1

MỤC LỤC
më §ÇU.................................................................................................................2


2

DANH MC BNG BIU V HèNH V
I.Danh mc bng biu
Bng
4.1

Tờn bng biu
Thụng s ca vt liu ch to piston M504

Trang
43

II.Danh mc hỡnh v
Hỡnh
2.1
3.1
3.2
4.1
4.2

Tờn hỡnh v
Mụ hỡnh tớnh toỏn dũng nhit
Hỡnh dỏng chung ca ng c M503A
Piston ca ng c M504

Mụ hỡnh tớnh toỏn nhit ca piston
th ỏp sut trong xi lanh ng c M503A theo gúc quay

Trang
12
23
25
27
35

4.3

trc khuu
th nhit trong xi lanh ng c M503A theo gúc quay

36

4.4
4.5

trc khuu
Mụ hỡnh hỡnh hc ca piston M504
Chia li mụ hỡnh tớnh trng nhit ca piston M504

39
40

4.6
4.7
4.8

4.9

Trng nhit ca piston ng c M504 nhỡn tng quỏt
Trng nhit ca piston ng c M504 nhỡn t nh
Trng nhit ca piston ng c M504 nhỡn t ỏy
Trng nhit ca piston ng c M504 khi ly ẳ th tớch

44
45
45
46

mở ĐầU
Động cơ đốt trong với những tính năng u việt của nó, luôn là loại động
cơ đợc sử dụng nhiều nhất trong tất cả các lĩnh vực, đặc biệt là trên các phơng
tiện giao thông đờng biển. Nó thờng đợc trang bị làm hệ động lực chính để lai


3

chân vịt của tàu, lai các máy phát điện phục vụ cho các thiết bị trên tàu hoặc
lai các bơm, các thiết bị phục vụ khác...
Trong lĩnh vực quân sự, động cơ đốt trong cũng đợc sử dụng làm hệ
động lực chính cho các tàu Hải quân.
Động cơ M500 một thời đã từng đợc coi là niềm tự hào của ngành thiết
kế động cơ Liên bang Xô Viết bởi rất nhiều tính năng u việt của nó : kết cấu
nhỏ gọn, khả năng phát huy công suất lớn, khối lợng động cơ tính trên 1 đơn
vị công suất nhỏ, tiêu hao nhiên liệu ít,.... Chúng đựơc trang bị làm hệ động
lực chính cho các tàu chiến đấu cỡ nhỏ, tốc độ cao trong lực lợng hải quân của
các nớc nh: Liên xô, Triều tiên, ấn độ, Việt nam...



4

CHNG 1: TNG QUAN V VN NGHIấN CU
I.t vn
ở Việt nam động cơ M503A đợc sử dụng trên nhiều tàu chiến đấu của
lực lợng hải quân (tàu quét mìn, tàu phóng lôi, tàu tên lửa...) và chúng đã đựơc
phát huy tối đa những u điểm của mình trong quá trình tác chiến trên biển.
Động cơ M503A là loại động cơ đợc sử dụng làm hệ động lực chính
trên tàu phóng lôi 206M của lực lợng hải quân. Mặc dù có rất nhiều tính năng
u việt nhng động cơ M503A cũng có những nhợc điểm nhất định. Đây là loại
động cơ đợc nghiên cứu chế tạo từ những năm thế chiến thứ 2, có kết cấu rất
phức tạp, quá trình sửa chữa và bảo dỡng rất khó khăn, phụ tùng vật t thay thế
khan hiếm.
Để khắc phục đợc những yếu tố không có lợi, hịên nay đã thử nghiệm
việc lắp ráp thay thế piston M504 cho động cơM503A.
Do có sự thay đổi về các thông số kết cấu động cơ, vì thế yêu cầu đặt ra
trớc khi đa động cơ vào sử dụng là phải tính toán lại các thông số của chu
trình công tác, kiểm tra lại các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ... nhằm
đảm bảo động cơ sau khi hoán cải hoạt động an toàn và hiệu quả. Đây là một
công việc khó khăn đòi hỏi nhiều thời gian và công sức nghiên cứu, Trong
phạm vi đề tài của mình tôi chỉ tiến hành nghiên cứu trng thỏi nhiệt của
piston sau khi lắp thay cho động cơ M503A mà cụ thể tên đề tài của tôi
là:"NGHIÊN CứU TRNG THI NHIệT CủA PISTON động cơ M504
KHI LắP THAY CHO ĐộNG CƠ M503A trên tàu HI QUN ".
Trong đề tài của mình tôi có sử dụng máy tính để hỗ trợ cho quá trình
tính toán, cụ thể là sử dụng phần mềm ANSYS để nghiên cứu vấn đề ứng suất
nhiệt trong piston.



5

Trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu chắc chắn sẽ không tránh khỏi
những sai sót, khiếm khuyết. Rất mong đợc các thầy hớng dẫn, đóng góp ý
kiến để tôi hoàn thiện thêm đề tài ca mỡnh
II.i tng nghiờn cu
S phõn b nhit trờn nh piston M504 trong iu kin lm vic ca ng
c M503A
III.Mc ớch ý ngha thc tin ca ti
1. Mc ớch
kho sỏt trng thỏi nhit ca piston ng c M504 khi lp thay cho
ng c M503A
2. í ngha thc tin ca ti
gúp phn ỏnh giỏ kh nng thay th piston ca ng c M504 cho
ng c M503A
IV. Cỏc phng phỏp nghiờn cu
Trong ti ca mỡnh tụi s dng phng phỏp nghiờn cu v lớ thuyt
truyn nhit kt hp vi phng phỏp chuyờn gia ỏnh giỏ.
V. Phng hng phỏt trin ti
Tụi s c gng nghiờn cu thờm hon thin ti ca mỡnh trong thi
gian ti v tụi mong mun cú th kt hp vi cỏc ti nghiờn cu khỏc
ỏnh giỏ mt cỏch ton din hn.


6

CHNG 2: C S L THUYT

I.C s lớ thuyt v trao i nhit

C ch trao i nhit gia cỏc chi tit vi nhau din ra ht sc phc tp
nhng hin nay có ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản, đó là:
- Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt.
- Trao đổi nhiệt đối lu (đối lu tự nhiên, đối lu cỡng bức, đối lu trong môi trờng
một pha, đối lu trong môi trờng biến đổi pha).
- Trao đổi nhiệt bức xạ.
1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt.
Dẫn nhiệt đợc thực hiện bằng chuyển động nhiệt của những phần tử vi
mô. Trong kim loại dẫn nhiệt đợc thực hiện bằng chuyển động của các điện
tử tự do, trong chất lỏng và chất rắn dẫn nhiệt đợc thực hiện bằng chuyển
động nhiệt của nguyên tử, phân tử của những phần vật chất cạnh nhau, trong
chất khí dẫn nhiệt đợc thực hiện bằng truyền năng lợng khi các phân tử khí
va chạm nhau. Không thể bằng cơ chế vi mô để xác định lợng nhiệt truyền
bằng dẫn nhiệt [3].
Fourier đã giả thiết dòng nhiệt nh dòng chất chảy không có trọng lợng
và hình thành định luật Fourier:
t
n

q = .gradt = .
Q = q.F = .F.

t
n

[W / m ]

(2.1)

[W]


(2.2)

2

Dòng nhiệt tỉ lệ với gradien nhiệt độ và diện tích bề mặt đẳng nhiệt.
Trong đó:
- là hệ số dẫn nhiệt.
F - là diện tích bề mặt đẳng nhiệt.


7

t
là gradien nhiệt độ.
n

Dấu (-) biểu thị hớng dòng nhiệt từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp ngợc
với hớng gradien nhiệt độ.
Trờng nhiệt độ.
Trờng nhiệt độ là tổng hợp các giá trị của nhiệt độ tại các điểm khác
nhau của không gian khảo sát. Nhiệt độ của các điểm khác nhau có giá trị
khác nhau và tại các thời điểm khác nhau nhiệt độ có giá trị khác nhau, nh vậy
trờng nhiệt độ phụ thuộc theo thời gian và không gian [14].
Trờng nhiệt độ không ổn định: t = t ( x , y, z, )

(2.3)

Trờng nhiệt độ ổn định: t = t ( x , y, z)



(2.4)

Gradien nhiệt độ.
Gradien nhiệt độ là sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo

phơng pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt, nó là một đại lợng véctơ, chiều theo
chiều tăng nhiệt độ [14].
gradt ( x , y, z) =

t
t
t
t
no =
i+
j+ k
n
x
y
z

(2.5)

Trong đó:
n o - véctơ đơn vị trên phơng pháp tuyến.
i, j, k - véctơ đơn vị trên các trục của hệ toạ độ.


Mật độ dòng nhiệt và định luật Fourier.

Lợng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian gọi là

mật độ dòng nhiệt và theo định luật Fourier thì mật độ dòng nhiệt tỉ lệ thuận
với gradien nhiệt độ (2.1).


8

Hệ số dẫn nhiệt.
Hệ số dẫn nhiệt [ W / m o K ] là lợng nhiệt dẫn qua một đơn vị bề mặt
đẳng nhiệt
trong một đơn vị thời gian khi mà gradien nhiệt độ bằng một đơn vị. Hệ
số dẫn nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật chất và nhiệt độ đợc xác định bằng
thực nghiệm.
2. Trao đổi nhiệt đối lu.
Trao đổi nhiệt đối lu là một dạng cơ bản của truyền nhiệt đợc thực hiện
bằng chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí tiếp xúc với bề mặt ngăn cách.
Chất lỏng hoặc chất khí đợc gọi là chất chảy tiếp xúc với bề mặt ngăn
cách thờng là bề mặt vật rắn có độ chênh nhiệt độ tạo ra dòng nhiệt trao đổi
nhiệt đối lu. Dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lu phụ thuộc tính chất vật lý của
chất chảy, điều kiện chảy và trạng thái bề mặt của vật rắn. Xác định dòng
nhiệt trao đổi nhiệt đối lu theo công thức Newton - Richman [3]:
Q = .F.t

[W]

(2.6)

[W / m 2 ]


(2.7)

Dòng nhiệt riêng:
q=

Q
= .t
F

Trong đó:
[ W / m 2 o K ] - là hệ số trao đổi nhiệt đối lu phụ thuộc vào tính chất
chất chảy, điều kiện chảy, hình dạng và kích thớc vật và xác định bằng thực
nghiệm.
F [m 2 ] - là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đối lu.
t [ o C ] - là độ chênh nhiệt độ.

t = t w t f khi nhiệt độ vách t w lớn hơn nhiệt độ chất chảy t f .


9

t = t f t w khi nhiệt độ chất chảy t f lớn hơn nhiệt độ vách t w .

Dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lu đợc dẫn qua lớp biên tiếp xúc giữa chất chảy
và bề mặt vật rắn, xác định theo định luật Fourier:
t
q =
n n =0

(2.8)


Từ biểu thức (2.7) và (2.8) ta nhận đợc.
=

t
.
t n

(2.9)

Khi biến đổi nhiệt độ chỉ theo hớng y vuông góc với bề mặt của vật, phơng
trình có dạng.
=

t
.
t y y =0

(2.10)

Phơng trình (2.9) và (2.10) là phơng trình vi phân toả nhiệt đối lu.
3. Trao đổi nhiệt bức xạ.
Bức xạ nhiệt là một dạng cơ bản của truyền nhiệt đợc thực hiện bằng
những sóng điện từ. Khác với dẫn nhiệt và đối lu (là dạng truyền nhiệt tiếp
xúc), bức xạ nhiệt là dạng truyền nhiệt không tiếp xúc.
Sự truyền bá các tia nhiệt trong không gian gọi là sự bức xạ nhiệt, quá
trình trao đổi nhiệt dới dạng bức xạ gọi là quá trình trao đổi nhiệt bức xạ.
Tất cả các vật trong không gian, một mặt biến nội năng thành năng lợng
bức xạ, mặt khác lại hấp thụ một phần năng lợng bức xạ của các vật khác để
biến thành nội năng. Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, năng lợng phát đi và

hấp thụ trong mỗi vật sẽ bằng nhau, ta nói vật ở trạng thái cân bằng.
Khác với trao đổi nhiệt dẫn nhiệt và đối lu, ở đây quá trình trao đổi nhiệt
bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá
trị tuyệt đối của nhiệt độ các vật.


10

II. Cỏc phng phỏp gii v iu kin biờn
1. Tính toán trờng nhiệt độ của piston.
Tính trờng nhiệt độ của các kết cấu có thể dùng các phơng pháp sau
đây: các phơng pháp phân tích chính xác và phân tích gần đúng, các phơng
pháp số, các phơng pháp đồ thị, các phơng pháp tơng tự. Các phơng pháp trên
có thể đợc áp dụng độc lập hoặc hợp thành các tổ hợp khác nhau. Trong nội
dung luận văn của tôi sử dụng phơng pháp phần tử hữu hạn để xác định trờng
nhiệt độ piston
1.1. Phơng trình vi phân truyền nhiệt.
1.1.1. Thiết lập phơng trình vi phân truyền nhiệt.
Phơng trình vi phân dẫn nhiệt đợc thiết lập dựa trên cơ sở của định luật
bảo toàn năng lợng, định luật Fourier về dẫn nhiệt. Còn các đại lợng vật lý nh

(

)



hệ số dẫn nhiệt [W m.o K ] ; nhiệt dung riêng của vật liệu C[ J kg.o K ] ; khối l




kg ]
ợng riêng của vật liệu [
là các hằng số và nguồn nhiệt bên trong
m3


(q [W m ]) phân bố đều [14, 24, 26].
v

3


11

Q z + dQ z

Z

Q x + dQ x

Q y + dQ y

Qy
Qx

Qz

dz


O

Y
dy

X
Hình 2.1: Mô hình tính toán dòng nhiệt.
Theo định luật Fourier ta có:
Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách:
q =

T
n

[W m ]

(2.11)

2

Dòng nhiệt truyền qua một diện tích F:
Q = q.dF
F

[W ]

(2.12)

Lợng nhiệt truyền qua diện tích F trong một khoảng thời gian d :
Q1 = Q.d =

F

T
dF .d
n

[J]

(2.13)

Lợng nhiệt dẫn vào phân tố thể tích theo phơng x trong thời gian d :
dQ x1 = q x .dy.dz.d =

T
dy.dz.d
x

[J]

(2.14)


12

Lợng nhiệt đi ra khỏi phân tố ở nhiệt độ T +
dQ x 2 =


T
dx dy.dz.d

T +
x
x

T
dx :
x

[J]

(2.15)

Lợng nhiệt lu lại trong phân tố khi chỉ tính tới quá trình dẫn nhiệt theo
phơng x :
dQ x = dQ x1 dQ x 2

2T
= 2 dx.dy.dz.d
x

[J]

(2.16)

Tơng tự lợng nhiệt lu lại trong phân tố theo phơng y và phơng z :
dQ y =

2T
dx.dy.dz.d
y 2


[J]

(2.17)

dQ z =

2T
dx.dy.dz.d
z 2

[J]

(2.18)

Dòng nhiệt lu lại trong phân tố theo cả ba hớng:
2T 2T 2T
dQ = dQ x + dQ y + dQ z = 2 + 2 + 2 dx.dy.dz.d
y
z
x

(2.19)

Trong phân tố có nguồn cung cấp nhiệt công suất q v [W m 3 ] , nhiệt cung
cấp cho phân tố kích thớc dx, dy, dz thể tích dV = dx.dy.dz trong thời gian d là:
dQv = q v .dV .d

[J]


(2.20)

Lợng nhiệt có trong phân tố là tổng phần nhiệt lu lại trong phân tố và
phần nhiệt do nguồn nhiệt cung cấp (dQ + dQv ) . Ta giả thiết bỏ qua sự biến đổi
nhiệt và nhiệt chỉ làm thay đổi nội năng của phân tố.
dU = C. .dV

T
d


(2.21)

Ta nhận đợc:
dU = dQ + dQv

(2.22)


13

Hay
C. .dV

2T 2T 2T
T
d = 2 + 2 + 2 dx.dy.dz.d + q v .dV .d

y
z

x



T

=
C.

Đặt a =

2T 2T 2T q v
2 + 2 + 2 +
y
z C.
x

(2.23)


2
[m ] là hệ số dẫn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt càng lớn thì sự
s
C .

truyền nhiệt trong vật thể diễn ra càng nhanh.
Khi đó ta có:
2T 2T 2T q
T
= a. 2 + 2 + 2 + v


y
z C.
x

(2.24)

Ta sử dụng ký hiệu toán tử Laplac:
2T 2T 2T
2 T = 2 + 2 + 2
y
z
x

(2.25)

thì phơng trình vi phân truyền nhiệt có thể viết dới dạng tổng quát:
q
T
= a. 2T + v

C.

(2.26)

Trong trờng hợp truyền nhiệt không có nguồn nhiệt bên trong (q v = 0) ,
phơng trình vi phân truyền nhiệt có dạng:
2T 2T 2T
T
= a. 2 + 2 + 2


y
z
x

(2.27)

theo một chiều x có dạng:
T
2T
= a. 2

x

(2.28)

Khi nhiệt độ chỉ phụ thuộc vào toạ độ mà không phụ thuộc vào thời
gian (tức là quá trình dừng) và không có nguồn trong thì phơng trình vi phân
truyền nhiệt trở thành:


14

2T = 0

(2.29)

Trong toạ độ trụ, phơng trình vi phân truyền nhiệt có dạng:
2 T 1 T 1 2 T 2 T q v
T

+
= a. 2 +
+
+

r r r 2 2 z 2 C.
r

(2.30)

ở đây r và là bán kính và góc trong toạ độ trụ, trục z trùng với trục
của ống.
Phơng trình vi phân truyền nhiệt biểu thị biến đổi nhiệt độ theo thời
gian ở một điểm bất kỳ của vật tỷ lệ thuận với hệ số dẫn nhiệt a .
1.1.2. Các phơng pháp giải phơng trình vi phân truyền nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt đợc phân ra các trờng hợp: Truyền nhiệt có
nguồn trong (phơng trình 2.26), truyền nhiệt không có nguồn trong, truyền
nhiệt ổn định và truyền nhiệt không ổn định.
* Truyền nhiệt ổn định không có nguồn trong (phơng trình 2.29): Đây
là bài toán dẫn nhiệt đơn giản, trờng nhiệt độ không phụ thuộc vào thời gian,
thờng áp dụng cho các bài toán truyền nhiệt qua các vách.
* Truyền nhiệt không ổn định không có nguồn trong (phơng trình 2.27): Đây
là bài toán thờng gặp trong kỹ thuật, ví dụ trong quá trình đốt nóng hoặc làm
nguội các vật. Trong các quá trình này nhiệt độ tại các điểm trong vật thay đổi
theo thời gian, do đó việc giải bài toán truyền nhiệt không ổn định khó khăn
hơn nhiều so với một bài toán truyền nhiệt ổn định.
2. Các điều kiện biên của bài toán tính trờng nhiệt độ.
Để cụ thể hoá nhiệm vụ của phơng trình vi phân truyền nhiệt cần xem xét
cùng với các điều kiện đơn trị (điều kiện biên)
- Điều kiện đầu: Xác định phân bố nhiệt độ bên trong vật ở thời điểm ban

đầu.


15

- Điều kiện giới hạn: Các điều kiện tác động qua lại giữa môi chất và bề
mặt ngoài của vật.
- Hình dạng và các thuộc tính vật lý của vật.
Điều kiện đầu đợc cho dới dạng quy luật phân bố nhiệt độ bên trong vật thể ở
thời điểm ban đầu.
T ( x, y , z , o) = f ( x, y , z )

(2.31)

Các trờng hợp riêng của điều kiện giới hạn rất phong phú, nhng chúng có thể
đợc chia làm bốn nhóm cơ bản nh sau:
Điều kiện biên loại 1: Cho biết phân bố nhiệt độ trên bề mặt của vật
ở thời điểm bất kỳ.
Tv ( ) = f ( x, y, z, )

(2.32)

Trong đó:
Tv ( ) - Nhiệt độ trên bề mặt của vật.
x, y, z - Toạ độ mỗi điểm trên bề mặt của vật.

Khi nhiệt độ mọi thời điểm trên bề mặt vật bằng nhau và không phụ
thuộc vào thời gian, điều kiện biên tiếp xúc loại 1 có dạng.
Tv ( ) = const


Điều kiện biên loại 2: Cho biết mật độ dòng nhiệt nh một hàm thời
gian với từng điểm trên bề mặt vật thể.
T
q v ( ) = (T )

n v

(2.33)

Trong đó:
n - Pháp tuyến trong bề mặt vật thể.

Điều kiện biên loại 3: Cho biết quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt
vật thể và môi trờng.


16

T
( ).[TM ( ) Tv ( )] = (T ).
n v

(2.34)

Trong đó:
TM ( ) - Nhiệt độ môi trờng.

Nếu môi trờng không hấp thụ nhiệt thì:
= t + td
t - Hệ số trao đổi nhiệt.


td - Hệ số trao đổi nhiệt đối lu.

Điều kiện biên loại 4: Thể hiện đặc tính trao đổi nhiệt giữa bề mặt
vật thể với môi trờng trao đổi nhiệt giữa các vật cứng tiếp xúc khi mà
nhiệt độ của các bề mặt tiếp xúc nh sau:
T
T
1 (T1 ). = 2 (T2 ).
n v
n v

Khi

(2.35)

T1 ( ) = T2 ( )

Phơng trình vi phân truyền nhiệt viết cùng với điều kiện đơn trị gọi là
bài toán biên. Các điều kiện ban đầu trong các bài toán kỹ thuật thờng thực
hiện ở hình thức đơn giản nhất T ( x, y, z ,0) = To = const .
Theo đó nhiệt độ của vật trớc khi nung nóng (làm mát) ở tất cả các
điểm là nh nhau. Điều kiện ban đầu có ảnh hởng đáng kể tới trạng thái nhiệt
độ của vật có hình dáng bất kỳ chỉ trong giai đoạn đầu của quá trình không ổn
định. Trong những giai đoạn tiếp theo, sự phân bố nhiệt độ trong vật cơ bản đợc xác định bởi điều kiện giới hạn (điều kiện biên).
Điều kiện biên loại 1 và loại 2 thờng ít gặp trong tính toán trạng thái
nhiệt độ của các chi tiết động cơ nhiệt và động cơ điện. Trong thực tiễn tính
toán các chi tiết trên ta thờng nhận đợc điều kiện biên loại 3 và loại 4. Một
điều rất quan trọng là mức độ chính xác của kết quả cuối cùng khi tính sự



17

phân bố nhiệt độ trong vật phụ thuộc phần lớn vào độ chính xác của các hệ số
và đợc đa ra trong điều kiện biên. Việc chọn phơng pháp giải bài toán

biên không thực sự ảnh hởng nhiều so với việc lựa chọn các cơ sở để đa ra các
giá trị và .
Hệ số dẫn nhiệt có thể dễ dàng tìm thấy trong các sách tra cứu hoặc
xác định bằng nhiều phơng pháp thực nghiệm khác nhau. Việc xác định hệ số
trao đổi nhiệt khó hơn rất nhiều. Giá trị có thể tìm đợc thông qua giải các
phơng trình lớp biên sử dụng trong lý thuyết truyền nhiệt đối lu hoặc từ sự phụ
thuộc suy rộng nhận đợc trên cơ sở quá trình thực nghiệm nhiệt - vật lý.
Phơng pháp thứ nhất có thể thực hiện khi đơn giản hoá yêu cầu câu hỏi,
bởi thế khi tính các cấu trúc phức tạp phần lớn chọn phơng pháp thứ hai. Tuy
nhiên thờng thấy từ sự đa dạng của các mối liên hệ trong thực nghiệm và bán
thực nghiệm.
Qua các phơng pháp tính toán trờng nhiệt độ của các chi tiết động cơ đốt
trong, ta thấy phơng pháp phần tử hữu hạn là phơng pháp có thể tính toán cho
mọi loại kết cấu từ đơn giản đến phức tạp và đặc biệt nó có khả năng giải đợc
các loại bài toán phi tuyến không ổn định, cho vật thể nhiều thành phần, có
kết cấu phức tạp. Phơng pháp phần tử hữu hạn cho phép giải nhanh các bài
toán lớn, cho kết quả tại mọi điểm thuộc kết cấu.
3. Kết luận chơng 2.
Trong giới hạn của đề tài đặt ra, mô hình tính toán trng thỏi nhiệt của
piston và các kết quả thu đợc đã phản ánh tơng đối trung thực điều kiện làm
việc của piston. Từ các kết quả tính toán ta có thể rút ra một số kết luận sau:
+ Phân bố nhiệt độ phần đỉnh piston biến thiên khá phức tạp, không
theo một qui luật nhất định.
+ Nhiệt độ lớn nhất tập chung ở phần đỉnh chỏm cầu và vùng lõm tiếp

giáp với mặt ngoài của piston.


18

+ Các vị trí chịu s thay i nhiệt lớn nhất nằm ở lỗ chốt piston.
+ Bài toán trng nhit đợc giải bằng phần mềm ANSYS, theo lý
thuyết phần tử hữu hạn, có thể tính toán đợc phõn b nhiệt ở các chế độ tải
khác nhau và các thời điểm khác nhau, khi thay đổi thông số đầu vào phù hợp.


19

CHNG 3: GII THIU V NG C M503A,M504 V SO
SNH PISTON CA HAI NG C
I. Gii thiu chung v ng c M503A v M504
1. Tính năng và thông số kỹ thuật chủ yếu của động cơ M503A.
Động cơ M503 là loại động cơ cao tốc, hình sao, bốn kỳ, có tăng áp
bằng tua bin máy nén.
Động cơ có hai kiểu quay phải và quay trái phụ thuộc vào chiều quay của trục
trích công suất. Sự khác biệt về kết cấu của hai kiểu động cơ này là ở chỗ kiểu
động cơ quay trái thì bộ giảm tốc của động cơ có thêm một bánh răng trung
gian để tạo chiều quay ngợc lại cho trục lấy công suất. Theo qui ớc, chiều
quay của động cơ đợc xác định khi nhìn từ phía trục lấy công suất. Trục lấy
công suất quay theo chiều kim đồng hồ là mẫu động cơ quay phải, ngợc chiều
kim đồng hồ là mẫu động cơ quay trái. Bảy bloc xi lanh của động cơ đợc xếp
theo hình sao, góc giữa các bloc xi lanh là 51 025'43' ', có một bloc xi lanh đợc
bố trí ở mặt phẳng thẳng đứng.
Các thông số kỹ thuật chủ yếu của động cơ nh sau:
+ Phân bố các xi lanh: hình sao 7 khối (bloc)

+ Số xi lanh

: 42

+ Thứ tự các bloc và bloc bơm nhiên liệu : từ 1-7 theo chiều kim đồng
hồ nếu nhìn từ phía tua bin tăng áp
+ Thứ tự các xi lanh: từ 1-6 tính từ tua bin tăng áp.
+ Đờng kính xi lanh: 160mm
+ Hành trình piston :
- Các xi lanh có tay biên chính(bloc III): 170mm
- Các xi lanh có tay biên phụ:
Bloc II và IV: 174,8mm
Bloc I và V : 178,1mm
Bloc VI và VII: 171,98mm


20

+ Thể tích công tác của tất cả các xi lanh: 147,1 lít
+ Tỷ số nén : 130,5
+ Chiều quay của trục khuỷu : Ngợc chiều kim đồng hồ(khi nhìn từ mặt
bích lấy công suất).
+Chiều quay của mặt bích lấy công suất:
- Động cơ quay phải: Cùng chiều kim đồng hồ.
- Động cơ quay trái: Ngợc chiều kim đồng hồ
+ Bộ ly hợp: cho phép ngắt trục chân vịt khỏi động cơ khi động cơ
không làm việc, có bộ đồng tốc ma sát liên kết cứng ở chế độ tiến và bộ
truyền động bánh răng hành tinh ở chế độ lùi.
+ áp suất khí nén điều khiển ly hợp: (85-150).105N/m2.
+ Thời gian thực hiện điều khiển ly hợp từ chế độ tiến sang lùi: không

quá 8 giây.
+ Bộ giảm tốc: Kiểu một cấp, các bánh răng kiểu răng thẳng. ở động cơ
quay trái có thêm bánh răng trung gian để tạo chiều quay ngợc lại cho mặt
bích lấy công suất.
+ Tỷ số truyền từ trục khuỷu tới mặt bích công suất:
- Chế độ tiến: 0,514
- Chế độ lùi : 0,412
+ áp suất khí sau máy nén ở chế độ công suất cực đại khi nhiệt độ môi
trờng là +200C và áp suất khí quyển là 760mmHg: Lớn hơn 2,1x105N/m2.
+ Động cơ hoạt động ổn định khi:
- Khi có độ nghiêng thờng xuyên giữa trục khuỷu với mặt phẳng
ngang, dốc về phía bộ ly hợp: không quá 150
- Khi có độ nghiêng thờng xuyên về phía thành động cơ: không
quá 150
- Khi có độ nghiêng tạm thời giữa trục khuỷu với mặt phẳng
ngang, dốc về phía ly hợp: không quá 200


21

- Khi có độ nghiêng tạm thời về phía bên thành động cơ: không
quá 450
+ Công suất của động cơ:
- Công suất cực đại ở chế độ "Tiến" khi tốc độ trục khuỷu là
2200v/p, ở các điều kiện tiêu chuẩn của môi trờng và đối áp trên đờng ốn xả
không quá 100mmHg: 4000 mã lực (2960kw)
- Công suất định mức ở chế độ"tiến" khi tốc độ trục khuỷu là
2000 v/p: 3300 mã lực (2440kw)
- Công suất động cơ làm việc ở chế độ "lùi", khi tốc độ trục
khuỷu là 750+50 v/p: 500 mã lực (370kw)

- Công suất khi động cơ làm việc ở chế độ vòng quay nhỏ nhất là
550 v/p: 20 mã lực (89kw)
+ Số vòng quay ổn định không tải nhỏ nhất: 750+50 v/p
+ Suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ công suất định mức: không quá
165g/ml.h
+ Góc phun sớm nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu: 23-280
+ Suất tiêu hao dầu nhờn ở chế độ côn suất định mức: 8g/ml.h
+ Hệ thống bôi trơn
- Kiểu : các te khô
- áp suất dầu bôi trơn ở hệ thống bôi trơn khi tốc độ trục
khuỷu1200 v/p : (9-12).105 N/m2
- áp suất dầu bôi trơn ở hệ thống bôi trơn khi tốc độ trục khuỷu ở
chế độ vòng quay ổn định nhỏ nhất: 4.105N/m2
- Thời hạn thay dầu ở toàn bộ hệ thống bôi trơn: 100 giờ
- Nhiệt độ làm viêc của dầu bôi trơn trên đờng vào động cơ: 65700C chênh lệch nhiệt độ dầu vào và ra: không quá 450C


22

+ áp suất khí ở bình dãn nở: (0,4- 1,0).105 N/m2
+ Nhiệt độ nớc ngọt trên đờng ra: 900C
+ Độ chênh nhiệt độ nớc ngọt vào và ra: không quá 150C
+ Bộ điều tốc: kiểu đa chế độ
+ Hệ thống khởi động: bằng không khí nén, áp lực khí khởi động
(100-150).105N/m2
+ Các kích thớc chính của động cơ:
- Dài: 3700mm
- Rộng: 1560 mm
- Cao: 1560mm
+ Trọng lợng động cơ (khô) cùng bộ giảm tốc và tất cả các cơ cấu, thiết

bị phụ trợ:
- Đối với động cơ kiểu quay trái: 5450kg
- Đối với động cơ kiểu quay phải: 5400kg
+ Trọng lợng nớc làm mát trong động cơ: 160kg
+ Trọng lợng dầu nhờn trong động cơ: 70kg

Hình 3.1: Hình dáng chung của động cơ M503A


23

2. Tính năng và thông số kỹ thuật chủ yếu của động cơ M504
Động cơ M504 là loại động cơ diesel cao tốc hình sao lắp trên các tàu
phóng tên lửa của lực lợng Hải quân. Đây cũng là loại động cơ lai chân vịt bớc
cố định các loại động cơ M517,M520 là các dạng cải tiến của động cơ M504.
Về mặt cấu tạo động cơ M504 chỉ khác động cơ M503 ở số lợng các xi lanh
trên một bloc: loại M503 có 6 xi lanh/1 bloc ( tổng số 42 xi lanh/động cơ) còn
loại M504 có 8 xi lanh/1bloc ( tổng số 56 xi lanh/động cơ), còn các bộ phận
khác chúng hầu nh giống nhau cả về kết cấu cũng nh vật liệu, vì vậy có thể lắp
lẫn một số chi tiết cho nhau trong quá trình sửa chữa động cơ.
II. Điều kiện làm việc của nhúm piston động cơ M503A trên tàu hi quõn
ộng cơ M503A đợc thiết kế để trang bị làm hệ động lực chính cho tàu
chiến đấu 206M. Đây là loại động cơ cao tốc với tốc độ vòng quay tối đa n max=
2200v/p, nđm= 2000v/p, khi động cơ hoạt động ở chế độ định mức tải trọng
nhiệt của piston rất lớn, vì vậy khi tính toán, thiết kế chế tạo và lắp ráp động
cơ, khe hở nhiệt giữa nhóm piston và xi lanh động cơ khá lớn để đảm bảo khe
hở nhiệt tốt nhất ở chế độ định mức, đồng thời để giảm tải trọng cơ khí cho
nhóm piston, thanh truyền, trục cơ cũng nh giảm tổn thất do ma sát giữa xéc
măng và xi lanh động cơ, nên piston động cơ M503A bố trí 4 xéc măng (02
xéc măng khí, 02 xéc măng dầu).

III. So sánh piston động cơ M503A với piston động cơ M504 và khả năng
thay thế piston M504 cho động cơ M503A
Về kết cấu và vật liệu piston, động cơ M503A và động cơ M504 cơ bản
là giống nhau chỉ khác nhau một chút về kết cấu, đó là: Đối với piston động
cơ M504 có thêm xéc măng dầu ở phía dới lỗ lắp chốt piston, đồng thời đờng
kính của piston cũng lớn hơn do dó làm giảm khe hở giữa piston và xi lanh.
Việc thiết kế thêm một xéc măng dầu và giảm khe hở giữa xi lanh và piston
của động cơ M504 nhằm mục đích giảm lọt dầu bôi trơn lên buồng đốt, giảm
lọt khí cháy xuống các te do đó tăng đợc hiệu suất của động cơ và giảm lợng


24

tiêu hao dầu nhờn, nhng điều này dẫn đến tăng tổn thất do ma sát và tăng ứng
suất nhiệt của động cơ, do đó chế độ làm việc của động cơ cũng cần phải thay
đổi cho phù hợp với thiết kế. Khối lợng của nhóm piston động cơ M503A và
piston động cơ M504 sai khác không nhiều(5,136kg và 5,059kg) nên các thay
đổi về trạng thái động lực học không đáng kể, nhất là khi động cơ hoạt động ở
các chế độ vòng quay thấp hơn định mức thì sự thay đổi này không ảnh hởng
nhiều đến khả năng làm việc của động cơ.

Hình 3.2: Piston động cơ M504
Kết luận: Khả năng thay thế của nhóm piston động cơ M504 cho nhóm
piston M503A là hoàn toàn phù hợp, nhất là đối với điều kiện làm việc mới
của động cơ M503A(chỉ hoạt động thờng xuyên trong khoảng tốc độ vòng
quay 1200-1700v/p). Việc thay thế nhóm piston M504 cho động cơ M503A
còn có rất nhiều ý nghĩa về kinh tế và kỹ thuật, nó khắc phục đợc nhiều
khuyết điểm của động cơ M503A khi làm việc ở chế độ thấp hơn định mức
nh đã nêu ở trên.



25

CHNG IV: P DNG PHN MM ANSYS TNH TON
TRNG NHIT CA PISTON
Để tính toán trờng nhiệt độ và ứng suất của piston động cơ trên cơ sở
ứng dụng phần mềm ANSYS trớc hết ta phải xây dựng mô hình tính toán dới
dạng hình học, sau đó phải xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, xác định tính
chất vật liệu, các điều kiện tải trọng nhiệt và giải bài toán trên máy tính.
Khi thiết lập bài toán, xây dựng mô hình tính toán và giải bài toán phải
thoả mãn các điều kiện sau:
- Mô hình phải phản ánh tơng đối trung thực điều kiện làm việc của
piston.
- Đơn giản, cho phép thực hiện việc giải bài toán trên các máy tính hiện
có.
- Các kết quả nhận đợc phải có độ chính xác với sai số là chấp nhận đợc.
I. Xây dựng mô hình tính toán.
1. Thiết lập bài toán, xây dựng mô hình hình học.
Khi động cơ làm việc, đối với piston động cơ xảy ra đồng thời các quá
trình trao đổi nhiệt sau:
- Quá trình trao đổi nhiệt đối lu giữa môi chất công tác với đỉnh piston.
- Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ của ngọn lửa, của khí tới mặt đỉnh piston.
- Quá trình truyền nhiệt tiếp xúc động giữa piston đến xéc măng và đến xi lanh.
- Quá trình truyền nhiệt tiếp xúc động giữa phần dẫn hớng piston với xi lanh.
- Quá trình trao đổi nhiệt đối lu giữa phần đáy piston với chất lỏng làm mát.