（工程热物理专业论文）排气管隔热方法的实验与数值分析研究.pdf

兰燮塑邀一 摘要 。曲 。内筌篓! 聋聋守铁路运输的主要牵弓i 动力之，随着科技的发展和铁路运输任务的 竺驾。苎竺雩输对内燃机车柴油机提出了高可靠性的要求。内燃机车柴函磊嘉善善算 雩具有较高的温度，旦高压的燃油或机油泄漏喷洒到排气管外表面，就容易弓f 起火灾。 銮文开展了对新型内燃机车隔热排气管的数值模拟和实验研究，旨在研究一种新型隔热 排气管以降低排气管外表面的温度，进而降低内燃机车因排气管外表面蠢遍过高而引起 机车起火的可能性。 内燃机车排气管主要由排气总管、排气支管和波纹管等组成。内燃机车柴油机正常 工作时柴油机排气管外表面温度通常高达6 0 0 甚至更高，排气管附近的燃油或机油管 路因机械振动而发生断裂使燃油或机油喷洒到高温的排气管表面，就极易引起火灾，造 成不可估量的损失。本文首先根据内燃机车排气管的结构和尺寸，用s o l i d w o r k s 三维设 计软件设计出一种新型隔热排气管结构，排气管为三层薄壁钢管结构，各层之间抽真空； 法兰采用隔热夹层结构，隔热夹层采用经济实惠的铝酸盐水泥和高温耐火土的混合物浇 筑料；其次用有限元分析软件a n s y s 对不同夹层条件下排气管隔热法兰的温度场分布 进行了模拟分析，分析了不同结构和夹层导热系数对法兰温度场的影响；最后用辐射换 热的网络法计算了两层和三层排气管辐射换热时的外表面温度，计算结果表明，不同的 排气管表面状态对排气管外表面的温度有较大影响。 基于以上分析与设计，按照设计方案加工了几节新型隔热夹层排气管，搭建了测试 新型隔热排气管外表面温度的测试实验台，并进行了隔热排气管外表面温度的测试实 验，同时用准稳态法测得了隔热法兰夹层浇注料的导热系数为o 3 6 2w “m k ) ，用比较法 测得加工的排气管表面的发射率为0 7 。通过改变发动机的不同转速和功率，测得不同 功率下的排气温度和排气管外表面的温度，实验结果表明，隔热排气管外表面的温度较 废气排气温度降低约6 0 ，比普通排气管外表面温度低3 0 一5 0 ，并且随着发动机功 率的增大，排气温度和普通排气管外表面温度上升较快，而隔热排气管外表面温度上升 较缓慢，隔热排气管起到了很好的隔热作用。从而验证了所设计的隔热排气管具有良好 的隔热性、实用性和可靠性，尤其在降低内燃机车火灾的可能性、改善动力室环境等方 + 面具有很好的应用价值，为开发新型低温隔热排气管奠定了基础。 关键词：内燃机车；排气管；隔热；实验： 数值分析 论文类型：应用研究 a b s t r a c t i l l l el o c o m o t l v ep o w e r e db yi n t e m a lc o m b l l s t i o ne n 舀n ei s0 n eo ft h em a i nr a i l w a y t r a c t i o np o w e r s w i mt h ed e v e l o p m e n to ft ec _ h n 0 1 0 9 ya 1 1 d 也ei n c r e a s eo ft h e r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nt a s k s ，h i g hr e i i a b l ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n 舀n e sa r eu 唱e n t l yr e q u i r e d t h e s u r f a c et 锄p e r a t u r eo ft h ee ) ( 1 1 a u s tp i p ei sv e 叮h i g h ，珊d o u b t e d l y ，m i si sa g r e a tt h r e a tt ot l l e s a f e t yo f 】o c o m o t i v e 1 1 1 e r e f o r e ，i nm i sp 印e rt h r o u 曲n u m 丽c a la n de x p 喇m e n t a lm e i l l o d s ，a n e wt y p eo f h e a ti n s u l a t i n ge x h a u s tp i p ei sd e v e l o p e dt or e d u c et h eo u t e rs 耐a c et 掣咖r e o ft h ee x h a u s tp i p e ，a n dt 1 1 e n1 0 w e rt h ef i r ed i s a s t e rp o s s i b i l i t yo fm el o c o m o t i v ec a l l s e db y t h eh i g ht e m p e r a t l l r eo ft h ee x h a u s tp i p eo u t e rs u r f a c e i n t e m a lc o m b u s t i o ne n 百n ee x h a u s tp i p ei sm a i n l yc o m p o s e do fl h ee x h a u s tm a i l 渤l d ， t h ee x h a u s tb r 觚c hp i p ea n dm ec o r r u g a t e dp i p e i ng e n e r a l ，t h eo u t e rs u r f a c et e m p e r a t u r eo f m ee x h a u s tp i p er e a c h e sa sh i 曲a s6 0 0o cd 谢n gw o r k i n gc o n d i t i o n ，o n c et h em e lo r 1 u b r i c a t i n go i lp i p en e a rt h ee x h a u s tp i p el e 呔sd u et om eu n p r e d i c t e dr e a s o n s ，m e 如e 1o r 1 u b r i c a t i n go i lw i l ls p l i ta n ds p r a yo n 1 es u r f a c eo fm e e x h a u s tp i p ew i mh i 曲t e m p 眦曲r e ，i n m i sc a s e ，t 1 1 e1 0 c o m o t i v ew i l ib eo nf i r ee a s i i ya n di m m e a s u r a b l el o s si sc a u s e d t h i sp a p e r d e s i g n san e wt y p eo fh e a ti n s u l a t i o ne x h a u s tp i p eb yu s i n g3dd e s i g ns o f t w a r es o l i d w o r k s a c c o r d i n gt ot h es t m c t u r ea n ds i z eo ft h ee x h a u s tp i p eo ft h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n 西n e f i r s t l y t h en e wt y p eo fe x h a u s tp i p ei sc o n s i s t c do f 缸e e1 a y e r sw i t hm i n - w a l ls t e e l 劬e ，t h e g a po fe a c ht w ol a y e r si sv a c 咖m ，i na d d i t i o n ，t h eh e a ti n s u l a t i o ns a l l d w i c hs 纳c t u r e ，、他i c hi s am i x t u r eo ft h ee c o n o m i c a la n da p p l i c a b l ea l u m i n u ma c i ds a l tc e m e n ta n dm eh i g h t e m p e r a t i l r er e 6 a c t o r ym a t e r i a l ，i su s e di nt h es t m c 恤r eo ft h ef l a n g e t h e ns i m u l a t i o ni s c o n d u c t e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r ea n s y st os 饥d yt h et e m p e r a t u r ef i e l d o ff l a l l g eu n d e rd i f f e r 肌ts t m c t u r e s ，a n d 也ei n f l u e n c eo fd i 饿r e n ts t n l c t u r e s 抓im 疵a l t h e 锄a lc o n d u c t i v i t i e st ot 锄p e r a t u r ef i e l do fn a n g ei sa 1 1 a l y z e d f i n a l l y ，b yu s i n gt h e n e 铆o r ka p p r o a c ho ft h er a d i a t i o nh e a tt r a n s f 打，t h er a d i a l i o nh e a to ft 1 1 et w o 一1 a y e ra n d t h r e e l a y e re x h a u s tp i p em o d e l sa r ec a l c u l a e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a td i f f e t e n t s u r 矗c ec o n d i t i o n so ft h ee x h a u s tp i p eh a v e 孕e a t 如n u e n c eo nt h et e m p e r a t u r eo f l eo u t e r s u r f l a c e b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i sa n dd e s i 印，s e v e r a ln e wt y p e so fh e a ti n s u l a t i o ne x h a u s t p i p ea r ed e s i g n e d ，a 1 1 d 也et e s te q u i p m e n ti sb u i l tt om e a s u r em es u r f a c et e m p e f a t u r eo f t h e n e we x h a u s tp i p e m e a n w h i l e ，f h et h e 肿a lc o n d u c t i v i t yo ft h ei n s u l a t i o nm a t “a l i sm e a s u r e d b ym eq u a s i - s t e a d ys t a t em e t h o d ，a n dt h ev a l u ei s0 3 6 2w ( m k ) r n l es u r f i a c e 锄i s s i v i t yo f t h ee x h a u s tp i p ei sm e a s u r e db yt h ec o m p 撕s o nm e t h o d w h i c hi so 7 t h et e m p e r a t l l r eo ft h e e x h a u s t e dg a s ，t h eo u t e rs u r f a c eo f t h en e wt y p ee 】d l a u s tp i p ea n dt h ei n s u l a t i b nf l a i l g ea r e m e a 汕- e db yu s j n gn i c k e lc h r o m e - n i c k e ls i l i c o nt h e 吼o c o u p l e w h e nt h ee n 西n ei so p e r a t i n g i i 排气管隔热方法的实验与数值分析研究 s t a b l y ，b ym e a s u r i n gt b et e m p e r a t u r eo fe x h a u s tg a sa n dm eo u t e rs u r f a c eo ft h ee x h a u s tp i p e u n d e rd i 艉r e n tr e v o l v i n gs p e e da n dp o w e rv a l u e s ，i ti ss h o wm a tt h et e m p e r a f u r eo ft b eo u t e r s u r t a c eo ft h eh e a ti n s u l a t i o ne x h a u s tp i p ei s6 0 l o w e rt h a nt h a toft h ee x h a u s t 窖a s ，r h i l ea s c o m p a r e dt ot h et e m p e r a t u r eo ft h eg e n e r a le x h a u s tp i p e ，i ei s3 0 5 0 l o w e r ，w i t ht h e 1 n c r e a s eo tt n ee n 9 1 n ep o w e r ，t h ec e m p e r a t u r eo ft h eo u t e rs u r f a c eo ft h ei n s u l a t e de x b a u s t p l p e1 n c r e a s e sm o r es l o w l yt h a nt h ee x h a u s ta n dg e n e r a le x h a u s tp i p e ，t h e r e f o r e ，t h ei n s u l a t e d e x h a u s tp i p ep e r f 0 n n sw e l li nh e a ti n s u l a t i n g 7 r h i si n d i c a t e st h a tt h eh e a ti n s u l a t i o ne x h a m t p i p ed e s i 盟e di nt h i sp a p e rh a sh i 曲e f ! f i c i e n c ya n dp r a c t i c a b i l i t yj nr e d u c i n gt h eo u t e rs u r f a c e i e i n p e r a t u r eo fe x h a u s tp i p eo f t h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n ea n di m p r o v i n gt h ee n v i r 0 i 城i 吼t o ft h ep o w e r r o o m ，1 u si tw i l l1 a i dag o o df o u n d a t i o nf o rr e s e a r c h e r st od e v e l o pn e wt y p e so f l o wt e m p e r a t u r ee x h a u s tp i p e k e yw o r d s ：i n t e r n a ic o m b u s t i o ne n g j n e ；e x h a u s tp i p e ；h e a ti n s u l a t i o n ；e x p e r i m 屺n t ： n u m e r i c a la n a i y s i s 兰州交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景和研究意义 内燃机车作为国家铁路运输的主要牵引动力之一，承担着极其繁重的客货运牵引任 务，它的安全正常工作直接关系到铁路运输的安全运营【1 ，2 1 。然而，近年来火车起火事故 却频频发生，造成机车临修、途停、机破甚至发生大事故，严重干扰了铁路运输的正常 秩序，不仅对行车安全和司乘人员的生命安全构成威胁，而且机车的修复过程耗时长， 需要耗费大量的人力、物力和财力，降低了机车的使用率，给国家财产造成了巨大的损 失和浪费。在电力机车飞速发展的今天，内燃机车仍然是我国铁路运输的重要交通工具， 它有着电力机车不可替代的用途，因此研究内燃机车的防火安全措施就显得极为重要。 为了减少内燃机车起火事故造成的种种不良影响和损失，对内燃机车起火的事故和预防 措施必须引起足够的重视，最好的办法是能够找准起火原因并采取有力的措施加以根 治。要提高内燃机车的防火安全性，防止内燃机车火灾的发生，设法减少机车上存在失 火隐患的根源是机车防火研究的目标之一。 近几年报道的有关资料中，有许多内燃机车发生火灾给铁路运输造成严重影响的案 例【3 】。2 0 0 0 年1 月1 5 日，配属于玉林机务段的东风4 b 型3 6 1 5 号机车担当2 5 0 8 次货运 牵引任务，运行至陆川至米场区间时，柴油机发生故障突然停机，机车动力间燃起熊熊 大火，待工作人员将火情扑灭后勘察发现，大火烧损了柴油机前增压器的空气滤清器以 及柴油机附近的一些电气设备电线和燃油管连接软管等，最终机车因不能正常使用而返 厂大修，经分析引起机车起火的原因是柴油机前增压器机油管因增压器和柴油机的振动 而断裂，高压油管中的机油直接喷洒到温度高达6 0 0 的柴油机废气总管上而燃烧起 来，造成了一起严重的机破事故【4 】o2 0 0 5 年9 月3 0 日，d f 4 b 型6 5 7 0 号内燃机车担当 2 5 0 8 8 次货运牵引任务运行在玉林一南宁的途中被发现机车柴油机排气总管及排气支管 通红发亮，并不时冒着火星，火灾险情严重 钉，因司机发现较早而避免了火灾事故的恶 化。柳州车辆段在2 0 0 2 年之前发生过两起内燃机车因为增压器滑油管泄漏喷洒到高温 的废气总管上而引起的火灾，其中一起因发现较早并及时扑灭而未酿成恶果，而另一起 则因为火势凶猛，机车侧墙玻璃全部被烧损，机车破损严重，最终不得不返厂修理，直 接经济损失1 0 多万元旧j 。 近两三年来，我国发生的重特大机车起火事故也不在少数，造成铁路运输多次受阻， 人民生命财产安全受到威胁。2 0 0 8 年1 2 月2 4 日，“和谐号”动车组列车行驶在京广线 鹤壁洪县段时，电机突然冒出滚滚浓烟，导致京广线被迫受阻中断。2 0 0 9 年7 月2 6 日， 由西安开往乌鲁木齐的1 0 4 3 次旅客列车运行至中国最长的铁路隧道兰新线乌鞘岭 排气管隔热方法的实验与数值分析研究 隧道时，机车着火，造成旅客滞留多时。2 0 1 0 年6 月3 0 日，由青岛开往广州的列车车 头起火，火势凶猛，火车头被烧成一空壳。可见，机车发生火灾事故直接威胁着我国铁 路的安全运输，所以采取有力措旌，防止机车失火的任务刻不容缓。 根据对以往内燃机车发生火灾的案例进行分析，从统计情况看，造成机车失火的原 因大致可分为三大类1 】：一是机车电器线路受到强烈的振动以及周围其他部件的碰撞 和摩擦，或者因为电线自身的发热，导致电线外包的绝缘层老化、粘连，容易造成短路， 给火灾埋下了隐患；二是柴油机排气系统排气总管和排气支管表面都有很高的温度，在 柴油机运行过程中，柴油机机油或燃油系统管路因振动而发生断裂，高压油管中的机油 或燃油喷洒到高温的废气排气总、支管上，再加上空气的流动作用，就会迅速蔓延而引 起大火；三是由外界火源，比如乘务人员在巡检过程中丢弃的烟头遇易燃物而引起的火 灾。 根据对近年来机车起火事故的原因归类分析，我们知道机车电器线路和柴油机系统 引起的火灾是机车发生火灾事故的主要原因，其中因排气系统表面温度过高而引起的火 灾事故占很大比例，所以从这方面着手研究降低机车火灾的措施值得人们去思考。要想 提高机车的防火安全性，防止内燃机车火灾的频繁发生，除了采取积极有效的预防措施， 加强管理之外，如何减少机车上存在失火隐患的根源是我们攻关的主要目标。从而研究 一种经久耐用、隔热有效和运行可靠的排气管隔热技术是至关重要的。 通过对大功率增压柴油机的热平衡数据研究表明，柴油发动机在运行过程中有效功 率的热量仅有3 5 4 0 ，而废气带走的热量通常高达3 5 4 0 12 1 3 j ，因此，柴油机 在全负荷工作时，排气管正常工作时的表面温度可以达到5 0 0 6 0 0 或者更高l i4 ，巧j ， 这些热量通过热辐射的方式向动力室环境散发出去。随着高科技的发展和铁路运输任务 的增加，铁路运输对内燃机车提出了高可靠性、大功率和高经济性的要求，促使内燃机 车的强化程度不断提高，内燃机车的排气温度也不断增高，排气管外表面的温度也随之 持续飙升。排气管外表面的高温在机车的运行过程中会带来许多消极的影响：( 1 ) 由于 排气管表面温度很高，所以其表面有很强的热辐射，与柴油机排气管相邻的发电机和启 动电机等一些设备长时间在高温的烘烤下工作，降低了这些设备的工作可靠性和使用寿 命【i6 】；( 2 ) 排气管外表面的温度很高，远远超过了柴油的燃点，一旦布置在排气管附近 的燃油和机油管路发生裂漏，燃油或机油喷洒在高温的排气管上，借着空气的流动便会 迅速燃烧，引起火灾，将造成不可估量的损失，严重影响了机车的安全运行 1 7 】；( 3 ) 排 气管外表面具有较高的温度，向周围环境的辐射热量也很多，导致动力室和司机室的环 境温度升高，尤其是在气温较高的一些地区，到了夏季机车动力室的温度有时会超过6 0 兰州交通大学硕士学位论文 【l 引，动力室的高温环境无论是对乘务员的巡视，还是检修工人的检修均十分不利，人 们急切地希望改善这样的工作环境。 通过以上分析，开发内燃机车新型隔热排气管，降低排气管的外表面温度对于铁路 运输的安全运营具有重大的现实意义。开展排气管隔热方法的实验与数值分析研究，改 进排气管的隔热技术，是一项降低排气管外表面温度的有效措施。通过该研究解决排气 管表面温度超高的问题，首先可以降低内燃机车由于燃油喷洒到高温的废气管壁上而引 起火灾的可能性；其次，排气管外表面的温度降低了，大大减弱了它向周围设备的热辐 射，提高了这些设备的使用寿命和工作可靠性；另外，司机室的温度也会降低，给机车 的工作人员提供一个较为舒适的工作环境。比起防止高压油管断裂燃油喷洒而采取的措 旌，研究一种降低排气管外表面温度的方法对于减少机车火灾隐患是一种比较有效的措 施。 1 2 排气管隔热方法的研究现状 近几十年来，国内外许多学者在设法降低内燃机车发动机排气管表面温度方面做了 大量的研究，试图从排气管外包隔热材料等方面研究降低排气管外表面温度【l9 i 。随着隔 热材料和保温隔热技术【2 0 】的发展，大功率柴油机排气系统所用的隔热技术和材料也有了 相应的改进，通过采取有效的隔热措施，达到了能够在一定程度上降低排气管外表面温 度的目的，但传统的隔热技术很大一部分与我们的技术要求还相差较远。下面就国内外 在排气管隔热方面的具体措施和研究现状分别进行讲述。 1 2 1 排气管隔热技术在国内的应用现状 目前，我国各机务段和柴油机制造厂较为普遍使用的降低排气管表面温度的方法有 两种：一种是采用冷却水央层的排气管 2 坦】，这种方法是给排气管加工一个冷却水套， 通过冷却水在夹层水套中的循环流动来降低排气管的外表面温度，这种隔热方法可靠性 高，隔热效果好，但是也有很多弊端，水冷隔热方式对内套的密闭性要求较严，水冷套 的成型技术非常高，水冷套工作时会消耗发动机的机械功，使得发动机的效率降低，另 外使用水冷套增加了水、电等能源的消耗，也会使维修和使用成本相应增加，目前在一 些船舶用柴油机上采用水冷套办法来降低排气管的温度，这种方法在我国有些柴油机制 造厂仍有使用。第二种方法是在排气管外包裹一层陶瓷纤维棉或石棉隔热层，这也是我 国内燃机车柴油机排气管普遍使用的一种降低表面温度的方法【2 3 1 。我国大功率车用发动 机排气系统包裹的隔热材料大多采用石棉布，这种隔热方法隔热效果差，石棉隔热层在 刚开始使用时效果较好，排气管表面温度在1 3 0 1 8 0 之间，但在使用不久后，外表面 的温度经常达到3 0 0 甚至更高，又对机车的安全构成了威胁。其次，石棉材料的操作 排气管隔热方法的实验与数值分析研究 性很差，石棉纤维落到皮肤上会引起操作人员皮肤刺痒，吸入石棉对人体有致癌作用。 另外，石棉隔热材料在高温环境下容易失效，发挥作用周期较短，需要经常更换，增加 了维修频率。 清华大学在“八五”期间研究出了一种新型的分块组合式排气管套用来减少排气管 对外的辐射散热【2 4 】( 图1 1 ) 。该方法是用成本较低的高岭土制成的无机聚合物材料制 成一种排气管外包管套，代替了原来包覆在排气管外面的石棉隔热层，取得了很好的隔 热效果。这种隔热方法所使用的隔热材料主要原料为普通的高岭土，制备成本较低，所 以制造出来的排气管套比水冷排气管造价低，并且这种结构安装简单，也不会对操作人 员的身体健康有危害。但是，这种分块组合式的排气管套需要根据每种不同类型的排气 管的结构制造成不同外形结构，不适合作为大批量生产的柴油机排气系统隔热制品，而 且采用这种外包陶瓷管套时，大功率柴油发动机的排气管温度升高，排气管有时会发生 高温氧化断裂【2 5 】的情况，特别是用薄壁钢管制造的排气管，更容易发生断裂。 图1 1f 8 l 4 1 3 f 柴油机的分块组合排气管套 在我国，还有一些大功率柴油机生产厂家根据发动机具体的排气系统形状研制一个 整体的隔热罩【i6 1 ，这种方法隔热效果好，操作工艺性强，使用可靠性高。但隔热罩在排 气管外所占据的空间较大，这在机车上实施起来是很不方便的。 除了上述常用的几种隔热方法外，为了寻求比较理想和满足实用的隔热技术，在近 几年的研究中，高心海【2 6 】等人利用等离子喷涂技术，在机车发动机排气管上喷涂氧化锆 陶瓷隔热层；罗会源【l8 】尝试将六钛酸钾( k 2 t i 6 0 】3 ) 复合隔热涂层喷涂在排气总管和排气 支管的外表面来降低排气管外表面的温度；也有人应用自蔓延技术( s h s ) 【2 8 2 9 】制各陶 瓷隔热涂层，尝试在特种车辆排气管上的不同表面隔热，结果表明在排气管内部喷涂可 以达到更好的效果，但是喷涂陶瓷在高温工况下线性膨胀与排气管收缩不一致，造成喷 兰州交通大学硕士学位论文 涂层脱落而降低隔热效果，并且成本高昂。夏淑琴【2 7 等人研究用无机复合隔热材料制成 排气管隔热层来降低排气管外表面的温度，这种方法并没有增加隔热层厚度，保持了原 来的排气管散热面积不变，研究取得了较好的效果，与只在排气管外面包覆岩棉隔热层 的措施相比较排气管外表面的温度降低了约2 0 左右；薛莹莹【2 1 】等人用数值模拟的方法 研究了用氧化锆空心球制作的无机复合隔热层技术，模拟取得了较好的效果。 1 2 2 国外的应用现状 从我们所见到的进口机车上来看，也是采用了在排气管外面包裹一些陶棉类的隔热 材料来减少排气管向外的散热，这些材料在使用一段时间后也很容易破损，不堪入目。 从目前国外的使用和研究现状来看，俄罗斯车用发动机采用双层金属排气管，并加装金 属隔热挡板，用气隙隔热的方法降低排气管外表面的温度，这种隔热方法使用可靠性高， 但隔热效果不太理想，排气管加工难度增大，并且增加了发动机体积和质量；德国m t u 公司的3 9 6 系列柴油机在排气系统外面罩一个冷却水套，可靠性高，隔热效果好，但隔 热罩所占空间较大，适合于船用发动机；德国e 1 r i n g 有限公司根据不同的排气管形状， 设计夹层隔热件来降低排气管外表面的温度，这种方法使用可靠，隔热效果比较好，并 且便于安装，但是这种夹层隔热件的制造工艺较复杂，成本也比较耐1 6 j 。 1 ，3 本文的主要工作 本文分析了内燃机车发生火灾的原因之一是柴油机排气系统表面温度过高，燃油或 机油泄漏喷洒到高温的排气管表面而引起的。针对这一实际问题，本论文研究了一种新 型的内燃机车隔热排气管以降低排气管外表面的温度，在目前我国使用的内燃机车柴油 机排气管基础上，设计出了一种三层排气管，夹层之间抽真空，排气管法兰采用夹层隔 热的形式。用数值模拟的方法对不同条件下隔热夹层法兰的温度场分布进行了分析，确 定了隔热夹层法兰的最终形式，在此基础上设计了一套完整的排气管加工工艺，并加工 了新型排气管实验段试件。最后，将加工好的排气管试件安装在发动机试验台架上进行 测试，得到了所设计的排气管外表面温度的实验数据。 1 3 1 主要研究内容 本文针对目前内燃机车柴油发动机排气系统的外表面温度超高而容易引发内燃机 车起火的问题，分析排气管与外界的传热过程，从内燃机车排气管的结构出发，研究通 过改变排气管的结构来达到降低排气管外表面温度的措施。在不改变排气管原安装尺寸 的前提下，设计出一种新型的隔热排气管，使得在柴油机正常工作时，该排气管的外表 面温度能够稳定地保持在较低的温度，并且安全可靠。如果该结构的排气管可以有效地 排气管隔热方法的实验与数值分析研究 降低外表面的温度，就从根源上消除了内燃机车因燃油喷洒在排气管表面而引发火灾的 可能性，而且不像包覆隔热层那样需要经常更换。研究内容主要包括以下三个方面： ( 1 ) 降低排气总、支管外表面的温度 认识内燃机车柴油机排气总、支管的结构，分析排气管与外界的传热方式，从改变 排气管管壁与周围环境的传热方式着手，用软件模拟的方法和理论计算的方法对现有排 气管和新设计的排气管壁的传热方式进行分析，寻求降低管壁外表面温度的有效措施。 ( 2 ) 研究降低波纹管 3o 】外表面温度的措施 波纹管是形状复杂、性能要求高的一种薄壳元件，在排气管系统中起着连接各节排 气管并吸收排气管的热膨胀和振动冲击的作用，其制造工序较多，工艺复杂，对现有波 纹管的结构及其传热方式进行分析，寻求降低波纹管外表面温度的有效措施。 ( 3 ) 研究降低法兰外露表面的温度 法兰中的热量传递的方式主要为导热，其模型类似于热量通过一个平板的导热问 题。分析法兰的结构及其传热方式，用隔热保温技术的知识，寻求降低排气管法兰外表 面温度的有效措施。 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 理论设计与分析 在现有的排气管基础上用s o l i d w o r k s 三维设计软件设计新型排气管结构模型，然后 利用a n s y s 有限元分析软件【3 】，3 2 1 对所设计的排气管部件的温度场情况进行数值模拟分 析，通过改变结构和隔热材料的导热系数来研究不同条件下排气管表面温度的分布情 况。通过不断地改进设计和模拟分析筛选出一种理论上较为合理的排气管结构方案。 ( 2 ) 对理论上较为合理的排气管结构方案进行详细的结构设计和工艺设计。 ( 3 ) 寻求加工所设计的隔热排气管的工艺，进行工艺实验，工艺实验的目的在于使 所设计的排气管具有很好的工艺性和较低的成本，并完成新型排气管试制。 ( 4 ) 搭建测试排气管表面温度的实验台。 ( 5 ) 在所搭建的实验台上对新型排气管的壁面温度进行测试。 ( 6 ) 根据实验结果和加工工艺的实验结果修改设计。 ( 7 ) 重复模拟和实验。 ( 8 ) 对所研发的排气管进行地面可靠性考核，即进行疲劳强度实验。 ( 9 ) 装车考核。 兰州交通大学硕士学位论文 2 内燃机车排气系统 2 1 内燃机车排气系统工作流程 内燃机车排气系统作为内燃机车工作系统中的一个重要组成部分，它的安全正常工 作是保证内燃机车正常运行的前提【3 3 1 ，它的主要任务是尽可能干净地排走内燃机车柴油 机气缸中燃烧膨胀后的废气，并充分利用废气中的能量来驱动涡轮增压器做功。柴油机 工作时，柴油机左、右两侧气缸中的废气分别通过连接在v 型柴油机各气缸头上的排气 支管进入v 型机体上方的排气总管中( 图2 1 ) ，再经过排气总管进入涡轮增压器驱动 涡轮做功，最后经涡轮增压器排入大气【3 4 ，3 5 3 6 1 。内燃机车排气通路如图2 2 所示。 图2 1 排气管在内燃机车柴油机上的位置 回一圃一 四一匦囹一 图2 2 内燃机车排气过程 一圉 o 一囤 2 2 内燃机车废气的能量利用及排气系统的分类 2 2 1 废气的能量利用 进入排气系统的废气的能量主要由扫气空气的能量凰，废气在气缸中被活塞推动做 功后得到的能量鼠，以及做功后排气阀打开时气缸内的废气等熵地膨胀至大气压力所作 的功风三部分组成。但是，扫气空气流经排气阀及排气通道时存在节流损失晟”，那么 进入到涡轮机时的能量鼠 e s 。另外，废气排气阀处的节流损失和排气管中的自由膨胀 所损失的能量，使废气损失一部分膨胀功玩”，从而使得玩铒，排气系统设计的目标 就是要使得损失的能量最”和磊”尽可能少f 3 5 1 。 2 2 2 排气系统的分类 内燃机车排气系统根据废气的利用方式，可以分为恒压系统和脉冲系统两种基本形 式 3 5 1 。 ( 一) 恒压系统 恒压系统也称为定压系统，废气进入涡轮增压器之前其压力基本上是保持恒定的。 恒压系统需要有一个较粗的排气总管，有较大的容积，就相当于一个稳压管。柴油机每 个气缸排出的废气在排气总管中得到膨胀和扩散，在总管中废气的压力、温度和流动速 度的波动都比较小，基本上以稳定的压力状态进入涡轮机做功。定压排气系统因此而得 名。 柴油机排气系统采用定压系统，排气管道的结构较为简单，对涡轮增压器布置的限 制较少，高增压时涡轮的效率较高，因此经常在较高负荷下工作的的柴油机增压系统比 较适合用恒压系统。恒压系统会导致各气缸排温不均、柴油机加速性能差，常用于高增 压柴油机和工况比较稳定的发电用柴油机。 ( 二) 脉冲系统 脉冲系统也称为变压系统，废气进入涡轮增压器时压力呈周期性脉动状态。脉冲系 统的每个气缸有各自的排气支管，几个排气支管构成一组，同时接到增压器涡轮的进气 壳上。由于每组支管内的废气的脉冲要求互不干扰，排气管必须尽量细而短，管内容积 较小，废气流过时膨胀和扩散的损失较少，废气流经排气管时管内的压力迅速建立起来， 并产生周期性脉动状态的排气压力波，当废气流入增压器涡轮后，排气管内的压力又迅 速下降，这样，涡轮增压器内的压力忽大忽小，波动较大，故此系统称为脉冲排气系统。 脉冲排气系统对机车柴油机负荷适应性较好，加速性能好，对柴油机废气能量的利 用程度相对较高。基于这些特点，脉冲排气系统即使在低负荷时也会很好地改善柴油机 兰州交通大学硕士学位论文 的换气过程。但是脉冲排气系统的涡轮布置较为复杂，适合于增压压力不太高，并且经 常在变负荷工况下工作的柴油机。 2 3 内燃机车排气管的结构 内燃机车柴油机的排气管系统主要包括排气支管、排气总管、管卡以及各种波纹管 和垫片连接元件等f 3 6 】( 图2 3 ) ，一台柴油机上装有一个排气总管，安装在柴油机顶部。 为了保证机车的正常顺利运行，要求内燃机车排气管道有尽可能小的阻力，所以内燃机 车排气管道的轮廓做成圆滑的形状，剖面没有尺寸骤变的情况，减小了废气在排管中的 阻力。 内燃机车的排气总管是按照柴油机左、右两列气缸分段焊接而成的，由前后两节( 每 节四段，分别连接在左右两列八个气缸) 连接组成，各段间用螺栓相连接。排气总管通 过四个支架安装在进气稳压箱上。 l 2 34 5 图2 3 排气总管结构 1 一排气总管：2 一温度测量表座螺堵；3 一排气支管；4 一波纹管； 5 一石棉隔热层 排气总管由于直接与来自柴油机气缸燃烧后的高温废气( 温度可达6 5 0 ) 相接触， 因此用厚度为4 u l l 的1 c r l8 n i 9 t i 的耐热钢制造而成，内径为2 4 0m m 。排气总管两端 分别与前后两台涡轮增压器的涡轮进气壳相连，为了减少两台涡轮增压器的工作互相干 扰，排气总管中部用隔板隔开。由于排气总管接触高温的废气，所以会因为受热而膨胀， 为了适应排气总管受热膨胀伸长而不使排气总管的总长度发生改变，排气总管各段之间 装有波纹管，从图2 3 中我们可以看出每段排气总管中间都焊有三节波纹管。波纹管的 两端与两段排气总管内筒相连接，波纹管内侧是一段直的衬套管。衬套管的一端与内筒 焊接在一起，另一端则紧贴在另一段内筒的内壁上，排气总管在受到来自废气的热而发 排气管隔热方法的实验与数值分析研究 生膨胀后，波纹管就会被压缩变短，而波纹管内的直管在内筒中则沿着轴向移动同样的 距离，这样一来排气总管的轴向总长度就不会发生改变了。在排气管段间采用波纹管连 接方式，有效地解决了排气管的热膨胀与振动冲击，保护了增压器的工作安全。排气管 中的废气的能量是完全可以被充分利用的，为了不让废气的能量在流经排气总管的时候 损失掉，即减少散热损失，提高涡轮增压器的效率，在排气总管外面敷设有隔热层，主 要由排气总管锒套和包覆在锒套上的石棉布组成，这样在排气总管与石棉隔热层之间形 成了空气隙，由于空气的导热系数极低，6 0 0 时仅约o 0 6 、删( m k ) ，有效地阻隔了热 传递，进一步增强了隔热作用。另外在排气总管上还设有温度计热电偶插座以便工作人 员及时测得柴油机的排气温度。 内燃机车柴油机左右两列的排气支管都是用z g 2 5 i i 铸钢制成的【3 ，内径为1 0 6 m m 。排气支管安装在气缸盖排气道和排气总管之间，用铜片和镀铬的密封垫片密封， 为了避免烧结，排气总管和排气支管所有的连接螺栓和螺母全部采用4 2 c r m o 钢制成并 镀铜。排气支管主要由支管、管卡、波纹管、衬筒等零部件组成( 图2 4 ) 。 排气支管的上段焊接在排气总管的内筒上，其下段安装在气缸盖的排气道上，上、 下两段间用波纹管相连接。波纹管由法兰、衬筒及双层薄壁波纹管组成，波纹管和衬筒 都是用o 4m m 厚的l c r l 8 n i 9 t i 钢片压制而成的，它和排气支管问采用三角槽型卡箍连 接，这种结构一方面可以减少振动及对连接件的附加载荷，另一方面便于拆装和定位。 柴油机每个气缸的排气支管出口并不是直接正对着排气总管而入，而是朝向各自的 增压器，也就是说排气支管的中心线沿着气流方向和排气总管的纵向中心线构成4 5 。冲 角，这样做是为了减少废气由排气支管进入总管时的气流损失。为减少废气的能量损失， 排气支管外部也裹有石棉隔热层。在排气支管一侧上焊有热电偶温度计的插座，用于测 量支管内废气温度。 舻 稳 妗蜓 蓼一 i 放大 图2 4 排气支管结构 l 一排气支管；2 一管卡；3 一垫片； 4 一波纹管法兰； 5 一衬筒；6 一波纹管 兰州交通大学硕士学位论文 2 4 内燃机车排气管温度指标 在正常情况下，内燃机车在标定功率下运行时，排气总、支管的温度规定指标为： d f 4 b ：排气支管：5 2 0 ，排气总管6 2 0 。 d f 4 c ：排气支管：5 4 0 ，排气总管6 5 0 。 2 5 内燃机车排气系统检修的主要技术要求 ( 】) 所有铸造和焊接部分均应进行o 5m p a 的水压试验，历时5 分钟，不得渗漏； ( 2 ) 波纹管不应有明显的变形，波纹管的内衬导流管与外波纹管以及波纹管法兰应 基本同轴； ( 3 ) 安装排气管道时，应先落座各段排气管，然后用管卡将波纹管与各段排气管连 接在一起，转动排气管以基本对中，再紧固排气管，然后将管卡卡紧。管卡卡紧时，应 防止波纹管法兰与排气管法兰间的垫片偏落轴心线的下方。波纹管安装时应注意安装方 向，带脚法兰与内衬导流管小口应顺着气流方向，朝向增压器一侧； ( 4 ) 排气管不得有裂纹，破损的隔热层应重新包扎； ( 5 ) 波纹管不得有变形裂漏，内衬导流管翻边处不允许有任何伤痕裂纹。 排气管隔热方法的实验与数值分析研究 3 新型隔热排气管的数值分析研究 3 1 新型排气管的结构设计 通过以上对我国内燃机车柴油机排气管结构模型的认识，形成了一套完整的设计方 案。根据目前我国内燃机车柴油机排气管的结构和尺寸，在安装允许的前提下对排气管 结构进行了一些可行性改进设计，将目前使用的单层厚壁排气管设计成由三层薄壁管组 装而成的夹层结构排气管，各层之间抽真空，排气管法兰采用一种夹层隔热结构。 基于上面的一些设计思路，我们首先运用s 0 1 i d w o r k s 三维设计软件按照原安装尺寸 构造出这种新型排气管的三维模型( 图3 1 ) ，将排气总管和排气支管都设计成三层厚2 m m 的薄壁管结构，层中间有3m m 的间隙，设计的过程中排气总管和排气支管的内径 均按照原来的尺寸不变，目的是为了保证原来的安装尺寸和气流通道不变。 ( a ) 新排气管三维模型( b ) 新排气管剖面结构 图3 1 新型隔热排气管结构 3 2 排气管层之间的传热分析 排气管表面具有很高的温度，而周围环境温度只有几十度， 以会有对流换热，对流换热可用牛顿冷却公式表示 g = 五( 巧：一乃：) 它们之间存在温差，所 ( 3 1 ) 式中： 为对流换热系数，珊2 为排气管外表面的壁面温度，为周围环境的温度。 在排气管层间隙中抽真空不达标的情况下，也就是里面存在一定量的空气，那么排 气管内就会有导热和自然对流【3 8 ，3 9 1 现象，这个问题就需要我们用数值计算的方法来解 决。为了数值模拟的顺利进行，我们先对排气管结构的模型和数学方程进行分析。 3 2 1 控制方程 根据前面所设计的多层排气管结构，先假设其为两层，圆柱轴对称坐标下的模型如