МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Служба морского транспорта
ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ имениадмирала С.0. МАКАРОВА
Кафедра «Двигатели внутреннегосгорания и автоматика СЭУ»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Судовые двигателивнутреннего сгорания»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Расчет рабочих процессов судовогодизеля ВЯРТСИЛЯ«Vasa22»
С.-Петербург
2010 г.
Задание
1. Назначение двигателя
Коэффицент тактности т =2
Эффективная мощность Ne= 500 кВт
Частота вращения п =600 об/мин
Средняя скорость поршня Cm =9.6 м/с
Среднее эффективное давление Ре=18.0 бар
Удельный расход топлива gе=214 г/(кВт-ч)
2. Динамика, уравновешенность, расчет прочности
Вяртсиля-Зульцер Z-40
Краткое описание дизеля ВЯРТСИЛЯ «Vasa22»
Цилиндровый блок литой конструкции разработан с учетом сниженияшумности. Ресивер наддувочного воздуха, а также распределительные трубыохлаждающей воды и смазочного масла, являются составной частью блока и придаютдизелю дополнительную жесткость, опрятную внешность и компактность. Втулкицилиндров из центробежного литья. Люки картера, изготовленные и легкогометалла, закреплены четырьмя болтами и надежно уплотнены резиновыми у плотнительными кольцами, благодаря чему обеспечивается быстрый и легкий доступ квнутренним деталям.
Коренные подшипники подвесные. Вкладыши подшипниковтрехслойного исполнения, полностью взаимозаменяемые. Благодаря тому, чтоподшипники подвесные, вкладыши легко удалить после отдачи гидравлическизатянутых болтов. При надобности непосредственно за маховиком может бытьустановлен дополнительно консольный подшипник.
Коленчатый вал. Большой диаметр рамовых и мотылевых шеекобеспечивает достаточную жесткость вала в отношении крутильных колебаний.Противовесы снижают нагрузку на коренные подшипники и уменьшают вибрации,вызываемые парами внутренних моментов. Предусмотрена возможность отборамощности с переднего конца дизеля для привода вспомогательных устройств.
Шатуны отштампованы из легированной стали. Нижняя головкашатуна разъемная под острым углом. Разъемные поверхности снабжены зубчатойнасечкой. Мотылевые подшипники такой же конструкции, как и коренные подшипники.Нижняя часть втулки верхней головки шатуна расширена для увеличения рабочейповерхности соприкосновения с поршневым пальцем.
Поршни, изготовленные из легкого металла, эффективно охлаждаютсясмазочным маслом, наполовину заполняющим кольцеобразную полость в районекомпрессионных колец. Из трех компрессионных колец два верхних хромированы. Всекольца, в том числе и эффективное маслосъемное кольцо, расположены надпоршневым пальцем, благодаря чему обеспечивается хорошая смазка юбки поршня.
Крышки цилиндров. Силы, создаваемые сгоранием газа,передаются от крышки четырьмя шпильками через цилиндровый блок на болтыкоренных подшипников. Эти болты и шпильки цилиндровой крышки имеют одинаковуюрезьбу и затягиваются тем же гидравлическим инструментом. Два впускных и двавыпускных клапана одинакового размера прилегают к охлажденным гнездам в крышкецилиндра. Просторные каналы способствуют газообмену и поддерживают низкуютемпературу выхлопных газов. Отверстия обоих каналов расположены на выхлопнойстороне дизеля, благодаря чему обеспечивается легкий доступ к деталям состороны распределительного вала. Распылители и топливные трубки высокогодавления полностью изолированы от полости смазочного масла. Клапанный механизм,снабженный принудительной смазкой, закрыт легким кожухом. Специальныесоединительные муфты труб облегчают и ускоряют снятие крышки цилиндров.
Распределительный вал состоит из одинаковых одноцилиндровыхсекций. Кулачки откованы в одно целое с секцией. Привод распределительного валаосуществляется шестеренчатой передачей от коленчатого вала. Расположениеподшипников дает возможность демонтировать вал в сторону от дизеля.
Топливные насосы золотникового типа расположены на верхнейобработанной поверхности цилиндрового блока. Для каждого цилиндра предусмотрениндивидуальный насос с толкателем и роликом. Топливные трубки высокого давленияодинаковые и короткие, что способствует хорошему сгоранию. Вся топливнаясистема, включая трубки высокого давления, полностью закрыта кожухами дляобеспечения эффективной защиты от пожара.
Регулятор оборотов. Подача топлива дозируется гидравлическимрегулятором. Тип регулятора выбран применительно к условиям эксплуатациидвигателя. Кроме того предусмотрен предельный регулятор.
Турбонаддув. Турбонагнетатели, типа «Броун Бовери»,расположены в свободном конце двигателя. Турбонагнетатель установлен надвоздухоохладителем, имеющим сменные трубчатые вставки. В стандартном исполнениитрубчатые вставки изготовлены из материала, требующегося при охлаждениизабортной водой.
Топливная система. До дизеля обычно устанавливается фильтргрубой очистки. Топ-ливоподкачивающий насос и двойной патронный фильтр включеныв объем поставки.
Масляная система. Масляный насос шестеренчатого типа,центробежные байпасные фильтры и насос предварительной прокачки маслаустановлены в торцевой части двигателя. На двигателе или на его фундаментеустанавливаются также эффективный сдвоенный главный фильтр и холодильник (струбчатыми вставками соответственно для охлаждения забортной или пресной водой)с термостатным клапаном.
Система охлаждающей воды. Центробежный насос для пресной водыи подобный ему насос для забортной воды могут быть установлены в торцевойчасти.
Система пускового воздуха. Пуск двигателя осуществляетсясжатым воздухом. В V-образных двигателях крышки цилиндров оборудованы пусковымиклапанами лишь на одном ряду цилиндров.
1. Обоснование основных размеров Dи Sи числа цилиндров идизеля
судовой дизель турбокомпрессор
1.1 Среднееэффективное давление Ре
Принимаем согласно документации Ре = 1,77 МПа
1.2 Числоцилиндров принимаем равное 6, т.к. при этом числе достигается полноеуравновешивание дизеля, а также при i кратном 3 легче осуществляется импульсныйнаддув.
1.3 Номинальнаямощность
/>806 кВт
где i = 6 – число цилиндров
m =2 — коэффициент тактности
1.4 Cредняяскорость поршня Сm
Cm=Sn/30=0,24*1000/30=8 м/с
1.5 Диаметрцилиндра
/>0,22м
Принимаем D=0,22м
2. Основныеданные и параметры
2.1 Принимаем:
· Давлениеокружающей среды Р0 = 0,101 МПа
· температураокружающей среды Т0 = 293 К
· Теплотасгорания топлива среднего состава (С = 0,87%, Н =0,126 О = 0,004) QH = 41.7 МДж / кг
2.2 Температуравоздуха в ресивере:
ТS = tз.в + 273 + Dt во = 20+273+10=303
tз.в.= 20 0С – температура забортной воды
Dt во = 10 0С – минимальный температурный напор ввоздухоохладителе
2.3 Коэффициентизбытка воздуха:
принимаем a = 1,9
2.4 Рабочийобъем цилиндра
Vh=/>/>0,0091 м3
2.5 Объемкамеры сжатия
Vс = />/>0,00083
где eГ =12 — степень сжатия
2.6 Полныйобъем цилиндра
Va = Vc + Vh =0,00083+0,0091=0,0099
2.7 Показательполитропы сжатия
n1 = 1,37
2.8 Коэффициентиспользования тепла в точке z
xz=0,85
2.9 Показательполитропы расширения
n2 = 1,23
2.10 Температурасмеси
Та = />/>331 К
где: Dtст = 10 — подогрев воздуха от стенок цилиндра
Тг = 790 — температура остаточных газов
gг = 0,04 – коэффициент остаточных газов
3. Процесснаполнения
Коэффициент наполнения
hн = />/>0,959
где Ра / Рs = 1 — принимается
a. Давлениенаддува:
Рs = />/>0,260МПа
где: R = 287 Дж/ (кг*К) — универсальная газовая постоянная
L’0 = 14,3 кг — масса воздуха теоретически необходимая длясгорания 1кг топлива
Давление наддува Рs по рекомендации принимаем равным:
Рs=3,2 МПа
gЦ =/>/>0,00096 кг/цикл
b. Давлениев начале сжатия
Ра = />1*0,32=0,32 МПа
c. Зарядсвежего воздуха:
Gзар= />/>0,032 кг
d. Коэффициентизбытка воздуха:
a=/> — совпадает с ранее принятым
4. Процесссжатия
a. Давлениев конце сжатия
Рс = Раen1 =0,32*121,37=9,0 МПа
b. Температурав конце сжатия
Тс = Та e n -1 = 331*121,37-1=831 К
5. Процесс сгорания
a. Теоретическоеколичество воздуха необходимое для сгорания 1 кг топлива
/>0.496 кмоль/кг
b. Действительноезначение
L=L0a=0,496*1,9=0,942кмоль/кг
c. Химическийтеоретический коэффициент молекулярного изменения в процессе сгорания
/>1+/>1,033
d. Действительноезначение
/>/>
e. Средняяизохорная теплоемкость продуктов сгорания (кДж/(кмоль*К)) при:
Тс: (mСV)C =19.26+0.0025TC=19,26+0,0025*831=21,34
TZ: (mCV)Z =
=/>
=/>19,89+0,00308 TZ
TZ (изобарная): (mCР)Z = (mCV)Z+ 8,315 =28,205+0,00308 TZ
f. Степеньповышения давления при сгорании
l = 1,5
g. Температурарабочего тела в точке z определяем из уравнения сгорания путем решения его методомпоследовательных приближений
/>
Принимаем ТZ =1850 К
h. Степеньпредварительного расширения:
r=/>/>1,646. Процесс расширения
a. Степеньрасширения
/>/>7,3
b. Давлениев цилиндре в конце расширения
/>=/>1,03 МПа
c. Температурагазов в конце расширения
/>/>1170 К7. Расчетный цикл
a. Среднееиндикаторное давление цикла
/>
=/>2,044 МПа
b. Заданноесреднее индикаторное давление
/>/>2,048 МПа
где Ре3 = Ре =1,77 МПа
jСК =0,97 — коэффициент скругления
c. Отклонение
/>/>2,2 %
Расчет политроп сжатия и расширения e1=Va/V1 Vi = Va / e1 Pсж=Ра e1n1 Pрасш=РВ e1n2 а 1 0,00995 0,32 1,039 1 1,25 0,00796 0,43443 1,36715 2 1,5 0,00663 0,55769 1,71084 3 1,75 0,00568 0,68883 2,06802 4 2 0,00497 0,82711 2,43716 5 2,5 0,00398 1,12287 3,20688 6 3 0,00332 1,44147 4,01307 7 4 0,00249 2,13783 5,71677 8 5 0,00199 2,90228 7,52229 9 6 0,00166 3,72578 9,41333 z 7,31 0,00136 4,88334 12,0015 11 8 0,00124 5,52565 12 10 0,00099 7,50153 c 12 0,00083 9,63004
8. Индикаторные иэффективные показатели дизеля
a. Среднееиндикаторное давление
Pi =Pi’ jCK=2,044*0.97=1,96МПа
b. Индикаторнаяработа газов
Li=PiVh103=1,96*0,0091*1000=72,65 кДж
c. Индикаторнаямощность
Ni=/>/>894,6 кВт
d. Среднееэффективное давление
Pe=PihM=1,96*0,9=1,76МПа
e. Эффективнаямощность
Ne=NihM=894,6*0,9=805кВт
f. Цикловаяподача топлива
gц=/>/>0,0011 кг/цикл
g. Часовойрасход топлива
/>/>213 кг/час
h. Удельныйиндикаторный расход
/>/>0,238 кг/(кВт*ч)
i. ИндикаторныйКПД
/>/>0,353
j. ЭффективныйКПД
hе= hihм=0,353*0,9=0,318
k. Удельныйэффективный расход топлива
/>/>0,221кг/(кВт*ч)
l. Отклонение
/>/>2,79%
где geз=0,215 кг/(кВт*ч)9. Расчетпроцесса газообмена
yвп=/>, где
GS=GBja=1.852*1.5=2.8 кг –расход воздуха на цилиндр за цикл
R=287 Дж/(кг*к) – газовая постоянная
А3эф=А3mвп=248*0,8=198,4 м2*с – эффективное время сечениепродувки
yвп=/>=0,19
(Рц/РS)расч=0,98
Рц=РS(Рц/РS)=0,216*0,98=0,212 МПа
DРвп= Рs-Рц=0,216-0,212=0,04 МПа
1. Определениепотери давления DРвып в выпускных органах и давления в выпускномтрубопроводе Рг в процессе принудительного выпуска.
yвып=/>, где
GВ(jа + gнп — gг–1)=1,852(1,5+0,6-0,05-1)=1,94 кг – количество газов и воздуха проходящих черезвыпускные органы за стадию принудительного выпуска
gнп=0,6 – коэффициент остаточных газов к моментуначала продувки
А2эф=А2mвып=131,2*0,8=104,96 м2с – эффективное времясечение принудительного выпуска.
Рц=0,212 МПа – среднее давление в цилиндре за период продувкипринудительного выпуска
Тц – средняя температура газов в цилиндре за периодпринудительного выпуска.
Тц=(Тнп-Та) / [ln(Тнп/Та)]
Тнп – температура газов в цилиндре к началу продувки
Тнп = ТВ’(Рнп/Рв’)(m-1)/m
Рнп – давление газов в цилиндре к началу продувки
Рнп = Рd=РS=0.216 МПа
Тнп=921(0,216/0,79)(1,3-1)/1,3 =683 К
Тц=(683,5-336)/[ln(683,5/336)]=489 К
yвып=/>
(Рг/Рц)расч=0,92
Рг=Рц(Рс/Рц)расч=0,212*0,92=0,195 МПа
DРвып=Рц-Рг=0,212-0,195=0,021МПа – общий перепаддавления на продувку цилиндра.
2. Проверкасоблюдения условия Рd=PS (достаточности время-сечение предварения выпуска)
Рd=/>, где
Vц = (VB’+Vd)/2=(0.86+1.19)/2=1.02 м3 – средний объемцилиндра за период предварения выпуска.
А1mСВ=58*0,7=40,6 м2с – эффективное время-сечениепредварения выпуска.
mСВ=0,7 – коэффициент расхода выпускных органов впериод свободного выпуска.
РГ=0,195 МПа – среднее давление в выхлопном коллекторе запериод предварения выпуска.
Рd=/>МПа10. Расчетсистем наддува
1. Оценкапотерь давления в газовоздушных трактах системы.
xобщ =xфxвоxрxотxn
xa=0.97 – в фильтрах турбокомпрессорах
xво= 0,97 – в воздухоохладителе
xг=0,96 – в выпускном трубопроводе до турбины
xот= 0,97 – в выпускном трубопроводе после турбины
xn=Рг/Рs=1,0 – при продувке цилиндра
xобщ=0,99*0,98*0,98*0,97*1,0=0,876
2. Температурагазов перед турбиной
Тт=Тs+/>
qГ =0,4 – относительная потеря тепла с газами
СРГ =1,09 – средняя теплоемкость газов (кДж/кг)
Тт=303+/>=683 К
3. ВыборКПД турбокомпрессора
hТК=0,60-0,67
4. Степениповышения давления воздуха pк в компрессоре и понижения давления газов pт в турбине
pк =Рк/Р0=РS/(xвоРбxф)=0,339/(0,97*0,97*0,1013)=3,56
Рб=0,1013 — барометрическое давление [МПа]
pт = Рт/Рот=xобщpк=0,876*3,56=3,12
5. Определяемотносительные перепады температур воздуха
В компрессоре:
Dtк=pк(к-1)/к-1=3,56(1,35-1)/1,35-1=0,3904
В турбине:
DtТ=1-/>
6. Балансныйпараметр hТК и оценка достаточной мощности турбины
hТК РАСЧ = />
Т0 = 300 К – температура воздуха на входе в компрессор.
hТК РАСЧ = />0,656
корректировка показателей ТТ, xобщ не требуется
7. Адиабатныеработы сжатия воздуха в компрессоре НК и расширения газов в турбине НТ
НК= 1005Т0Dtк=1005*303*0,3904=118883 Дж/кг
НТ=1128ТТDtТ=1128*327*0,255=180932 Дж/кг
8. Температуравоздуха за компрессором
ТК=Т0+/>
hад.к.=0,83 –адиабатный КПД компрессора
ср.в. =1050 кДж/(кг*К) – средняя теплоемкость воздуха
ТК=303+/>=439 К
9. Температуравоздуха за турбиной
Т0Т=ТТ — />
hад.т.=hТ/hТМ =0,82/0,94=0,872 –адиабатный КПД турбины
hТ=0,82 – КПД турбины
hТМ=0,94 – механический КПД турбокомпрессора
сРГ – среднея теплоемкость газов [кДж/(кг*К)]
Т0Т=627 -/>= 482 К
10. Суммарнаямощность турбин
SNT=SNK=/>962 кВт
проверим ее относительную величину
dТ=/>0,342
11. Выборчисла и типа турбокомпрессора
Задаемся диаметром колеса компрессора с лопаточным диффузором900 мм и находим безразмерный коэффициент напора компрессора НК=1,4
1. Окружнаяскорость на периферии колеса компрессора
UК=/>412 м/с
2. Скоростьпотока
с=сmuК=0,3*412=122,7 м/с,
где сm=0,3 — относительная скорость потока на входе в колесокомпрессора
3. Площадьвхода в колесо компрессора
FK=GK/(r0c)
r0=P0106/(RT0)=0,1013*0.98*106/(287*330)=1,165 кг/м3 – плотность воздуха перед компрессором
FК=6,72/(1,165*122,7)=0,047 м2
4. Диаметрколеса компрессора
DК=а/>
а=1,8 ;b=0.61 – коэффициенты конструктивных соотношений
DК=1,8/>=0,556 мм
Отличие полученных DК от предварительно принятого составляет:
/>0,71% и не превышает допустимых 5%
5. Частотавращения ротора турбокомпрессора на расчетном режиме
nТ=/>
В системе импульсного наддува 6-цилиндрового двигателя типа VASA R32 необходимо иметь одинтурбокомпрессора типа ТК 56.
Вычислитель среднего индикаторного давления NK-5 представляет собойсистему управления работой дизельного двигателя, предоставляющею кривыедавления в функции времени и информацию, получаемую от следующих датчиков:
GT-20 — датчика давления в цилиндре (работаетнепрерывно)
GT-30 — датчика давления впрыска топлива (работаетнепрерывно)
T-17/4- датчика давления продувочного воздуха
GF-1 — магнитного датчика
GH — датчиков поршневых колец
В систему NK-5 входят также цветной информационный дисплейдля показа и флоппи-диск для хранения кривых и другой информации, связанной спроцессом сгорания и впрыска топлива в дизельном двигателе.
Следующие данные могут быть получены от:
ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ В ЦИЛИНДРЕ, тип GT-20 / GE-11. MIP ~ среднее индикаторноедавление. Ртах — максимальное давление сгорания. Рсотр — давление сжатия
Рехр — давление на линии расширения,36 за ВМТ. сортах — уголотносительно ВМТ, при котором происходит Ртах. Load — мощность цилиндра в Квт
ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ ТОПЛИВА, тип GT-30 / GE-11. FPmax ~ максимальное давлениевпрыска топлива
ГРор°п- давление топлива при открытии иглы форсунки. осРореп-угол опережения впрыска топлива /по отношению к ВМТ/. G — продолжительностьподачи топлива в градусах поворота коленчатого вала
ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ ПРОДУВОЧНОГО ВОЗДУХА GT". 7/4 бар. Pscav — давление продувочноговоздуха
ДАТЧИКА ИЗМЕРЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА GF-1
RPM — частота вращения / об/мин /. Положение поршня
NK-108DTR, 030990 3 AUTRONICA
На ЭЛТ-экран дисплея могут быть выведены следующие комбинациикривых/данных:
Кривая/данные давления в цилиндре
Кривая/данные давления впрыска топлива
Кривая/данные давления в цилиндре совместно с кривой/даннымивпрыска топлива
Кривая/данные давления в цилиндре совместно с хранящимися надиске криво/данными давления в цилиндре
Кривая/данные впрыска топлива совместно с хранящимися надиске криво/данными впрыска топлива
Кривые/данные измерений, хрс1Нрщиес; я на диске
Таблица давления по цилиндрам
Общее состояние двигателя
Импульсы от поршневых колец
Как правило/ в систему включается принтер данных/кривых сцветовой печатью, который по запросу копирует представленную на дисплееинформацию./> />
ИЗМЕРЯЕМЫЕ ИВЫЧИСЛЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ И КРИВЫЕ ДАВЛЕНИЯ
/>
/>
/>/>
Списокиспользуемой литературы
1. Возницкий И.В.,Современные судовые среднеоборотные двигатели, Учебное пособие по специальности2405.
2. Волочков В.А. Расчетрабочих процессов судовых дизелей, Москва В/О”МОРТЕХИНФОРЕКЛАМА” 1987
3. Возницкий И.В., КамкинС.В., Шмелев, В.А., Осташенков С.Д. Рабочие процессы судовых дизелей Транспорт1979
4. Wartsila-Sulzer ZAS 40/48 instruction manual