| CATEGORII DOCUMENTE |
| Aeronautica | Comunicatii | Electronica electricitate | Merceologie | Tehnica mecanica |
Constructia si calculul segmentilor
Segmentii sunt organe de etansare a cilindrului, care se monteaza in canalele port-segmenti ale pistonului.
1. Rol functional
Segmentii indeplinesc urmatoarele roluri:
impiedica scaparea gazelor rezultate in urma arderii in carter (segmenti de compresie), ca si patrunderea uleiului de ungere a camasii spre spatiul de ardere (segmenti raclori), asigurand astfel dubla etansare a cilindrului;
segmentii de compresie au rolul suplimentar de a prelua o parte din fluxul termic transmis de la gaze catre piston, cel mai solicitat fiind primul segment (segment de foc);
asigura distribuirea uniforma a uleiului pe oglinda camasii cilindrului.
Pentru a asigura o buna etansare, segmentii trebuie sa calce cat mai perfect pe camasa cilindrului.
In functionare
este posibil ca segmentul sa fie aplicat cu suprafata frontala (Sf) si pe peretele superior
al canalului; Sl este
suprafata laterala, 
jocul axial, 
jocul radial (fig. 1).
Aceasta face obligatorie existenta jocurilor, adica segmentul este liber in
canal si conduce la fenomenul de pulsatie
a segmentului in canal. Segmentul dezvolta presiune elastica pe fata laterala
daca si numai daca diametrul in stare libera va fi mai mare decat cel exterior
in stare montata.
Segmentul se
construieste ca un inel taiat; distanta dintre capete se numeste rost (fanta); daca D0
este diametrul exterior in stare libera, D
diametrul exterior in stare montata, Di
diametrul interior in stare montata, h inaltimea
segmentului, a grosimea radiala, 
rosturile in stare
libera, respectiv montata, avem (fig. 2):
(1)
Etansarea la gaze
Datorita faptului ca segmentul este liber in canal, se produce efectul de labirint, cu ajutorul caruia se face o buna etansare si consta in caderi mari de presiune cauzate de rezistente hidraulice mari, datorita geometriei canalelor. O etansare buna la gaze consta in penetrarea in carter a unui volum de gaze sub 1% din cantitatea ce se gaseste in cilindru, cu presiunea sub 2-3% fata de presiunea de gaze din cilindru (fig. 3).
Un fenomen nedorit in functionare, ce afecteaza randamentul motorului este alinierea segmentilor.
Etansarea la ulei este realizata de segmentii de ungere. Mentionam ca acesti segmenti nu sunt organe de ungere, ci sunt organe de distributie a uleiului pe camasa cilindrului. In orice situatie, o cantitate cat de mica de ulei va patrunde in camera de ardere. Acest ulei va arde, conducand astfel la formarea depunerilor.
La aceasta contribuie doua fenomene:
fenomenul de pompaj al uleiului, realizat de segmenti datorita pulsatiei lor in canal;
fenomenul de ungere hidrodinamica, realizat datorita variatiei presiunii uleiului pe inaltimea segmentului (efectul de pana).
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
2. Materiale
Materialele utilizate la constructia segmentilor trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:
calitati antifrictiune;
duritate mare;
rezistenta mare la solicitari termice;
rezistenta mare la solicitari mecanice.
Unul din materialele cel mai des utilizate este fonta cenusie perlitica. Pentru motoarele navale, primul segment se mai executa si din otel special.
3. Tehnologie de fabricatie
|
|
Segmentul se executa dintr-o bucsa taiata.
Prin taierea pentru executarea fantei, segmentul se va tensiona. De aceea se
recomanda detensionarea sa prin tratament termic sau termochimic, asigurandu-se
o distributie uniforma de presiuni elastice pe toata circumferinta segmentului.
Acesta este cazul uzual pentru segmentul
rotund in care 
.
Dezavantajul
acestui segment rotund este acela ca, datorita uzurii, va inregistra in timp
scaderea presiunii la capete. Solutia ameliorata o reprezinta segmentul oval. Acesta este segmentul la
care, prin tratamente, presiunea la capete se mentine mai mare 
, iar in rest pana in 
.
4. Solutii constructive
O atentie deosebita, atat in faza de modelare si analiza, cat si in acelea de testare, dezvoltare si exploatare, se acorda simultan regiunii port-segmenti a pistonului si segmentilor motorului naval modern. Astfel, firma Wrtsil NSD (New Sulzer Diesel) a recurs, pentru motoarele din seria RTA-C, la acoperirea cu plasma a segmentilor superiori, ceea ce confera o siguranta suplimentara pentru functionarea camasilor de cilindru noi; segmentul de foc (primul dinspre camera de ardere dintre cei cinci utilizati in seria RTA-C), acoperit cu plasma, se afla inca in testari importante, solutia de acoperire asigurand un interval de minim doi ani de functionare sigura.
Uzual, la aceste motoare uzura canalelor de segmenti se apreciaza prin distanta dintre segment si flancul superior al canalului respectiv, prin aceasta metoda putandu-se depista gradul de uniformitate a uzurii si de deformare a flancurilor canalului, indiciu si pentru necesitatea reconditionarii pistonului. Testele efectuate pe motoare cu inaltime de protectie a segmentului de foc majorata au demonstrat ameliorarea performantelor segmentilor si canalelor din regiunea port-segmenti (fig. 4, in care segmentii b, c, d, si e sunt neschimbati).
Forme constructive pentru segmentii motoarelor RTA sunt redate in figura 5. Solutia initiala K1 prezinta tesituri, ea fiind ulterior inlocuita cu varian-
|
|
Fig. 4 Fig. 5
ta KN cu muchii rotunjite, iar pentru segmentul de foc cu varianta profilata KNP cu siguranta sporita in functionare; sunt ilustrate si formele uzuale ale rosturilor.
Design-ul segmentilor si materialul acestora sunt vitale pentru buna functionare a motorului. Se utilizeaza forme diferite ale sectiunii transversale a segmentului in functie de rolul pe care acesta il indeplineste. Astfel, la motorul MAN B&W L27/38 se aplica pe suprafata exterioara a segmentului de foc un strat crom-ceramic pentru reducerea uzurii camasii.
Pistonul motorului Sulzer S20 este prevazut cu trei segmenti de compresie si un segment raclor, dispunerea acestora pe inaltimea pistonului fiind prezentata in figura 6; primii trei au fetele exterioare, de reazem, executate bombat pentru realizarea rodajului si pentru a evita honuirea camasii la reviziile de rutina; acoperirea se face in functie de conditiile de functionare: pentru functionarea cu combustibil naval de vascozitate medie (MDO), suprafetele de sprijin ale segmentilor se cromeaza; pentru operarea cu combustibil naval greu (HFO), primul segment se acopera, ca si in cazul motoarelor lente din seria RTA, cu plasma, in timp ce urmatorii doi segmenti se cromeaza; flancurile sunt, de asemenea, cromate; ultimul segment, de ungere, va fi si el cromat. Comportarea in exploatare a acestor tipuri de segmenti s-a dovedit mai mult decat satisfacatoare.
Fig. 6 Fig. 7
|
|
|
Vasa 32 pag. 13 |
Solutii constructive de segmenti la care s-a recurs pentru motoarele din seria Wrtsil 32 si Wrtsil 46 sunt prezentate in figura 7.
|
MAN MC fig. 9 |
Fig. 8
A fost deja evidentiata importanta performante-lor pachetului de
segmenti in fiabilitatea ansamblu-lui componentelor camerei de ardere. Astfel,
s-a acordat o atentie deosebita proiectarii segmentilor superiori, primii doi
fiind conceputi cu o inaltime superioara, ceea ce le confera o rezistenta
termo-mecanica deosebita, coroborat cu optimizarea materialului segmentilor, in
concordanta cu regimurile de lucru specifice acestor motoare.
Ca un prim element de noutate introdus de firma MAN B&W in conceptia segmentilor mentionam asa numitul segment de foc cu control al reducerii de presiune CPR (Controlled Pressure Relief), reprezentat in figura 8. Acest segment are rostul executat prin dubla suprapunere a capetelor, iar caderea de presiune in lungul primului segment este asigurata prin orificii de scapare; in plus, rezistenta la uzura superioara este asigurata prin acoperire ceramica.
Renuntarea la forma clasica a rostului (taietura oblica), contribuie si ea la reducerea incarcarii termice a zonei si la o etansare considerabil imbunatatita. In plus, masuratorile de temperaturi ale camasii cilindrului au demonstrat existenta unei distributii uniforme a tensiunilor termice circumferentiale ale camasii cilindrului si ale celui de-al doilea segment. Datorita suprapunerii capetelor segmentului de foc, caderea de presiune va fi independenta de uzura camasii si a segmentilor, asigurandu-se o tinuta tehnica corecta pe o perioada indelungata de functionare. Testele efectuate cu diferite seturi de segmenti au demonstrat ca atunci cand s-au utilizat segmenti CPR a fost posibila dimensionarea ariei de scadere a presiunii in regiunea port-segmenti si a orificiilor de scapare a gazelor, ajungandu-se la durate de functionare fara interventie de peste 20000 ore de serviciu; aceasta s-a obtinut si prin insertia unui strat de bronz-aluminiu, in scopul micsorarii uzurilor.
Un alt element de noutate il constituie asa-numitul segment scraper (tip raclor) al pistonului PC (Piston Cleaning), prezentat in figura 9. Rolul sau este de a curata depunerile excesive de cenusa si
Fig. 9
carbon din zona superioara a pistonului, prevenind astfel contactul acestor depozite cu camasa cilindrului si indepartarea lubrifiantului de pe camasa in acele posibile zone de contact. Succesul testelor unor asemenea segmenti pe motoare S80MC a condus la generalizarea folosirii lor in toata seria MC.
5. Calculul segmentilor
5.1. Solicitari
Solicitari mecanice
Rezultanta fortelor axialei (fig. 10):
(2)
|
MAN MC fig. 910 |
, (3)
-forta de presiune ce actioneaza pe flancurile segmentului,
sub actiunea presiunilor 
; 
-forta de greutate, 
-forta de inertie a segmentului;
-forta de frecare; 
, respectiv 
masa si acceleratia
segmentului in canal; 
-coeficientul de frecare al cuplului segment-camasa cilindru.
Rezultanta fortelor pe directie radiala este:
, (4)
-forta elastica; 
-forta de presiune radiala; in general 
(adica apare pulsatia segmentului
in canal, cu consecinte negative asupra calitatii etansarii),
cu 
acceleratia
pistonului; la echilibru: 
, adica:
. (5)
Din (4),
prin impartire cu 
, obtinem:
, (6)
unde 
-presiunea elastica dezvoltata de segment; 
-presiunea radiala; pentru asigurarea unei bune etansari: 
Solicitarea la vibratii
La turatii critice ale motorului, este posibila intrarea segmentilor in vibratie, situatie in care se produc scaparile maxime de gaze in carter.
Solicitarea termica a segmentilor
Cel mai
solicitat segment din punct de vedere termic este primul segment. Regimul
termic al acestuia se situeaza in domeniul 
. Fluxul termic este mai pronuntat pe directie radiala decat
pe directie axiala, fiind mult mai accentuat la motoarele de putere mare.
Fig. 10
5.2. Determinarea distributiei de presiuni radiale
Datorita simetriei (fig. 11), distributia de presiuni este periodica, deci presiunea elastica suporta dezvoltare in serie Fourier:
. (7)
Datorita
simetriei, coeficientii 
, deci:
. (8)
Presiunea in
sectiunea 
data de (8) genereaza
urmatoarea forta elementara:
. (9)
Forta elementara (9), integrata de la 0 la p va da o rezultanta, care are doua componente: proiectia pe x-x va fi nula datorita simetriei; deci conditia de echilibru a segmentului este ca rezultanta de pe y-y sa fie nula:
, (10)
adica:
, (11)
sau inca:
(12)
Fig. 11
Pentru k=1 avem:
. (13)
Deci distributia de presiuni radiale a segmentului va fi:
. (14)
De aici, presiunea elastica medie va fi:
. (15)
|
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 4810
Importanta: 
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved
