Выбор главных двигателей и основных параметров

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;

 

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;

 

;

 

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 .