Тепловой расчёт главного двигателя. тепловой расчет. 10. Тепловой расчёт главного двигателя. План

• Название: 10. Тепловой расчёт главного двигателя. План
• Анкор: Тепловой расчёт главного двигателя
• Дата: 10.05.2023
• Размер: 1.14 Mb.
• Имя файла: тепловой расчет.docx
• Тип: Документы; #1120616

10. Тепловой расчёт главного двигателя.

План:

1) 2.0 Расчёт рабочего цикла дизеля

2) 2.1 Параметры выпуска

3) 2.2Параметры конца сжатия

4) 2.3 Расчёт процесса сгорания

5) 2.4Расчёт процесса расширения

6) 2.5 Расчёт индикаторных показателей и построение диаграммы расчётного цикла

7) 2.6 Экономические показатели и расчёт основных размеров дизеля

8) Итоговые значения

Дано:

1. 
   Дизель-прототип: 6ЧСП15/18
   
2. 
   P_e= 101 кВт
   
3. 
   n_e= 1500мин ^-1
   
4. 
   ε_c = 14.2
   
5. 
   P_int= 0 кПа
   
6. 
   P_d=
   
7. 
   T_a= 291 К
   
8. 
   d_кл= 0,06 м
   
9. 
   Содержание в топливе C = 86.4%; H =12.35%; O₂ = 1.25%
   
10. 
    Материал поршня – алюминиевый сплав Ал-4
    
11. 
    i=6
    
12. 
    s= 0.18 м
    
13. 
    ⌀= 0.15 м
    

Обозначения:

P_e– эффективная мощность

p_z –давление сгорания в точке Z расчётного цикла

n_e –частота вращения коленчатого вала двигателя при P_e

ε_c –степень сжатия

i –число цилиндров двигателя

p – давление

p_mi –среднее индикаторное давление рабочего цикла дизеля

T –температура

p_a, T_a –давление и температура окружающей среды

p_d, T_d – давление и температура на входе в дизель без наддува

p_int, T_int– давление и температура на входе в дизель с наддувом

p_g, T_g– давление и температура отработавших газов

s– ход поршня

v_m–средняя скорость

p_r, T_r – давление и температура в конце выпуска

d –диаметр цилиндра

d_кл –диаметр тарелки клапана

p_i, T_i–давление и температура в конце такта впуска

⌀-диаметр цилиндра

ΔT –подогрев свежего заряда, поступающий в цилиндр

n₁, n₂–показатели политроп сжатия и расширения

p_c, T_c –давление и температура рабочего тела в конце такта сжатия

a₁^’ –коэффициент избытка воздуха при сгорании

p_y, T_y–давление и температура в конце быстрого сгорания

Индикаторная цилиндровая мощность, кВт -

Частота вращения, об/мин -

Максимальное давление сгорания, МПа -

Давление наддува, кПа -

2.0 Расчёт рабочего цикла дизеля

Так как на моем судне установлен двигатель (6ЧСП15/18), схема газовоздушного тракта дизеля будет выглядеть так:



Рисунок 11. Чертёж газовоздушного тракта двигателя.

Диаграмма расчетного цикла дизеля будет выглядеть следующим образом:



Рисунок 12. Диаграмма расчетного цикла дизеля без наддува.

В расчете рабочего цикла дизеля присутствует два параметра:

1. 
   Убывание:
   

Av= (Amax – Amin) + Amin

2. 
   Возрастание:
   

Av=Amax – K(Amax – Amin)

В данной формуле нам неизвестны определенные значения: К; Amax; Amin; Vm.

Перед поиском данных значений, нам необходимо понять тип дизеля, на котором мы собираемся производить расчёты.

Существует три типа дизелей:

1. 
   Тихоходные
   
2. 
   Средней быстроходности
   
3. 
   Быстроходные
   

Дизель	Vm min, M/c	Vm max, M/c
Тихоходный	3,5	6,5
Средней быстроходности	6,6	9,0
Быстроходный	9,1	12,0

Во-первых найдём среднюю скорость поршня по формуле: Vm= м/c

Нам известен ход поршня S=0,18м и частоту вращения коленчатого вала двигателя = 1500мин ^-1 . Подставляем данные значения в формулу:

Vm=

Из расчёта по этой формуле на известна средняя скорость поршня Vm=9 , а это значит, что наш дизель средней быстроходности.

Отсюда следует, что коэффициент пересчёта интерполяции из формулы K= равен: К =

2.1 Параметры выпуска

Для определения давления выпуска Pr со средней скоростью движения поршня, равной Vm=9 м/с по формуле найдем:

Pr = k(Prmax – Prmin)+Prmin = 1(0,95 – 0,75) + 0,75= 0,95 кПа

Так как двигатель 6ЧСП 15/18 без наддувом, его температура в конце выпуска Tr = (600 – 900)K.

Сначала сделаем интерполяцию по формуле:

Tr = k(Tr max – Tr min) + Tr min = 1( 900 – 600)+600 = 900K

Чтобы найти параметры pt, Tt, Фс, можно вычислить по зависимостям:

1. 
   Начнем с давления в конце впуска Pt:
   

Pt = Pint –

Диаметр цилиндра d нам известен из названия дизеля d=22, а диаметр тарелки клапана d_кл= 0,08 м. Подставляем под формулу:

Pt = 0 – ≈ (-13,34) кПа

2. 
   Находим температуру в конце такта впуска Tt по формуле:
   

Tt =

Упростим расчёт коэффициент остаточных газов r. У дизелей наддувом

Проинтерполируем коэффициент остаточных газов по формуле:

= k( – ) + = 0,6(0,06 – 0,03) + 0,03 = 0,05 K

Так же нужно проинтерполировать подогрев свежего заряда, поступающий в цилиндр , для дизелей без наддувом – (10…5)K:



Т.к в двигателе 6ЧСП18/22 эффектная мощность Pe = 242 kBm, без охладительного компрессора наддувочного воздуха то высчитываем по формуле:

Tint=

=

Все значения найдены, теперь подставляем в исходную формулу:

Tt= = 182K

3. 
   Теперь находим коэффициент наполнения Фс по формуле:
   

В методичке степень сжатия =13,1, остальные значения нам уже известны, подставляем под формулу:



2.2 Параметры конца сжатия

По условию нам известны следующие данные:

С	Н	О2
86.5	12.16	1.34

Сначала найдем показатель политропы n1, который изменяется в диапазоне от 1,34 до 1,38. Для этого проинтерполируем n1:

n1= k(n1max- n1min) + n1min= 0,6( 1,38 – 1,34) + 1,34 = 1,36

Теперь находим давление рабочего тела в конце такта сжатия по формуле:

= 154,5 кПа

Находим температуру рабочего тела в конце такта сжатия по формуле:

=459,5 К

Находим количество воздуха теоретически необходимое для сгорания 1кг топлива:



Теперь находим количество «чистых» продуктов сгорания 1кг топлива:

Mo + 0,79 =

Также необходимо учитывать, что смесеобразование в дизеле несовершенно, т.е в цилиндр поступает количество свежего заряда, рассчитываемого по формуле:

Lo

Интерполируем коэффициент избытка воздуха сгорания .

Нам известно, что = (1,9…2,2), подставляем в формулу:

= k( ) + = 0,6(2,2 – 1,9) + 1,9 = 2,08

Подставляем в изначальную формулу:

Lo= 2,08 0,486=1,01

Находим количество продуктов сгорания M:

M=Mo+( – 1) = + (2,08 – 1) 0,486 = 1,04

Теперь найдем количество остаточных газов Mr, по фромуле:

Mr =

Находим действительный коэффициент молекулярного изменения:

+0,05) = 1,02

2.3 Расчёт процесса сгорания

Неизвестно температура циклаTz, поэтому находим ее из уравнения сгорания:

=0

Для начала найдем удельные средние молярные изохорные теплоемкости рабочего тела по формулам:







Tz=19,84+0,003Tz

Интерполируем коэффициент использования теплоты при достижении объема.

Для МОД ξz(0,8…0,85)

ξz= 0,6( 0,85 – 0,8) + 0,8 = 0,83

Так же интерполируем степень повышения давления :



( 1,35 – 1,20) + 1,4 = 1,29

Найдем температуру расчетного цикла в точке y:

Ty = K

Так же найдем давление сгорание в точке z расчетного цикла:

кПа

Нам известны все значения, теперь находим температура циклаTz:





Получаем: 30,2Tz +

По формуле:



30Tz

Откуда:

Tz=

2.4 Расчёт процесса расширения

Найдем степень предварительного расширения:



Теперь найдем степень последующего расширения:



Осталось вычислить рабочего тела в точке “в ” расчетного цикла:

Pв= Tв=

Перед этим проинтерполируем показатель политропы n2:

Без наддува n2 (1,15…1,28)

n2=k(n2max- n2min) + n2min= 0,6(1,28 - 1,15) + 1,15 = 1,23

Подставляем под формулу:

Pв =

Tв =

2.5 Расчёт индикаторных показателей и построение диаграммы расчётного цикла.

По результатам расчета цикла определяют среднее индикаторное давление расчетного цикла, кПа;

Pmiʹ=

Pmiʹ= [1,29*(2,31-1)+ (1- ) – *(1- )]= 1082кПа

А так же произведём расчёт скруглённого цикла по формуле:

pmi = ξскр*𝐏𝐦𝐢′; где ξскр = 0,92…0,97 для раздельных камер сгорания.

Проинтерполируем ξскр:

ξскр = ξmin+ (ξmax – ξmin)* k =0,92 + (0,97 – 0,92) * 0,6=0.95

Найдём Pmi:

pmi= 0,95*1082 = 1027,9 кПа

График индикаторной диаграммы:

В дальнейшем для определения графическим способом среднего индикаторного давления Pmi необходимо ось абсцисс разбить на целое число отрезков, а именно, необходимо разбить отрезок Vs (рабочий объём цилиндра). Так как Vs = Vt– Vc, а

Vc = , то Vc = Vt*(1- )

Разместим диаграмму на листе миллиметровой бумаги площадью 30х40 см или 300х400 мм.

Нужно разбить диаграмму на объемы.

Принимаем, что полный объём соответствует Vt= 250 мм, тогда:

Vc = = = 17,7 мм

Найдем сколько кПа будет находится в 1 мм на оси ординат по следующей формуле:

m = = = 15,7

Для проведения линии без наддува на диаграмме найдём его значение с учётом масштаба:

Pa′= = = 5,6 мм

Объём Vt условно принимаем за «1».Поделим этот объём на 10 частей:

V1 = 1; V2 = 0,9; V3 = 0,8 . . . V10 = 0,1

Далее рассчитаем величину давлений сжатия для каждого обьемаVn по формуле:

Pс= 𝐩𝐭 ∗

где:

Vt – полный объём

pt – давление в конце такта впуска

n1 – показатель политропы сжатия

p1 = 83,4* = 83,4 кПа

p0,9 = 83,4* = 96,3 кПа

p0,8 = 83,4* = 113 кПа

p0,7 = 83,4* = 136 кПа

p0,6 = 83,4* = 167 кПа

p0,5 = 83,4* = 214 кПа

p0,4 = 83,4* = 290 кПа

p0,3 = 83,4* = 429 кПа

p0,2 = 83,4* = 744 кПа

p0,1 = 83,4* = 1911 кПа

Для более точно построения графика нам требуется найти давление в следующих точках:

Vn = 0,125; 0,15; 0,175

P0,125 = 83,4* = 1411 кПа

P0,15 = 83,4* = 1101 кПа

P0,175 = 83,4* = 893 кПа

Определим абсциссы и ординаты точек c,y,z:

Точка «С»:

Cx =Vc= 17,7 мм

Cy = = = 194,2 мм

Точка «y»:

Yx = Vc=17,7 мм

Yy = = = 250,5мм

Точка«z»:

Zx =Vc*p=17,7 *2,31=41мм

Zy = = =250мм

С линией давления сжатия закончили, теперь приступаем к линии расширения- так же находим величину давления для каждого объема: 𝐏𝐳′=𝐩в( )𝐧𝟐 где 𝐕𝐧−объём цилиндра в точке n.,

𝐩в – давление рабочего тела в точке «В» расчётного цикла

𝐧𝟐 – п иьоказатель политропы расширения

p1′ = 359*( =359 кПа

p0,9′ = 359*( =409 кПа

p0,8′ = 359*( =472 кПа

p0,7′ = 359*( =557 кПа

p0,6′ = 359*( =673 кПа

p0,5′ = 359*( =842 кПа

p0,4′ = 359*( =1108 кПа

p0,3′ = 359*( =1578 кПа

p0,2′ = 359*( =2599 кПа

p0,1′ = 359*( =6097 кПа

Определяем положение точек Pvn’ и Pvn” на графике. Для этого величины давлений делим на масштаб:

Pv1 = 5,3 мм Pv1’’= мм

Pv0,9 = = 6,1 мм Pv0,9’’= мм

Pv0,8 = = 7,2 мм Pv0,8’’= мм

Pv0,7 = = 8,6 мм Pv0,7’’= мм

Pv0,6 = = 10,6 мм Pv0,6’’= = 42,8 мм

Pv0,5 = = 13,6 мм Pv0,5’’= мм

Pv0,4 = = 18,4 мм Pv0,4’’= мм

Pv0,3 = = 27,3 мм Pv0,3’’= 100,5 мм

Pv0,2 = = 47,3 мм Pv0,2’’= = 165,5 мм

Pv0,1 = = 121,7 мм Pv0,1’’= мм

Определим среднее индикаторное давление графическим способом, методом трапеции по формуле :

P’mi= [кПа]

Где 𝑦1- отрезок, заключенный внутри контура диаграммы объема Vn (между линией расширения и сжатия)

Находим У1,У2 и т.д.

У1 = p1′- p1=359-83,4=275,6 кПа

У2 = p0,9′- p0,9 =409-96,3 =312,7 кПа

У3 = p0,8′- p0,8 =472-113 =359 кПа

У4= p0,7′ - p0,7 =557-136=421 кПа

У5 = p0,6′ - p0,6 =673-167=506 кПа

У6 = p0,5′ - p0,5 =842-214=628 кПа

У7 = p0,4′- p0,4 =1108-290 =818 кПа

У8 = p0,3′ - p0,3 =1578-429 =1149 кПа

У9= p0,2′ - p0,2 =2599-744=1855 кПа

У10 = p0,1′ - p0,1=6097-1911=4186 кПа

Pmi’=

= =

=1051кПа

Pmi’(диаграммы)=1051 кПа

Найдём среднее индикаторное давление с учётом коэффициента скругления:

Pmi1=P’mi * ξскр = 1051* 0,93= 998,4 кПа

Теперь проведем оценку точности графических вычислений.

Определяю расхождение между давлениями определенными по формуле и диаграмме:

∆Pmi= *100%= =5%

2.6 Экономические показатели и расчёт основных размеров дизеля

Для начала найдем индикаторный эффективный КПД, по формулам:

ni =

ne = ni nм

Начнем с индикаторного КПД n:

Здесь плотность свежего заряда на входе в двигатель с наддувом Pint=

Нам дана газовая постоянная воздуха:

Pint =

Так же необходимо найти количество воздуха в кг, необходимое для сгорания 1 кг топлива:

Lo’ = Lo air

Lo=14,3

Газовая постоянная air= 28,97

Подставляем под формулу:

Lo’= 14,3

Подставляем все значения под индивидуальный КПД:

ni= =0,25

Теперь находим эффективный КПД:

ne = ni nm

Проинтерполируем nm:

nм(0,8..0,9)

k(nm мax- nm мin) + nm мax= 0,6(0,9 - 0,8) + 0,8 =0,86

Подставим под изначальную формулу:

ne= 0,25 0,86 = 0,215

Теперь просчитаем удельные индикаторный и эффективный расходы топлива:

bi=

be=

Для начала высчитаем индикаторный расход топлива:

bi=

Нам известно bi, находим эффективный расход топлива:

be =

Теперь найдем диаметр цилиндра по формуле:

d=

Для этого найдем Pme среднее эффективное давление:

Pme = Pmi = 0,86

Оставшиеся значения нам даны:

Число цилиндров i=6



Подставляем все значения под формулу:

d= м

Осталось найти ход S поршня по формуле:

S = м