Расчет судового дизеля

 

.

 

3 Теплоемкость смеси воздуха и остаточных газов на ходе сжатия

 

.

Полагаем коэффициент избытка  воздуха (стр. 148, [2]) a = 2,2, тогда

 

C_vc = a_vc + b_vcT = 19,276 + 0,002514563T.

4 Средний показатель политропы сжатия

 

1,3699.

 

5 Давление в конце сжатия

 

10,86 МПа.

 

6 Температура в конце сжатия

 

931 К.

2.4 Расчет процесса  сгорания

1 Теоретически необходимое мольное количество воздуха для сжигания 1 кг топлива определяется по формуле

 

,

 

где C, H, S, O — массовый состав топлива:

C	0,87
H	0,126
S	0,002
O	0,002

 

L₀ = 0,495.

 

0,032.

2 Действительное количество воздуха для сгорания

 

L = aL₀ =  = 1,090 кмоль/кг.

 

3 Химический коэффициент молекулярного изменения

 

1,029.

 

4 Действительный коэффициент молекулярного изменения

 

1,028.

 

 

 

 

5 Доля топлива, сгоревшего в точке z, вычисляется по формуле

 

,

 

где x_z — коэффициент использования тепла в точке z; x_b — коэффициент использования тепла в точке b (стр.154, [2]).

Принимаем x_z = 0,9; x_b = 0,98.

Тогда x_z = 0,918.

 

6 Коэффициент молекулярного изменения в точке z

 

1,026.

 

7 Средняя мольная изохорная теплоемкость в точке z

 

19,784+0,0030T,

 

где 1,064 есть постоянная величина для данного топлива.

 

8 Средняя мольная изохорная  теплоемкость в точке b

 

19,82805491+0,0030T.

 

9 Максимальную температуру сгорания определяем из уравнения

 

, (2.1)

где Q_н — низшая теплотворная способность топлива, (по типу топлива), Q_н = 41868 кДж/кг;

l — степень повышения давления при сгорании (стр. 155, [2]), l = 1,3.

 

19,784+0,0030T_z + 8,314 = 28,098 + 0,0030T_z. (2.2)

 

Подставляя (2.2) в (2.1), получаем квадратное уравнение относительно T_z:

 

0,00314 + 30T_z +(-63437) = 0.

 

 

 

Решая это уравнение, получаем

 

T_z = 1795 К.

 

10 Максимальное давление сгорания

 

p_z = lp_c = 1,3 ∙ 10,86 = 14,12 МПа.

2.5 Расчет процесса расширения

1 Степень предварительного расширения

 

1,52.

 

2 Степень последующего расширения

 

d = e/r = 15/1,52 = 9,85.

 

3 Средний показатель политропы расширения определяем из уравнения

 

,

где T_b — температура в конце процесса расширения, К;

p_b — давление в конце процесса расширения, .

 

Решая последнее уравнение  методом последовательных приближений, находим:

 

n₂ = 1,263.

 

Тогда T_b = 983 К; p_b = 0,784 МПа.

2.6 Определение индикаторных показателей

1 Теоретическое среднее индикаторное давление

 

1,84МПа.

 

 

 

2 Действительное среднее индикаторное давление

 

1,69 МПа.

 

3 Индикаторный удельный расход топлива

 

0,175 кг/(кВт∙ч).

 

4 Индикаторный КПД

 

0,49.

 

5 Индикаторная мощность агрегата

 

N_i = 13,1D²S_zp_in_i = 20350 кВт.

2.7 Определение эффективных показателей

1 Среднее эффективное давление

p_e = p_ih_м = 1,69∙0,94 = 1,59 МПа,

 

где принимаем механический КПД h_м = 0,94.

 

2 Удельный эффективный расход топлива

 

b_e = b_i/h_м = 0,175/0,94 = 0,186 кг/(кВт∙ч).

 

3.Эффективный КПД двигателя

h_e = h_ih_м = 0,49∙0,94 = 0,46.

 

4 Эффективная мощность двигателя

 

N_e = N_ih_м = 19129∙0,94 = 19129 кВт.

 

7.5 Погрешность по p_e

 

D = 0,73 %.

3.РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ  
ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

Расчетную индикаторную диаграмму  строят по данным расчета рабочего цикла. В дальнейшем эта диаграмма является исходным материалом для динамического и прочностного расчетов двигателя. Построение диаграммы выполняют аналитическим или графическим способом. Графические методы построения дают большие погрешности, поэтому в нашем случае использован аналитический способ.

Ординаты точек политропы сжатия и расширения вычисляют по следующим формулам:

 

• для процесса сжатия  ;

 

• для процесса расширения  .

Здесь — отношение объемов, представляющее собой текущее значение степени сжатия.

Теоретическая диаграмма рабочего цикла в этом случае представляется в системе координат p — V/V_c, безразмерной по оси объемов. Соответствующие абсолютные объемы находят путём умножения относительного объёма на величину постоянного объёма камеры сжатия V_c. Для двухтактных дизелей

 

.

 

где — геометрическая степень сжатия.

Данные расчёта сведены  в таблицу.

По таблице построены: диаграмма расчётного цикла и предполагаемая индикаторная диаграмма.

 

 

 

 

 

 

 

 

4.ДИНАМИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ

4.1. Исходные данные для расчета

Радиус кривошипа      r = 2195 мм 

Длина шатуна       L = 3220 мм

Отношение  рад. кривошипа к длине шатуна    0,68

Масса поступательно движущихся частей  m = 10000 кг

Обороты двигателя      n = 104 об/мин

4.2. Расчетные формулы

Силы инерции

где

Движущая сила

Касательные силы

Радиальные силы

Нормальные силы

Поправка Брикса      746,3 мм

Для построения диаграммы  суммарной касательной силы необходимо разделить основание диаграммы  касательных сил на равные части, соответствующие углу заклинки коленчатого  вала. Каждую из этих частей в свою очередь делим на 4 равные части. Алгебраическое сложение одноименных ординат диаграммы одного цилиндра даст ординаты суммарной касательной силы от всех цилиндров. Результаты вычислений заносим в таблицы и по ним строим динамические диаграммы сил дизеля.

5.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ НАДДУВА

Для схемы со свободным турбокомпрессором  и турбиной постоянного давления мощность турбины N_т и мощность на привод компрессора N_к должны быть равны, так же как и значения частоты вращения их колёс: n_т = n_к = n_тк.

5.1 Центробежный компрессор

Свободным называют турбокомпрессор, ротор которого не связан кинематически с коленчатым валом двигателя. Мощность компрессора в расчётах определяют в зависимости от расхода воздуха и давления наддува. Секундный расход воздуха через компрессор, кг/с, определяют по количеству воздуха, необходимому для сгорания топлива:

 

53,4 кг/с,

 

где m_s = 28,95 кг/кмоль — относительная молярная масса воздуха;

N_e = 1 кВт — мощность цилиндров, подключенных к одному турбокомпрессору;

j_a = 1,7 — массовый коэффициент продувочного воздуха ([1], с. 166);

a = 2,2 — коэффициент избытка воздуха (см. разд. 2);

L₀ = 0,495 — теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кмоль/кг (см. разд. 2);

b_e = 0,186 — удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт·ч) (см. разд. 2).

 

Адиабатическая работа сжатия воздуха в компрессоре

 

112 кДж/кг,

 

где k = 1,4 — показатель адиабаты воздуха;

R_s = 0,287 кДж/(кг∙К) — газовая постоянная воздуха;

p_к = 0,312 МПа, давление воздуха за компрессором;

T₀ = 298 °C — температура воздуха перед компрессором;

p₀ = 0,103 МПа — давление воздуха перед компрессором.

 

В действительном компрессоре  имеются потери, поэтому процесс  сжатия оказывается политропическим. Отношение адиабатической работы к  действительной оценивается адиабатическим кпд h_{к ад}.

Полагаем h_{к ад} = 0,84 ([1], стр. 181).

Тогда мощность, потребляемая компрессором

 

7095 кВт,

 

Индикаторная мощность цилиндров, подключенных к одному турбокомпрессору (см. разд. 2): N_i = 20350 кВт.

 

Относительная мощность компрессора

 

 0,349.

5.2 Газовая турбина

Мощность, развиваемая газовой  турбиной, кВт,

 

N_т = G_тL_{т ад}h_тK_E,  (5.1)

 

где G_т — секундный расход газов через турбину; L_{т ад} — адиабатическая работа расширения 1 кг газов в турбине, кДж; h_т — эффективный КПД турбины; K_E — коэффициент импульсности.

Секундный расход газов через  турбину определяется по формуле

.

 

Адиабатическая работа расширения газов в турбине

 

,  (5.2)

 

где k_т = 1,33 — показатель адиабаты расширения газов в турбине ([1], 182); R_т — газовая постоянная отработавших газов (в расчётах принимают R_т = R_s = 0,287 кДж/(кг∙К)); T_т — температура газов перед турбиной, К; p_зт — давление газов за газовой турбиной, p_зт = 0,104 МПа ([1], стр. 183); p_т — среднее давление газов перед турбиной, МПа.

Совместное решение системы  уравнений (5.1) и (5.2) при условии N_т = N_к позволяет определить давление газов перед турбиной, обеспечивающее баланс мощностей турбины и компрессора на заданном режиме:

 

.  (5.3)

 

Температура газов перед  турбиной:

 

,  (5.4)

 

где — средние молярные изобарные теплоёмкости соответственно воздуха, продуктов сгорания, смеси продуктов сгорания с избыточным продувочным воздухом, кДж/(кмоль·К); b₀ — коэффициент молярного изменения; T_г — температура продуктов сгорания по состоянию в выпускном коллекторе, К.

Входящие в последнюю  формулу величины могут быть вычислены  следующим образом.

• Изобарная теплоемкость воздуха

 

 28,4 кДж/(кмоль∙К).

 

• Изобарная теплоемкость продуктов  сгорания

 

 31,6 кДж/(кмоль∙К).

 

• Теплоемкость смеси газов перед  турбиной

 

 30,32 кДж/(кмоль∙К).

 

• Температура продуктов сгорания

 

.  (5.5)

 

Полагаем ([1], стр. 183):

• h_т = 0,84;
• K_E = 1.

Уравнение (5.3), как следует  из (5.4) – (5.5), содержит неизвестную величину p_т как в левой, так и в правой части. Чтобы найти p_т воспользуемся входящей в состав Excel надстройкой «Поиск решения», где подбирается значение p_т при условии N_т – N_к = 0.

 

В результате получено значение

 

p_т = 0,283 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫБОР ТОПЛИВА И МАСЛА

Выбираем тяжелое топливо  для двигателя K80MC-C фирмы MAN B&W. По стандарту ISO8217- это топливо марки RMH55. По стандарту CIMAC- это топливо марки Н55. В качестве второго топлива выберем мазут топочный 40 отечественного ГОСТа.

Эти топлива  имеют следующие характеристики:

	RMH55	Мазут40
Плотность при 15 ºС, кг/м	991	965
Кинематическая  вязкость, мм /с (сСт)
при температуре 50 ºС	700	260
при температуре 100 ºС	55	-
Температура вспышки, ºС	60	90
Температура застывания, ºС (зимой/летом)	30/30	25/25
Коксовый  остаток, %	22	-
Общий остаток  после старения, %	0,1	-
Содержание:
воды, %	1,0	1,5
золы, %	0,2	0,12
серы, %	5,0	3,5
ванадия, мг/кг	600	-
алюминий + силициум, мг/кг	80	80

 

В качестве резервного топлива  выбираем дизельное топливо стандарта  ISO8217 — марки DMA, а также дизельное топливо отечественного стандарта марки З (зимнее) ГОСТ 305-82.

Эти топлива  имеют следующие характеристики:

	DMA	З
Плотность при 15 ºС, кг/м	890	840
Кинематическая  вязкость, мм /с (сСт)
при температуре 40 ºС	1,5-6	1,8-5
Температура вспышки, ºС	60	40
Температура застывания, ºС (зимой/летом)	-6/0	-45/-35
Коксовый  остаток, %	0,3	0,03
Цетановое число	40	45
Содержание:
воды, %	0	0
золы, %	0,01	0,01
серы, %	1,5	0,5
ванадия, мг/кг	-	-
алюминий+силициум, мг/кг	-	-

 

Выбираем масло

 

Масла, рекомендованные  заводом изготовителем для малооборотных главных двигателей

 

Тип	Циркуляционное масло	Цилиндровое масло
Требования	SAE 30  TBN5-10	SAE 50  TBN70-80
Производители
Elf BP Castrol Chevron Exxon Fina Mobil Shell Texaco	Atlanta Marine D3005 Energol OE-HT30 Marine CDX 30 Veritas 800 marine Exxmar XA Alcano 308 Mobilgard 300 Melina 30/30S Doro AR30	Talusia 3020 CLO 50-M S/DZ 70 cyl. Delo Cyloil Special Exxmar X70 Vegano 570 Mobilgard 570 Alexia 50 Taro Special