Проектирование и расчет главного дизельного двигателя - Курсовая работа

Цель данного курсового проекта: проектирование судового ДВС по исходным данным: типу и водоизмещению судна, на которое будет установлена СЭУ, требуемой скорости, составу используемого топлива и степени сжатия. Затраты на СЭУ в среднем составляют 20...35 % общей строительной стоимости судна и 40...60 % затрат на содержание судна на ходу. Газообразные продукты сгорания топлива, обладающие высокой температурой, расширяются и давят на стенки цилиндра и поршень, который совершает прямолинейно-поступательное движение. С помощью кривошипно-шатунного механизма это движение преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Дизельные ДВС обладают самым высоким эффективным КПД, среди прочих установок, малым временем приготовления к пуску и постоянной готовностью к действию, взрыво-и пожаробезопасностью, способностью работать на дешевых тяжелых сортах топлива и еще рядом положительных особенностей.В связи с тем, что в момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре сравнительно высокое, приходится выпускные окна открывать с некоторым опережением, несколько раньше прихода поршня в нижнюю мертвую точку, чтобы избежать большого противодавления на поршень и, кроме того, чтобы ускорить и улучшить очистку цилиндра от остаточных газов. Откладываем по оси ординат давление, а по оси абцисс объемы. К параметрам, характеризующим действительный рабочий цикл двигателя, относят давление в конце сжатия, давление в конце горения, среднее индикаторное давление, среднее эффективное давление , эффективный расход , эффективный КПД , а также приводятся диаметр цилиндра и ход поршня . Далее строим кривую удельных сил инерции по способу Гои, для чего проводим горизонтальный отрезок АВ, равный длине индикаторной диаграммы: АВ=200мм, затем из точки А в масштабе индикаторной диаграммы откладываем удельную силу инерции в ВМТ Jпо: Jпо=-mn?ao=-mn?R?w2?(1 l)=-1000?0,18?76,452 ?(1 1/4,5)= - 1285812,55 Н/м2 Через точки C и D по касательным и прямым, соединяющим одинаковые номера, проводим главную огибающую линию, которая и будет кривой удельных сил инерции.Данный двигатель относится к СОД (частота вращения коленчатого вала 730 об/мин), имеет 8 цилиндров, расположение цилиндров - рядное. Он отвечает требованиям, указанным в учебном техническом задании: развивает необходимую мощность, что обеспечивает судну требуемую скорость. Кроме того, по сравнению с прототипом, разработанный дизель имеет несколько меньшие габариты по ширине (максимальная ширина 1296мм, у прототипа - 1360мм) и высоте (максимальная высота - 2196мм, у прототипа - 2860мм), что позволяет говорить о некотором выйгрыше в массе двигателя и, конечно же, о меньшей массе и стоимости исходных материалов, что, в свою очередь, приводит к снижению себестоимости двигателя.

Содержание кислорода в свежем заряде: , ;Содержание азота в свежем заряде:

Цель данного курсового проекта: проектирование судового ДВС по исходным данным: типу и водоизмещению судна, на которое будет установлена СЭУ, требуемой скорости, составу используемого топлива и степени сжатия. В процессе выполнения курсового проекта теоретические знания по дисциплине «Судовое главное энергетическое оборудование» наряду с практическими навыками самостоятельной работы при решении технических задач систематизируются, расширяются и закрепляются.

Любая судовая энергетическая установка (СЭУ) предназначена для обеспечения движения судна и снабжения необходимой энергией всех судовых потребителей. От СЭУ существенно зависят экономические показатели транспортного судна, уровень его строительной стоимости и текущих эксплуатационных затрат по содержанию. Затраты на СЭУ в среднем составляют 20...35 % общей строительной стоимости судна и 40...60 % затрат на содержание судна на ходу. Кроме того, основные качества транспортных судов - безопасность плавания, мореходность и провозоспособность в значительной мере обеспечиваются СЭУ. В связи с этим положениями проектирование СЭУ является одним из важнейших этапов создания судна.

Анализ состава мирового коммерческого флота показывает, что в качестве СЭУ на транспортных и ледокольных судах в основном используются дизельные установки.

Дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит к типу тепловых двигателей, в которых химическая энергия топлива, сгорающего непосредственно внутри рабочего цилиндра, преобразуется в механическую работу.

Газообразные продукты сгорания топлива, обладающие высокой температурой, расширяются и давят на стенки цилиндра и поршень, который совершает прямолинейно-поступательное движение. С помощью кривошипно-шатунного механизма это движение преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Такой способ превращения тепловой энергии в механическую работу позволяет обходиться без промежуточного рабочего вещества (носителя тепла), которым в паровых машинах является пар.

Дизельные ДВС обладают самым высоким эффективным КПД, среди прочих установок, малым временем приготовления к пуску и постоянной готовностью к действию, взрыво- и пожаробезопасностью, способностью работать на дешевых тяжелых сортах топлива и еще рядом положительных особенностей. Это еще раз доказывает актуальность выбора дизельного ДВС и его непосредственного расчета и проектирования.

Для реализации курсового проекта и достижения поставленных целей будут использованы техническая литература, посвященная разработке и проектированию СГЭО, ГОСТЫ, методические указания для данного курсового проекта под руководством В.А. Стенина для непосредственного планирования, расчета и написания работы.

1. Исходные данные

Параметры для расчета судовой ДЭУ.

Тип судна

Сухогруз 2,4 16 15 84 1 14

2. Выбор главных двигателей и основных параметров

2.1 Определение суммарной мощности главных двигателей

Мощность главных двигателей, необходимая для движения судна, определяется сопротивлением , которое оказывает окружающая среда (вода, воздух) и заданной скоростью движения. Мощность, которую необходимо затратить на создание упора, преодолевающего силы сопротивления, принято называть буксировочной .

Буксировочная мощность равна: , где - сопротивление движению судна, ;

- скорость судна, ;

Валовая мощность равна: , где - пропульсивный КПД;

- КПД валопровода;

Мощность на фланцах главных двигателей или агрегатов в случае работы прямо на винт . При наличии в ГЭУ передач, одинаковых на всех гребных валах: ,

где - КПД передачи.

Ориентировочное значение эффективной мощности можно получить при помощи обратного адмиралтейского коэффициента: , , КВТ = 4156,7 л. с. где - водоизмещение судна, т.

В приближенных расчетах, пренебрегают формой корпуса и КПД передачи, этим выражением пользуются для оценки суммарной мощности главных двигателей.

Прототипом выбираем 2 двигателя 8ЧНП 30/38: л.с. = 1544 КВТ;

2.2 Выбор основных параметров дизеля

Цилиндровая мощность: , где - количество цилиндров, ;

;

Частота вращения и средняя скорость поршня: Главным критерием быстроходности дизеля является средняя скорость поршня: , где - ход поршня, ;

- частота вращения дизеля, ;

;

Число цилиндров: Число цилиндров выбирается исходя из допускаемой цилиндровой мощности с учетом уровня форсирования и тактности двигателя.

Для четырехтактного судового дизеля при рядном расположении цилиндров примем ;

Габариты ДВС: Определяющим габаритом для ДВС является его длина. В первом приближении длина рядного двигателя на фундаментной раме равна: , где - количество цилиндров, ;

- расстояние между осями, выраженное в количестве диаметров цилиндра, , ;

;

Ширина двигателя на фундаментной раме: , где - коэффициент, равный 3,6;

- ход поршня двигателя.

;

Высота двигателя от оси коленчатого вала до крайней верхней точки: , где - коэффициент, равный для тронковых двигателей 4,6..5;

;

Расстояние по высоте от оси коленчатого вала до нижней точки: , где - коэффициент, равный 1,25..2.

;

Общая высота двигателя: , ;

Масса двигателя: , где - удельная масса равная 10..20 ;

;

Масса установки: , ;

Ожидаемое значение среднего эффективного давления: , где - эффективная мощность двигателя, ;

- диаметр поршня, ;

- ход поршня, ;

- коэффициент тактности равный 0,5 для четырехтактного двигателя;

- число цилиндров;

;

3. Тепловой расчет ДВС

3.1 Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания топлива - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Она зависит от элементарного состава топлива.

Низшую теплоту сгорания жидкого топлива можно определить по формуле Д.И. Менделеева: , где - низшая теплота сгорания рабочего топлива, ;

- массовые доли углерода, водорода, кислорода, серы и воды в топливе.

;

3.2 Процесс наполнения

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения, являются: - коэффициент наполнения;

- коэффициент остаточных газов;

- давление в конце наполнения;

- температура рабочей смеси;

- давление остаточных газов;

- температура остаточных газов;

Расчет процесса наполнения заключается в определении значений этих параметров.

Давление в конце наполнения: , где - наибольшая скорость протекания свежего заряда при открытии выпускных клапанов;

- давление наддува, ;

- коэффициент скорости истечения, учитывающий вредные сопротивления при протекании воздуха через клапаны, для ДВС с наддувом ;

- температура в начале процесса наполнения, К.

, где - температура воздуха после воздухоохладителя, К;

- повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя;

;

Скорость поступающего заряда через живые сечения клапана: ,

где - площадь поршня;

- площадь сечения полностью открытых впускных клапанов;

- коэффициент, равный 6..9;

Наибольшая скорость протекания свежего заряда при открытии выпускных клапанов равна: , .

;

Коэффициент остаточных газов определяется по формуле: , где - давление остаточных газов, ;

- давление в конце наполнения;

- температура окружающей среды;

- повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя ;

- степень сжатия, 16;

- температура остаточных газов, ;

Так как при наддуве температура воздуха после нагнетателя очень высока, то в систему включим «холодильник», который охлаждает воздух до температуры окружающей среды.

;

Температура смеси в конце наполнения: , ;

Коэффициент наполнения равен: , где - температура в начале процесса наполнения, К;

- температура в конце процесса наполнения, К;

- давление в конце наполнения;

- давление остаточных газов;

.

3.3 Процесс сжатия

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения, являются: - давление начала сжатия;

- температура начала сжатия;

- степень сжатия;

- показатель политропы сжатия;

- температура конца сжатия;

- давление конца сжатия;

Так как процесс сжатия политропный, то величины, характеризующие его начало и окончание, связаны уравнениями: ;

, где - показатель политропы, ;

;

;

3.4 Процесс сгорания

Количество воздуха теоретически необходимое для сгорания 1кг топлива: , где - массовые доли углерода, водорода, кислорода в топливе.

;

Действительное количество воздуха поступающее в цилиндр: , где - коэффициент избытка воздуха при горении, ; ;

Мольное количество смеси воздуха и остаточных газов, находящееся в цилиндре до горения: , ;

Количество молей продуктов сгорания: А) Теоретическое: , .

Б) Фактическое: , где - количество молей остаточных газов в конце процесса сгорания;

, ;

;

Действительный коэффициент молекулярного изменения: , ;

При постоянном объеме: Приближенные значения средних молекулярных теплоемкостей: - для азота: , ;

- для кислорода: , ;

- для водяного пара: , ;

- для углекислого газа: , ;

В результате работы над данным курсовым проектом был разработан судовой дизельный двигатель 8ЧН 27,5/36. Данный двигатель относится к СОД (частота вращения коленчатого вала 730 об/мин), имеет 8 цилиндров, расположение цилиндров - рядное. Он отвечает требованиям, указанным в учебном техническом задании: развивает необходимую мощность, что обеспечивает судну требуемую скорость. Спроектированный двигатель также имеет достаточно низкий удельный расход топлива - . Данное значение удельного расхода топлива ниже среднего для СОД, что говорит об экономичности двигателя. Кроме того, по сравнению с прототипом, разработанный дизель имеет несколько меньшие габариты по ширине (максимальная ширина 1296мм, у прототипа - 1360мм) и высоте (максимальная высота - 2196мм, у прототипа - 2860мм), что позволяет говорить о некотором выйгрыше в массе двигателя и, конечно же, о меньшей массе и стоимости исходных материалов, что, в свою очередь, приводит к снижению себестоимости двигателя.

Но тем не менее данный двигатель не пригоден для использования в качестве ГД на ледоколе. Для наиболее эффективного преодоления ледяных преград ледоколу необходим ВОД. Рассчитанный двигатель может быть использован в качестве вспомогательного, например для движения по безледному пространству, как двигатель использующий более дешевое топливо.

1. Стенин В.А., Альпин, «Проектирование судовых ДВС.», уч. пособ., Северодвинск, 1998.

2. Стенин В.А. «Судовое главное энергетическое оборудование. Судовые дизели», уч. пособ. по курс. и дипл. проект., Северодвинск, 2003.

3. Андросов Б.И., Кравцов А.И., Коншин И.А., «Дизели морских судов», атлас конструкций, М.: Транспорт, 1966.

4. Ваншейдт В.А., «Судовые ДВС.», Л.: Судостроение, 1977.

5. Овсяников М.К., «Судовые дизельные установки», Л.: Судостроение, 1986.

Размещено на