80
МИНИСТЕРСТВО АГРАРНОЙ ПОЛИТИКИ УКРАИНЫ
Керченский государственный морской
технологический университет
Морской факультет
Кафедра судовых энергетических установок
РАСЧЕТ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Методические указания к курсовому проектированию
по дисциплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация»
для студентов направления 6.070104 «Морской и речной транспорт»
специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок»
дневной и заочной форм обучения
УДК 629.431
Расчет судового двигателя внутреннего сгорания: Методические указания к курсовому проектированию / А.Н. Горбенко – Керчь: КГМТУ, 2009г. – 80 с.
Составитель: Горбенко А.Н., к.т.н., доцент кафедры СЭУ КГМТУ.
Рецензенты: Конюков В.Л., к.т.н., доцент кафедры СЭУ КГМТУ;
Яковлев А.В., судовой механик по ДВС 1 разряда.
Методические указания содержат материалы, необходимые студентам направления 6.070104 «Морской и речной транспорт» специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок» дневной и заочной форм обучения для выполнения курсового проекта по дисциплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация».
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры судовых энергетических установок КГМТУ,
протокол №1 от 01.09.2009г.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к утверждению на заседании методической комиссии морского факультета КГМТУ,
протокол №1 от 02.10.2009г.
протокол №2 от 25.12.2009г.
© Керченский государственный морской технологический университет
.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
СПРАВОЧНЫЕ ТАБЛИЦЫ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ДИНАМИКИ И ПРОЧНОСТИ ДВС
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ВОПРОСОВ, ВЫНОСИМЫХ НА ЗАЩИТУ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Конструкция ДВС (остов, поршень, шатун, коленчатый вал, крышка цилиндра, механизм газораспределения и пр.). Типичные конструктивные решения в ВОД, СОД и МОД.
Системы, обслуживающие ДВС: топливная система, системы смазки (циркуляционной и лубрикаторной), система охлаждения (контуры пресной и забортной воды), система пускового сжатого воздуха. Схемы, контролируемые параметры, их типичные значения.
Принципиальные схемы газовоздушного тракта четырех- и двухтактных ДВС.
Рабочий цикл четырех- и двухтактных ДВС: пояснение процессов, происходящих в ДВС с использованием индикаторных диаграмм (свернутой и развернутой) и круговой диаграммы газораспределения и указанием моментов открытия и закрытия клапанов и окон.
Процессы газообмена в четырех- и двухтактных ДВС: процессы наполнения, продувки и выпуска, их параметры, схемы продувки цилиндра, факторы, влияющие на них.
Процесс сжатия: назначение, характер теплообмена, степень сжатия и ее влияние на ДВС.
Топливо для судовых ДВС: состав, физико-химические свойства топлива, требования, сорта, особенности применение тяжелых сортов топлива, сернистая коррозия.
Конструкции и работа топливной аппаратуры: ТНВД (золотникового и клапанного типов), форсунок.
Процесс подачи и впрыскивания топлива: совместная работа ТНВД, нагнетательного клапана и форсунки; начало и конец (отсечка) впрыска топлива; цикловая подача, угол опережения и давление впрыска топлива – понятие, регулировка и влияние на рабочий процесс ДВС.
Смесеобразование в дизелях. Типы камер сгорания, их достоинства и недостатки. Влияние различных факторов на качество смесеобразования.
Процесс сгорания топлива: динамика процесса сгорания, коэффициент избытка воздуха для сгорания (его смысл и необходимость), состав продуктов сгорания и выпускных газов ДВС.
Процесс расширения: назначение, характер теплообмена, догорание топлива, потери теплоты.
Индикаторные и эффективные показатели ДВС: среднее индикаторное давление, удельный эффективный расход топлива и др. Механические потери в ДВС. Уравнения эффективной мощности через среднее эффективное давление, цикловую подачу топлива, крутящий момент.
Тепловой баланс ДВС. Виды тепловых потерь, их характеристика и способы утилизации.
Экологические характеристики ДВС: токсичные газы, дымность, вибрация и шум.
Наддув судовых ДВС. Механический, газотурбинный и комбинированный способы наддува. Импульсная и изобарная системы наддува. Особенности наддува четырех- и двухтактных ДВС.
Механическая и тепловая напряженность ДВС: понятия и критерии (показатели) напряженности. Ограничительные характеристики ДВС (понятие, графики).
Внешние характеристики ДВС: понятие, графики.
Винтовые характеристики ДВС: понятие, графики.
Нагрузочные характеристики ДВС: понятие, графики.
Статическая и динамическая регулировка ДВС: механизма газораспределения, топливной аппаратуры, камеры сжатия, лубрикаторов. Обеспечение равномерной нагрузки по цилиндрам.
Типовой порядок пуска и остановки судового ДВС.
Динамика ДВС: Кинематика КШМ, динамическая модель КШМ, силы в КШМ, крутящие моменты на коленчатом валу, неравномерность вращения вала ДВС, назначение и работа маховика, нагрузки на подшипники коленчатого вала.
Прочность деталей ДВС.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Самсонов В.И., Худов Н.И. Двигатели внутреннего сгорания морских судов. Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1990. - 368 с.
Возницкий И.В., Михеев Е.Г. Судовые дизели и их эксплуатация. - М.: Транспорт, 1990. - 360 с.
Грицай Л.Л. Справочник судового механика (в двух томах). - М.: Транспорт, 1974.
Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1990. - 344 с.
Овсянников М.К., Петухов В.А. Дизели в пропульсивном комплексе морских судов: Справочник. – Л.: Судостроение, 1987. – 256 с.
Правила технической эксплуатации морских и речных судов. Нормативный документ морского транспорта Украины.
Правила классификации и постройки морских судов. Том 2. – М: Транспорт, 1990. – 531 с.
СОДЕРЖАНИЕ
| 1. Цели и задачи проекта………………………………………………………. | 3 |
| 2. Содержание и объем проекта……………………………………………….. | 3 |
2.1. Расчетно-пояснительная записка………………………………………. | 3 |
| 2.2. Графическая часть проекта…………………………………………….. | 4 |
| 2.3. Некоторые элементы оформления проекта…………………………… | 4 |
| 3. Тепловой расчет рабочего цикла…………………………………………… | 6 |
| 3.1. Исходные данные……………………………………………………….. | 7 |
| 3.2. Расчет процесса наполнения…………………………………………… | 9 |
| 3.3. Расчет процесса сжатия………………………………………………… | 11 |
| 3.4. Расчет процесса сгорания………………………………………………. | 12 |
| 3.5. Расчет процесса расширения…………………………………………… | 15 |
| 3.6. Индикаторные и эффективные показатели двигателя………………... | 16 |
| 3.7. Расчет параметров воздушного компрессора и газовой турбины…… | 18 |
| 3.8. Определение основных размеров двигателя………………………….. | 20 |
| 3.9. Построение индикаторной диаграммы………………………………... | 22 |
| 4. Расчет динамики двигателя…………………………………………………. | 27 |
| 4.1. Динамическая модель кривошипно-шатунного механизма…………. | 28 |
| 4.2. Расчет сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме……. | 31 |
| 4.3. Расчет набегающих и суммарного моментов на коренных шейках коленчатого вала………………………………………………………... | 34 |
| 4.4. Неравномерность вращения коленчатого вала. Расчет маховика. | 37 |
| 4.5. Расчет и построение векторных диаграмм нагрузок на шейки и подшипники коленчатого вала………………………………………… | 40 |
| 5. Ориентировочный расчет на прочность основных элементов конструкции двигателя…………………………………………………... | 46 |
| 5.1. Расчет поршневой группы……………………………………………… | 46 |
| 5.1.1. Расчет поршня……………………………………………………... | 46 |
5.1.2. Расчет поршневого кольца………………………………………... | 50 |
| 5.1.3. Расчет поршневого пальца………………………………………... | 51 |
| 5.2. Расчет шатуна…………………………………………………………… | 53 |
| 5.2.1. Расчет поршневой головки шатуна………………………………. | 53 |
| 5.2.2. Расчет стержня шатуна……………………………………………. | 56 |
| 5.2.3. Расчет кривошипной головки шатуна……………………………. | 58 |
| 5.2.4. Расчет шатунных болтов………………………………………….. | 59 |
| 5.3. Расчет коленчатого вала………………………………………………... | 60 |
| 5.3.1. Расчет на статическую прочность………………………………... | 60 |
| 5.3.2. Расчет на усталостную прочность………………………………... | 64 |
| 5.4. Расчет цилиндровой втулки……………………………………………. | 67 |
| 5.5. Расчет крышки цилиндра………………………………………………. | 69 |
| Приложение А. Справочные таблицы для расчетов динамики и прочности ДВС ……………………………………………………………… | 71 |
| Приложение Б. Перечень основных вопросов, выносимых на защиту курсового проекта …………………………………………………………... | 77 |
| Список литературы………………………………………………………….. | 78 |
© Горбенко Александр Николаевич, доцент, кандидат технических наук
Расчет судового двигателя внутреннего сгорания: Методические указания к курсовому проектированию
Тираж ____ экз. Подписано к печати _______________
Заказ № _______. Объем 4,7 п.л.
Издательство: «Керченский государственный морской технологический университет»
98309, г. Керчь, ул. Орджоникидзе 82.
studfiles.net
В качестве топлива для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо следующего элементарного состава:
углерода C – 86 %;
водорода H – 13%;
кислорода O – 1%.
Низшая теплотворная способность топлива принимается равной:
ккал/кг 
кДж/кг.
Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива принятого состава, определяется по формуле:
моль/кг.
Коэффициент избытка воздуха при горении для двигателя с неразделенной камерой сгорания принимается равным 
.
Действительное количество воздуха в цилиндре на 1 кг топлива:
моль/кг.
Количество продуктов сгорания 1 кг топлива:
моль/кг.
Теоретический коэффициент молекулярного изменения:
.
Для более правильного выбора средней скорости поршня, величину которой необходимо знать для дальнейшего расчета цикла, производим предварительное определение основных размеров двигателя.
Диаметр цилиндра определяется по формуле:
м,
где 
л.с. – номинальная эффективная мощность двигателя;
– среднее эффективное давление:
кгс/см2
МПа;
об/мин – номинальная частота вращения коленчатого вала;
– коэффициент, учитывающий тактность двигателя;
– число цилиндров;
.
Ход поршня будет равен:
м.
Средняя скорость поршня:
м/сек.
Для дальнейших расчётов принимаю:
давление и температура наружного воздуха – 
кгс/см2
МПа; 
К;
среднее значение показателя политропы сжатия – 
;
среднее значение показателя политропы расширения – 
;
отношение площади сечения цилиндра к площади проходного сечения впускного клапана – 
;
cтепень сжатия – 
.
Средняя скорость протекания воздуха в проходном сечении впускного клапана равна:
м/сек.
Температуру наддувочного воздуха определяют по формуле:
К,
где 
– адиабатный КПД компрессора.
Для снижения температуры наддувочного воздуха устанавливаем холодильник. Принимаем:
К.
Давление в начале сжатия при работе двигателя с наддувом,определяется по формуле:
кгс/см2
МПа,
где 
– коэффициент, учитывающий вредные сопротивления во впускном тракте.
Температура воздуха в начале сжатия:
К,
где 
К – величина подогрева воздуха от стенок рабочего цилиндра;
К – температура остаточных газов;
– коэффициент остаточных газов.
Давление и температура в конце сжатия определяются по формулам:
кгс/см2
МПа; 
K.
Коэффициент наполнения цилиндра определяется по формуле:
.
Эффективный КПД двигателя определяется по формуле:
.
Удельный эффективный расход топлива равен:
кг/э.л.с..ч 
кг/кВт.ч.
Действительный коэффициент молекулярного изменения будет равен:
.
Количество молей смеси свежего заряда воздуха с остаточными газами до горения равно:
моль/кг.
Количество молей продуктов сгорания 1кг топлива:
водяных паров
моль/кг;
углекислого газа
моль/кг;
кислорода
моль/кг;
азота
моль/кг.
Сумма:
моль/кг.
Средняя мольная изохорная теплоёмкость воздуха в интервале температур от 0 до 
будет равна:
ккал/моль.град.
Средняя мольная изобарная теплоёмкость смеси продуктов сгорания 1кг топлива определяется по формуле:
где 
моль.
Температура в конце сгорания 
определяется из уравнения:
.
В целях упрощения расчета для двигателей с небольшим коэффициентом остаточных газов 
можно принять, что теплоёмкость остаточных газов, обозначенная в уравнении сгорания 
, равна теплоёмкости воздуха, и приняв 
, уравнение сгорания примет упрощённый вид:
.
Степень повышения давления при сгорании 
, входящая в уравнение сгорания, определяется в зависимости от принимаемой величины максимального давления цикла 
.
Принимаем: 
кг/см2
МПа.
.
Также принимаю: 
; 
.
Т.о. получается квадратное уравнение относительно :
К.
Степень предварительного расширения:
.
Температура и давление в конце расширения определяются с учётом 
по формулам:
K;
кгс/см2
МПа.
Среднее индикаторное давление расчётного цикла определяю по формуле:
Учитывая неполноту индикаторной диаграммы, среднее индикаторное давление будет равно:
кгс/см2
МПа,
где 
– коэффициент полноты диаграммы.
Принимаем: 
– механический КПД.
Определяем среднее эффективное давление:
кгс/см2
МПа.
Удельный индикаторный расход топлива определяется по формуле:
кг/и.л.с..ч 
кг/кВт.ч.
Удельный эффективный расход топлива:
кг/э.л.с..ч 
кг/кВт.ч.
Соответственно индикаторный и эффективный КПД будут равны:
;
,
где 632 – тепловой эквивалент работы 1 л.с. в течение часа.
Окончательное значение диаметра цилиндра двигателя определяется по формуле:
м.
Окончательно принимаем: 
мм.
Тогда длина хода поршня:
м 
мм.
Следовательно:
.
Среднее значение тепловой нагрузки цилиндра можно определить по формуле:
где 
– коэффициент, показывающий, какая часть выделенного в цилиндре тепла передаётся охлаждающей жидкости.
При газотурбинном наддуве двигателя, когда турбонаддувочный агрегат кинематически не связан с валом двигателя, мощность газовой турбины, работающей на отработавших газах двигателя, равна мощности наддувочного компрессора.
Расход воздуха двигателем:
кг/сек,
где 
– коэффициент избытка продувочного воздуха.
Работа адиабатного сжатия 1 кг воздуха в наддувочном компрессоре от давления 
до давления 
:
кгс.м/кг.
Действительная работа сжатия в наддувочном компрессоре:
кгс.м/кг,
где 
– КПД компрессора.
Мощность, затрачиваемая на приведение в действие наддувочного компрессора:
л.с. 
кВт.
Расход газов через турбину:
кг/сек.
Работа адиабатного расширения 1 кг газов от давления перед турбиной 
до давления за турбиной равна:
ккал/кг,
где 
ккал/кг.град – средняя весовая теплоемкость газов;
кгс/см2
МПа – давление газов перед турбиной;
кгс/см2
МПа – давление газов за турбиной;
– показатель адиабатного расширения газов в турбине;
– температура смеси газов в выпускном коллекторе, которая определяется по формуле:
К,
где 
ккал/кг.град – средняя мольная теплоёмкость воздуха при температуре К;
ккал/кг.град – средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при температуре газов в выпускном коллекторе К;
ккал/кг.град – средняя мольная теплоёмкость смеси газов с воздухом.
Мощность газовой турбины:
л.с. кВт,
где 
– эффективный КПД газовой турбины.
Таким образом:
.
По данным расчёта рабочего цикла двигателя производим построение индикаторной диаграммы.
Для её построения по оси абсцисс откладываем относительные величины объёмов, а по оси ординат – давления в цилиндре. При этом полный объём цилиндра в масштабе диаграммы будет равен:
,
где 
– объём камеры сжатия цилиндра двигателя;
– рабочий объём цилиндра.
Величину A принимаем равной 150 мм. Масштаб давлений: 1 кгс/см2
мм.
Так как у двигателя степень сжатия известна , то в масштабе диаграммы будем иметь:
мм; 
мм.
Зная параметры точек a и c наносим их на диаграмму. Параметры промежуточных точек процесса сжатия а-с определяем как точки политропного процесса с показателем 
. Величина 
известна из расчёта цикла: .
; 
.
Величине 
придаём значения от 1 до 
. Результаты расчёта представлены в таблице.
|
|
1 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2 |
2,2 |
2,4 |
2,6 |
2,8 |
3 |
3,5 |
4 |
|
|
V |
150 |
125 |
107 |
93,8 |
83,3 |
75 |
68,2 |
62,5 |
57,7 |
53,6 |
50 |
42,9 |
37,5 |
|
|
p |
1,93 |
2,47 |
3,05 |
3,66 |
4,29 |
4,95 |
5,64 |
6,35 |
7,08 |
7,83 |
8,6 |
10,6 |
12,7 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
4,5 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
|
|
V |
33,3 |
30 |
25 |
21,4 |
18,8 |
16,7 |
15 |
13,6 |
12,5 |
11,5 |
10,7 |
10 |
||
|
p |
14,9 |
17,2 |
22,1 |
27,2 |
32,6 |
38,3 |
44,2 |
50,3 |
56,7 |
63,2 |
69,9 |
76,8 |
||
Откладывая в масштабе давлений величину , находим точку z¢ при значении абсциссы . Точки с и z¢ соединяем прямой линией.
Абсциссу точки z определяем так:
мм,
где 
– степень предварительного расширения.
Точки z и z¢ также соединяем прямой линией. Параметры точки b в масштабе диаграммы равны:
мм; 
мм.
Построение линии расширения производим аналогично построению линии сжатия. Давление любой точки политропы расширения определяем так:
,
где – среднее значение показателя политропы расширения.
Отношению 
придаём значения от 1 до 
. Результаты расчёта представлены в таблице.
|
|
1 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2 |
2,2 |
2,4 |
2,6 |
2,8 |
3 |
3,5 |
4 |
|
|
V |
150 |
125 |
107 |
93,8 |
83,3 |
75 |
68,2 |
62,5 |
57,7 |
53,6 |
50 |
42,9 |
37,5 |
|
|
p |
6,29 |
7,86 |
9,48 |
11,2 |
12,9 |
14,7 |
16,5 |
18,3 |
20,2 |
22,1 |
24 |
29 |
34,1 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
4,5 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
10,87 |
|
|||||
|
V |
33,3 |
30 |
25 |
21,4 |
18,8 |
16,7 |
15 |
13,8 |
||||||
|
p |
39,4 |
44,8 |
56 |
67,6 |
79,5 |
91,8 |
104,4 |
115 |
||||||
Процессы наполнения и выпуска наношу на диаграмму прямыми линиями, параллельными оси абсцисс, на расстоянии от неё:
мм; 
мм.
Так как дизель с наддувом, то линия 1 кгс/см2 (атмосферная линия) располагается ниже линий впуска и выпуска.
znakka4estva.ru
Для судового механика расчет прочности деталей двигателя важен не с точки зрения получения конечного конструкторского результата, а с точки зрения получения понятия как работает та или иная деталь, какие требования выдвигаются классификационным обществом к ее размерам, какие внешние условия способствуют снижению или, наоборот, повышению вероятности выхода детали из строя. При этом наибольший интерес представляет оценка показателей прочности самой ответственной детали двигателя коленчатого вала.
Правила классификационных обществ, под надзором которых изготавливаются двигатели, выдвигают определенные требования к размерам коленчатого вала. Эти требования обобщают опыт того или иного классификационного общества. Регистр России дает такую эмпирическую формулу для определения минимально допустимого диаметра шеек коленчатого вала:
d= 0.115 k 3 √D 2 √(Pz L)2 +(φ t S)2
k= 3√qb/(2qb-44)
Таблица 1 Значения коэффициента φ
| m= 1 | 4.8 | 4.8 | 5.14 | 5.47 | 5.81 | 6.14 | 6.48 | 6.82 | 7.15 | 7.48 |
| m= 2 | 4.8 | 4.8 | 5.08 | 5.37 | 5.67 | 5.95 | 6.24 | 6.53 | 6.81 | 7.10 |
Приведенная формула применима к расчету минимального диаметра коленчатого вала без сверлений в шейках или же при диаметре сверлений менее 0.4 от наружного диаметра шейки. Это требование всегда выполняется для судовых двигателей.
Смотрите также:б) Расчет коленчатого вала в 1-м расчетном положениив) Расчет коленчатого вала во 2-м расчетном положении
Сентябрь, 15, 2016 407 0
Поделитесь с друзьями:
sea-man.org
S''= R
Ł 4 ł
=1,40 (1+cos(75,00))+
0,47
(1-cos(2
75,00))
»
2,07
м.
Ł 4 ł
Истинный объем цилиндра в момент начала процесса выпуска, Vцв:
Vцв
=Vцс-к
+p D2
S''=0,08+p
0,702
2,07»0,88
м3 – точка Bи
на диаграмме.
4 4
Истинное
давление в цилиндре в момент начала процесса выпуска,
pцв: pг pцв =
вц =
015,88,00
»1,59
МПа – точка Bи
на диаграмме.
Ł цгд ł Ł 0,15ł
Для качественной оценки протекания рабочего цикла в судовых двигателях внутреннего сгорания используется индикаторная диаграмма. Важнейшим параметром, получаемым из данной диаграммы, является ее площадь, определяемая путем планиметрирования. При отсутствии планиметра диаграмма разбивается на ряд геометрических фигур (прямоугольники) площадь которых несложно определить; общая площадь равна сумме площадей этих фигур.
Масштаб оси абсцисс расчетной индикаторной диаграммы, Mv:
М v » 0,01 м3 / мм – принимается из опыта эксплуатации.
Масштаб оси ординат расчетной индикаторной диаграммы, Mp:
М p » 0,10 МПа/ мм – принимается из опыта эксплуатации.
Площадь расчетной индикаторной диаграммы, Ai:
Ai » 2308,51 мм2 – определяется по диаграмме.
Среднее индикаторное давление, отнесенное к полному ходу поршня двигателя, pi:
pi » 2,12 МПа – определено ранее.
Расчетное среднее индикаторное давление, отнесенное к полному ходу поршня двигателя, pi':
|
V 1,08 |
Отклонение значения pi от pi' после выполнения анализа, Δ:
|
D= |
В расчетах судовых двигателей внутреннего сгорания принимается, что отклонение значения pi от pi' должно находиться в интервале D£ 5,00% .
Расчетная индикаторная диаграмма представлена ниже (рис. 13):
Рис. 13. Расчетная индикаторная диаграмма.
Основные выводы по результатам расчета:
• Уровень форсировки судового двигателя заданного типа по параметрам pк, pi, pe достаточно высок. Поршневая мощность двигателя, представляющая собой отношение максимальной эффективной мощности к площади всех поршней:
N
p
=
pNeD
2
=
186303,14,000,702 »
8016,54
кВт/ м2 . i 6,00
4 4
Данный параметр характеризует степень форсирования двигателя – удельную нагрузку на поршни и динамическую напряженность деталей двигателя при работе. Для высокофорсированных двигателей данный параметр находится в интервале Np > 4400,00 кВт/м2;
• Результаты анализа рабочего цикла судового двигателя заданного типа в большой степени приближены к реальным данным по его эксплуатации. Расхождения между расчётными и действительными величинами не превышает 1,00%;
• Для обеспечения требуемой мощности судового двигателя заданного типа Ne ≈ 18630,00 кВт требуемое давление наддува pк ≈ 0,53 МПа;
• Эффективный коэффициент полезного действия судового двигателя заданного типа по данным расчёта ηe ≈ 0,32 значительно меньше паспортного значения. Это определяется погрешностями, заложенными в методику расчёта, предложенную В.И. Гриневецким и Е.К. Мазингом.
Основной целью проведения оценки параметров газообмена и наддува двигателя является определение условий протекания газообмена в цилиндре дизеля, а также установление достаточности энергии газов для организации наддува. В общем случае качество газообмена характеризуется тремя основными показателями:
• Коэффициентом остаточных газов, γог;
• Коэффициентом избытка воздуха, αв;
• Коэффициентом наполнения, μ.
kursoviki.org
шифр
110247 ЗФК
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное Агентство морского и речного транспорта
ФГБОУ ВПО
«ГМУ ИМЕНИ АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»
ЗАОЧНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
Специальность: «Эксплуатация Судовых Энергетических
Установок»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по СДВС на тему:
«Расчет судового двигателя внутреннего сгорания»
СТУДЕНТА ЗАОЧНОГО ФАКУЛЬТЕТА
5 КУРСА
2012 г.
Оглавление
1. Цели и задачи курсовой работы.....................................................................................1
2. Анализ судового двигателя внутреннего сгорания ...................................................1
2.1. Анализ конструкции судовых двигателей различных типов .................1
2.2. Анализ конструкции судового двигателя заданного типа......................4
2.2.1. Общие сведения о двигателе...........................................................4
2.2.2. Конструкция остова двигателя........................................................6
2.2.3. Механизм движения двигателя.....................................................13
2.2.4. Механизм газораспределения двигателя .....................................17
2.2.5. Механизм регулирования двигателя ............................................20
3. Расчет судового двигателя внутреннего сгорания на режиме полного хода.....20
3.1. Анализ рабочего цикла двигателя...........................................................20
3.1.1. Исходные данные для проведения анализа.................................20
3.1.2. Анализ процесса наполнения........................................................22
3.1.3. Анализ процесса сжатия................................................................23
3.1.4. Анализ процесса сгорания.............................................................24
3.1.5. Анализ процесса расширения .......................................................26
3.1.6. Анализ индикаторных и эффективных показателей ..................27
3.1.7. Построение расчетной индикаторной диаграммы......................28
3.1.8. Выводы по результатам анализа...................................................32
3.2. Оценка параметров газообмена и наддува двигателя ...........................33
3.2.1. Исходные данные для проведения оценки ..................................33
3.2.2. Определение действительного время-сечения............................34
3.2.3. Определение теоретического время-сечения..............................40
3.2.4. Определение достаточности проходных сечений органов
газообмена.......................................................................................43
3.2.5. Расчет энергетического баланса системы наддува.....................45
3.2.6. Выводы по результатам оценки....................................................49
3.3. Оценка тепловой напряженности цилиндров двигателя ......................49
3.3.1. Исходные данные для проведения оценки ..................................50 3.3.2. Определение параметров тепловой напряженности...................50
3.3.3. Выводы по результатам оценки....................................................58
3.4. Анализ динамики и уравновешенности двигателя................................58
3.4.1. Исходные данные для проведения анализа.................................58
3.4.2. Определение масс движущихся частей........................................59
3.4.3. Определение динамических сил...................................................61
3.4.4. Определение неравномерности вращения коленчатого вала ....70
3.4.5. Определение давлений в подшипниках.......................................71
3.4.6. Анализ уравновешенности............................................................79
3.4.7. Выводы по результатам анализа...................................................84
3.5. Анализ прочности элементов двигателя.................................................86
3.5.1. Исходные данные для проведения анализа.................................86
3.5.2. Анализ прочности коленчатого вала............................................87
3.5.3. Анализ прочности шатуна.............................................................94
3.5.4. Анализ прочности шатунных болтов...........................................95
3.5.5. Анализ прочности поршневого кольца........................................96
3.5.6. Анализ прочности анкерной связи ...............................................97
3.5.7. Выводы по результатам анализа...................................................98
4. Регулировка и выбор режима работы судового двигателя внутреннего
kursoviki.org
|
d tпохл
= tпкс
-qп п
= 534,93-179189,47 Łlп ł Ł167,50ł |
В расчетах судовых двигателей внутреннего сгорания принимается, что расчетная температура стенок поршня со стороны камеры охлаждения, для длинноходового малооборотного дизеля должна находиться в интервале tпохл £ 530,00 К .
Градиент температур в стенках крышки цилиндра двигателя, gTк:
|
|
В расчетах судовых двигателей внутреннего сгорания принимается, что градиент температур в стенках крышки цилиндра двигателя, для длинноходового малооборотного дизеля должен находиться в интервале gTк £ 5000,00 К / м .
Градиент температур в стенках поршня двигателя, gTп:
|
tкс
-tохл
gTп =
п п
= |
В расчетах судовых двигателей внутреннего сгорания принимается, что градиент температур в стенках поршня двигателя, для длинноходового малооборотного дизеля должен находиться в интервале gTп £ 5000,00 К / м.
3.3.3. Выводы по результатам оценкиОсновные выводы по результатам расчета:
• Максимальные расчётные температуры стенок крышки цилиндра со стороны камеры сгорания tккс ≈ 636,37 К, со стороны камеры охлаждения tкохл ≈ 462,10 К, расчётные температуры стенок поршня со стороны камеры сгорания tпкс ≈ 534,93 К, со стороны камеры охлаждения tпохл ≈ 481,44 К на режиме полного хода являются нормальными для обеспечения длительной и надёжной работы двигателя по параметрам тепловой напряжённости;
• Расчётные значения градиентов температур gTк ≈ 871,34 К/м и gTп ≈ 1069,79 К/м обеспечивают допустимые температурные напряжения в стенках поршня и крышки цилиндра, поскольку не превышают предельно допустимых значений 5·103 К/м.
Основной целью проведения анализа динамики и уравновешенности двигателя является оценка динамических показателей его работы, определяющих механическую напряженность. С этой целью:
• Определяются массы движущихся деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя;
• Определяются динамические силы, возникающие в результате давления газов на поршень двигателя, а также сил инерции поступательно и вращательно движущихся деталей;
• Определяются величины и характер изменения давлений в подшипниках кривошипно-шатунного механизма двигателя;
• Оценивается степень неравномерности вращения коленчатого вала двигателя;
• Оценивается уравновешенность двигателя по силам и моментам, возникающим в результате воздействия сил инерции поступательно и вращательно движущихся деталей;
Расчет сил динамики базируются на результатах расчетов рабочего процесса двигателя.
3.4.1. Исходные данные для проведения анализаДиаметр цилиндра двигателя, D:
D = 0,70 м – задано по условию.
Ход поршня двигателя, S:
S = 2,80 м – задано по условию.
Длина шатуна двигателя, H:
H = 3,00 м – задано по условию.
Расстояние между осями цилиндров двигателя, А:
A =1,25 м – задано по условию.
Диаметр рамовой шейки коленчатого вала двигателя, dкврш: dкврш = 0,7850 м – задано по условию.
Диаметр мотылевой шейки коленчатого вала двигателя, dквмш: dквмш = 0,7900 м – задано по условию.
Длина рамового подшипника коленчатого вала двигателя, lкврп: lкврп = 0,2850 м – задано по условию.
Длина мотылевого подшипника коленчатого вала двигателя, lквмп: lквмп = 0,2450 м – задано по условию. Диаметр головного подшипника двигателя, dгп:dгп = 0,7900 м – задано по условию.
Длина головного подшипника двигателя, lгп: lгп = 0,5500 м – задано по условию.
Толщина щеки коленчатого вала двигателя, hквщ: hквщ = 0,35 м – задано по условию.
Рабочее число цилиндров двигателя, iр: iр = 6 шт. – задано по условию.
kursoviki.org
Расчет выполняется методом последовательных приближений: задаваясь давлением воздуха в компрессоре двигателя pк, определяют все показатели цикла вплоть до среднего эффективного давления цикла pe'; сравнивая полученное значение pe' с требуемым для заданного режима pe, делают вывод о достаточности принятого значения pкдля обеспечения заданной мощности. При отклонении pe от pe' на величину Δ более 5% необходимо изменить давление pк пропорционально требуемому изменению pe и повторить расчет. Результаты расчета представлены ниже: в числителе указано значение величины в первом приближении, в знаменателе – в последнем.
Марка двигателя: двухтактный дизель 6ДКРН70/280 – задано по условию. Эффективная мощность двигателя, Ne:
Ne =18630,00 кВт – задано по условию.
Частота вращения двигателя, n:
n = 91,00 об/мин – задано по условию.
Число цилиндров двигателя, i: i = 6 шт. – задано по условию.
Диаметр цилиндра двигателя, D:
D = 0,70 м – задано по условию.
Ход поршня двигателя, S:
S = 2,80 м – задано по условию. Рабочий объем цилиндра двигателя, V:
V
=p
D
2 S =
3,14
0,702 2,80 »1,08
м3.
4 4
Коэффициент тактности двигателя, m: m =1,00 – принимается для двухтактного дизеля.
Давление окружающей среды, pатм:
pатм = 0,10 МПа – принимается из опыта эксплуатации.
Температура окружающей среды, tатм:
tатм = 310,00 К – принимается из опыта эксплуатации.
Среднее эффективное давление, которое необходимо обеспечить для работы двигателя с использованием наддува, pен:
pен
=
Ne 
0,06
m =18630,00 
0,06
1,00 »1,90
МПа. i V n 6
1,08 91,00
Среднее эффективное давление, которое
необходимо обеспечить для работы двигателя без использования наддува,
pев: peв
= 0,48
0,48
МПа – принимается для двухтактного дизеля.
Максимальное давление сгорания горючей смеси в цилиндре двигателя, pmax:
|
pmax
=15,00 |
Показатель политропы сжатия для воздуха в наддувочном компрессоре двигателя, nв:
nв
»1,401,40
– принимается для малооборотного дизеля с центробежным охлаждаемым
компрессором.
Показатель политропы сжатия для горючей смеси в цилиндре двигателя, nгс:
nгс »1,301,30
– принимается для малооборотного дизеля с охлаждаемыми поршнями.
Показатель
политропы расширения для газов в цилиндре двигателя,
nпс: nпс
»1,251,25
– принимается для малооборотного дизеля.
В расчетах судовых двигателей внутреннего сгорания используется коэффициент избытка воздуха – отношение действительного количества воздуха в горючей смеси, подаваемой в цилиндр двигателя, к теоретическому количеству воздуха, необходимому для ее полного сгорания.
Коэффициент избытка воздуха для горючей смеси, сжигаемой в цилиндре двигателя, αв:
aв
»1,801,80
– принимается для длинноходового малооборотного дизеля.
В расчетах судовых двигателей внутреннего сгорания используется коэффициент остаточных газов – отношение количества газов, оставшихся в цилиндре двигателя от предыдущего цикла, к количеству свежего воздуха, подаваемого в цилиндр двигателя.
Коэффициент остаточных газов для горючей смеси, сжигаемой в цилиндре двигателя, γог:
gог »
0,050,05
– принимается для дизеля с прямоточно-клапанным газообменом.
В расчетах судовых двигателей внутреннего сгорания используется коэффициент использования теплоты – отношение теплоты, потерянной вследствие охлаждения, утечек газов через поршневые кольца, и по другим направлениям, к теплоте, выделившейся при сгорании горючей смеси в цилиндре двигателя.
Коэффициент использования теплоты горючей смеси, сжигаемой в цилиндре двигателя, ξгс:
xгc
» 0,750,75
– принимается для длинноходового малооборотного дизеля. В расчетах судовых
двигателей внутреннего сгорания используется действительная степень сжатия –
отношение объема цилиндра двигателя в начале сжатия к объему камеры сжатия.
kursoviki.org
A
M M pi '=
i v p
=
2308,51
0,01 0,10 » 2,14 МПа.
pi
'-
pi
100
% =
2,14
-
2,12
100 % »
0,85%.
pi
' 2,14
tкс
-tохл
gTк =
к к
=
636,37-462,10
»
871,34
К / м. dк 0,20
534,93-481,44
»1069,79
К / м. dп 0,05
