Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Одесская национальная морская академия

Кафедра: СЭУ

Курсовой проект

по дисциплине

Судовые двигатели внутреннего сгорания

на тему:

«Расчет процессов в судовом двигателе внутреннего сгорания»

Одесса - 2013

Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко применяются в промышленности и во всех видах транспорта, благодаря высокой экономичности по удельному расходу топлива, значительному моторесурсу. На морском транспорте они занимают доминирующее положение. В качестве главных дизелей на судах применяют двухтактные, крейцкопфные, реверсивные, с наддувом, мало- и среднеоборотные двигатели. Это такие двигатели как “B&W”, “Sulzer”, “Fiat”, “БМЗ” и др.

ДВС представляет собой такую тепловую машину, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива в камере сгорания внутри самого двигателя, т. е. химическая энергия топлива превращается в механическую работу непосредственно в рабочем цилиндре. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с распыленным топливом, а на втором - (после воспламенения и сгорания топлива) - продукты сгорания топлива - газы, которые, расширяясь, совершают работу.

По сравнению с другими типами тепловых двигателей ДВС обладают существенными преимуществами. Горячий источник тепла у этих двигателей находится как бы внутри самого двигателя, что приводит к компактности ДВС - отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод теплоты от горячего источника к рабочему телу, как это имеет место в циклах пароэнергетических установок. В ДВС предельные значения непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, получающего теплоту за счет тепловыделения в объеме самого рабочего тела, существенно превосходят предельные значения температур рабочего тела тепловых машин с подводом теплоты от внешнего горячего источника. Экспериментальные исследования показывают, что значительно улучшается использование теплоты топлива при введении предварительного сжатия воздуха вне цилиндра двигателя, т. е. при применении наддува.

Эффективность превращения теплоты газов в полезную работу двигателя повышается также в случае применения последующего расширения газов вне рабочего цилиндра (например, на лопатках газовой турбины) до давления, близкого к давлению внешней среды.

По мере совершенствования выпускаемых двигателей сохраняются те конструктивные решения, которые хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации предшествующих моделей. Даже поверхностный обзор судовых дизелей дает возможность заметить, что их конструкция меняется постепенно в результате внесения в те или иные узлы изменений, необходимость которых обусловлена обеспечением более надежной эксплуатации двигателя новой модели.

1. Анализ конструкции двигателя 5L50MC фирмы «MAN - B&W»

Общая компоновка двигателя предоставлена на чертеже поперечным разрезом. Это двухтактный, крейцкопфный, реверсивный двигатель с прямоточно-клапанной продувкой и газотурбинным наддувом.

Эта модель является сверхдлинноходовой с отношением S/D = 3,25.

Рис. 1. Поперечный разрез двигателя MAN B&W 5L50MC

1.1 Группа деталей остова

Фундаментная рама (поз.1 на рис.1.) выполнена монолитной с размещением цепного привода и упорного подшипника в кормовом конце двигателя. Она состоит из высоких сварных продольных и поперечных бачок с литыми постелями подшипников. Для крепления к судовому фундаменту используются болты и приспособления для гидрозатяжки. Фундаментная рама изготавливается без уклона в случае установки на эпоксидных клиньях или с уклоном 1:100 при установке на чугунных клиньях. К ней приваривается масляный поддон из стального листа.

Ромовые подшипники состоят из стальных вкладышей, залитых белым металлом.

Картер выполняется литым или сварным. На стороне выпуска двигателя предусмотрены предохранительные клапаны и люки для каждого цилиндра. Картер соединяется с фундаментной рамой винтами. Анкерные связи выполнены цельными. Для каждой анкерной связи в верхней части картера предусмотрены эластичные стопорные устройства.

Блок цилиндров изготовлен из чугуна. Совместно с цилиндровыми втулками он образует полость продувочного воздуха и водяную охлаждающую полость. В верхней части отсека цепного привода установлен блок звездочек. На стороне распределения двигателя блоки цилиндров снабжены лючками для очистки полости продувочного воздуха и осмотра продувочных окон. К блоку цилиндров крепятся коробка распределительного вала и лубрикаторы, а также маслопроводы подачи масла для охлаждения поршней и для смазки. На днище блока цилиндров располагается сальник поршневого штока с уплотнительными кольцами для продувочного воздуха и маслосъемными кольцами, препятствующими попаданию масла в продувочную полость.

В верхней части блока цилиндров расположен подвод охлаждающей пресной воды. Кроме того, в нем имеются сливы из сальников поршневых штоков.

Втулки цилиндров (5) отлиты из легированного чугуна и подвешены в блоках с помощью низко расположенных фланцев. Верхняя часть втулки окружена чугунной охлаждающей рубашкой. Втулка цилиндра имеет продувочные окна и сверления для штуцеров цилиндровой смазки.

Крышка цилиндра (6) откована из стали, цельная, со сверлениями для охлаждающей воды. Она имеет центральное отверстие для выпускного клапана и каналы для двух форсунок, предохранительного и пускового клапанов и индикаторного крана. Крышка цилиндра присоединяется к блоку цилиндра шпильками и гайками.

1.2 Группа деталей движения

Коленчатый вал (2) - полу составной. Он может быть выполнен из литых стальных кривошипов с холоднокатаными шейками для 4...6-цилиндрового двигателя и из кованых стальных кривошипов для 4... 9-цилиндрового двигателя. Он включает в себя также и упорный вал. На кормовом конце вал имеет фланец для маховика и соединения с промежуточным валом, на носовом конце - фланец для установки, при необходимости, дополнительного маховика и/или противовесов. Фланец может быть также использован для отбора мощности.

Шатун (3) изготовлен из стальной поковки и комплектуется крышками подшипников из чугуна для крейцкопфных (головных) и мотылевого подшипников.

Поршень (10) состоит из головки и юбки. Головка изготовлена из жаростойкой стали и имеет четыре поршневые канавки, хромированные по верхней и нижней поверхностям. Юбка поршня чугунная.

Шток поршня (12) - стальной кованый с упрочнением рабочей поверхности; он проходит через сальник, соединяется с крейцкопфом четырьмя болтами. В центральном сверлении штока установлена труба охлаждающего масла, образующая каналы для его подвода и отвода.

Крейцкопф (13) откован из стали и снабжен башмаками из мелкозернистого чугуна, рабочие поверхности которых залиты белым металлом. Кронштейн на крейцкопфе служит опорой для телескопической трубы, подающей смазочное и охлаждающее масло к крейцкопфу, поршню и мотылевому подшипнику. Выпускная труба масла для охлаждения поршня крепится к противоположному торцу крейцкопфа. Крышки головных и мотылевого подшипников крепятся к шатуну шпильками и гайками. Головной подшипник состоит из комплекта стальных тонкостенных вкладышей, залитых антифрикционным сплавом. Крышка крейцкопфного подшипника -- цельная, с вырезом для поршневого штока.

Мотылевый подшипник имеет стальные тонкостенные вкладыши, залитые антифрикционным сплавом. Смазочное масло подается по каналам в крейцкопфе и шатуне.

1.3 Элементы систем топливной и смазки

Двигатель оборудован индивидуальными топливными насосами высокого давления (ТНВД) для каждого цилиндра. ТНВД состоит из корпуса насоса из мелкозернистого чугуна и расположенных по центру втулки и плунжера из азотированной стали. Во избежание смешивания топлива с маслом привод насоса снабжен уплотнительным устройством. Насос приводится топливным кулачком, а дозировка топлива осуществляется поворотом плунжера зубчатой рейкой, которая связана с механизмом регулирования. Регулировка опережения подачи осуществляется установкой прокладки между верхней крышкой и корпусом насоса. Топливный насос снабжен перепускным клапаном. В положении аварийной остановки клапан направляет топливо обратно на всасывание насоса и таким образом предотвращает открытие топливом форсунок. Открытие форсунок производится топливом высокого давления, создаваемого ТНВД, а закрытие осуществляется пружиной. Автоматический золотник обеспечивает циркуляцию топлива между форсункой и трубками высокого давления и предотвращает заполнение камеры сгорания топливом в случае заедания иглы форсунки или при остановленном двигателе. Топливо от выпускного золотника и других стоков отводится в закрытую систему. Двигатель снабжается одним или двумя лубрикаторами цилиндровой смазки, которые устанавливаются на переднем конце блока цилиндров. Они имеют возможность регулирования подачи масла и сохраняют в основном эту подачу пропорционально частоте вращения двигателя.

1.4 Элементы газовоздушных систем

Воздух засасывается турбокомпрессором (ТК, 9) непосредственно из машинного отделения через фильтр-глушитель всасывания. Из ТК через нагнетательный патрубок, охладитель наддувочного воздуха (ОНВ, 4) и ресивер продувочного воздуха он поступает к продувочным окнам втулок цилиндров. Нагнетательный патрубок между ТК и ОНВ снабжен компенсатором и имеет тепловую изоляцию снаружи.

Двигатель оснащается турбокомпрессором МАN В&W или АВВ, устанавливаемым на кормовом конце двигателя. ТК частично охлаждается пресной водой, оборудован электронным тахометром с датчиками показывающего прибора, находящегося в ЦПУ. Кроме того, имеется охладитель наддувочного воздуха моноблочного типа для обычного охлаждения забортной водой рабочим давлением 2,0...2,5 бар или для центрального охлаждения пресной водой рабочим давлением не более 4,5 бар; перепад температур между продувочным воздухом и водой на входе не должен превышать 12 °С.

От выпускных клапанов газы направляются в выпускной коллектор (7), где выравниваются пульсации давления от отдельных цилиндров. В ТК газы поступают при постоянном давлении. После ТК они направляются в газовыпускной трубопровод. Между выпускными клапанами и коллектором, а также между коллектором и ТК установлены компенсаторы.

Система пускового воздуха включает главный пусковой клапан, невозвратный клапан, разрывную диафрагму предохранительного клапана на трубопроводе к каждому цилиндру, воздухораспределитель пускового воздуха и пусковые клапаны на каждом цилиндре. Главный пусковой клапан связан с системой управления пуска двигателя.

1.5 Система управления и регулирования

Двигатель снабжен пневмоэлектрической системой управления и регулирования подачи топлива. Система передает команды от пульта управления к двигателю.

Система регулирования позволяет запускать, останавливать и реверсировать двигатель, управлять частотой вращения. Рукоятка управления скоростью на пульте управления выдает сигнал задания скорости регулятору в зависимости от желаемой частоты вращения. При выполнении функции "Остановка" впрыск топлива прекращается действием перепускных клапанов в ТНВД независимо от положения рукоятки управления скоростью.

Реверсирование осуществляется переводом рукоятки телеграфа из положения "Вперед" на "Назад" и переводом рукоятки управления скоростью из положения "Стоп" в положение "Пуск". Затем управляющий воздух реверсирует воздухораспределитель пускового воздуха и с помощью пневмоцилиндра перемещает переводной ролик толкателя привода топливного насоса, после чего топливные насосы занимают положение для работы "Назад".

Двигатель снабжен установленным на боковой стороне местным постом управления и щитом приборов для аварийной работы.

Частота вращения двигателя регулируется механико-гидравлическим регулятором Вудварда типа UG 8. На рис. 2 изображен регулятор частоты вращения UG - 8 с ГОС и ЖОС.

Рис. 2. Регулятор частоты вращения UG - 8

Прочее оборудование

Упорный подшипник типа B&W-Michell состоит, в первую очередь, из упорного гребня на коленчатом валу, опоры подшипника и чугунных сегментов, залитых белым металлом. Упорный вал является неотъемлемой частью коленчатого вала. Упор гребного винта передается через упорный гребень, сегменты и фундаментную раму фундаменту двигателя и концевым клиньям. Упорный подшипник получает смазку от системы смазки двигателя.

Маховик валоповоротного устройства имеет цилиндрические зубцы и крепится к фланцу упорного вала. Он вращается шестерней редуктора валоповоротного механизма, смонтированного на фундаментной раме. Валоповоротный механизм приводится электродвигателем с встроенной передачей и тормозом. Валоповоротное устройство оборудовано блокировкой, не допускающей запуска двигателя при включенном положении. Включение и выключение валоповоротного устройства осуществляется вручную путем осевого перемещения шестерни.

В базовом исполнении двигатель оборудован индикаторным приводом. Он состоит из кулачка, установленного на распределительном валу, и подпружиненного толкателя с роликом, движущегося возвратно-посту-пательно в соответствии с движением поршня в цилиндре двигателя. В верхней части толкатель имеет ушко, к которому присоединяется индика-торный шнур после установки индикатора на кране.

Двигатель оборудован демпфером продольных колебаний, который устанавливается на носовом конце коленчатого вала. Демпфер состоит из поршня и разъемного корпуса, расположенного в нос от переднего ромового подшипника. Поршень выполнен в виде цельного гребня на ромовой шейке, а корпус прикреплен к опоре ромового подшипника. Имеется механическое устройство для проверки функционирования демпфера.

Прямоточно-клапанная продувка осуществляется с помощью одного клапана большого диаметра, расположенного в центре крышки цилиндра, клапан имеет гидравлический привод и крылышки для проворачивания, что повышает надежность их сопряжения с седлами, охлаждение клапана седла производится по сверленым клапанам.

Использование такой схемы продувки дало возможность применить простую симметричную конструкцию цилиндровой втулки, в нижней части которой расположены продувочные окна, равномерно распределенные по всей окружности втулки. Оси каналов, образующих продувочные окна, направлены по касательной к окружности цилиндра, что создает закручивание потока воздуха при его поступлении в цилиндр. Это обеспечивает очистку цилиндра от продуктов сгорания с минимальным перемешиванием продувочного воздуха и остаточных газов, а также улучшает смесеобразование в камере сгорания, так как вращение воздушного заряда сохраняется и с момент впрыска топлива.

Поршень двигателя имеет стальную головку, выполненную из молибденовой жаростойкой стали, и очень короткий чугунный тронк. В связи с периферийным расположением форсунок днище поршня имеет полусферическую форму. Равномерный обдув днища поршня холодным воздухом при продувке позволил фирме сохранить масляное охлаждение поршня.

Рис. 3. Поршень двигателя

Задание

1. Расчет рабочего процесса

Основной целью расчета является определение технико-экономических показателей дизеля, оценка их соответствия конкретному двигателю на номинальном режиме работы. При этом определяются основные параметры цикла, индикаторные и эффективные показатели дизеля: индикаторный кпд h_i , среднее индикаторное давление p_i, индикаторная мощность N_i, удельный индикаторный расход топлива b_i, часовой расход топлива B_ч, среднее эффективное давление p_е, эффективная мощность N_е, удельный эффективный расход топлива b_е, эффективный кпд h_e .

В основу расчета рабочего процесса дизеля положены термодинамические круговые циклы преобразования теплоты сгораемого топлива в механическую работу, математическое описание которых базируется на первом и втором законах термодинамики, уравнениях состояния рабочего тела и массового баланса его компонентов.

Расчет выполняется по методу В.И. Гриневецкого, Е.К. Мазинга, Н.Р.Брилинга, в который введены некоторые изменения и дополнения алгоритма расчета, позволяющим использовать простейшие вычислительные средства - микрокалькуляторы. Расчет рабочего процесса, с целью более глубокого его анализа, может быть выполнен численным моделированием на ЭВМ, при этом используется алгоритм, обладающий большей информативностью.

При оценке соответствия расчетных технико-экономических показателей дизеля конкретному, принятому в расчетах двигателю расчет выполняется методами последовательных приближений.

Задаваясь давлением сжатия воздуха в компрессоре p_k, определяют все показатели цикла вплоть до среднего эффективного давления p_e. Сравнивая полученное значение p_e с его величиной у данного двигателя на расчетном режиме, делают вывод о достаточности принятого давления p_k для обеспечения заданной мощности.

При отклонении p_e сверх допустимого необходимого изменить давление p_k пропорционально требуемому изменению p_e и повторить расчет до совпадения результатов.

Последовательность расчета рабочего процесса дизеля и параметров расчетной индикаторной диаграммы приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчет рабочего процесса

Таблица 2 - Расчет индикаторной диаграммы

Значение среднего индикаторного давления, определенного по индикаторной диаграмме:

p_iд = 1,798 МПа.

Расхождение значений среднего индикаторного давления, рассчитанного аналитически и определенного по индикаторной диаграмме:

2. Расчет наддува

Повышение мощности дизеля при сохранении размеров цилиндров, их числа и частоты вращения коленчатого вала производится за счёт увеличения цикловой подачи топлива. Качественное сгорание увеличенных доз топлива в цилиндрах обеспечивается возросшим воздушным зарядом. Размещение такого заряда в цилиндрах с сохранившимся объёмом возможно лишь при повышении плотности воздуха.

Увеличение массы воздушного заряда цилиндра при газообмене за счёт предварительного сжатия воздуха в компрессорах называется наддувом. Поскольку при сжатии воздуха в современных компрессорах он интенсивно нагревается, что ведёт к увеличению плотности воздушного заряда и возрастанию теплонапряжённости деталей цилиндро-поршневой группы, наддувочный воздух необходимо охлаждать. Наддвувочные компрессоры современных двигателей внутреннего сгорания получают энергию от газовых турбин, работающих на отработавших газах. Как правило, турбина и компрессор объединены в одном агрегате - турбокомпрессоре. Таким образом, современные дизели с наддувом - это поршневые двигатели с турбокомпрессорами и охладителями наддувочного воздуха.

Основной целью расчёта системы наддува является оценка достаточности энергии газов для организации наддува. При этом определяются следующие основные величины:

производительность турбокомпрессора (расход воздух через компрессор G_s и расход газов через газовую турбину G_Т);

количество турбокомпрессоров i_к,

потребная мощность компрессора N_к,

располагаемая мощность газовой турбины N_Т;

оценивается баланс мощности между турбиной и компрессором.

Последовательность расчета приведена в таблице 3.

Исходные данные для расчета системы наддува принимаются из расчета рабочего цикла.

Таблица 3 Последовательность расчёта энергетического баланса системы наддува

Выводы

1. Современные судовые энергетические установки в качестве главных двигателей комплектуются двигателями внутреннего сгорания, позволяющими наиболее эффективно по сравнению с другими тепловыми машинами преобразовывать энергию топлива в полезную работу.

2. Тенденция развития современных судовых дизелей сводится к дальнейшему увеличению цилиндровой мощности и уровня форсировки дизелей; применением наддува высокой степени; переходом к длинноходовым, малооборотным моделям.

3. Рассматриваемый дизель L50MC полностью удовлетворяет требованиям к данному типу дизелей.

4. Рабочий процесс, происходящий в цилиндре дизеля, представляет собой взаимосвязь целого ряда параметров. Целью расчёта рабочего процесса является определение оптимальных параметров системы наддува и конструктивных характеристик дизеля, обеспечивающих наилучшие энергетические (индикаторное давление и индикаторную мощность) и экономические (индикаторный расход топлива и индикаторный КПД) показатели его работы.

5. Для повышения мощности дизеля и обеспечения его надежной работы все современные дизели комплектуются системами наддува. Основными показателями системы наддува дизеля являются мощность газовой турбины и мощность воздушного компрессора, количество турбокомпрессоров, обеспечивающих заданную степень наддува. Для рассматриваемого в проекте дизеля необходимо использовать один турбокомпрессор.

двигатель дизель топливный номинальный

Список использованной литературы

1. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания: Учеб-ник. - Л.: Судостроение, 1977.

2. Гаврилов В.С., Камкин С.В., Шмелев В.П. Техническая эксплуа-тация судовых дизельных установок. - М.: Транспорт, 1985.

3. Самсонов В.И., Худов Н.И. Двигатели внутреннего сгорания морских судов: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1990. - 368 с.

4. Судовые двигатели внутреннего сгорания: учебник для ВУЗов/ Ю. Я. Фомин, А.И. Горбань, Ю.В. Добровольський, А.И. Лукин и др. - Л.: Судостроение, 1989. - 344 с.

Размещено на Allbest.ru