某型艦用柴油主機(jī)排氣管漏煙故障分析及改進(jìn)

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(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

1 原排氣管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及漏煙故障

某型柴油機(jī)作為艦船主機(jī)在使用過(guò)程中發(fā)生了數(shù)起排氣管路漏煙現(xiàn)象，特別是經(jīng)過(guò)使用一段時(shí)間后漏煙現(xiàn)象更為嚴(yán)重，柴油機(jī)箱裝體內(nèi)消音棉因大量吸入煙灰和積炭而被破壞，效果降低，沿箱裝體內(nèi)部敷設(shè)的電纜全部因高溫?zé)煔庋径砥て屏选?/p>

該柴油機(jī)排氣管系是由排氣支管、中間接管通過(guò)套管、波紋管、卡箍聯(lián)接組成，并用螺釘和止動(dòng)墊片緊固在托板上，經(jīng)排查確認(rèn)漏煙位止動(dòng)墊片緊固在托板上，經(jīng)排查確認(rèn)漏煙位置為排氣波紋管與排氣支管連接處[1]。

排氣支管、波紋管、卡箍及內(nèi)套管的安裝結(jié)構(gòu)見圖1、2。

圖2 原布置三維實(shí)體示意

采用的這種排氣波紋管連接V型卡箍接頭結(jié)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)。

1)V型卡箍安裝。安裝空間小，操作方便，拆裝維修快捷。排氣的密封主要是靠排氣支管法蘭凸緣面與波紋管凸緣的配合保證的，其密封結(jié)構(gòu)形式屬于非平面靜密封，與法蘭連接方式相比，其密閉性差。

2)排氣管內(nèi)冷/熱態(tài)溫差大。滿負(fù)荷工作排溫700 ℃，接頭不同材料的熱脹冷縮特性和長(zhǎng)期工作后使接頭部分產(chǎn)生熱松弛，導(dǎo)致漏氣。

3)接頭多。20缸每臺(tái)機(jī)有34×2=68個(gè)排氣管接頭。

4)接頭結(jié)構(gòu)件全部為金屬件，20°斜面為密封面，理想狀態(tài)為面密封，但因卡箍?jī)?nèi)卡塊夾緊面實(shí)際為弧面，加之加工精度及結(jié)構(gòu)件的剛度等原因，實(shí)際上面密封容易形成線密封，密封效果差，特別是缺乏柔性回彈材料，細(xì)小間隙容易產(chǎn)生漏氣[2]。

5)另外，膨脹節(jié)在接頭端口部位常因安裝不當(dāng)產(chǎn)生折皺(見圖3)，這是由膨脹節(jié)安裝時(shí)潤(rùn)滑脂不夠，卡箍收緊時(shí)造成膨脹節(jié)接口處變形引起的。這對(duì)煙氣的密封也造成非常大的影響。

圖3 安裝不當(dāng)造成的折皺

2 改進(jìn)方案

2.1 由原有的3段卡塊改為6段卡塊結(jié)構(gòu)

參照HB 8—93—2002，空氣系統(tǒng)高溫高壓導(dǎo)管與導(dǎo)管連接卡箍，卡箍?jī)?nèi)卡環(huán)由原來(lái)的3段改為6段，見圖4、5。

圖4 航空工業(yè)空氣系統(tǒng)高溫高壓導(dǎo)管與導(dǎo)管連接卡箍

圖5 改進(jìn)的卡箍結(jié)構(gòu)示意

這樣設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)有利于密封面的均勻密封。分為6段后，與原3段結(jié)構(gòu)相比，減小了單個(gè)卡塊長(zhǎng)度，可以改善單塊由于加工精度、安裝等原因造成整個(gè)密封面局部不能壓緊的現(xiàn)象。

2)有利于避免波紋管安裝皺褶。由于卡塊間留有間隙，該間隙可以吸收相鄰2塊卡塊在卡箍收緊過(guò)程中擠壓波紋管造成的變形。分為6段后間隙分布更多更均勻，可以避免位移變形集中形成皺褶，影響煙氣密封。有限元計(jì)算結(jié)果也證實(shí)了相關(guān)結(jié)論。

3)有利于卡箍安裝。6段結(jié)構(gòu)方式也更利于卡箍徑向自由擴(kuò)張，方便安裝。

2.2 控制卡塊之間的安裝間隙

原設(shè)計(jì)中卡塊間隙為設(shè)計(jì)5 mm，開口處間隙為9 mm，實(shí)際產(chǎn)品中這些間隙測(cè)量值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，特別是開口間隙收緊后達(dá)到20 mm。(見圖6)過(guò)大的間隙值對(duì)密封面的效果會(huì)產(chǎn)生不利影響。本次改進(jìn)設(shè)計(jì)中將對(duì)間隙值進(jìn)行嚴(yán)格控制，使實(shí)際產(chǎn)品安裝后的間隙小于或等于設(shè)計(jì)值。

圖6 原結(jié)構(gòu)安裝后卡塊間隙示意

2.3 卡塊卡面減小弧度并改為機(jī)加工結(jié)構(gòu)

航空空氣系統(tǒng)高溫高壓導(dǎo)管與導(dǎo)管連接卡箍結(jié)構(gòu)的卡塊結(jié)構(gòu)尺寸見圖7[3-5]，本接頭原結(jié)構(gòu)卡塊結(jié)構(gòu)尺寸見圖8。

圖7 航空卡箍結(jié)構(gòu)的卡塊結(jié)構(gòu)尺寸示意

對(duì)比2種結(jié)構(gòu)可以看出，前者平直的密封面較深、夾角較小，而后者較淺、夾角較大，后者實(shí)際產(chǎn)品則基本上以弧面為主，因此容易將面密封造成線密封，影響密封效果。本次改進(jìn)設(shè)計(jì)建議采取工藝措施減小卡塊卡面弧度以增加密封面。

本接頭結(jié)構(gòu)原為2 mm不銹鋼沖壓結(jié)構(gòu)，現(xiàn)改為及加工結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)件的加工尺寸的穩(wěn)定和質(zhì)量。

2.4 部分卡塊與箍帶之間的固結(jié)改為可滑動(dòng)連接

原卡塊與箍帶之間采用的是點(diǎn)焊方式實(shí)現(xiàn)固定連接的，改進(jìn)設(shè)計(jì)擬將6塊卡塊中的4塊卡塊改為卡塊通過(guò)卡柱與滑槽滑動(dòng)連接方式，實(shí)現(xiàn)與箍帶之間可滑動(dòng)連接(見圖9)，且相鄰卡塊之間采用鋼絲鉸接(見圖10)，遠(yuǎn)離卡箍開口端的2塊卡塊仍采用原點(diǎn)焊方式。這樣，既保證了卡塊與箍帶之間的相對(duì)定位，又可以在安裝過(guò)程中保持卡塊之間的正常間隙，并可以使箍帶在安裝收緊過(guò)程中產(chǎn)生的收緊位移由卡塊與箍帶之間的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)，避免卡塊與波紋管密封面之間產(chǎn)生位移造成安裝皺褶。

圖9 卡塊與箍帶之間的連接示意

圖10 卡塊之間的定位示意

3 排煙管密封結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

3.1 原波紋管有限元仿真

波紋管原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由波紋管、排氣支管、卡箍組成。鑒于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立波紋管原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一半的有限元模型，見圖11。模型結(jié)構(gòu)劃分采用solid185單元、采用conta174單元及targe170單元模擬波紋管與排氣支管、波紋管與卡箍、卡箍與排氣支管接觸面之間力的傳遞，接觸面之間沒(méi)有定義摩擦，模型共用節(jié)點(diǎn)39 982個(gè)，單元數(shù)量為182 331個(gè)。模型約束結(jié)構(gòu)對(duì)稱面法向的位移，在另一端的卡箍上作用4 mm的位移載荷。模型的計(jì)算結(jié)果見圖12。

圖11 波紋管原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

圖12 波紋管原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形變計(jì)算結(jié)果

3.2 改進(jìn)后波紋管有限元仿真

將波紋管的卡箍由3段結(jié)構(gòu)改為6段結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的波紋管有限元模型見圖13。改進(jìn)后的模型除結(jié)構(gòu)改變外，所用單元、接觸方法、約束及載荷均與原模型一致。計(jì)算結(jié)果見圖14。

圖13 波紋管改進(jìn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

圖14 波紋管改進(jìn)結(jié)構(gòu)形變計(jì)算結(jié)果

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖12看，卡箍4 mm位移載荷下，波紋管在卡箍的開口位置產(chǎn)生拉伸變形，最大為3.995 mm，但在此附近的大片區(qū)域形變?yōu)樨?fù)值，因而會(huì)受到擠壓作用，容易產(chǎn)生皺褶導(dǎo)致波紋管漏煙。

由圖14可知，波紋管卡箍由3段改為6段后，在同樣的載荷下，波紋管所受的最大形變位置不變，依然在卡箍的開口位置，其值略有減小為3.994 mm，但新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得此附件的區(qū)域波紋管的形變變?yōu)檎?，不再受擠壓作用，因此不易產(chǎn)生皺褶，并且從整個(gè)波紋管變形情況來(lái)看，受擠壓的區(qū)域大幅減小。由此可見，改進(jìn)結(jié)構(gòu)有助于解決波紋管的漏煙故障。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)卡箍結(jié)構(gòu)進(jìn)行試制和裝配試驗(yàn)。裝配效果見圖15。

經(jīng)試驗(yàn)，卡箍上緊力矩增加為規(guī)定值的1.5倍時(shí)，不銹鋼波紋管經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)任何變形。

5 結(jié)論

1)該型柴油機(jī)排煙管漏煙為排煙管卡箍設(shè)計(jì)、生產(chǎn)不當(dāng)引起。

圖15 卡箍上緊后總體形態(tài)

2)將原卡箍的3段、沖壓成型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)修改為6段、加工成型結(jié)構(gòu)，可有效減少因卡箍上緊引起的波紋管變形，保證安裝效果。

3)實(shí)機(jī)密封性試驗(yàn)半年多的運(yùn)行狀況跟蹤觀察表明，該機(jī)的漏煙情況比以前有很大的改善，說(shuō)明排氣波紋管的改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期效果。