Тепловой расчет дизеля в соответствии с прототипом 8 NVD -48 А 2 U

Введение

 

Дизели типа NVD нашли широкое применение на судах флота рыбной промышленности, но значительное их количество, более 1500 штук, было установлено на судах морского и речного флота.

Они используются на промысловых судах зарубежной и отечественной постройки в качестве главных и вспомогательных двигателей с различными схемами машинно-двигательного комплекса (прямая или дизель-редукторная передача, без отбора и с отбором мощности, с ВНП и ВФШ).

В течение 30-летнего выпуска можно проследить три этапа (поколения) конструктивного совершенствования судовых дизелей на основе опыта и научно-технических достижений, а также улучшения их энерго-экономических показателей.

К первому поколению относятся дизели основного типоразмерного ряда 17,5/24 (NVD 24), 24/36 (NVD36) и 32/48 (NVD 48). Дизельные двигатели малой размерности, используемые в качестве аварийных и шлюпочных в настоящей статье не рассматриваются.
Дизели первого поколения без наддува (Ре = 5,1... 5,8 МПа) с низкой средней скоростью поршня (Ст = 4,4... 6,0 м/с). Показатель форсирования, характеризующий судовой дизель как в отношении степени совершенства организации рабочих процессов, так и в отношении степени его быстроходности Н = Ст Ре / m находится на нижнем пределе 1,23... 1,5. В современных дизелях он достигает значений 9,0 и более. Общие конструктивные особенности этих дизелей: применение цельнолитых неохлаждаемых чугунных поршней, бабитовых подшипников с толстостенными вкладышами, втулок цилиндра со слабым охлаждением верхней части и сверлениями в нижней для подвода масла от отдельной системы лубрикаторной цилиндровой сказки, применение которой оправдывалось низкой частотой вращения коленчатого вала 275...360 об/мин.

Позднее в дизелях размерностей 24/36 и 32/48 вводится газотурбинный наддув (Рд = 1,3 МПа, Ре = 0,77 МПа) и несколько увеличивается частота вращения (300... 375 об/мин.). Появились дизели NVD 36 A (U) и NVD 48 А (U), которые можно отнести к второму поколению. Какие-либо существенные конструктивные изменения дизелей не произошли, за исключением изменения некоторых геометрических характеристик топливной аппаратуры, обусловленные увеличением цикловой подачи топлива и фаз газораспределения с целью обеспечения продувки камеры сгорания за счёт увеличения угла перекрытия клапанов.

На следующем этапе развития дизелей этой же размерности в направлении увеличения мощности и экономичности появились дизели третьего поколения, NVD 36-1 (I-AU) и NVD 48-2 (A-2U) с наддувом и без наддува, форсированные по частоте вращения соответственно до n = 500 об/мин и n = 428 об/мин при сохранении степени наддува. В конструкции дизелей этого поколения появились новые современные решения: чугунные поршни заменены на поршни из высококачественного алюминиевого сплава (силумина), обладающего высоким коэффициентом теплопроводности и в связи с понижением температуры в зоне работы верхних поршневых колец улучшились условия их смазки; повышена интенсивность охлаждения и механическая прочность верхнего пояса втулки цилиндра. Благодаря этим мероприятиям понижена толщина стенки втулки в верхнем поясе и, следовательно, снижена тепловая напряжённость, несмотря на возросшую тепловую нагрузку; увеличены диаметры шеек коленчатого вала, что способствовало повышению жёсткости колена и снижению удельных давлений в подшипниках вала за счёт увеличения их несущей поверхности; применены тонкостенные трёхслойные стальные вкладыши с заливкой оловянистой бронзой и гальваническим рабочим слоем из антифрикционного сплава (свинца, олова и меди).

В итоге создана современная конструкция среднеоборотных четырёхтактных дизелей NVD 48-2 (A-2U) и NVD 36-1 (A-1U), выпускаемых заводом в 6- и 8-цилиндровом исполнении, которые находят применение в одно- и -многодвигательных установках на рыболовных судах, каботажных теплоходах, речных грузовых судах, буксирах-толкачах, плавучих земснарядах.

Средняя скорость поршня 6,85 м/с и частоте вращения 428 об/мин - хорошие предпосылки для обеспечения надёжной работы дизеля в модифицированном исполнении NVD 48-2. (A-2U) для работы на тяжёлом топливе вязкостью до 100 мм2/с при 50°С. Ресурс работы дизелей на дизельном топливе до капитального ремонта достигает 35000 ч.

Основные отличительные конструктивные особенности выпускаемых в настоящее время дизелей заключаются в следующем.
Остов дизеля (силовая часть), в соответствии с основной концепцией конструкции дизельных двигателей типа NVD, состоит из литой фундаментной рамы с постелями под рамовые подшипники и литого блок-картера, соединённые анкерными связями.

Коленчатый вал откован из высококачественной мартеновской стали, с незакалёнными шейками и уложен во взаимозаменяемых тонкослойных подшипниковых вкладышах. В осевом направлении вал фиксируется упорным или направляющим подшипником и снабжается встроенным демпфером крутильных колебаний.
Поршень из алюминиевого сплава, с 4 компрессионными и 2 маслосъёмными кольцами. Для работы на тяжёлом топливе верхнее поршневое кольцо хромировано.

Шатун откован из высококачественной стали; у нижней головки разъём под углом 90°. Мотылёвый подшипник имеет взаимозаменяемые тонкослойные вкладыши.

Крышка цилиндра отлита из высококачественного специального чугуна и крепится 6 упругими шпильками. Впускной клапан имеет в крышке запрессованное седло, выпускной клапан размещён в съёмном охлаждаемом водой корпусе с легкозаменяемым седлом. При работе на тяжёлом топливе форсунка охлаждается маслом под давлением от автономной система смазки, а выпускной клапан имеет твёрдую наплавку (из стеллита) и поворотное устройство. Привод клапанов смазывается маслом под давлением, он расположен в маслонепроницаемом кожухе.

Регулятор частоты вращения всережимный механический или с гидравлическим усилителем с диапазоном регулирования 30... 100% от номинальной частоты вращения. В дизель-генераторах регулятор имеет электрический серводвигатель для обеспечения синхронизации при параллельной работе. Имеется механическая защита по предельной частоте вращения.

Реверсивно-пусковая система обеспечивает возможность дистанционного управления дизелем. В дизелях NVD 48-2 (А-2U) она оборудована следящей автоматикой пуска и реверса дизеля. Также имеется аварийно-предупредительная сигнализация и защита по предельным температурам и давлениям охлаждающей воды и смазочного масла.

Для работы на тяжёлом топливе соответственно модифицированы распределительный вал, топливный насос высокого давления и газотурбонагнетатель. Топливные трубопроводы снабжены "спутниками" с контролем утечки топливе. Топливоподкачивающий насос имеет автономный привод.

 

Процесс сжатия.

Давление:

     Р_с= Р_а × ξⁿ¹                            

n₁ – 1,35÷1,42 – показатель политропы сжатия

           

                                

Принимаем n₁ =1.371

При ранее выбранных и рассчитанных числительных значениях

Р_с =1.21∙14 ^1.371 =45.1кгс/см² =4.51 МПа

Полученные значения Р_с необходимо сравнить с данными прототипа.

Разница не должна более 5 – 8 кгс/см²

Температура в конце сжатия

     Т_с = Т_а× ξ^n1-1

          

     Т.к ξ = V_a/V_c,

то  V_c = V_а/ξ         

    

Введение

 

Дизели типа NVD нашли широкое применение на судах флота рыбной промышленности, но значительное их количество, более 1500 штук, было установлено на судах морского и речного флота.

Они используются на промысловых судах зарубежной и отечественной постройки в качестве главных и вспомогательных двигателей с различными схемами машинно-двигательного комплекса (прямая или дизель-редукторная передача, без отбора и с отбором мощности, с ВНП и ВФШ).

В течение 30-летнего выпуска можно проследить три этапа (поколения) конструктивного совершенствования судовых дизелей на основе опыта и научно-технических достижений, а также улучшения их энерго-экономических показателей.

К первому поколению относятся дизели основного типоразмерного ряда 17,5/24 (NVD 24), 24/36 (NVD36) и 32/48 (NVD 48). Дизельные двигатели малой размерности, используемые в качестве аварийных и шлюпочных в настоящей статье не рассматриваются.
Дизели первого поколения без наддува (Ре = 5,1... 5,8 МПа) с низкой средней скоростью поршня (Ст = 4,4... 6,0 м/с). Показатель форсирования, характеризующий судовой дизель как в отношении степени совершенства организации рабочих процессов, так и в отношении степени его быстроходности Н = Ст Ре / m находится на нижнем пределе 1,23... 1,5. В современных дизелях он достигает значений 9,0 и более. Общие конструктивные особенности этих дизелей: применение цельнолитых неохлаждаемых чугунных поршней, бабитовых подшипников с толстостенными вкладышами, втулок цилиндра со слабым охлаждением верхней части и сверлениями в нижней для подвода масла от отдельной системы лубрикаторной цилиндровой сказки, применение которой оправдывалось низкой частотой вращения коленчатого вала 275...360 об/мин.

Позднее в дизелях размерностей 24/36 и 32/48 вводится газотурбинный наддув (Рд = 1,3 МПа, Ре = 0,77 МПа) и несколько увеличивается частота вращения (300... 375 об/мин.). Появились дизели NVD 36 A (U) и NVD 48 А (U), которые можно отнести к второму поколению. Какие-либо существенные конструктивные изменения дизелей не произошли, за исключением изменения некоторых геометрических характеристик топливной аппаратуры, обусловленные увеличением цикловой подачи топлива и фаз газораспределения с целью обеспечения продувки камеры сгорания за счёт увеличения угла перекрытия клапанов.

На следующем этапе развития дизелей этой же размерности в направлении увеличения мощности и экономичности появились дизели третьего поколения, NVD 36-1 (I-AU) и NVD 48-2 (A-2U) с наддувом и без наддува, форсированные по частоте вращения соответственно до n = 500 об/мин и n = 428 об/мин при сохранении степени наддува. В конструкции дизелей этого поколения появились новые современные решения: чугунные поршни заменены на поршни из высококачественного алюминиевого сплава (силумина), обладающего высоким коэффициентом теплопроводности и в связи с понижением температуры в зоне работы верхних поршневых колец улучшились условия их смазки; повышена интенсивность охлаждения и механическая прочность верхнего пояса втулки цилиндра. Благодаря этим мероприятиям понижена толщина стенки втулки в верхнем поясе и, следовательно, снижена тепловая напряжённость, несмотря на возросшую тепловую нагрузку; увеличены диаметры шеек коленчатого вала, что способствовало повышению жёсткости колена и снижению удельных давлений в подшипниках вала за счёт увеличения их несущей поверхности; применены тонкостенные трёхслойные стальные вкладыши с заливкой оловянистой бронзой и гальваническим рабочим слоем из антифрикционного сплава (свинца, олова и меди).

В итоге создана современная конструкция среднеоборотных четырёхтактных дизелей NVD 48-2 (A-2U) и NVD 36-1 (A-1U), выпускаемых заводом в 6- и 8-цилиндровом исполнении, которые находят применение в одно- и -многодвигательных установках на рыболовных судах, каботажных теплоходах, речных грузовых судах, буксирах-толкачах, плавучих земснарядах.

Средняя скорость поршня 6,85 м/с и частоте вращения 428 об/мин - хорошие предпосылки для обеспечения надёжной работы дизеля в модифицированном исполнении NVD 48-2. (A-2U) для работы на тяжёлом топливе вязкостью до 100 мм2/с при 50°С. Ресурс работы дизелей на дизельном топливе до капитального ремонта достигает 35000 ч.

Основные отличительные конструктивные особенности выпускаемых в настоящее время дизелей заключаются в следующем.
Остов дизеля (силовая часть), в соответствии с основной концепцией конструкции дизельных двигателей типа NVD, состоит из литой фундаментной рамы с постелями под рамовые подшипники и литого блок-картера, соединённые анкерными связями.

Коленчатый вал откован из высококачественной мартеновской стали, с незакалёнными шейками и уложен во взаимозаменяемых тонкослойных подшипниковых вкладышах. В осевом направлении вал фиксируется упорным или направляющим подшипником и снабжается встроенным демпфером крутильных колебаний.
Поршень из алюминиевого сплава, с 4 компрессионными и 2 маслосъёмными кольцами. Для работы на тяжёлом топливе верхнее поршневое кольцо хромировано.

Шатун откован из высококачественной стали; у нижней головки разъём под углом 90°. Мотылёвый подшипник имеет взаимозаменяемые тонкослойные вкладыши.

Крышка цилиндра отлита из высококачественного специального чугуна и крепится 6 упругими шпильками. Впускной клапан имеет в крышке запрессованное седло, выпускной клапан размещён в съёмном охлаждаемом водой корпусе с легкозаменяемым седлом. При работе на тяжёлом топливе форсунка охлаждается маслом под давлением от автономной система смазки, а выпускной клапан имеет твёрдую наплавку (из стеллита) и поворотное устройство. Привод клапанов смазывается маслом под давлением, он расположен в маслонепроницаемом кожухе.

Регулятор частоты вращения всережимный механический или с гидравлическим усилителем с диапазоном регулирования 30... 100% от номинальной частоты вращения. В дизель-генераторах регулятор имеет электрический серводвигатель для обеспечения синхронизации при параллельной работе. Имеется механическая защита по предельной частоте вращения.

Реверсивно-пусковая система обеспечивает возможность дистанционного управления дизелем. В дизелях NVD 48-2 (А-2U) она оборудована следящей автоматикой пуска и реверса дизеля. Также имеется аварийно-предупредительная сигнализация и защита по предельным температурам и давлениям охлаждающей воды и смазочного масла.

Для работы на тяжёлом топливе соответственно модифицированы распределительный вал, топливный насос высокого давления и газотурбонагнетатель. Топливные трубопроводы снабжены "спутниками" с контролем утечки топливе. Топливоподкачивающий насос имеет автономный привод.

 

Тепловой расчет дизеля в соответствии с прототипом 8 NVD -48 А 2 U

1.1 Определение основных параметров (давления, температуры и объема) в конце процесса наполнения.

Температура воздуха после нагнетателя

Т₀ – температура машинного отделения

Т₀ = 290 K

Р₀ = 1 кг/см² – атмосферное давление

n =1.60 – политропа сжатия

Рк =1.30кг/см² =0.13МПа давление воздуха после нагнетателя.

Так как Р_к воздухоохладитель не требуется:

         

Р_s=P_k=1.30 кг/см²

Давление в конце наполнения

       Р_а = К₁ · Р_s

               К₁=0.93

Р_а =0.93∙1.30=1.21 кг/см² =0.121 МПа

Давление остаточных газов

Р_r = К₂ · Р_s                       

К₂ = 0.80

Р_r =0.80∙1.30=1.04 кг/см²  =0.104 МПа

Температура воздуха в цилиндре

     Т_s – температура воздуха при поступлении в цилиндр

     ΔТ – повышение температуры воздуха за счет нагревания о стенки впускного тракта

Т_s^/ = Т_s + ΔТ                     

ΔТ =8^°

Т_s^/ =320+8=328 K

- Коэффициент остаточных газов

Степень сжатия в двигателях с наддувом стараются сделать меньше, для уменьшения нагрузки на двигатель: ε = 14

Tr - температура остаточных газов выбирается по справочной литературе[1]:

Tr =800 K

                         

             

                                

Температура в конце наполнения

                          

 

Коэффициент наполнения

                    

    

 

     Масштаб давлений М – 1кгс/см² = 2мм

     Масштаб объема выбирается V_а = 150мм   

Процесс сжатия.

Давление:

     Р_с= Р_а × ξⁿ¹                            

n₁ – 1,35÷1,42 – показатель политропы сжатия

           

                                

Принимаем n₁ =1.371

При ранее выбранных и рассчитанных числительных значениях

Р_с =1.21∙14 ^1.371 =45.1кгс/см² =4.51 МПа

Полученные значения Р_с необходимо сравнить с данными прототипа.

Разница не должна более 5 – 8 кгс/см²

Температура в конце сжатия

     Т_с = Т_а× ξ^n1-1

          

     Т.к ξ = V_a/V_c,

то  V_c = V_а/ξ