Тема: «проектирование и расчет главного дизельного двигателя»

Курсовая работа

по дисциплине: Судовые дизели

Тема: «Проектирование и расчет главного дизельного двигателя»

 

 

Северодвинск

г.

 

Введение

 

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.

Исходные данные

 

Параметры для расчета судовой ДЭУ.

 

Тип судна
Сухогруз	2,4	16	15	84	1	14

Тепловой расчет ДВС

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.

 

;

 

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;

 

.

 

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, ;

 

;

;

 

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:

 

,

;

 

Содержание кислорода в свежем заряде:

 

,

;

 

Содержание азота в свежем заряде:

 

,

;

 

Количество молей продуктов сгорания:

азота:

 

,

;

 

кислорода:

 

,

;

 

- водяного пара:

 

,

;

 

углекислого газа:

 

,

;

 

Количество молей остаточных газов:

азота:

 

,

;

 

кислорода:

 

,

;

 

водяного пара:

 

,

;

- углекислого газа:

 

,

;

 

Молярные доли компонентов топлива:

кислород:

 

,

;

 

азот:

 

,

;

 

водяной пар:

 

,

;

 

- углекислый газ:

 

,

;

 

Молярная теплоемкость смеси газов:

 

;

;

 

При постоянном давлении:

Приближенные значения средних молекулярных теплоемкостей:

для азота:

 

;

 

для кислорода:

 

;

 

для водяного пара:

 

,

 

для углекислого газа:

 

,

 

Количество молей продуктов сгорания:

азота:

 

,

;

 

кислорода:

 

,

;

 

водяного пара:

 

,

;

 

углекислого газа:

 

,

;

 

Молярные доли компонентов топлива:

Молярные доли компонентов топлива считаем по формуле:

 

;

 

азот:

 

;

 

кислород:

 

;

 

водяной пар:

 

;

 

углекислый газ:

 

;

 

Молярная теплоемкость смеси газов:

 

;

;

 

Уравнение сгорания для смешанного цикла:

 

,

 

где  - коэффициент использования тепла, ;

 - степень повышения давления, ;

 

;

 

Температура в точке Z: ;

Давление в точке Z:

 

,

;

 

Степень предварительного расширения:

 

,

;

 

Степень последующего расширения:

 

, ;

 

Процесс расширения

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения, являются:

 - температура начала расширения;

 - давление начала расширения;

 - показатель политропы расширения;

 - температура конца расширения;

 - давление конца расширения;

Давление начала расширения:

 

,

;

 

Давление конца расширения:

 

,

;

 

Температура конца расширения:

 

,

;

 

Процесс выпуска

 

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.

Ввиду того, что характер колебаний давления газов при выпуске не поддается точному теоретическому подсчету, поэтому в расчете вместо переменного давления используем среднее постоянное давление газов в период выпуска .

Это давление выше давления в выпускной трубе . По практическим данным можно принять  и . Средняя температура отработавших газов .

 

Диаграмма движущих усилий

 

Сила тяжести Рв:

 

 Па

 

где mn=1000 кг/м2 - удельная масса поступательно движущихся частей, отнесённая к единице площади поршня (принимаем).

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/м2по= 16,4 мм

 где R - радиус мотыля, L - длина шатуна.

 с-1 - угловая скорость вращения коленчатого вала.

Из точки В вниз откладываем удельную силу инерции в НМТ:

 

Jп180= -mn×a180 = -mn×[-R×w2×(1-l)] = -12000×[(-0,18)×(76,45)2×(1-1/4,5)]=818244,35 Н/м2 = 10,4мм

 

Полученные точки C и D соединяют прямой. Из точки пересечения CD и AB откладывают вниз в принятом масштабе величину EF:

=3×mn×l×R×w2=3×1000×1/4,5×0,18×(76,45)2=701352,3=8,9 мм.

 

Точку F соединяют прямыми с точками C и D. Линии CF и FD делят на одинаковое число равных частей и соединяют точки одного и того же номера прямыми. Через точки C и D по касательным и прямым, соединяющим одинаковые номера, проводим главную огибающую линию, которая и будет кривой удельных сил инерции. Построение диаграммы сил инерции, отнесённых к единице площади поршня, изображено в графической части проекта.

Построение диаграммы движущихся усилий проводим следующим образом:

проводим горизонтальный отрезок mm, равный четырём АВ:

=4АВ=4×200=800 мм

 

делим отрезок mm на четыре равных участка;

принимая прямую mm за атмосферную линию, строим развёрнутую индикаторную диаграмму;

делим отрезок mm на четыре равных участка;

на каждом участке наносим кривую сил инерции, отнесённых к единице площади поршня в зеркальном изображении;

на каждом участке, как на диаметре, строим полуокружность;

определяем поправку Брилса в масштабе абсцисс диаграммы:

 

 мм

откладываем из центра О каждого участка отрезок ОО’;

построенные ранее полуокружности делим через каждые 15°, устанавливая транспортир в (×) О’;

из каждой точки деления, на полуокружностях проводим вертикаль до пересечения с кривыми диаграммы;

замеряем длину каждого из перпендикуляров между кривыми сил инерции и давления газов;

результаты замеров заносим во вторую колонку таблицы №2 с учётом знака;

подсчитываем значения касательного усилия Рк, соответствующим приведённым значениям углов.

 

Таблица 4.1

a0	P9, мм
0	-15,32	0		0
15	-14,46	0,315		-4,55
30	-12,03	0,596		-7,17
45	-8,4	0,819		-6,88
60	-4,26	0,964		-4,11
75	0,01	1,023		0,01
90	3,87	1		3,87
105	6,87	0,91		6,25
120	9,02	0,767		6,92
135	10,39	0,595		6,18
150	11,1	0,404		4,48
165	11,37	0,203		2,31
180	11,43	0		0
195	-11,4	0,203		-2,31
210	-11,09	0,404		-4,24
225	-10,77	0,595		-6,41
240	-9,86	0,767		-7,56
255	-8,3	0,91		-7,55
270	-6,41	1		-6,41
285	-4,41	1,023		-4,51
300	-3,83	0,964		-3,69
315	-7,72	0,819		-6,32
330	-20,46	0,596		-12,19
345	-42,94	0,315		-13,53
360	-132,36	0		0
375	132,22	0,315		41,64
382,42	134,13	0,441		59,15
390	92,65	0,596		55,22
405	48,17	0,819		39,45
420	29,25	0,964		28,2
435	21,85	1,023		22,35
450	19,46	1		19,46
465	18,82	0,91		17,13
480	18,68	0,767		14,33
495	18,65	0,595		11,1
510	18,5	0,404		7,47
525	18,32	0,203		3,72
540	-18,23	0	0
555	-10,34	0,203	-2,1
570	-10,07	0,404	-4,07
585	-9,36	0,595	-5,57
600	-7,99	0,767		-6,13
615	-5,84	0,91		-5,31
630	-2,84	1		-2,84
645	1,03	1,023		2,99
660	5,29	0,964		5,1
675	9,48	0,819	7,76
690	13,06	0,596	7,78
705	15,49	0,315	4,88
720	16,35	0	0

 

Детали поршневой группы

 

Расчет поршня.

Диаметр головки поршня:

 

,

 

где  - диаметр поршня;

 

;

 

Диаметр юбки поршня:

 

,

;

 

Толщина днища:

 

,

;

 

Расстояние от первого кольца до кромки днища:

 

,

;

 

Толщина цилиндрической стенки головки:

 

,

;

 

Толщина направляющей части юбки:

 

,

;

 

Длина направляющей части юбки:

 

,

;

 

Расстояние от нижней кромки юбки до оси поршневого пальца:

 

,

;

 

Полная длина поршня:

 

,

;

 

Необходимая длина направляющей части поршня:

 

,

 

где  при : ;

 - сила, действующая на поршень в конце сгорания топлива;

 - допустимое удельное давление на 1 площади проекции боковой поверхности поршня в , принимаемое равным  ;

 

 - площадь поршня;

;

 

Днище поршня рассчитываем на изгиб, так как днище поршня плоское, то условие прочности имеет вид:

 

,

 

где  - толщина днища: для чугунных неохлаждаемых поршней: ,

 - допускаемое напряжение на изгиб: эквивалентные допускаемые напряжения на изгиб для чугунных поршней должны быть ;

 

;

Расчет поршневого пальца:

Диаметр пальца:

 

Рис. 5.1

 

,

;

 

Длина вкладыша головного подшипника:

 

,

;

 

Внутренний диаметр пальца:

 

,

;

 

Длина пальца:

 

, ;

 

Расстояние между серединами опор пальца:

 

,

;

 

Длина опорной части бобышки:

 

,

;

 

Напряжение изгиба, возникающее в момент действия силы:

 

,

 

где  - допускаемое напряжение изгиба, для углеродистой стали:

 

;

 

;

 

Напряжение среза:

 

,

 

где  - допускаемое напряжение среза:

 

;

;

 

Степень овализации пальца:

По методу Кинасошвили определим увеличение наружного диаметра в горизонтальной плоскости:

 

,

 

где  - модуль упругости материала, для стали ;

 

;

;

 

Удельное давление в подшипнике скольжения:

 

,

 

где  - допускаемое давление, для игольчатых подшипников ;

 

;

 

Удельное давление на гнездо бобышки:

 

,

 

где  - допускаемое давление, для бобышек из чугуна ;

 

;

 

Расчет коленчатого вала

1. Выбор материала вала:

вал изготовлен из стали марки 45Х, предел прочности , предел текучести .

2. Диаметр коленчатого вала:

,

 

где  - диаметр цилиндра в ;

 - ход поршня в ;

 - расстояние между центрами рамовых подшипников в ;

 и  - безразмерные коэффициенты, зависящие от  () и  ();

 - безразмерный коэффициент, зависящий от числа цилиндров и тактности: ;

 - безразмерный коэффициент зависящий от предела прочности и вычисляемый по формуле:

 

,

;

;

 

. Диаметр шатунной () и рамовой () шейки примем равными расчетному значению диаметра вала ().

. Толщина щеки:

 

,

;

 

5. Ширина щеки:

 

,

;

 

. Длина шатунной шейки:

 

,