Выбор главных двигателей и основных параметров

СЕВМАШВТУЗ

 

Курсовой проект

Дисциплина: “Судовые дизеля”

Тема “Проектирование судового двигателя внутреннего сгорания”

 

 

Северодвинск

2006

Исходные данные

 

Тип судна – сухогруз

Водоизмещение D=2400тонн

Скорость судна u =16 узлов

Степень сжатия e= 15

Массовая доля углерода С=84%

Массовая доля водорода H=15%

Массовая доля кислорода О=1%

Введение

 

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 проектирование СЭУ является одним из важнейших этапов создания судна.

Механизмы и оборудование СЭУ, предназначенные для обеспечения движения судна, составляют главную энергетическую установку (ГЭУ). Основными элементами ГЭУ являются главный двигатель, валопровод и движитель.

Источники электроэнергии с первичными двигателями, преобразователями и передаточными трассами составляют электроэнергетическую установку.

Технические комплексы, обеспечивающие различные судовые нужды (опреснение воды, паровое отопление, кондиционирование воздуха и т.д.), относятся к вспомогательной установке.

Функционирование главной, вспомогательной и электроэнергетической установок обеспечивается различными системами, основными из которых являются топливные, масляные, охлаждения, сжатого воздуха, газоотвода и др.

Эффективное использование ДЭУ, надёжная их эксплуатация и высокая производительность труда обслуживающего персонала обеспечиваются комплексной автоматизацией установки. Автоматизированные ДЭУ с безвахтенным обслуживаем получили широкое распространение на судах морского флота.

Выбор главных двигателей и основных параметров

 

Определение суммарных мощностей главных двигателей

Примерное значение мощности можно определить при помощи адмиралтейского коэффициента:

 кВт

Где: D=2400т – водоизмещение судна

u=16 узлов – скорость судна

1/С – обратный адмиралтейский коэффициент

Принимаем СОД фирмы S.E.M.T. с эффективной мощностью N_ец =650 э.л.с., числом цилиндров i=6, отношением S/D=1.2, числом оборотов n=520 об/мин

 

Тепловой расчёт ДВС

 

Теплота сгорания топлива

 

Низшая теплота сгорания топлива может быть определена по формуле Д.И.Менделеева:

Q_H=33, 9· С+103· Н-10, 9· (О-S)– 2, 5· W

Полагая С=84%, Н=15%, О₂=1%, получим

Q_Н=33, 9× 0, 84+103× 0, 15-10, 9× 0, 01=43.817 МДж/кг

 

Процесс пополнения

-Давление в конце пополнения:

 =  МПа

Где: j=0.6÷ 0.7- коэффициент скорости истечения.

Т₀=293К - температура окружающей среды.

С₁ - скорость поступающего заряда через сечения клапана

С₁=С_m× k=8.14× 7.5=61.05 м/с

к=6÷ 9 - коэффициент, выражающий отношение площади поршня F к расчётной площади сечения всех полностью открытых впускных клапанов.

C_m=8.14 м/с – средняя скорость поршня

C₂=1, 57× C₁=1, 57× 61.05=95.85 м/с – наибольшая скорость протекания свежего заряда через выпускной клапан.

-Коэффициент остаточных газов для расчёта четырёхтактного двигателя с наддувом:

=

Где: Dt=17⁰C – повышение температуры воздуха вследствие нагрева в системе двигателя.

e=15 – степень сжатия

Т_г=800К – температура остаточных газов

Р_г=105000 Па – давление остаточных газов

-Температура смеси в конце наполнения:

-Коэффициент наполнения через коэффициент остаточных газов:

 

Процесс сжатия

 

Давление конца сжатия:

 МПа

Где: n₁ =1, 38- показатель политропы

Температура конца сжатия:

 К

 

Процесс сгорания

 

Прежде всего необходимо определить кол-во воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кг. топлива:

 (кмоль/кг)

Действительное количество воздуха:

M_s=a× M₀=1.8× 0.51=0, 918 кмоль/кг

Где: a=1.3÷ 1.8 – коэффициент избытка воздуха при горении

Мольное количество смеси воздуха и остаточных газов, находящихся в цилиндре до горения: M₁=(1+g_г)× M_S =(1+0, 036)× 0, 978=1.005 кмоль/кг

Количество молей продуктов сгорания:

 (кмоль/кг)

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

Мольное количество остаточных газов:

 кмоль/кг

 

 

0.955=0.918+0.0375

СО₂:

:

0.07+0.075=0.145

Количество СО₂: Х=0, 48=48%

Н₂О: Х=0, 52=52%

0.0375=0.018+0.0195

воздух 0, 918 0, 961

СО₂0, 018 0, 019 =1

Н₂О0, 0195 0, 020

Теплоемкости смеси газов определим по формулам:

 

,

,

 

 

 

Температура  определяется из уравнения сгорания. Уравнение сгорания для смешанного цикла:

 

 

Где: x=0.75÷ 0.92 - коэффициент использования тепла

l =1.35÷ 1.55 - степень повышения давления для СОД

 К

Степень предварительного расширения определяется зависимостью:

Степень последующего расширения:

По опытным данным значения  и  для цикла смешанного сгорания находятся в пределах =1.4÷ 1.7 и =8÷ 11

Процесс расширения

 

Давление начала расширения:

 Па

Давление и температура в конце расширения:

 Па

 К

Где: n₂ =1, 25 –показатель политропы расширения

 

Процесс выпуска

 

В связи с тем, что в момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре сравнительно высокое, приходится выпускной клапан открывать с некоторым опережением, несколько ранее прихода поршня в Н.М.Т., 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 поддаётся точному теоретическому подсчёту, в расчётах обычно вместо переменного давления используют среднее постоянное давление газов в период выпуска Р_г. Это давление выше давления в выпускной трубе Р'_г. По практическим данным можно принять Р_г = 0, 103..., 0123 Мн/м² и Р'_г = 0, 101...0, 108 Мн/м². Меньшие значения относятся к тихоходным двигателям, а большие - к быстроходным. Средняя температура отработавших газов для четырёхтактных ДВС - 350...600 ⁰С

Принимаем:

Р_г=0.12 МПа – среднее постоянное давление газов в период выпуска

Р^¢ _г=0.105 МПа – давление в выпускной трубе.

Диаграмма движущих усилий

 

Удельные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) и отнесённые к единице площади поршня Р (н/ ), можно подразделить на четыре группы:

- удельные силы, образующиеся от давления газов на поршень Ps;

- удельные силы тяжести движущихся частей Pb;

- удельные силы инерции поступательно движущихся частей In;

- удельные силы трения в механизме двигателя Pт;

 Давление газов на поршень Pz – величина переменная при любом положении мотыля может быть определена по развёрнутой индикаторной диаграмме.

Сила тяжести Р_в:

 Па

Где: m=1000÷ 3000 кг/м² – удельная масса поступательно движущихся частей.

Удельные силы поступательно движущихся масс определяются как произведение удельной массы поступательно движущихся частей, отнесённой к единице площади поршня  [кг/ м² ] на их ускорение а [м/с²]

 

 

При построении диаграммы движения усилий в качестве оси абсцисс принимают атмосферную линию и строят развёрнутую индикаторную диаграмму.

Вниз от атмосферной линии откладывают удельную силу тяжести движущихся частей и проводят пунктирную линию.

Далее по формуле ( ) строим кривую сил инерции. При направлении сил инерции вверх, ординату тоже направляем вверх.

 - для ВМТ

 - для НМТ

 

R=

Где: R – радиус мотыля

L – длина шатуна.

[с^-1] – угловая скорость вращения коленчатого вала.

Следовательно

С достаточной степенью точности кривую удельных сил инерции можно построить по способу Толле, для чего следует отложить расстояние АВ в масштабе абсцисс развёрнутой индикаторной диаграммы, а затем из точки А в масштабе ординат развёрнутой диаграммы отложить удельную силу инерции в ВМТ (верхней мёртвой точке) I_no.

В том же масштабе из точки В вниз откладывают удельную силу инерции в НМТ. Точки C и D соединяют прямой. Из точки пересечения CD с АВ откладывают вниз в принятом масштабе ординат величину EF, равную:

 

Переведём полученные значения в миллиметры: АС=37.63мм

ВD=22.36мм

АВ=120мм

EF=22.45мм

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, проводят главную огибающую линию, которая и будет кривой удельных сил инерции.

Диаграмма касательных усилий

 

Удельная сила, действующая на 1 м² площади поршня, будет равна соответствующей ординате из диаграммы движущих сил, умноженной на масштаб ординат.

Удельную силу Р раскладывают на две составляющие (смотри рис.5) - нормальную Р_н и по оси шатуна Р_ш:

 

 

 

 

Удельную силу, действующую по оси шатуна, так же раскладывают на две составляющие: радиальную Р_р и касательную Р_к:

 

 

 

 

Объединив предыдущие формулы получим:

 

.

При построении диаграммы касательных усилий по оси абсцисс откладывают углы поворота радиуса мотыля, а по оси ординат значения Р_к, соответствующим этим углам.

Отрезок, равный основанию диаграммы движущих усилий, разбивают на участки по 15⁰. Для учёта поправки Брилса берут отрезок АВ, равный одному ходу поршня в масштабе чертежа развёрнутой индикаторной диаграммы (рис.6). Проводят полуокружность радиусом R и вправо от центра О откладывают поправку Брилса:

Из точки O’ через каждые 15⁰ проводят прямые до пересечения с полуокружностью. Спроецировав полученные точки пересечения на основание АВ, получим различные положения поршня с учётом влияния конечной длины шатуна, которые наносим на диаграмму движущих усилий. Для участков сжатия и выпуска величину OO’ откладывают влево от ВМТ.

Далее снимают с диаграммы движущих усилий величины Р для 15⁰, 30⁰, 45⁰ и т.д.

 

Таблица 1

	0	15	30		45	60		75	90	105			120		135
P, мм	-1.645	-1.544	-1.262		-0.850	-0.373		0.092	0.492	0.792			0.987		1.092
	0	0.321	0.608		0.832	0.975		1.029	1	0.902			0.755		0.58
	0	-0.496	-0.767		-0.707	-0.364		0.095	0.492	0.714			0.745		0.633
	150	165	180		195	210		225	240	255				270	285
P, мм	1.092	1.144	-1.140		1.148	-1.154		-1.149	-1.103	-1.043				-0.938	-0.831
	0.580	0.196	0		0.196	0.391		0.58	0.755	0.902				1	1.029
	0.633	0.224	0		-0.225	-0.451		-0.666	-0.832	-0.941				-0.938	-0.856
	300	315	330		345	360	375		390	405		420			435
P, мм	-0.778	-0.851	-1.149		-1.709	-2.432	3.696		2.854	2.053		1.617			1.413
	0.975	0.832	0.608		0.321	0	0.321		0.608	0.832		0.975			1.029
	-0.758	-0.708	-0.698		-0.548	0	1.186		1.735	1.708		1.577			1.454
	450	465	480		495	510		525	540	555		570			585
P, мм	1.345	1.338	1.344		1.345	1.336		1.324	-1.145	-1.144		-1.134			-1.092
	1	0.902	0.755		0.580	0.391		0.196	0	0.196		0.391			0.580
	1.345	1.207	1.015		0.780	0.780		0.259	0	-0.224		-0.443			-0.633
	600	615	630	645		660		675	690		705		720
P, мм	-0.987	-0.803	-0.493	-0.094		0.372		0.845	1.251		1.543		1.644
	0.755	0.902	1	1.029		0.975		0.832	0.608		0.321		0
	-0.745	-0.724	-0.493	-0.097		0.363		0.705	0.761		0.495		0

 

Далее откладывается значение Pk по Ох.

Определяем ординату наивысшей тчк. горения, у меня она  (т.к. Pk=0.767МПа).

Соединив концы отмеченных ординат плавной кривой, получим диаграмму удельных касательных усилий. Знак удельной силы Р_к считается положительным, если направление Р_к совпадает с направлением движения поршня, и отрицательным, если Р_к направлена в сторону, противоположную его перемещению. При положительном значении Р_к силы, действующие в механизме, будут являться движущими, а при отрицательном - силами сопротивления.

Площадь диаграммы удельных касательных усилий есть величина, пропорциональная работе касательной силы за один цикл. Силы инерции изменяют только форму диаграммы, а площадь её остаётся неизменной, так как работа этих сил за полный цикл равна нулю.

Значение

Pk [ МПа ]