Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Расчет РП СДВС

.pdf
Скачиваний:
181
Добавлен:
15.02.2015
Размер:
1.86 Mб
Скачать

Закон открытия клапана можно также определить по чертежу кулака, однако в поверочном расчете, в случае отсутствия данных по профилям кулачных шайб, можно принять параболический закон открытия (закрытия), одинаковый для выпускного и впускного клапанов.

Построение, показанное на рис. 4.1 б, выполняется следующим образом. Выбираются масштабы углов тφ, мм/оп.к.в. (для размещения диаграммы на листе миллиметровки формата А4 рекомендуется принять тφ= 0,4 0,5 мм/о п.к.в.) и хода клапана тh, ммчерт/мм (1:1 или 1:2 ). На оси абсцисс отмечаются моменты открытия и закрытия клапанов в соответствии с принятыми фазами

газораспределения. На оси ординат отмечается hклмах (принимаем одинаковыми для выпускных и впускных клапанов). Принимаем значения для всех клапанов

Δφ откр φзакр (60 80 ) п.к.в.

Параболический закон открытия клапана строится графическим методом (рис. 4.3). В примере рассмотрим закон открытия выпускного клапана для двигателя с Δφоткр= 60º п.к.в.

Рис. 4.3. Построение диаграммы открытия клапана

На оси абсцисс в принятом масштабе углов откладывается отрезок Δφоткр , который делится на четное число частей (на рис. 4.3 их шесть). Затем

точки деления нумеруются, как показано на рисунке. Из последней точки деления (в рассматриваемом примере точка 6) проводится перпендикуляр, на

котором в принятом масштабе откладывается hклмах (отрезок 6 – 1). Из средней точки деления на оси абсцисс проводится вспомогательный перпендикуляр,

41

ный hклмах , который также делится на четное число равных отрезков. Число

отрезков должно быть равным числу отрезков на оси абсцисс. Точки деления нумеруются снизу вверх. Из начала профиля кулака (точка b) и его вершины (точка 1) до узлов деления на вспомогательном перпендикуляре (точки 1 –6) проводятся лучи. Точки для построения кривой открытия клапана определяются в местах пересечения соответствующих лучей и перпендикуляров, проведенных из точек деления на оси абсцисс.

Нисходящая ветвь кривой hкл=f(φ) симметрична кривой подъема клапана. Как отмечалось ранее, законы открытия/закрытия выпускных и впускных клапанов принимаются одинаковыми.

Углы, соответствующие цилиндрическому участку профиля кулачных шайб клапанов, определяются по формулам (4.4).

Потеря давления во впускных клапанах может быть определена по упрощенной методике из уравнения Бернулли [3]:

p

10 5

s

(1 )c2

бар,

(4.5)

 

вп

2

вп

 

 

 

 

 

 

где коэффициент сопротивления выпускной системы и клапана, который для судовых дизелей может быть принят равным 0,03; cвп средняя скорость потока воздуха во впускных клапанах, м/с; s плотность воздуха при параметрах в продувочном ресивере, определяется по формуле (1.11).

Скорость cвп определяется из уравнения неразрывности потока во впускных клапанах (принято два клапана):

 

 

c

 

 

Cm Fп

,

(4.6)

 

 

вп

 

 

 

 

 

2 f min

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кл

 

где C

m

− средняя скорость поршня,

м/с; F − площадь поршня, м2;

f min

 

 

 

 

п

кл

минимальное проходное сечение клапана, определяемое по формуле (4.2) в м2. Полученное по формуле (4.6) значение средней скорости потока должно

лежать в пределах cвп 40 60 м/c. В том случае, если расчетное значение

скорости больше 60 м/с, необходимо увеличить диаметр клапана (однако при этом необходимо учесть возможность размещения клапанов в крышке цилиндра).

Потеря давления в выпускных клапанах [3] – pвып, бар,

 

p

 

10 5

г

c2

,

(4.7)

вып

 

 

 

2 2

вып

 

 

 

 

 

 

 

 

42

где − коэффициент скорости истечения, равный 0,6 0,8; cвып − средняя скорость потока газа в выпускных клапанах, м/с; г − плотность газа, кг/м3, определяемая по формуле

100 pг .

гR Tг

Вповерочном расчете принимаются Тг = 800 900 К; pг = ps.

Средняя скорость истечения газа в выпускных клапанах для расчета потери давления по формуле (4.7) принимается из диапазона cвып 30 80 м/с. При выборе следует учитывать, что большие значения скорости относятся к высокооборотным дизелям и форсированным среднеоборотным двигателям (с высокими pe).

Потеря давления в выпускных клапанах не должна превышать 0,1 бар.

5. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ГАЗООБМЕНА

В качестве примера выполним расчет процесса газообмена того же двигателя, для которого в разд. 2 настоящего пособия приведен пример расчета рабочего цикла двигателя 6ДКРН 60/229 (прототип – малооборотный дизель МАН-Б и В 6S60MC).

5.1. Расчет времени-сечения фаз газообмена

Определим основные геометрические параметры органов газообмена. Продувочные окна. Высота продувочных окон известна из расчета рабочего цикла hd d ∙S=0,074∙2,292=0,17 м. Определим суммарную ширину окон, при условии, что они занимают 60 % длины окружности цилиндровой втулки (см. табл. 3.1): Σb= 0,6πD= 0,6∙3,1416∙0,6 = 1,13 м. Характерные для прямоточ- но-клапанного газообмена углы принимаем по рис. 3.2: α = 17о; β= 90°. Расчет открытого действительного сечения выполняем по формуле (3.6), которая в данном случае после подстановки параметров будет иметь вид

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

f

пр

0,184

0,17 2,292

1

 

 

1 cos(180 φ) 0,225sin

 

(180

φ)

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты расчета сводим в табл. 5.1.

43

Т абл и ца 5 . 1 Результаты расчета открытого действительного сечения окон

φ,оп.к.в.

0

5

10

15

20

25

30

35

φd= 41

 

(НМТ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fпр, м2

0,184

0,181

0,173

0,16

0,1415

0,117

0,087

0,051

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпускной клапан. По чертежам и эскизам двигателя-прототипа определены соотношения для геометрических параметров клапана (см. рис. 3.2), затем подсчитаны их значения:

− диаметр клапана по центру посадочного пояска dкл= 0,5D= 0,5∙0,6 = 0,3

м;

диаметр штока клапана dш= 0,21dкл = 0,21∙0,3 = 0,063 м;

диаметр горловины клапана dг = 0,88dкл = 0,88∙0,3 = 0,263 м;

максимальный ход клапана hклmax = 0,25dкл = 0,25∙0,3 = 0,075 м.

Угол конуса посадочного пояска αкл принимаем равным 30о. Зависимость открытого сечения выпускного клапана fкл, м2, определяется

формулой

fкл πdклcos αкл hкл 3,1416 0,3 cos 30 hкл 0,816 hкл .

Текущее значение хода клапана определяем как hкл = 0,075∙(hкл/hклмах). Законы открытия и закрытия клапана принимаем по первому варианту табл. 3.3.

Результаты расчета сводим в табл. 5.2

 

 

 

 

 

Т абл и ца 5 . 2

 

 

Результаты расчета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ, оп.к.в.

 

 

Фаза открытия

 

 

 

0

5

10

15

20

25

 

 

 

hкл/hклмах

0

0,18

0,44

0,73

0,91

1,0

 

мех. упр.

 

 

 

 

 

 

 

 

hкл, м

0

0,0135

0,033

0,0548

0,0683

0,075

 

fкл, м2

0

0,011

0,027

0,045

0,056

0,0612

 

φ, оп.к.в.

 

 

Фаза закрытия

 

 

 

25

20

15

10

5

0

 

 

 

hкл/hклмах

1,0

0,91

0,73

0,44

0,18

0

 

мех. упр.

 

 

 

 

 

 

 

 

hкл, м

0,075

0,0683

0,0548

0,033

0,0135

0

 

fкл, м2

0,0612

0,056

0,045

0,027

0,011

0

 

Определяем максимальное проходное сечение клапана:

44

f мах (dг2

dш2 )

3,1416 (0,2632 0,0632 )

0,0512 м2.

 

 

 

кл

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определяем

 

 

фазу

полного

открытия

клапана:

Δφ φ

a

φ

b

Δφ

откр

φ

закр

68 72 25 25 90o п.к.в.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимаем масштабы для построения диаграммы угол-сечение mf =

=500 мм/м2; mφ = 1 мм/оп.к.в. Строим диаграмму угол-сечение органов газораспределения рассчитываемого двигателя:

Диаграмма угол-сечение дизеля 6ДКРН 60/229

Результаты расчета сводим в табл. 5.2.

 

 

 

Т абл и ца 5 . 3

 

Результаты расчета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фазa / параметр

Предварение выпуска

Принудительный выпуск

 

Продувка

 

Площадь диаграммы,

F1= 460

F2= 2132

 

F3= 4920

 

мм2

 

 

Угол-сечение,

Aφ1= 0,92

Aφ2= 4,264

 

Aφ3= 9,84

 

м2оп.к.в. Aφ= F/500

 

 

Время-сечение, м2∙с

A1=0,00146

A2=0,00677

 

A3=0,0156

 

A= Aφ/(6n)= Aφ/630

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

45

5.2. Расчет перепада давлений в продувочных окнах

Параметры воздуха в ресивере известны из расчета рабочего цикла: ps = 3,7 бар; Ts = 305 K; Gв = 1,79 кг.

Из рекомендованных диапазонов значений принимаем:

коэффициент истечения для продувочных окон (0,7−0,8) μпр = 0,75;

коэффициент продувки цилиндра (1,45−1,55) φa= 1,45.

Определяем массу воздуха, поступившего в цилиндр в процессе газооб-

мена Gsa∙Gв = 1,45∙1,79 = 2,6 кг.

Рассчитываем значение функции отношения давлений:

пр

Gs

 

RTs

 

 

 

2,6

287 305

 

0,178 .

105

 

А p

s

105

0,75

0,0156

3,7

 

 

 

 

 

 

пр 3

 

 

 

 

 

 

 

Согласно рис. 3.1 при ψпр = 0,178 отношение давлений pц/ ps = 0,985. Полученное значение лежит в рекомендованных пределах (0,97−0,99).

Среднее давление в цилиндре в период продувки pц = 0,985 ps = =0,985∙3,7= 3,64 бар. Перепад давлений в продувочных окнах pпр= ps − pц = =3,7−3,64 = 0,06 бар.

5.3. Расчет перепада давлений в выпускном клапане

Из расчета рабочего цикла известны:

температура смеси в начале сжатия Ta = 333 K;

давление и температура газов в конце расширения pb=11,06 бар; Tb = 1084 K.

Температура газов в цилиндре в начале продувки цилиндра при политропном расширении с показателем политропы m = 1,3:

 

 

p

m 1

 

 

 

1,3 1

 

 

m

 

 

3,7

 

1,3

 

 

T

T

s

 

1084

 

 

 

 

842 K.

 

 

 

 

нп

b

 

 

 

11,06

 

 

 

 

 

 

pb

 

 

 

 

 

Средняя температура газов в цилиндре за период принудительного выпуска Tц рассчитывается по формуле

T

Tнп Ta

 

842 333

549 K.

 

 

ц

Tнп

 

 

842

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

T

 

333

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

Из рекомендованных диапазонов значений принимаем:

46

коэффициент истечения для выпускного клапана (0,7 − 0,85) μвып = 0,75;

коэффициент остаточных газов в цилиндре к моменту начала продувки цилиндра (0,55−0,65) γнп= 0,55.

Масса газов и воздуха, проходящих через выпускной клапан в течение фазы принудительного выпуска Gвып= Gвa+ γнп − γr − 1) = 1,79∙(1,45 + 0,55 − 0,05 − 1) = 1,7 кг.

Расчетное значение функции отношения давлений:

вып

Gвып

RTц

 

 

 

1,7

287 549

 

0,365.

105

 

А p

105

0,75 0,00677 3,64

 

 

вып 2 ц

 

 

 

 

 

 

 

Согласно рис. 3.1 при ψвып = 0,365 отношение давлений pг/pц = 0,93. Полученное значение лежит в рекомендованных пределах (0,9−0,95).

Давление в выпускном коллекторе pг = 0,93pц =0,93∙3,64 = 3,38 бар. Перепад давлений в выпускном клапане pвып = pц pг = 3,64 − 3,38 = 0,26 бар.

Общий перепад давлений при продувке цилиндра Δpп= ps − pг = 3,7 − 3,38 = 0,32 бар.

5.4.Расчет давления газов в цилиндре

кмоменту открытия продувочных окон

Из расчета рабочего цикла известны:

рабочий объем цилиндра Vh = 0,648 м3;

объем цилиндра в конце расширения Vb = Vh(1− ψb) = 0,648∙(1− 0,216) = 0,508 м3;

объем цилиндра в момент открытия продувочных окон Vd= Vh(1− ψd) =

0,648∙(1− 0,074) = 0,6 м3;

В течение свободного выпуска объем цилиндра изменяется, поэтому

определим среднее значение объема цилиндра на участке bd Vср=(Vb+Vd)/2 = (0,508 + 0,6)/2 = 0,554 м3. Принимаем из рекомендованного диапазона (0,65−0,85) коэффициент истечения для выпускного клапана μсв = 0,82.

Давление газов в цилиндре к моменту открытия продувочных окон рассчитываем по формуле (3.10):

47

pd

 

 

 

 

 

 

 

 

0,102 pг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,115

 

 

 

св A1 Tb

 

 

 

 

 

V

 

p

г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,59 0,1 ln

d

 

 

 

 

 

0,496

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vср

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vb

 

pb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,102 3,38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,82 0,00146

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3,38

0,115

 

 

1084

 

 

 

 

 

0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,59

0,1 ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,496

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,554

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,508

 

11,06

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3,613 бар.

Полученное значение pd на 2,4% меньше ps = 3,7 бар. Это свидетельствует о том, что располагаемое время-сечение предварения выпуска А1 обеспечивает работу двигателя без заброса газов в продувочный ресивер.

Таким образом, выполненный поверочный расчет показал, что принятые фазы и размеры органов газораспределения обеспечивают нормальное протекание процесса газообмена для дизеля 6 ДКРН 60/229 с заданными мощностью, частотой вращения и принятым уровнем среднего эффективного давления.

6. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ НАДДУВА

6.1 Цель расчета

При выполнении расчета рабочего процесса в цилиндре двигателя были приняты параметры воздуха в ресивере ps и Ts , в результате расчета процесса наполнения цилиндра определен заряд свежего воздуха Gв, необходимый для сгорания топлива. Заряд свежего воздуха Gв, число цилиндров, частота вращения двигателя и принятый в расчете газообмена коэффициент продувки φa определяют расход воздуха на двигатель – Gs, кг/с.

При газотурбинном наддуве суммарный расход воздуха компрессоров Gк (сумма расходов воздуха при числе турбокомпрессоров больше одного) равен Gк= Gs. Давление за компрессором pк незначительно превышает ps (на величину гидравлических потерь в воздушном тракте), поэтому pкps.

Параметры pк и Gк наряду с адиабатным КПД компрессора ηак определяют мощность компрессора Nк, которая необходима для обеспечения нормального протекания рабочего процесса в цилиндре.

Компрессор приводится от газовой турбины, эффективная мощность которой Nт определяется давлением и температурой газов перед турбиной pт и Tт, расходом газов Gт и эффективным КПД турбины ηт. Перечисленные выше

48

параметры определяются по результатам расчета показателей рабочего цикла и газообмена.

Основной целью расчета системы наддува является сравнение располагаемой мощности газовых турбин Nт с необходимой мощностью центробежных компрессоров Nк..

При расчете могут получиться три варианта:

Вар и ан т 1. Nт < Nк. В этом случае энергетический баланс в системе наддува не достигается и реализация газотурбинного наддува невозможна.

Вар и ан т 2. Nт = Nк. В этом случае энергетический баланс обеспечива-

ется.

Вар и ан т 3. Nт > Nк. В этом случае энергетический баланс достигается с избытком, часть энергии газов может утилизироваться в энергетической установке.

При успешном варианте расчета (вариант 2 или 3) учащийся должен

определить количество и тип турбокомпрессоров для своего двигателя. В современных форсированных судовых дизелях энергетический баланс в системе наддува достигается с некоторым запасом, поэтому получение Nт < Nк будет свидетельствовать, скорее, о наличии грубых ошибок в выборе исходных данных или расчетах.

6.2.Определение энергетического баланса

всистеме наддува

Расчет необходимой мощности компрессоров. Мощность компрессо-

ров Nк, кВт и удельная работа адиабатного сжатия воздуха в компрессоре Hк, кДж/кг, определяются зависимостями:

Nк Gк Hк

1

; Hк

k

RT0 tк ,

 

 

 

 

(6.1)

ηак

k 1

 

 

 

 

где T0 − температура воздуха на входе в фильтр центробежного компрес-

сора.

Кроме того, в расчетах принимается стандартное значение T0 = 300 К;

относительное повышение температуры в компрессоре выражается фор-

мулой:

 

k 1

 

 

 

 

 

 

 

tк πк k

1.

(6.2)

 

 

 

 

49

где πк = pк/p0 – степень повышения давления в компрессоре.

Давление воздуха на входе в компрессор определится как p0 = ξф pб.

Коэффициент потери давления в фильтрах турбокомпрессоров ξф =

0,97−0,99; барометрическое давление принимается равным pб = 1 бар. Давление воздуха на входе в компрессор определится в виде

pк = ps/ ξво,

где ξво = 0,97− 0,98 – коэффициент потери давления в в воздухоохладителе; ps – давление воздуха в ресивере, принятое при расчете рабочего цикла.

После расчета t к и Hк определяется температура воздуха за компрессором Tк, К,

Tк T0

Hк

,

cpвηак

 

 

где c pв 1,005 кДж/(кг∙К) – средняя удельная изобарная теплоемкость воз-

духа.

Расход воздуха через компрессоры определяется формулой

Gк φaαG0Gч кг/с,

3600

(6.3)

где φa, α − коэффициенты продувки, избытка воздуха, соответственно; G0

масса воздуха, теоретически необходимая для сгорания 1 кг топлива; Gч

расход топлива на двигатель, кг/ч.

Показатель адиабаты для воздуха при расчетах принимается равным 1,4; универсальная газовая постоянная R = 0,287 кДж/(кг∙К).

Адиабатный КПД компрессоров составляет ηак = 0,72 0,85 (см. табл. 6.1). Т абл и ца 6.1

Средние значения показателей турбокомпрессоров

Диаметр рабочего

Адиабатный КПД

Коэффициент

Эффективный

колеса компрессора

компрессора ηак

напора* Ψк

КПД турбины ηт

Dк, м

 

 

 

 

0,085 0,110

0,72 0,77

1,25 1,30

0,66 0,72

0,140 0,190

0,75 0,81

1,30 1,35

0,72 0,78

0,230 0,380

0,77 0,84

1,35 1,42

0,74 0,80

0,500 0,640

0,78 0,85

1,38 1,45

0,76 0,84

* Для ТК с диаметром колеса более 0,640 м величину Ψк принимать по последней строке таблицы.

50