Расчет судового дизеля

 

Министерство образования и науки, молодёжи и спорта Украины

Одесская Национальная Морская  Академия

 

 

 

Курсовой проект

с дисциплины

"Судовые дизельные  установки"

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                        Выполнил:

 курсант СМФ

                                                                                   гр 2144

Топтыгин Р.В.

 

 

Одесса 2012

 

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................3

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ...................................5
2. РАСЧЕТ ИНДИКАТОРНОГО ПРОЦЕССА............................................11
3. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ  ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ............................................................................................17
4. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ....................................................................20
5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ НАДДУВА.......................23
6. ВЫБОР ТОПЛИВА И МАСЛА................................................................27
7. Расчет прочности и конструктивные расчеты;
8. Узловые вопросы;
9. Выводы;
10. Список использованной литературы;

 

Графическая часть состоит  из:

1. Диаграмма рабочего цикла и динамические показатели;
2. Поперечный разрез двигателя;
3. Узловой вопрос;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Развитие судовой теплоэнергетики направлено прежде всего на дальнейшее повышение цилиндровых и агрегатных мощностей дизелей путем увеличения степени форсирования, обеспечение большей надежности при помощи совершенствования конструкции, использование новых материалов, улучшение качества изготовления отдельных деталей и узлов, снижение шума, вибрации, токсичности выпускных газов. Важным средством снижения эксплуатационных расходов являются меры по использованию в двигателях более дешевых сортов топлива, по интенсификации процессов смесеобразования и сгорания топлива, увеличению степени использования теплоты выпускных газов и охлаждающей воды, внедрению наиболее эффективных средств автоматизации и совершенствованию методов эксплуатации СЭУ.

Создание высокофорсированных  дизелей связано с проведением  большого объема исследований по доводке  систем наддува и топливоподачи, организации процесса сгорания больших  порций топлива в малом объеме. Особое внимание при этом направлено на решение проблем теплонапряженности, так как с увеличением степени  форсирования (удельной мощности) возрастает нагрузка на детали двигателя. Для упрочнения деталей остова перспективным является применение решетчатых фундаментных рам, представляющих собой каркас из отдельных  балок, закрытых тонкими металлическими или пластмассовыми листами. Поршни некоторых высоконапряженных дизелей  выполняют составными с трубчатым змеевиком для охлаждения, вмонтированным в стальную головку.

Для уменьшения износа пары поршень — цилиндр шатуны у  ряда дизелей имеют сферическую  верхнюю головку, благодаря чему обеспечивается вращение поршня при  работе дизеля. Есть варианты конструкций  поршней без поршневых колец. Уплотнение этих поршней обеспечивается воздушно-масляной эмульсией, подаваемой в зазор между поршнем и  цилиндром специальным насосом. Ведутся работы по конструированию  новых схем механизмов газораспределения  с гидравлическим и электромагнитным приводом клапанов, благодаря чему можно увеличить надежность и  снизить звуковое давление (шум) в  машинных помещениях при эксплуатации дизелей. Дизелестроительные предприятия готовятся к выпуску двигателей с периодом необслуживаемой работы около 240 ч. Для повышения надежности при конструировании дизелей все в большей степени используют принципы унификации и агрегатирования, когда различные дизели, скомпонованные из однотипных модулей (элементов), для удобства монтажа, демонтажа и обслуживания легко расчленяются на отдельные агрегаты и блоки. Особое внимание уделяют качеству изготовления деталей и применению в дизелестроении новых наиболее прочных и износоустойчивых материалов. Наряду со сталью, чугуном, цветными металлами в последнее время все большее применение получают изделия из пластмасс и керамических материалов. Пластмассы с включением армирующих волокнистых материалов обладают небольшой массой и относительно высокими прочностными характеристиками.  Простота изготовления большинства деталей из армированной пластмассы прессованием, при котором исключается их механическая и термическая обработка, существенно влияет на снижение стоимости дизелей, а из-за небольшой массы движущихся пластмассовых деталей уменьшаются силы инерции, уровень шума и вибрации двигателей. Особый интерес представляют детали из керамических материалов. Они, как и пластмассы, имеют меньшую массу, меньшую стоимость и, кроме того, обладают высокими термостойкостью, теплоизолирующими и антикоррозионными свойствами. Тепловые процессы в ДВС с деталями из керамики могут протекать при более высоких температурах и значительно меньших потерях теплоты.

Фирмы Японии, США и ФРГ уже построили опытные автомобильные двигатели с деталями из пластмасс и керамических материалов. Определенная работа по повышению механических свойств этих материалов при изгибе, ударных и вибрационных нагрузках проводится и в нашей стране. Существенным недостатком дизелей является передача ими энергии к потребителю через кривошипно-шатунный механизм. Возникающие при этом неуравновешенные силы и моменты инерции вызывают вибрацию СЭУ и корпуса судна, приводят к неравномерности вращения и крутильным колебаниям валопровода. Поэтому наряду с совершенствованием дизелей обычной конструкции в нашей стране и за рубежом ведутся работы по созданию новых типов двигателей с принципиально новой конструкцией деталей цилиндропоршневой группы.

 

 

Рис.1 Поперечный разрез двигателя

 

 

 

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ

 

Расшифровка двигателя K98MЕ:

1. К - отношение ходя к диаметру поршня ~2,8;
2. 98 - диаметр поршня  в см
3. М - программа двигателя;
4. Е - контроль с помощью электроники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особенности конструкции

Двигатель K98MЕ/МC-С фирмы MAN B&W – двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с газотурбинным наддувом, с прямоточно-клапанной системой газообмена. Двигатель предназначен для работы в качестве главного с прямой передачей на гребной винт. Благодаря преимуществам прямоточно-клапанной системы газообмена в организации рабочего процесса он зарекомендовал себя достаточно экономичным, с высокой степенью использования объема цилиндров в рабочем процессе.

Фундаментная рама больших  двигателей стальная и состоит из продольных балок с приваренными к ним стальными поперечными  балками с литыми стальными постелями  рамовых подшипников. в двигателях малой размерности используются чугунные литые рамы. Рамовые подшипники залиты белым металлом. Упорный подшипник встроен в кормовой конец рамы.

Станина, образующая картер, стальная, цельносварная. В малоразмерных  двигателях чугунная, литая.

Блоки, представляющие собой  рубашки цилиндров,отливаюся из чугуна и соединяются в цельную жёсткую конструкцию болтами.

Все элементы остова связаны  анкерными связями, освобождающими их напряжений растяжения, возникающих  от давления газов.

Втулки цилиндров имеют  массивный фланец, охлаждаемый с  помощью сверлений, по которым пропускается вода.

Массивная крышка цилиндра опущена вниз и воспринимает на себя большую часть тепловых потоков, тем самым, в известной мере разгружая  от них втулку. В зависимости от величины двигателя и нагрузки, с  которой он эксплуатируется, вставляемые  в сверления трубки могут быть с изоляцией или без нее. Расположение охлаждающих клапанов, наличие или отсутствие изоляции служат целям поддержания температуры втулки, при которой отсутствовала бы сернистая коррозия( температура должна быть выше точки росы) и, одновременно, - не выше температур, при которых будет нарушаться режим смазки рабочей поверхности. В двигателях малой размерности массивный фланец и охлаждающие сверления отсутствуют.

Крышка цилиндра. Массивная стальная, снабженная для сверления прохода охлаждающей воды. В крышке устанавливаются выхлопной клапан, форсунки( две или три),пусковой и предохранительный клапаны, и индикаторный кран.

Выхлопной клапан. Открытие клапана осуществляется посредством  гидропривода, закрытие - пневматической пружиной. Вращение клапана обеспечивается устанавливаемым на штоке импеллером (крылаткой). Устранению ударов при посадке клапана на седло служит масляный демпфер, мягкая посадка продлевает ресурс седла. Изготовлен клапан из нимоника, интенсивно охлаждаемое седло устанавливается в крышку цилиндра. Образующаяся полость охлаждения уплотняется силиконовыми кольцами, которые через 1,5-2 тыс. часов начинают пропускать воду. В более поздних модификациях нижнее кольцо заменено на разрезное, подпружиненное, фторопластовое кольцо, ресурс которого увеличился в три раза.

Рабочая поверхность седла  имеет стеллитовую наплавку, хорошо противостоящей высокотемпературной  коррозии. Появление на седле пятен  прогара не рекомендуется устранять  до те пор, пока не появятся сквозные канавки: обычно ресурс пары клапан - седло составляет 20-25 тыс.часов.

В целях повышения ресурса  клапана фирма MAN B&W начала производство клапанов Duracel с наплавкой на посадочную поверхность хромо - никелевого сплава (Inconel), выдерживающего высокие температуры. По своим показателям этот сплав превосходит такие известные сплавы, как Нимоник, и позволяет продлить срок службы клапана на период между очередными докованиями судна. Одновременно и использованием справа    Inconel  фирма перешла на конструкцию седел с двумя камерами (W - образная посадочная поверхность седла). Эффект такой конструкции седла состоит в том, что частицы кокса, попадающей между тарелкой клапана и седлом, дробятся и удаляются потоком газов, не приводя к возниканию обычно возникающих язвин на тарелке. Корпус клапана устанавливается на крышку и охлаждается водой.

Коленчатый вал полусоставного типа, с прессовой посадкой рамовых шеек в щеки вала.В кормовой части вала имеется упорный гребень, на наружном диаметре которого в целях экономии длины распологается звездочка цепного привода распределительного вала. В двигателях с размерностью более 80 см и с большим числом цилиндров цепной  привод размещается в середине двигателя между двумя цилиндрами. На носовом свободном конце вала устанавливается демпфер продольных колебаний.Шатун. В целях экономии высоты шатун сделан относительно коротким,нижняя половинка крейцкопфного подшипника, несущая основную нагрузку, изготовлена более широкой, чем верхние, нагружаемые только силами инерции. Мотылёвые  подшипники на всех двигателях тонкостенные, залитые белым металлом.Шток поршя шлифован и термически обработан для придания ему большей твёрдости и износостойкости, что позволяет увеличить удельное давление уплотнительных колец сальника и одновременно увеличить его долговечность при истирании.Сальник штока предназначен для уплотнения, как со стороны картера, так и со стороны подпоршневой полости ( исключить попадание отработанного цилиндрового масла в картер).В системах аккумуляторного типа между ТНВД и форсунками содержится аккумулятор, накапливающий топливо в пределах нескольких циклов, что позволяет сглаживать пульсации давления от работы насоса(-ов) и форсунок, а также позволяет осуществлять впрыскивание в любой момент времени, вне зависимости от положения коленчатого вала, о чем было упомянуто выше. Данная особенность позволяет точнее дозировать порции топлива, а также время их впрыскивания, что важно для приближения к оптимальным значениям для каждого отдельно взятого цикла. Два основных ограничивающих экологических фактора для дизельных двигателей - это выбросы оксидов азота NOx и выбросы твердых частиц, сажи. Эти параметры находятся в обратной зависимости в силу организации рабочего процесса в дизеле, и при снижении одного из них путем регулировки рабочего процесса, неизбежно получается повышение второго. Для снижения эмиссии оксидов азота наиболее действенным на сегодняшний день методом является применение рециркуляции части отработавших газов EGR с выпуска двигателя на впуск. Но применение EGR ведет к увеличению выбросов сажи, для борьбы с которыми (без применения внешней обработки отработавших газов) эффективным является увеличение давления впрыскивания топлива одновременно с точным его дозированием. Увеличение давления впрыскивания приводит к лучшему распыливанию топлива, к уменьшению размера капель и как следствие, к уменьшению количества несгоревшего топлива, которое и является основным источником образования сажи. Топливные насосы высокого давления. Фирма MAH применяет насосы золотникового типа с регулированием по каонце подачи, но в конструкции насоса предусмотрена возможность изменения угла опережения путём путём перемещения втулки плунжера вверх или в низ. При опускании втулки вниз плунжер раньше перекроет впускное отверстие во втулке, раньше начнётся сжатие топлива и подача его к форсунке и в цилиндр.Реверсирование топливоподачи осуществляется путём углового смещения ролика привода ТНВД в одно из фиксированных положений - вперед или назад. Перемещение достигается изменением положения поршня пневматического сервомотора.      

2.РАСЧЕТ ИНДИКАТОРНОГО ПРОЦЕССА

2.1 Исходные данные  по двигателю K98ME

Цилиндровая мощность,	Neц, кВт	6230
Диаметр поршня,	D, м	0,980
Ход поршня,	S, м	2,660
Обороты двигателя,	n, об/мин	97
Тактность		2
Число цилиндров,	i	6
Коэффициент тактности,	z	1
Давление  окружающей среды,	p0, МПа	0,103
Температура окружающей среды,	T0, К	298
Показатель  политропы сжатия в компрессоре,	nк	1,7

Рабочий объем цилиндра

 

 2.005 м³.

 

Среднее эффективное давление

 

1,60 МПа.

 

Давление наддува

 

p_к = 0,195∙p_e = 0,195∙1,60 = 0,312 МПа.

2.2 Расчет процесса  наполнения

1 Принимаем:

температура забортной воды	Tзв, К	298
подогрев заряда от стенок цилиндра	DTa, К	10
температура остаточных газов	Tr, К	800
коэффициент остаточных газов	gr	0,03
потеря давления в воздухоохладителе	Dpохл, МПа	0,003

2 Температура воздуха за компрессором

 

 470 К.

3 Температура воздуха перед двигателем

 

T_s = T_зв + 10 = 318 К.

 

4 Снижение температуры в воздухоохладителе

 

 152 К.

 

5 Температура заряда к концу процесса наполнения

 

 342 К.

 

6 Давление воздуха перед двигателем

 

 0,309 МПа.

 

7 Давление заряда к концу процесса наполнения

 

p_a = p_s = 0,266 МПа.

 

8 Коэффициент наполнения

 

 0,766,

 

где e = 15 — степень сжатия.

2.3 Расчет процесса  сжатия

1 Средняя мольная изохорная теплоемкость воздуха, кДж/(кмоль∙К):

 

.

 

2 Средняя мольная изохорная  теплоемкость чистых продуктов  сгорания, кДж/(кмоль∙К):