。气缸体类型：单体式（大尺寸柴油机）；分组式（大尺寸柴油机）；整体式（中小型机用）。气缸套类型：湿式缸套，外表面与冷却水直接接触，易产生穴蚀、腐蚀，散热性好；干式缸套，冷却水腔设于气缸体内，不与气缸套接触，不易产生穴蚀、腐蚀，散热性差，仅用于小型机。第二节燃烧室部件气缸的构造二冲程十字头式柴油机（MANB&WS-MC和S-MC-C型柴油机的气缸）1）由单体式气缸体和气缸套组成；2）冷却水进口在冷却水腔低处，由下而上流动；3）缸套只有上部固定，下部可自由膨胀；4）缸套凸肩又高又厚以形成薄壁强背和降低气缸体高度（减轻重量）；5）气缸注油孔位于缸套中上部，布油槽向下倾斜；6）缸套上部凸肩区是气缸套中工作条件最恶劣部位，为保证其工作可靠结构上采用：高凸肩区钻孔冷却、燃烧室上移或下移；7）气缸套下部不用冷却（气缸套与冷却水套间形成冷却水腔），气缸套中、下部有较高的温度以保证气缸套最佳工作状况（消除腐蚀磨损）；8）冷却水检漏孔位于两道橡胶密封圈之间；9）SMC—C型机在缸套与气缸盖的密封面处设置一道活塞清洁环（直径比气缸套的内径略小）以除去活塞头部的积炭（减少缸套的磨损）。第二节燃烧室部件四冲程筒形活塞式柴油机（ｗartsila32型机气缸套1）缸套内部上端设有防磨环（尺寸略小于缸套直径）以除去活塞头部结炭，使缸套的磨损率和滑油消耗率下降；2）缸套壁比较厚以使气缸套更好地承受侧推力；3）冷却水由气缸上部配水环进入，只对凸肩区进行冷却以降低低温腐蚀影响；第二节燃烧室部件第二节燃烧室部件图2-14Wartsila32型柴油机气缸套1-防磨环；2-配水环；3-镀铬陶瓷活塞环；4-裙部压力润滑；5-低摩擦设计的球墨铸铁裙部第二节燃烧室部件气缸套的磨损气缸套的磨损类型熔着磨损磨料磨损腐蚀磨损1）熔着磨损：润滑不良，局部高温等使摩擦表面金属直接接触，产生熔着磨损2）磨料磨损：硬质颗粒进入两摩擦面之间形成磨料，产生磨料磨损3）腐蚀磨损：燃料中的硫成分在燃烧时被氧化，与水蒸汽结合在露点温度下生成亚硫酸和硫酸，腐蚀气缸套，形成腐蚀磨损第二节燃烧室部件气缸套的穴蚀–在气缸套外表面冷却壁上出现光亮无沉淀物的蜂窝状小孔群损伤现象称为穴蚀穴蚀的类型：空泡腐蚀（闭式循环淡水冷却柴油机）和电化学腐蚀（开式海水冷却柴油机）磨损规律：四冲程机通常左右方向磨损大，主要由于侧推力存在使活塞环与缸壁相对运动所致，同一横截面呈椭圆形，纵剖面呈锥形；二冲程机磨损不均主要由于活塞组件不对中气缸套穴蚀的主要原因：缸套振动措施：在缸体上安装防腐蚀锌板，或水中加缓蚀剂和防锈油等。第二节燃烧室部件气缸盖的构造气缸盖的作用、工作条件及要求气缸盖气缸盖的类型作用：组成燃烧室；安装各种阀件－喷油器、气缸起动阀、示功阀、安全阀、排气阀（四冲程和直流扫气二冲程机）、进气阀（四冲程机）；四冲程机布置进、排气道和气阀摇臂机构工作条件：受螺栓预紧力和缸套支撑反力作用；工作中受燃气高温、高压作用，冷却水腔受水腐蚀；结构复杂、金属分布不均匀而产生的应力集中，尤其是阀孔之间的狭窄区域（鼻梁区）最恶劣要求：足够的强度和刚度；良好的冷却；可靠的气封和水封；气缸盖上各种阀件的拆装、维护方便；冷却水腔的水垢容易清除。第二节燃烧室部件（1）单体式：与缸套接合面处密封性好，拆装、检修方便，但增加了柴油机的长度和重量。用于大功率中速、低速及强化程度较高的高速柴油机上（2）整体式：结构紧凑，刚度提高重量减轻，但易变形，密封性差，一般用于Ｄ150ｍｍ的中小型高速机（3）分组式：特点介于上述两者之间，一般用在缸径较大的中小型高速柴油机上第二节燃烧室部件气缸盖的类型第二节燃烧室部件2.大型低速柴油机气缸盖的构造（MANB&WS-MC-C型柴油机气缸盖为例）1）高度较大以提高刚度、强度；2）薄壁强背、钻孔冷却；3）倒锥形燃烧室利于换气和燃烧；4）缸盖螺栓由液压拉伸器固紧，工作时受拉应力；5）缸盖、缸套接合面下移以避开火焰直接冲击，保护接合面。3.中速柴油机气缸盖的构造（Wartsila32）1）缸盖上有两个进气阀、两个排气阀(表面镀司太立合金，阀杆镀铬,镍钼合金)；2）进排气道左右分布以减少高温排气对低温进气的加热；3）多管道集合元件完成新气进入、废气排出、冷却水排出多项功能。第二节燃烧室部件燃烧室部件承受的负荷燃烧室：当活塞处在上止点时，由气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶共同组成的燃料与空气混合和燃烧的空间1、机械负荷23、结构特点第二节燃烧室部件1、机械负荷机械负荷指柴油机部件承受最高燃烧压力、惯性力、振动冲击等的强烈程度。(1)安装预紧力引起的负荷(2)气体力引起的机械应力第二节燃烧室部件(1)安装预紧力引起的负荷螺栓的预紧力pｄ=(１.２５～２)πＲ２１ｐｚR1气缸盖上表面安装应力为拉应力下表面为压应力大小与螺栓预紧力成正比与气缸盖的高度成反比气缸套安装应力主要存在于其上部的凸肩部位应力的大小与螺栓预紧力ｐｄ成正比，与其凸肩的高度成反比气缸盖底面和冷却面的温差可达300～400℃，在底面和冷却面分别产生压、拉热应力，在柴油机停车或负荷突降时会使气缸盖底面压应力进一步降低、消失，甚至产生残余拉应力。第二节燃烧室部件Pz(2)气体力引起的机械应力气缸盖水冷面为拉应力触火面为压应力zupR22弯曲应力与缸盖底板半径的平方成正比，与底板厚度的平方成反比活塞活塞顶板在最高燃烧压力作用下产生很大的弯矩和弯曲应力水冷面为拉应力触火面为压应力燃烧室部件中由气体压力而产生的机械应力都和最高爆发压力成正比，与部件壁厚成反比第二节燃烧室部件2热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强烈程度。热负荷的表示方法:热应力：由温差作用形成的应力称热应力•热流密度q：单位时间内单位面积的热流量q=Q/F•温度场：受热部件中温度分布图，准确表示受热部件的热负荷排气温度：简单、实用第二节燃烧室部件由温差作用形成的应力称热应力压应力火侧t1拉应力水侧t2活塞顶板212)(21212121qEqttδ-板厚α-膨胀系数q-热流密度λ-导热系数μ-泊松比E-弹性模数热应力火侧为压应力，水侧为拉应力与热流密度成正比，与壁厚成正比第二节燃烧室部件塑变后尺寸原尺寸压应力火侧t1拉应力水侧t2活塞顶板停车拉应力停车压应力热疲劳热疲劳产生的裂纹多数在触火面上形成和发展，以致造成损坏，因为这里受到较大的残余拉应力和较大的热应力与机械应力合成的压应力的交变作用。•燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳。•热疲劳与柴油机的累计转数并无多大关系，主要取决于机器的起动—运行—停车的循环次数，故亦称低频应力。第二节燃烧室部件3、燃烧室部件的结构特点为了降低活塞顶板的机械应力，应增加活