Проектирование судового двигателя внутреннего сгорания - Курсовая работа

Затраты на СЭУ в среднем составляют 20...35 % общей строительной стоимости судна и 40...60 % затрат на содержание судна на ходу. Главной целью данного курсового проекта является проектирование судового ДВС по исходным данным: типу и водоизмещению судна, на которое будет установлена СЭУ, требуемой скорости, составу используемого топлива и степени сжатия. 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 первом приближении длина рядного двигателя на фундаментальной раме равна: , где - расстояние между осями, выраженное в количестве диаметров цилиндра, для двухтактного СОД принимаем : Ширина двигателя на фундаментальной раме: , где для тронковых ДВС: Полученная величина ширины двигателя является лишь приблизительным значением, т.к. на данном этапе проектирования невозможно точно оценить габариты дизеля.Суммарная изохорная теплоемкость смеси в цилиндре определится как сумма произведений молярных концентраций отдельных газов на их теплоемкости: , Изобарные мольные теплоемкости определятся: • для азота В связи с тем, что в момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре сравнительно высокое, приходится выпускной клапан открывать с некоторым опережением, несколько ранее прихода поршня в н.м.т., чтобы избежать большого противодавления на поршень и, кроме того, чтобы ускорить и улучшить очистку цилиндра от остаточных газов. Изменение касательного усилия всего двигателя представляется суммарной диаграммой касательных усилий, которая для всех цилиндров может быть построена путем суммирования ординат кривых касательных усилий от всех цилиндров, сдвинутых по отношению друг к другу на угол a0 - угол поворота радиуса мотыля между двумя последовательными вспышками. Угол a0 из условия равномерности вращения коленчатого вала принимается равным: Для построения суммарной диаграммы основание диаграммы касательных усилий делят на участки, соответствующие углу поворота мотыля между двумя последовательными вспышками. Произведя суммирование Рк цилиндров, расположенных впереди, т.е. значений Рк, вписанных в таблицу выше строки данного мотыля, находят мотыль, передающий наибольшее касательное усилие (таблица 5).В результате работы над данным курсовым проектом был разработан судовой дизельный двигатель 16ДПН 23/34. Данный двигатель относится к СОД (частота вращения коленчатого вала 643 об/мин), имеет 16 цилиндров, расположение цилиндров - рядное.Бицентровая диаграмма Брикса и ее использование для снятия значений движущих усилий. Диаграмма касательных усилий, разбитая на участки, равные углу поворота радиуса мотыля между двумя последующими вспышками (22,5°).

Содержание азота в свежем заряде:

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.

Главной целью данного курсового проекта является 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.

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 для проектирования

Таблица 1

Вариант 3. Двухтактный двигатель.

Наименование характеристики Обозначение Значение

Тип судна - Ледокол

Водоизмещение, тыс.тонн 4

Скорость, уз. 13

Содержание водорода в смеси, % H 14

Содержание углерода в смеси, % C 84

Содержание кислорода в смеси, % O 2

Степень сжатия 15

2. Выбор главных двигателей и основных параметров

2.1 Определение суммарной мощности главных двигателей

Мощность главных двигателей, необходимая для движения судна, определяется сопротивлением R, которое оказывает окружающая среда (вода, воздух), и заданной скоростью движения. Мощность, которую необходимо затратить на создание упора, преодолевающего силы сопротивления, находится по формуле: ;

Принимая обратный адмиралтейский коэффициент для танкера , получаем: Учитывая, что проектируемый двигатель устанавливается на танкер небольшого водоизмещения, масса и габариты двигателя имеют важное значение. В данном случае целесообразно выбрать среднеоборотистый дизельный двигатель (СОД), так как он выигрывает в сравнении с МОД по массогабаритным показателям, а используемое в нем относительно дешевое тяжелое дизельное топливо позволяет снизить стоимость эксплуатации. В соответствии с требуемой мощностью выбираем прототип двигателя 16ДПН 23/2*30 с характеристиками (табл. 2): Таблица 2

, л.с. Число цилиндров, i

4500 643 16 0,8 6,43 6,77 1,9 3,3 40

2.2 Выбор основных параметров дизеля

Главным критерием быстроходности дизеля является средняя скорость поршня , которую назначим 7 м/с (двигатель среднеоборотистый).

Тогда ход поршня составит:

Примем ход поршня, равный 340 мм.

Диаметр цилиндра D выбираем так, чтобы отношение S/D попадало в интервал от 1,0 до 1,8. D назначаем равным 230 мм.

Частота вращения вала (n=643 об/мин), скорость поршня и отношение соответствуют рекомендуемым значениям для СОД.

Определяющим габаритом для ДВС является его длина. В первом приближении длина рядного двигателя на фундаментальной раме равна: , где - расстояние между осями, выраженное в количестве диаметров цилиндра, для двухтактного СОД принимаем : Ширина двигателя на фундаментальной раме: , где для тронковых ДВС: Полученная величина ширины двигателя является лишь приблизительным значением, т.к. на данном этапе проектирования невозможно точно оценить габариты дизеля. Из чертежа полностью доработанного двигателя СГЭО.КП.1432-1.14.001.СБ видно, что действительная ширина составляет 1,338м. Для данного значения необходимо провести проверку коэффициента b: Полученное значение коэффициента укладывается в допустимые рамки, так как вычисленное ранее значение являлось лишь приближенным.

Высота двигателя от оси коленчатого вала до крайней верхней точки

, где для тронковых ДВС( 0,82 изза конструктивных особенностей): Расстояние по высоте от оси коленчатого вала до нижней точки: ;

Общая высота двигателя: ;

Массу двигателя можно определить через удельную массу:

, где - удельная масса, для двухтактных СОД : Масса установки определится по формуле: ;

После принятия решения о размере двигателя следует оценить ожидаемое значение среднего эффективного давления Ре (МПА) по формуле: , где - коэффициент тактности равен 1 для двухтактного двигателя.

3. Тепловой расчет ДВС

3.1 Теплота сгорания топлива

Важнейшей характеристикой топлива служит теплота сгорания топлива - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Она зависит от элементарного состава топлива. Низшая теплота сгорания определяется по формуле: ;

3.2 Процесс наполнения

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

gг - коэффициент остаточных газов;

Ра - давление в конце наполнения;

Та - температура рабочей смеси;

Рг -давление остаточных газов;

Тг - температура остаточных газов.

Расчет процесса наполнения заключается в определении значений этих параметров.

Давление в конце наполнения:

, где С2 - наибольшая скорость протекания свежего заряда при открытии выпускных клапанов;

j - коэффициент скорости истечения, учитывающий вредные сопротивления при протекании воздуха через клапаны, принимаем j = 0,8 для ДВС с наддувом;

Т0 - температура окружающей среды, К.

Для определения С2 необходимо знать среднюю скорость См поршня и скорости поступающего заряда С1 через живые сечения клапана.

где K - отношение площади поршня к площади сечения полностью открытых впускных клапанов, для ДВС средней быстроходности принимаем K=8.

Наибольшая скорость протекания свежего заряда через выпускной клапан: ;

.

Тогда давление в конце наполнения: Коэффициент остаточных газов определяется по формуле:

, где - повышение температуры газа в системе двигателя, по опытным данным для четырехтактного дизеля с наддувом ;

- повышение температуры газа вследствие сжатия в турбонагнетателе;

- давление остаточных газов, для ДВС средней быстроходности ;

- температура остаточных газов, для четырехтактных ДВС средней быстроходности .

, где - давление в турбонагнетателе, можно принять ;

- показатель политропы, составляет 1,6;

- атмосферное давление.

Тогда коэффициент остаточных газов: Температура смеси в конце наполнения определяется по уравнению:

;

Коэффициент наполнения через коэффициент остаточных газов определяется следующим образом: ;

3.3 Процесс сжатия

Основными параметрами, определяющими процесс сжатия, являются: Ра - давление начала сжатия;

Та - температура начала сжатия;

e - степень сжатия;

n1 - показатель политропы сжатия, для ДВС средней быстроходности n1=1,37;

Тс - температура конца сжатия;

Рс - давление конца сжатия.

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

,

;

3.4 Процесс сгорания

Необходимо определить количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1кг топлива: ;

Действительное количество воздуха: , Где - коэффициентом избытка воздуха (отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр, к количеству воздуха, теоретически необходимому), для СОД с наддувом : .

Мольное количество смеси воздуха и остаточных газов, находящихся в цилиндре до горения: , .

Количество молей продуктов сгорания:

;

.

Действительный коэффициент молекулярного изменения: ;

.

Для нахождения средних мольных теплоемкостей необходимо найти молярные концентрации отдельных газов в цилиндре. Содержание кислорода в свежем заряде: ;

.

судовой дизельный двигатель

В результате работы над данным курсовым проектом был разработан судовой дизельный двигатель 16ДПН 23/34. Данный двигатель относится к СОД (частота вращения коленчатого вала 643 об/мин), имеет 16 цилиндров, расположение цилиндров - рядное. Он отвечает всем требованиям, указанным в учебном техническом задании: во-первых, соответствует типу судна, для которого проектируется, во-вторых, 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. Эффективный КПД двигателя при этом составляет 43%, что является весьма высоким значением КПД для СОД. Кроме того, по сравнению с прототипом, разработанный дизель имеет несколько меньшие габариты по ширине (максимальная ширина 1338мм, у прототипа - 1900мм) и высоте (максимальная высота - 2832мм, у прототипа - 3300мм), что позволяет говорить о некотором выигрыше в массе двигателя и, конечно же, о меньшей массе и стоимости исходных материалов, что, в свою очередь, приводит к снижению себестоимости двигателя.

1. Стенин В.А. СГЭО. Судовые дизели: Методические указания к выполнению курсового проекта. Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2005 .

2. Г.С. Рожанский. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1969.

3. Ваншейдт В.А. Судовые ДВС. Л.: Судостроение, 1977.

4. Троицкий Б.Л. Основы проектирования СЭУ. Л.: Судостроение, 1980.

5. Самсонов В.И. Двигатели внутреннего сгорания морских судов. М.: Транспорт, 1990.