Литература по Механике и для Механиков / Литература / Стенин

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова»

В.А. Стенин

СУДОВОЕ ГЛАВНОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. РАСЧЕТ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ

Учебное пособие

Архангельск

2014

УДК 621.431.74

Стенин В.А. СГЭО. Расчет судового дизеля. – Архангельск: САФУ им. М.В.Ломоносова, 2014. – 250 с.

Рецензенты :к.т.н., доцент кафедры №7 В.Г.Пешков ; начальник бюро НТУ ФГУП «ПО Севмаш» В.Г.Дрондель

В учебном пособии рассмотрен состав и основные параметры судовых дизельных энергетических установок, представлен порядок выбора главных дизелей, изложена методика теплового и динамического расчета судового дизеля и расчетов на прочность основных деталей и узлов двигателя. Пр и- ведены сведения о судовых системах, топливах, маслах и технических жидкостях; рассмотрены вопросы экономии топливо-смазывающих материалов и их экологических свойствах. Приведены справочные данные для выполн е- ния соответствующих расчетов при курсовом и дипломном проектировании и представлен пример их выполнения.

Книга рассчитана на студентов судомеханических специальностей вузов и инженернотехнических работников предприятий.

© САФУ им. М.В.Ломоносова, 2014 г.

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.

Анализ состава мирового коммерческого флота показывает, что в качестве СЭУ на транспортных судах в основном используются дизельные установки с малооборотными и среднеоборотными дизелями. Основам теории и расчёта дизеля и посвящено данное пособие.

3

1.Состав и основные параметры судовых дизельных установок

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физикохимических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.

Состав, основные параметры, классификация судовых дизелей представлены подробно в ряде источников [1,2,3,4,5]. Остановимся на некоторых из них, которые представляются достаточно важными при дальнейшем рассмотрении аналитических расчетов.

1.1.Назначение и состав СЭУ

Судовой энергетической установкой называется комплекс технических средств для обеспечения движения судна с необходимой скоростью, выработки механической, тепловой, электрической энергии, и обеспечения этими видами энергии всех потребителей для безопасного и эффективного функционирования судна в соответствии с его типом и назначением.

В состав СЭУ входят:

главная энергетическая установка (ГЭУ) – комплекс технических средств для обеспечения поступательного движения судна и его маневрирования, а также обеспечения всеми видами энергии потребителей судна на ходу;

вспомогательная энергетическая установка (ВЭУ) –

комплекс технических средств для обеспечения судна всеми

4

необходимыми видами сред и энергий, обеспечения заданного функционирования ГЭУ и общесудовых потребителей, не связанных с движением судна;

электроэнергетическая система (ЭЭС) – комплекс источников электроэнергии и распределительных устройств, обеспечивающих все потребности судна электроэнергией.

Судовые главные энергетические установки по типу главного двигателя могут быть классифицированы как: дизельные; газотурбинные; паротурбинные; ядерные; комбинированные.

1.2.Классификация ДВС

Все двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим признакам.

По роду рабочего цикла:

сподводом теплоты при постоянном объеме;

сподводом теплоты при постоянном давлении;

со смешанным подводом теплоты (сначала при постоянном объеме, затем при постоянном давлении газов).

По способу смесеобразования:

-с внешним смесеобразованием – карбюраторные и газовые двигатели, в которых рабочая смесь образуется вне рабочего цилиндра;

-с внутренним смесеобразованием – дизели, в которых рабочая смесь образуется внутри рабочего цилиндра.

По способу осуществления рабочего цикла:

-на четырехтактные, в которых рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня;

-двухтактные, в которых рабочий цикл осуществляется за два хода поршня.

5

По способу действия:

-простого действия, у которых рабочий цикл осуществляется только в верхней полости цилиндра;

-двойного действия, у которых рабочий цикл совершается в двух полостях цилиндра поочередно над и под поршнем;

-с противоположно движущимися поршнями – ПДП.

По роду применяемого топлива:

-работающие на легком жидком топливе (бензин, лигроин, керосин, бензол);

-работающие на тяжелом жидком топливе (дизельное, моторное топлива, соляровое масло, газойль, мазут);

-работающие на газообразном топливе (газы: естественный, генераторный, сжиженный и др.);

-многотопливные – приспособленные для работы на широком ассортименте топлив.

По способу воздухоснабжения:

-без наддува, с подачей воздуха в цилиндры под давлением, незначительно отличающимся от атмосферного;

-с наддувом, с подачей воздуха в цилиндры под давлением, существенно превышающим атмосферное. В двигателях с наддувом используются схемы с подключенным турбокомпрессором (ПТК) и со свободным турбокомпрессором (СТК).

По конфигурации камер сгорания (КС):

-с неразделенными однополостными КС; -с полуразделенными КС(дизели с КС в поршне);

-с разделенными двумя и более полостными КС (предкамерные, вихре-камерные, воздушно-камерные двигатели).

По конструктивному исполнению:

-тронковые – классическая схема передачи усилия от поршня на коленчатый вал через шатун;

6

-крейцкопфные – усилие на коленчатый вал от поршня передается через шток-толкатель, крейцкопфный механизм и шатун.

По расположению рабочих цилиндров:

-вертикальные; -горизонтальные; -однорядные; -двухрядные;

-многорядные (число рядов цилиндров более двух); -V- образные;

-W-образные; -звездообразные; - -видные.

По возможности осуществления реверса:

-реверсивные, с возможностью изменения направления вращения коленчатого вала на противоположное;

-нереверсивные.

По назначению:

-автотракторные; -транспортные;

-стационарные (для промышленных целей); -тепловозные; -судовые.

Кроме того, судовые дизели классифицируются по следующим признакам.

По назначению:

-на главные – работающие на движитель; -вспомогательные – не связанные с обеспечением движения

судна.

По частоте вращения коленчатого вала – n: -малооборотные двигатели (МОД) – n = 100 ÷ 350 об/мин;

7

Дизели с S /D < 0,9 и S /D > 1,8 применяются крайне редко.

1.3.Маркировка дизелей и основные понятия

Маркировка отечественных двигателей внутреннего сгорания производится по ГОСТ 10150–88.

Цифры и буквы маркировки обозначают:

8

арабские цифры впереди букв – количество цилиндров; буквы: Ч – четырехтактный;

Д – двухтактный; ДД – двухтактный двойного действия;

П– с редукторной передачей;

К – крейцкопфный (отсутствие К – тронковый); Р – реверсивный (отсутствие Р – нереверсивный);

С – судовой с реверсивной муфтой;

Н– с наддувом (отсутствие Н – без наддува); Г – газовый;

1А, 2А, 3А, 4А – степень автоматизации по ГОСТ 14228-80;

дробь: числитель – диаметр цилиндра [см]; знаменатель – ход поршня [см];

(у двухтактных дизелей с ПДП знаменатель умножается на 2).

Например:

6 ЧН 18/22 – шестицилиндровый четырехтактный двигатель с наддувом, 18 см – диаметр цилиндра, 22 см – ход поршня;

8ДКРН 74/160 – восьмицилиндровый двухтактный крейцкопфный реверсивный двигатель с наддувом, 74 см – диаметр цилиндра, 160 см – ход поршня.

Рис.1.1.Основные понятия ДВС.

9

Основными понятиями, относящимися ко всем дизельным двигателям, являются следующие (рис.1.1).

Нижняя мертвая точка (НМТ) – положение поршня, при котором расстояние от поршня до оси коленчатого вала минимально.

Верхняя мертвая точка (ВМТ) – положение поршня, при котором расстояние поршня до оси коленчатого вала максимально.

Ход поршня – расстояние, которое проходит поршень из одной мертвой точки до другой.

Объем камеры сгорания – соответствует объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра – объем, который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками.

Такт – часть цикла, когда поршень проходит от одной мертвой точки до другой.

1.4.Принцип действия ДВС

Четырехтактный дизель

Рассматривать работу ДВС целесообразно по индикаторной диаграмме (рис.1.2), представленной в координатах Р – V.

Рис.1.2.Индикаторная диаграмма четырехтактного ДВС.

10