Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы и устройство главных и вспомогательных судовых энергетических установок. Методические рекомендации
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО
ТРАНСПОРТА
А.И. Афонин, Д.А. Попов
Теоретические основы и устройство главных и вспомогательных
судовых энергетических установок
Методические рекомендации
«Альтаир» – МГАВТ
Москва
2012
УДК 621: 656.615
А.И. Афонин, Д.А. Попов
Теоретические основы и устройство главных и вспомогательных судовых энерге-
тических установок. Методические рекомендации. М –МГАВТ 2012. 40с.
Предназначены для студентов специальности 180405 — «Эксплуатация судовых энергетических установок» для выполнения курсовой работы по дисциплине «Теоретические основы и устройство главных и вспомогательных судовых энергетических установок», в работе
приведены методики теплового, динамического ипрактического расчетов судового дизеля,
последовательность их выполнения.
Рецензент – кандидат технических наук, профессор В.С. Епифанов.
Рекомендовано к изданию учебно–методическим советом МГАВТ.
Рассмотренно и рекомендовано к использованию в учебном процессе на заседании
кафедры судовых энергетических устоновок и автоматике протокол №2 (от
04.10.2012)
Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебно–методические
материалы.
© МГАВТ, 2012
© А.И. Афонин, 2012
© Д.А. Попов, 2012
3
СОДЕРЖАНИЕ
Принятые обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1. темы и задание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Объем рботы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.Оформление пояснительной записки курсавой работы . . . . . . . . 6
2. Расчет рабочего цыкла дизеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1. Параметры выпуска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2. Параметры конца сжатия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3. Расчет процесса сгорания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4. Расчет процесса расширения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5. Расчет индикаторных показателей . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6. Экономические показатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Расчет на прочность основных деталий двигателя . . . . . . . . . . . 17
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Приложение 1(титульный лист) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Приложение 2(варианты заданий) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Приложение 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Приложение 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Приложение 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Приложение 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Приложение 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4
e
P
— эффективная мощность,
кВт
;
z
p
— давление сгорания в точке Z расчетного цикла,
e
n
— частота вращения коленчатого вала двигателя при
e
P
,
1
мин
;
с
— степень сжатия;
i
— число цилиндров двигателя;
p
— давление,
кПа
;
mi
p
— среднее индикаторное давление рабочего цикла дизеля,
кПа
;
T
— температура К;
а
p
,
a
T
— давление и температура окружающей среды, соответственно;
d
p
,
d
T
— давление и температура на входе в дизель без наддува, соответственно;
int
p
int
T
— давление и температура на входе в дизель с наддувом, соответственно;
g
p
,
g
T
— давление и температура отработавших газов, соответственно;
s
— ход поршня, м;
m
— средняя скорость поршня,
с
м
;
r
p
,
r
T
давление и температура в конце выпуска, соответственно;
d
— диаметр цилиндра, м;
кл
d
— диаметр тарелки клапана, м;
t
p
,
t
T
— давление и температура в конце такта впуска, соответственно;
с
Ф
— коэффициент наполнения;
r
— коэффициент остаточных газов;
T
— подогрев свежего заряда, поступающего в цилиндр, К;
1
n
,
2
n
— показатели политроп сжатия и расширения, соответственно;
c
p
,
c
T
— давление и температура рабочего тела в конце такта сжатия, соответственно;
1
— коэффициент избытка воздуха при сгорании;
— действительный коэффициент молекулярного изменения;
ypy
T
— давление и температура в конце быстрого сгорания, соответственно;
— коэффициент использования теплоты при достижении объема
z
V
;
— степень повышения давления;
— степень предварительного расширения;
z
p
,
z
T
— давление и температура рабочего тела в точке Z, соответственно;
— степень последующего расширения;
b
p
,
b
T
— давление и температура отработавших газов в конце такта выпуска,
соответственно.
5
Предисловие
Выполнение курсовой работы студентом в порядке самостоятельной работы требует применения теоретических знаний, полученных при изучении
курса «Теоретические основы и устройство главных и вспомогательных судовых энергетических установок». При выполнении работы студент руководству-
ется современными литературными источниками, в которых имеются сведения
по экономическим, экологическим и мощностным показателям современных
судовых двигателей. Наиболее важные результаты анализа источников, целесообразно использовать в курсовой работе. Особое внимание рекомендуется уделить вопросам эксплуатации и обслуживания двигателей. Следует так же разо-
браться в особенностях смазки и охлаждения наиболее нагруженных деталей
дизелей.
В пособии приведены методики теплового, динамического, прочностного
расчетов и их последовательности.
Цели теплового расчета могут быть достигнуты посредством обоснованного выбора расчетных коэффициентов в соответствии с особенностями задания. При проведении расчетов целесообразно использовать справочные данные
и данные из рекомендуемых учебников. Расчетам на прочность (проверочным и
проектным) должны предшествовать оценки сил, действующих на поршень и
другие детали кривошипно–шатунного механизма (КШМ). Прочностным рас-
четам целесообразно подвергнуть одну из деталей поршневой группы, либо
шатунной группы, как наиболее ответственные. Расчеты в пояснительной за-
писке должны сопровождаться эскизами и расчетными схемами.
Курсовая работа выполняется студентом в течение всего семестра. Она
относится к одной из профилирующих дисциплин специальности 180405 и
имеет большое значение для будущей работы.
1. Общие сведения
1.1. Темы и задание
Общее содержание и направленность курсовой работы, где приведены
исходные данные для расчета, устанавливается заданием, выдаваемым индивидуально каждому студенту. Прототип дизеля, для которого проводится прове-
рочный тепловой расчет в целях уточнения его технико-экономических показателей, — это ДВС отечественного или зарубежного производства как с турбонаддувом, так и без него.
За прототип для курсовой работы принимается современный судовой дизель (прилож.2), параметры которого определяются в соответствии с вариантом
задания. Вариант задания студенту определяется двумя последними цифрами
номера студенческого билета или зачетной книжки.
Цель работы — закрепить знания по теории двигателей, убедиться во
взаимосвязи теории и практики, показать, как изменение любого из рассчиты-
6
ваемых параметров влияет на мощность и экономичность дизеля. Показать, что
форсирование работы дизеля по мощности за счет быстроходности, наддува и
др. влечет за собой вмешательство в технологию его изготовления. Вместе с
тем мощность и экономичность дизеля находится в прямой зависимости от ка-
чества его обслуживания.
Задание на курсовую работу, включенное в пояснительную записку, может быть изменено или дополнено консультантом в процессе его выполнения.
Рекомендуется использовать дополнительную литературу (проспекты, статьи и
др.) при обосновании значений выбранных параметров для расчета и при ана-
лизе его результатов.
Выполнение курсовой работы следует сопровождать поясняющими ри-
сунками, схемами, таблицами, заключениями по разделам.
1.2. Объем работы
Курсовая работа должна состоять из двух частей: проверочного теплового
и прочностного расчетов.
Первая часть — тепловой расчет включает в себя определение термоди-
намических параметров расчетного цикла, экономических показателей дизеля и
основных размеров — диаметра цилиндра и хода поршня. Эта часть должна со-
держать пояснения к расчетным формулам и сопровождаться последовательным выполнением индикаторной диаграммы цикла с нанесением на окончательную диаграмму фаз газораспределения, и угла опережения впрыска топлива. Кроме того, необходимо отметить на диаграмме индикаторную работу цикла и среднее индикаторное давление, указав полученные значения. Объем этой
части должен содержать 60...70 % всей работы.
Вторая часть — расчет основной детали двигателя — 30...40 %. Студент
должен выбрать, какой расчет производить — проектный или проверочный.
В записке проверочный расчет на прочность должен сопровождаться эскизом детали с указанием основных размеров, по которым производится про-
верка прочности детали, и расчетными схемами.
Проектный расчет на прочность должен сопровождаться расчетными
схемами, а после его проведения — эскизом детали с указанием основных размеров, полученных в результате проектного расчета.
Заключение должно содержать основные результаты теплового расчета и
их оценку в сравнении с данными двигателя–прототипа.
1.3. Оформление пояснительной записки курсовой работы
Пояснительная записка выполняется на стандартных листах писчей бу-
маги формата А4 с необходимыми ссылками на использованную литературу,
список которой помещается в ее конце.
В начале записки содержится титульный лист (приложение 1), и задание
на курсовую работу (приложение 2). Основному тексту записки предшествует
содержание с указанием номеров страниц и Предисловие.
7
Примерный объем записки 15…20 с. Качество выполненных расчетов,
Рис.1. Схемы газовоздушного тракта дизелей:
а — без наддува, б — с наддувом и без охлаждения наддувочного воздуха, в — с наддувом
и с охлаждением наддувочного воздуха.
e
P
z
p
e
n
с
e
P
e
n
p
e
me
p
текста и эскизов учитывается при оценке работы.
Оформление курсовой работы в соответствии с ГОСТ 7.32–2001 (Структура и правила оформления отчета о НИР. ИПК Издательство стандартов, 2002.–
21с.). Допускается вычерчивать графики на миллиметровой бумаге, а вычисле-
ния, связанные с расчетом промежуточных параметров расчетного цикла про-
изводить в форме таблиц.
2. Расчёт рабочего цикла дизеля
Методы теплового расчета рабочего цикла базируются на упрощенных
моделях. Схемы газовоздушного тракта (рис.1) дизеля и диаграммы рассчиты-
ваемого цикла при принятых допущениях позволяют выбрать алгоритм расчета.
Обычно расчет цикла проводят в последовательности процессов, проис-
ходящих в цилиндре, начиная с конца такта впуска.
При проверочном расчете при заданных
,
,
,
и других данных
прототипа дизеля, определяют все недостающие параметры расчетного цикла,
которые близки по значениям параметров рабочего цикла и проверяют размерность дизеля. Если размерность прототипа дизеля совпадает с полученной размерностью в тепловом расчете, то все полученные параметры расчетного цикла
близки с действительными параметрами.
В проектном расчете по заданным значениям
ляют параметры
, T в характерных точках расчетного цикла, его размерность
,
, i двигателя опреде-
и наивысшую экономичность дизеля. Одновременно задаются целью получить
основные параметры дизеля
,
и другие соответствующие современным
8
требованиям характеристики:
me
p
me
p
e
P
e
n
Рис.2. Диаграммы расчетного цикла дизеля:
а — без наддува; б — с наддувом.
1
n
2
n
1
n
2
n
= 0,5...0,8 МПа для 4 — тактных дизелей без
наддува
=1,0...2,0 МПа для дизелей с наддувом.
Проверочный тепловой расчет дизеля проводят для режима номинальной
мощности
, на номинальной частоте вращения
. Считается, что все процес-
сы, происходящие при работе дизеля, установившиеся.
При выполнении теплового расчета дизеля с наддувом (с охлаждением
наддувочного воздуха или без него), а также дизеля без наддува необходимо
привести схему газовоздушного тракта. Указать на схеме обозначения рассчитываемых параметров, обосновав выбор схемы. Необходимо также описать отличительные особенности впуска и выпуска с указанием фаз, а также процессов смесеобразования и горения топлива. Прототипы дизелей отличаются
непосредственным впрыском топлива в неразделенные камеры сгорания.
Допущения, принятые в начале теплового расчета позволяют рассматри-
вать расчетный цикл, показанный на рис. 2.
Расчетный цикл соответствует допущениям:
фазы открытия — закрытия впускного и выпускного клапанов равны 0;
процессы сжатия и расширения – обратимые политропы с показателями
,
соответственно;
теплоемкости рабочего тела и показатели полиптроп
,
не зависят от
температуры;
утечки рабочего тела в не плотностях цилиндропоршневой группы (ЦПГ)
и клапанов — отсутствуют;
процессы сгорания топлива совершаются в соответствии с обратимыми
изохорой и изобарой;
несовершенство процессов газообмена, сгорания учитываются эмпириче-
скими коэффициентами, принимаемыми в процессе теплового расчета.
По экспериментальным данным были установлены численные значения
параметров цикла, коэффициентов, входящих в расчетные формулы и в учебниках [1–3] и другой литературе даны пределы их изменения. Расчет парамет-
9
ров цикла (
T
p
с
T
r
p
с
с
Ф
r
1
n
2
n
Рис.3. Линейные зависимости различных параметров работы дизеля от сред-
ней скорости поршня:
а — возрастание параметров; б — понижение параметров
А
min
А
max
А
m
minm
maxm
А
max
А
min
А
min
А
к
m
minm
maxm
minm
m
30
e
sn
А
max
А
к
max
А
min
А
m
Дизель
minm
,
с
м
maxm
,
с
м
Тихоходный
3,5
6,5
Средней быстроходности
6,6
9,0
Быстроходных
9,1
12,0
и
) в расчетных точках во многом зависит от расчетных коэф-
фициентов. Их увеличение или снижение в зависимости от быстроходности
двигателя, степени сжатия
и других показателей влияет на
и p.
Для наглядности на рис.3 представлены линейные зависимости различ-
ных параметров (
,
,
,
,
,
от средней скорости поршня). По ходу
теплового расчета возрастание одного из параметров влечет за собой изменение
(возрастание либо снижение) других параметров. Таким образом, неверный вы-
бор расчетных коэффициентов неизбежно приводит к ошибочным результатам
расчета.
Если при выборе одного из параметров, например, «
от
до
, установлено, что его числовые значения возрастают в зависи-
мости от средней скорости поршня
, изменяющейся (рис. 3 а) от
», изменяющегося
, то можно получить
где коэффициент
=к(
= (
–
) +
–
)/(
), (1)
–
), а скорость
=
Если параметр «А» убывает (рис. 3б), то
=
–
(
–
) (2)
Здесь имеется в виду, что для тихоходных дизелей, средней быстроход-
ности дизелей и быстроходных дизелей пределы изменения
(табл.1.).
до
.
известны
Таблица 1
10
2.1. Параметры выпуска
r
p
r
p
d
p
r
p
а
p
кПа
r
p
m
n
r
p
n
а
p
r
p
max
r
p
min
r
p
min
r
p
кПа
к
m
minm
maxm
minm
r
p
int
p
кПа
r
T
К
r
T
r
T
r
T
К
t
p
t
T
с
Ф
r
r
r
r
t
p
t
T
с
Ф
t
p
int
p
3
2
1,0
кл
m
d
d
кПа
t
T
r
rr
T
1
int
К
r
t
c
c
c
р
р
TT
T
1
1
1
intint
int
T
К
r
с
Ф
t
T
с
Ф
r
Давление выпуска
у дизелей без наддува зависит как от сопротивле-
ния в выпускном трубопроводе, так и от проходного сечения в выпускном клапане. Можно принять
= (1,2 ... 1,02)
. Обычно
>
на 5...15
.
Для примера определим давление
ня, равной
= 8 м/с. Дизель форсирован по частоте
растет при возрастании
, но не превышает
цикла со средней скоростью порш-
. Тогда допуская, что
более указанных пределов, по
формуле (1) найдем:
= к(
–
) +
) = 0,6 (115 – 105) + 105 = 111
,
где:
= (
–
)/(
–
)= (8 – 6,6)/(9 – 6,6) 0,6.
Давление выпуска отработавших газов из цилиндра ниже давления впус-
ка в цилиндр у дизелей с наддувом. Его значение вычисляют по следующей
формуле:
= (0,75...0,95)
]. Это, следовательно, связано с возможностью
продувки камеры сгорания. Поэтому в целях лучшей очистки камеры сгорания
от отработавших (остаточных) газов углы фаз газораспределения всегда боль-
ше, чем у дизелей без наддува одинаковой быстроходности.
Температура в конце выпуска
= (700 ... 900)К для дизелей с наддувом. Чем выше температура
= (600...900)
для дизелей без наддува,
, тем
быстроходнее дизель [1–3], у которого фаза догорания топлива в цилиндре затягивается по углу поворота коленчатого вала. У МОД температура конца выпуска может быть
= 570
[2].
Параметры конца впуска (точка t, рис. 2).
Параметры
эмпирическим зависимостям.
[2]
= 0,03...0,06 для дизелей без наддува и
,
,
и
определяются по расчетным формулам или по
Для упрощения расчета
выбирают из работы
= 0,00...0,04 для дизелей с
наддувом.
Параметры
=
,
,
можно вычислить по зависимостям:
–
,
;
=
,
;
, (3)
где:
= 5...15
, – подогрев свежего заряда, поступающего в цилиндр, обычно
принимают [1] для дизелей без наддува — (10...5)К, для дизелей с наддувом –
(20...10)К.
Как видно из приведенных зависимостей, увеличение
влечет за собой
снижение
и возрастание
. В свою очередь, на численные значения
и
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]