温度场计算结果

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图3.12～图3.16分别为转速17 000r/min、15 000r/min、13 000r/min、11 000r/min、9 000r/min时各受热零部件的温度场分布云图。过大的温差会导致气缸壁的热应力过大，以致发生开裂而破坏。图3.14所示为转速为13 000r/min时气缸、前后端盖及转子的温度分布。前端盖的温度范围为128～181℃，后端盖的温度范围为102～149℃，最高温度均出现在气缸的燃烧区段。其中气缸的最高温度为226℃，位于气缸上止点附近的燃烧和膨胀区段；气缸最低温度为98℃，位于气缸进气区段散热片的末端。

根据前期性能仿真计算得到的边界条件，计算得到转子发动机各转速下受热零部件的温度场分布。图3.12～图3.16分别为转速17 000r/min、15 000r/min、13 000r/min、11 000r/min、9 000r/min时各受热零部件的温度场分布云图。

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图3.12　转速17 000r/min温度场分布

（a）气缸温度分布；（b）前端盖温度分布；（c）后端盖温度分布；（d）转子温度分布

由图3.12中各零件温度场分布可知，在额定转速为17 000r/min时气缸及前后端盖的温度分布极不均匀。其中气缸的最高温度为265℃，位于气缸上止点附近的燃烧和膨胀区段；最低温度为100℃，位于气缸进气区段散热片的末端。气缸的最大温差非常大，达到165℃。气缸的热区内外壁表面温差也非常大，气缸上止点附近的燃烧和膨胀区段是气缸温度梯度最大的区域。过大的温差会导致气缸壁的热应力过大，以致发生开裂而破坏。

前端盖的最高温度为202℃，位于压缩上止点之后的燃烧和膨胀区域；前端盖的最低温度为137℃，位于进气区域。后端盖的最高温度为160℃，位于压缩上止点之后的燃烧和膨胀区域；后端盖的最低温度为107℃，位于进气区域。前端盖的最大温差为65℃，后端盖的最大温差为53℃。由于前后端盖的材料为铝合金，铝合金的导热性能良好，导热率约为气缸材料QT600的4倍，因此前后端盖的最高温度和最大温差都比气缸小得多。

转子的最高温度为204℃，位于转子工作面；转子最低温度为179℃，位于转子内圈。转子的温差仅为25℃，这是由于转子经历工质完整的循环热力过程，各处受热较均匀，因此转子的温差较小。

图3.13所示为转速为15 000r/min时气缸、前后端盖及转子的温度分布。其中气缸的最高温度为258℃，位于气缸上止点附近的燃烧和膨胀区段；最低温度为100℃，位于气缸进气区段散热片的末端。气缸的最大温差为158℃。前端盖的温度范围为133～193℃，后端盖的温度范围为106～157℃，最高温度均出现在气缸的燃烧区段。转子的温度范围为178～203℃，温差仅为25℃。

图3.14所示为转速为13 000r/min时气缸、前后端盖及转子的温度分布。其中气缸的最高温度为246℃，位于气缸上止点附近的燃烧和膨胀区段；气缸最低温度为99℃，位于气缸进气区段散热片的末端。气缸的最大温差为147℃。前端盖的温度范围为128～181℃，后端盖的温度范围为102～149℃，最高温度均出现在气缸的燃烧区段。转子的温度范围为174～195℃，温差仅为21℃。

图3.15所示为转速为11 000r/min时气缸、前后端盖及转子的温度分布。其中气缸的最高温度为226℃，位于气缸上止点附近的燃烧和膨胀区段；气缸最低温度为98℃，位于气缸进气区段散热片的末端。气缸的最大温差为128℃。前端盖的温度范围为121～165℃，后端盖的温度范围为98～134℃，最高温度均出现在气缸的燃烧区段。转子的温度范围为167～184℃，温差仅为17℃。

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图3.13　转速15 000r/min温度场分布

（a）气缸温度分布；（b）前端盖温度分布；（c）后端盖温度分布；（d）转子温度分布

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图3.14　转速13 000r/min温度场分布

（a）气缸温度分布；（b）前端盖温度分布；（c）后端盖温度分布；（d）转子温度分布

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图3.15　转速11 000r/min温度场分布

（a）气缸温度分布；（b）前端盖温度分布；（c）后端盖温度分布；（d）转子温度分布

图3.16所示为转速为9 000r/min时气缸、前后端盖及转子的温度分布。其中气缸的最高温度为201℃，位于气缸上止点附近的燃烧和膨胀区段；气缸最低温度为98℃，位于气缸进气区段散热片的末端。气缸的最大温差为103℃。前端盖的温度范围为113～145℃，后端盖的温度范围为95～117℃，最高温度均出现在气缸的燃烧区段。转子的温度范围为157～171℃，温差仅为14℃。

为分析转速对各受热零部件最高温度的影响，得到各零件的最高温度随转速变化曲线图，如图3.17所示。

根据图3.17，随着转速的增大，各受热零部件的最高温度也随之升高，并且温度的升高呈越来越慢的趋势。

在各转速下，气缸的温差均较为明显，较大的温度梯度下容易产生较大的热应力，会产生极不均匀的热变形，使密封恶化，影响性能。尤其是对于气缸而言，若气缸热区（特别是电热塞孔处）内外表面温差过大，则会使缸壁的热应力过大，以致开裂而破坏。同时，由于气缸受热不均匀，金属分布亦不均匀，容易在气缸局部地方（如电热塞孔周围）因热膨胀量比较大而引起型面局部凸起，使径向密封片发生偏磨，影响密封。

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图3.16　转速9 000r/min温度场分布

（a）气缸温度分布；（b）前端盖温度分布；（c）后端盖温度分布；（d）转子温度分布

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图3.17　各转速最高温度

综上所述，气缸是转子发动机中工作条件最恶劣、机械负荷和热负荷最严重，但同时也是最重要的零件之一。因此在对气缸进行优化设计时，若需要考虑更换气缸的材料，必须选用导热系数较大、高温下强度较高、热膨胀系数较小的材料。

为了验证温度场仿真结果的可靠性，需要进行测温试验来进行验证。采用红外测温和热成像技术来测量转子发动机稳定工作状态下的真实温度场，试验采用红外热成像仪来测量转子发动机外壁面的温度场分布，此方法既能快速对转子发动机外壁面进行大面积检测，又能针对温度点或者小面积进行精确检测。图3.18所示为温度场试验测试台架。

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图3.18　温度场试验测试台架

为保证测温试验的精度，对仪器本身以及各零部件本身的热辐射系数进行了标定。发射率ε代表物体向外红外辐射的能力。每种物体的发射率都是一个小于1的常数。发射率受到材料、表面粗糙度、表面颜色的影响。在实际检测中，需要正确地设置发射率，可以使用热像仪将采集的被测物体红外辐射换算成准确的表面温度，减少或避免误差。

根据转子发动机的结构特点，选用涂抹法确定零件的热辐射系数。用已知发射率的水性白板笔均匀地涂抹在被测物体表面，保证足够时间使被测目标表面与被涂抹表面达到相同的温度。然后按照已知的发射系数来调整红外热像仪的发射率以测量其表面温度，测量邻近没有被涂抹的区域温度，再次调整红外热像仪的发射率，直到测得的没有涂抹的物体表面温度与被涂抹的区域表面温度相同或相近，此时的发射率即为被测物体表面的发射率。

采用以上方法确定发动机各零件表面的发射率后，待转子发动机稳定运行后进行外壁面测温试验，转速为17 000r/min时的转子发动机外壁面温度场测量结果如图3.19所示。

图3.20所示为转速为17 000r/min时的转子发动机装配体温度场仿真计算结果。为验证仿真计算的准确性，在发动机气缸及前后端盖外壁面各选取若干参考点，以对比各参考点的仿真计算温度值与试验测试值。选取的各参考点位置及编号如图3.20所示。

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