تحلیل ریشه‌های خرابی چندراهه دود آب خنک موتور دیزل دریایی پرسرعت

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 11، شماره 42، بهمن 1399، صفحه 1-16   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

سید وحید حسینی^{* 1}؛ علی اکبر ثقفی²

¹استادیار دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود

²کارشناس ارشد مواد، شرکت توسعه قوای محرکه دینا

تاریخ دریافت: 16 اسفند 1398،  تاریخ بازنگری: 16 اردیبهشت 1400،  تاریخ پذیرش: 22 اردیبهشت 1400 

چکیده

در موتورهای دیزل دریایی با نسبت توان به وزن بالا، چندراهه دود به‌صورت آب‌خنک طراحی و ساخته می‌شود تا ضمن افزایش عملکرد و ایمنی کابین شناور، نرخ انتقال حرارت از مجموعه اگزوز موتور افزایش یابد. در یکی از موتورهای دیزل دریایی پرسرعت پس از گذشت 417 ساعت از کارکرد موتور، چندراهه دود آلومینومی آب‌خنک به­علت ایجاد حفره در جداره بین راهگاه‌های دود و آب، دچار نشتی آب به داخل اتاق احتراق شده است. این پژوهش به بررسی علل خرابی این چندراهه دود می‌پردازد. نتایج نشان می‌دهد که خفگی ناشی از جوشش باعث بوجود آمدن ترک اولیه حرارتی در چندراهه دود شده است. پدیده خفگی بدلیل بوجود آمدن حباب‌ روی سطوح داغ و تشکیل لایه‌های بخار آب باعث کاهش انتقال حرارت سطح و افزایش موضعی دما در چندراهه دود شده است. این پدیده ناشی از کاهش سرعت سیال خنک­کننده بدلیل وجود زائده­های ریختگی و گاها بسته شدن مسیر آب بوجود آمده است که با توجه به افزایش دمای چندراهه دود در فرایند ارتقا تشدید شده است. یافته‌ها نشان می‌دهد اگرچه پدیده جوشش دلیل اصلی شروع ترک در چندراهه دود است، ولی رشد حفره‌ها در قطعه ریخته‌گری شده آلومینومی تحت یک مکانیزم الکتروشیمیایی صورت گرفته تا به مرور زمان باعث نشت سیال خنک­کننده به داخل موتور شود.

کلیدواژه‌ها

تحلیل خرابی؛ ترک خوردگی؛ چندراهه دود؛ پدیده جوشش؛ موتور دیزل دریایی

عنوان مقاله [English]

Root Cause Analysis of Water-Cooled Exhaust Manifold in High Speed Marine Diesel Engine

نویسندگان [English]

SEYEDVAHID HOSSEINI¹؛ Ali-Akbar Saghafi²

¹Professor of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.

²Master of Materials Engineering, Dina Motors Company, Tehran, Iran.

چکیده [English]

In marine diesel engines with high power to weight ratio, water-cooled exhaust manifolds are designed and manufactured to achieve a good heat transfer in exhaust system with appropriate safety and reliability in engine room. In one of high-speed marine diesel engine after 417 hours operation, water was leaked from aluminum alloy exhaust manifold due to cavity creation between coolant and gas port walls. This paper investigates the root cause analysis of this exhaust manifold failure using fishbone diagram. Results showed that film boiling was accrued on damaged surface. In this region, surface was completely covered by a continuous stable vapor film. So, heat flux of this area reached a minimum and surface temperature was increased locally. The root cause of this phenomena was decreasing or blocking of water flow due to some unwanted casting burr. Although the film boiling nucleated thermal crack on surface, but cracks and cavities propagated under an electro-chemical mechanism until coolant leakage.

کلیدواژه‌ها [English]

Root Cause Analysis, Cavity Nucleation, Exhaust Manifold, Film Boiling, Marine Diesel Engine

مراجع

1. Mohrmann, R., Seifert, T., Willeke, W., Hartmann, D., "Fatigue life simulation for optimized exhaust manifold geometry", SAE Technical Papers, 2006. https://doi.org/10.4271/2006-01-1249

2. Zieher, F., Langmayr, F., Ennemoser, A., Jelatancev, A., Hager, G., Wieser, K., "Advanced Thermal Mechanical Fatigue Life Simulation of Cylinder Heads", ABAQUS Users, vol. 1000, pp. 789–805, 2004.

3. Milanovic, R., Zhou, C.Q., Majdak, J., Cantwell, R., "CFD modeling of flow and heat transfer inside a liquid-cooled exhaust manifold", in Proceedings of the ASME Summer Heat Transfer Conference, vol. 2003, pp. 785–792, 2003.  https://doi.org/10.1115/HT2003-47294

4. Korczewski, Z., "Exhaust gas temperature measurements in diagnostics of turbocharged marine internal combustion engines Part II dynamic measurements", Polish Maritime Research, vol. 23, pp. 68–76, 2016. http://dx.doi.org/10.1515/pomr-2016-0010

5. Assari, M.R., Adeli, S., "New Design and Analysis of Diesel Exhaust Manifold to Control Thermal Gradient", vol. 3, pp. 53–62, 2019.

6. Hamitt, F.g., "Bubble Dynamics of Cavitation and Boiling", 1997.  https://dx.doi.org/10.22060/ajme.2018.14440.5729

7. Lienhard, IV, J. H. and Lienhard, V, J. H.}, "A Heat Transfer Textbook", Phlogiston Press, 2020, 5th edition, http://ahtt.mit.edu.

8.Mehdipour R, Nazaktabar M, Baniamerian Z, Aghanajafi C. Simulation of Heat Transfer in the Cooling Passages of the “EF7” Engine Considering Boiling Phenomenon. JER. 2010; 19 (19) :64-73

URL: http://engineresearch.ir/article-1-218-fa.html

9. Kaufman, J.G., Rooy, E.L., "Aluminum Alloy Casting Properties Processes and Applications", ASM International, 2004. ISBN: 978-0-87170-803-8.

10. Sarkar, A.D., "Wear of Aluminum-Silicon Alloys", Wear, vol. 2, pp. 331-334, 1975. https://doi.org/10.1016/0043-1648(75)90167-2

11. Sharma, R., Anesh, D., Dwivedi, K., "Influence of Silicon (wt.%) and Heat Treatment on Abrasive Wear Behaviour of Cast Al-Si-Mg alloys", Materials Science and Engineering, vol. 12, pp. 274-280, 2005. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.08.013

12. حامد فتاحی، مهدی جلالی عزیزپور، " بررسی تجربی و عددی تنش پسماند در فرایند شکل دهی ورق داغ آلومینیوم 5083 با دمش گاز"، مجله مواد نوین، جلد7، شماره 1، ص 22-13، پاییز 1395.

13. Davis, J.R., Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys", ASM International, 1999. https://doi.org/10.31399/asm.tb.caaa.9781627082990

14. Videm, K., "Corrosion of Aluminum Alloys in High Temperature Water - A Survey", Journal of Nuclear Materials, vol. 2, pp. 145-153, 1959. https://doi.org/10.1016/0022-3115(59)90048-0