Курсовая работа: Расчет дизеля

Введение

Цель курсового проектирования по «Судовым Энергетическим Установкам и их эксплуатации» совершенствовать у курсантов умения и навыки применения полученных ими знаний к решению технико-экономических вопросов, связанных с эксплуатацией судовых дизельных установок.

Курсовое проектирование способствует повышению уровня теоретической и практической подготовки. Проектирование носит индивидуальный характер.

По выполнению курсового проектирования курсант должен

Знать:

- физические основы рабочих процессов

- факторы, влияющие на энерго-экономические показатели

-основы кинематики и динамики двигателя

- схемы действующих сил в КШМ на прочность

- расчет основных двигателей ДВС на прочность

Уметь:

- определять основные рабочие показатели и оценивать их степень

- строить индикаторные диаграммы

- определять и рассчитывать показатели, влияющие на работу двигателя

- оценивать его работу по их показателям

- проверять детали на прочность по формулам регистра РФ

Курсовое проектирование по дисциплине «СЭУ и их эксплуатация» связано с рядом других дисциплин, таких как: техническая механика, теплотехника, математика, информатика и т.д.

1. Краткое описание дизеля, основных его деталей и узлов, с указание марок применяемых материалов

Двигатель 8ЧРН 30/38 четырехтактный, тронковый, реверсивный. Выпускается в шести или восьмицилиндровом исполнении с наддувом.

Технические характеристики

1.1 Остов двигателя

Остов дизеля состоит из стального сварного картера. Высокие стенки картера играют роль станины, имеют люки, закрываемые крышками со взрывобезопасными клапанами.

Литого блока цилиндров. Блок цилиндров имеет коробчатую форму. С одной стороны находится продольный картер, в котором размещается распределительный вал.

8 чугунных цилиндровых втулок расположенных между блоками и крышками цилиндров, снаружи открыты и имеют каналы для прохода охлаждающей воды. Втулки уплотняются в блоке резиновыми кольцами.

В крышки цилиндров запрессованы заменяемые седла клапанов, охлаждаемые водой. Для прохода охлаждающей воды из полостей цилиндровых втулок в крышке цилиндров предусмотрены водяные рубашки.

1.2 Детали движения

Поршень двигателя чугунный с вогнутым днищем, под которым установлен маслоотражающий экран. Поршневой палец плавающего типа, пустотелый, из мягкой стали (15 ХА) с цементированной рабочей поверхностью. Поршень двигателей с наддувом выполнен из алюминиевого сплава, без маслоотражающего экрана. Шатун выкован из углеродистой стали (С30).

Стержень шатуна имеет круглое сечение с осевым сверлением для подачи смазки в головное соединение. Нижняя головка крепится к пятке шатуна болтами. Компрессионную прокладку под пятку, завод-изготовитель в последнее время не ставит.

Вкладыш подшипника кривошипа не имеет. Бабитом залиты корпус и крышка подшипника. Коленчатый вал-стальной (С35) цельнокованый.

Кривошипы имеют смазочные каналы. На участке вала между первой и второй рамовыми шеками имеется откованный за одно целое с валом-гребень упорного подшипника. На гребень насажена шестерня привода распредвала.

На другом конце коленвала насажена шестерня привода масляного насоса, которая крепится вместе с экцентричным приводом водяных насосов и компрессора. Распредвал стальной, кованный, состоит из двух частей. Вал уложен на подшипник. На валу установлены комплекты кулачковых шайб переднего и заднего хода.

Кулачковые выступы коническими переходными поверхностями, поднимающие толкатели при реверсе.

1.3 Системы

Топливная Система

Состоит из насосов высокого давления золотниково-клапанного типа, форсунок и фильтров. Топливные насосы индивидуальные с рабочим давлением 28-30 МПа. Форсунки закрытого типа с гидравлическим подъемом игл. В последних выпусках форсунок, каналы для охлаждения отсутствуют. Топливный фильтр двухсекционный сетчатый.

Система смазки

С сухим картером, масляный насос автономный. Цилиндры смазываются лубрикатором, который приводится в движение гидродвигателем. Газотурбонагнетатель и регулятор частоты вращения имеют собственные смазочные системы.

Система охлаждения.

Охлаждение блока, крышек цилиндров и газотурбонагнетателя осуществляется пресной водой. Температура воды на выходе 65-70°С. Система охлаждения форсунок- автономная пресной водой. Холодильник надувочного воздуха охлаждается морской водой.

Топливная система.

Топливные насосы золотникового типа не имеют ни всасывающих, ни нагнетательных клапанов. В крышке цилиндров на конце нагнетательного топливопровода перед форсункой установлен топливный клапан высокого давления. Он представляет собой невозвратный клапан, который обеспечивает поддержание высокого давления топлива в форсунке, что противодействует возникновению кавитации. Каждая труба высокого давления в целях защиты от разрыва и пожара покрыта бронешлангом. Форсунка- струйного распыливания. Давление затяжки пружины составляет 32Мпа. Чтобы обеспечить постоянное усилие прижима форсунки независимо от изменения температуры крышки цилиндра, между гайками на шпильках и фланцем устанавливаются акеты тарелкообразных пружин.

Система пуска

Пусковое устройство исполнено с пневматическими клапанами и воздухораспределителем с цилиндрическими золотниками.

Реверсивное устройство выполнено с осевым перемещением распределительного вала и имеет двойной комплект кулачковых шайб.

1.3 Выбор топлива и масла

Для выбора топлива вычисляем уровень напряженности ЦПГ двигателя используя критерии Костина:

(1)

отсюда

В соответствии с критерием Костина принимаем топливо:

дизельное ГОСТ 4749-75

- коэффициент учитывающий плотность;

для 4х тактного двигателя;

, - давление и температура воздуха перед впускными органами двигателя;

- средняя скорость поршня, м/с;

-диаметр цилиндра, мм;

- среднее эффективное давление ;

- удельный расход топлива

- температура воздуха;

Для выбора сорта масла определяем степень форсирования двигателя:

- показатель тепловой и динамической напряженности двигателей

- четырехтактный двигатель;

- не форсированный;

-форсированный;

;

Степень форсировки может быть определена так же по формуле

(2)

N_F = 0,5 * 7,0 * 7,7 = 26,95

N_F = 26,95 22,5 - форсированный

Выбираем сорт масла марки М-14ГБ ГОСТ 12337--84

Выбор топлива и масла осуществляют по правилам технической эксплуатации двигателя на судах, введенных в СССР, на судах МинРыбХоза, в действии с 1 июля 1983 г. Стр. 120,приложение 2, что соответствует «правилам технической эксплуатации судовых дизелей» утвержденных Государственным Комитетом по Рыболовству РФ приказом №107 от 05.05.1999

1.4 Обоснование выбора основных параметров

, …,,,

Давление ( и температура () окружающей среды.

Эти параметры измеряются в широком диапазоне - в зависимости от района плавания судна. С изменением атмосферного давления = изменяется мощность (N) двигателя за счет увеличения или уменьшения весового заряда воздуха и как следствие количество поданного и сгоревшего в цилиндре топлива. С уменьшением температуры воздуха () уменьшается и температура продувочного воздуха, что приводит к улучшению наполнения цилиндров свежим зарядом воздуха.

Для расчета принимают: = = 0.1 МПа

= 290К

Давление наддува (наддув воздуха после охлаждения).

Наддув повышает мощность двигателя. Давление наддува зависит от степени форсировки двигателя. При повышении давления наддува () понижается степень сжатия (С), т.к. в рабочий цилиндр воздух подается сжатым от нагнетателя. Ориентируясь на параметры двигателя - принимаю прототипа: =

Степень сжатия (е)

Отношение полного объема цилиндра () к объему камеры сжатия (). Для дизельных двигателей не обходимо, что бы температура в конце сжатия обеспечивала воспламенение топлива. Этим требованиям отвечает минимальное значение степени сжатия. однако для уверенного пуска двигателя, а так же для устойчивой работы его на малых оборатах и при его низкой температуре и низкой температуре окружающей среды, степень сжатия выбирается несколько выше. Для дизелей е=12-13. Ориентируясь на двигатель прототип принимаю е=12

Коэффициент использования тепла

Учитывает теплопотери сгорания топлива, теплоотдачу стенкам цилиндров за период сгорания. Зависит от формы камеры сгорания, качества распыла топлива, конструкции двигателя, степени перемещения топлива с воздухом. Ориентируясь на двигатель-прототип принимаем:

Механический КПД ().

Характеризует относительные потери мощности на трение механизмов двигателя, выпуск отработавших газов наполнение цилиндров свежим зарядом воздуха. Определяя рациональность исполнения, качества обработки и сборки деталей двигателя. Механический КПД () зависит от: сорта применяемого масла и смазки цилиндров, образование нагара. С увеличением быстроходности двигателя увеличивается и .

= (3)

= 0.8- 0.9 = 0.89

Коэффициент избытка воздуха

Отношения количества воздуха действительно поступившего в цилиндр к количеству воздуха теоретически необходимого для полного сгорания топлива. Зависит от типа двигателя и способа смеси образования. Избыточный воздух не участвует в горении и приводит к изменению тепловых показателей, уменьшению средней температуры рабочего цикла.

Примем:

Максимальное давление сгорания газов

В расчете эта величина давления задается. При решении вопроса о величине Р необходимо исходить из условий ограничения механической и тепловой нагруженности деталей двигателя. Ориентируясь на параметры двигателя прототипа принимаю.

= 60 МПа

Средний показатель политропы расширения

В действительности процесс изменения состояния газа при сжатии происходит по политропе с переменным показателем . на его значения влияют:

1) Быстроходность двигателя

2) Материалы поршня и его охлаждение

С увеличением быстроходности время теплообмена уменьшается и увеличивается, приближаясь к показателю адиабаты (К). Чем выше выше теплопроводность материала поршней, тем меньше ; так же уменьшение размеров цилиндра и усложнение формы камеры сгорания приводит к понижению . С увеличением нагрузки двигателя среднее значение увеличивается. Примем: =1.27

Средний показатель политропы расширения ()

В действительности расширения газов происходит по политропе с показателем . Его значение зависит от ряда факторов чем больше приток теплоты к газу в период расширения, тем меньше . С уменьшением увеличиваются потери тепла с уходящими газами. С возрастанием частоты вращения уменьшается, т.к. сокращается время теплообмена и догорание топлива происходит на большей части участка расширения. Плохое смесеобразование и поздняя подача топлива так же увеличивают время сгорания топлива. С увеличением размера цилиндра величина показателя политропы расширения уменьшается, т.к. уменьшается поверхность охлаждения.

Среднее значение = 1.25- 1.28, принимаю = 1.28

1.5 Тепловой расчет рабочего процесса двигателя 8ЧРН 30/38

Необходимые данные:

Эффективная мощность, Ne - 910 КВт

Частота вращения, n - 600 об/мин

Степень сжатия, С - 12

Давление в конце сжатия, - 60 МПа

Давление перед клапанами, P₃ - 35 Мпа

Находим теоретические необходимое количество молей воздуха для сгорания 1 кг топлива:

(4)

Действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива:

(5)

Температура воздуха после нагнетателя (корпус нагнетателя охлажденный; средний показатель политропы сжатия n = 1,5):

(6)

При этой температуре охладитель воздуха не предусматривается, следовательно температура и давление перед клапанами впуска

= + (7)

= 2,78+0,05=2,83 кг/

=

Температура подогретого воздуха при впуске цилиндра.

(Степень подогрева принимаем )

(8)

Давление в начале сжатия:

(9)

Давление остаточных газов:

(10)

Коэффициент остаточных газов:

(11)

Температура в конце впуска:

(12)

Коэффициент наполнения:

(13)

Параметры процесса сжатия

Температура в конце сжатия:

(14)

Давление в конце сжатия:

(15)

Параметры процесса сгорания

Количество молей продуктов сгорания 1 кг топлива:

(16)

Теоретический коэффициент молекулярного изменения:

(17)

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

(18)

Степень повышения давления:

(19)

Изохорная мольная теплоемкость сухого воздуха в конце сжатия:

(20)

Выразим мольные теплоемкости продуктов сгорания при температуре ():

(21)

(22)

Из уравнения сгорания определяем температуру :

(23)

Параметры процесса расширения

Степень предварительного расширения:

(24)

Степень последующего расширения:

(25)

Температура газов в конце расширения: