курсовая. Содержание Прототипный двигатель. Расчет процесса наполнения. Расчет процесса сжатия

• Название: Содержание Прототипный двигатель. Расчет процесса наполнения. Расчет процесса сжатия
• Анкор: курсовая
• Дата: 12.05.2022
• Размер: 0.95 Mb.
• Имя файла: kursach_dimon.docx
• Тип: Документы; #525543

Содержание

1. 
   Прототипный двигатель.
   
2. 
   Расчет процесса наполнения.
   
3. 
   Расчет процесса сжатия.
   
4. 
   Расчет процесса сгорания.
   
5. 
   Расчет процесса расширения.
   
6. 
   Расчет энергетических и экономических показателей.
   
7. 
   Построение индикаторной диаграммы.
   
8. 
   Вывод.
   

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

N_ц – цилиндровая мощность двигателя, кВт;

P_е – среднее эффективное давление, Па;

P_it – среднее индикаторное давление, Па;

P_it´^_cреднее индикаторное давление теоретического цикла двухтактного двигателя, отнесённого к полезному ходу поршня, Па;

P_it´´^_среднее индикаторное давление с учётом скругления острых углов (теоретической индикаторной диаграммы), Па;

D – диаметр цилиндра м;

S – ход поршня м;

n – частота вращения коленчатого вала, об/мин;

ε – степень сжатия;

Q_н – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

t₀– температура воздуха в машинном отделении °С;

T₀` - температура воздуха в машинном отделении, °К;

t_зв - температура забортной воды, °С;

Р₀– давление окружающей среды, Па;

T_a – температура в конце впуска, °K;

Р_а – давление в конце впуска, Па;

T_z – температура сгорания топлива, °K;

Р_Z – давление горения топлива, Па;

T_c – температура в конце сжатия, °K;

Р_с – давление в конце сжатия, Па;

T_r – температура остаточных газов, °K;

T_к – температура воздуха после компрессора, °K;

T_s– температура воздуха в ресивере, K°;

n₁,n₂ – степени политропы сжатия и расширения в двигателе;

n_к – средний показатель политропы сжатия в компрессоре;

Ƞ_н – коэффициент наполнения рабочих цилиндров;

ϒ_r – коэффициент остаточных газов;

λ – степень повышения давления;

ρ – степень предварительного расширения;

δ – степень последующего расширения;

α – коэффициент избытка воздуха;

L₀ – теоритически необходимое количество воздуха в молях для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг;

Β₀, β_z – теоретический и действительный коэффициенты молекулярного изменения;

c_v^` – средняя изохорная мольная теплоёмкость воздуха в кДж/кмоль*⁰K;

c_р´´, – средняя изобарная молярная теплоёмкость продуктов сгорания, кДж/кмоль*°K;

ﻉ_z ^_ коэффициент полноты сгорания топлива;

Е_x^_ степень охлаждения воздуха;

P₀ ^_ барометрическое давление, Па;

Р_а ^_ давление в цилиндре в конце процесса наполнения, Па;

∆Р_х ^_ перепад давления на воздухоохладителях, Па;

Р_s – давление воздуха в ресивере, Па;

Р₀´^_ давление воздуха на входе в компрессор, Па;

Р_к ^_ давление воздуха после компрессора, Па;

∆Р_ф – перепад давления на воздушных фильтрах турбокомпрессора, Па;

π_k – Степень повышения давления в компрессоре.

ȹ_скр^_ скругления острых углов

Конструктивные особенности двигателя Wartsila 6RTA48T-B

Двигатель типа Wartsila 6RTA48T-B – судовой малооборотный, двухтактный, шестицилиндровый двигатель, с однорядным расположением цилиндров и с механическим управлением.

Малооборотные двигатели компании “Wartsila Corporation” маркируются по следующей таблице:

Двигатели RTA-8T очень похожи на хорошо зарекомендовавшие себя типы RTAU. Ниже приведены ключевые особенности конструкций с отмеченными существенными различиями.

Конструктивные особенности и производительность

Структура:

• Жесткая;

• Опорная плита гондольного типа;

• Жесткие тонкостенные колонны коробчатого типа;

• Чугунные блоки цилиндров;

• Вкладыши коренных подшипников закреплены эластичными

прижимными болтами.

Ходовая часть:

• Сборный коленчатый вал;

• Коренной подшипник: тонкостенные корпуса из белого металла;

• Крейцкопф с нижней половинной опорой во всю ширину;

•Крейцкопфный подшпиник: тонкостенный корпус из белого металла;

• Отдельная подача смазочного масла высокого давления к крейцкопфу для гидростатического подъема;

• Зубчатая передача для распределительного вала.

Оборудование для впрыска топлива:

• Двухсекционные неохлаждаемые форсунки для впрыска

• Двухклапанные управляемые топливные насосы высокого давления;

• Система VIT с электронным регулированием (переменное время впрыска).

Компоненты камеры сгорания:

• Полное охлаждение всех компонентов камеры сгорания;

• Крышки цилиндров из высококачественного материала для большей защиты от коррозионной усталости;

• Головки поршней сделаны с комбинированным масляным охлаждением струйного шейкера для низких температур поверхности;

• Облицовка крышек цилиндров вблизи клапанов впрыска топлива в стандартной комплектации.

• Материал втулки цилиндра с достаточной твердой фазой и пластичностью;

• Полное конингование рабочей поверхности;

• Охлаждение отверстий всех компонентов камеры сгорания;

• Многоуровневая смазка цилиндров для оптимального распределения смазочного масла для цилиндров;

• Высокоэффективный водоотделитель и слив после охлаждения продувочного воздуха;

Система наддува:

• Высокоэффективные турбокомпрессоры, такие как ABB

Типы VTR-4E и VTR-4D, а также типы Mitsubishi,

MET-SD и MET-SE. Для отдельных проектов могут быть выбраны турбокомпрессоры NA/S и NA/T9

• Эффективный поток выхлопных газов, при этом коллектор имеет тангенциальный вход и выход для максимального сохранения энергии газа

• Продувочные окна с уменьшенной высотой


Выхлопной коллектор

Турбокомпрессор

Выхлопной клапан

Пусковой клапан

Распределительный вал

Крейцкопф

Шатун

Коленчатый вал


Процесс наполнения

Давление воздуха на входе в компрессор:

Р₀´ = P₀ - ∆Р_ф

где P₀ – атмосферное давление (Па);

∆Р_ф– перепад давления на воздушных фильтрах турбокомпрессора. Перепад давления ∆Р_ф обычно находится в пределах 346 - 490 Па.

P₀ =1.013*10⁵ Па

∆Р_ф= 400 Па

Р₀´ = 1.013*10⁵ – 400 = 1,009*10⁵ Па

Давление воздуха после компрессора:

Р_к = Р_s - ∆Р_х

где Р_s – давление воздуха во впускном коллекторе (принимается по данным типового двигателя);

∆Р_х – перепад давления в воздухоохладителях. Для воздухоохладителей современных судовых дизелей ∆Р_х = 931 – 2943 Па.

Р_s =1,98*10⁵ Па

∆Р_х=2000 Па

Р_к = 1,98*10⁵-2000=1,96*10⁵ Па

Степень повышения давления в компрессоре:

π_к = Р_к/ Р₀´

Р_к=1,96*10⁵ Па

Р₀´=1,009*10⁵ Па

π_к = 1,96*10⁵/1,009*10⁵ = 1,94

Давление в цилиндре в конце процесса наполнения:

Давление в конце процесса наполнения Р_а Можно принимать в двигателях:

четырёхтактных (с наддувом) – (0,9-0,96)Р_к;

четырёхтактных (без наддува) – (0,85-0,9)Р_к;

двухтактные с прямоточно-клапанной продувкой и с контурной петлевой продувкой фирмы «Зульцер» – (0,96-1,05)Р_к;

двухтактных с контурной петлевой продувкой фирмы «МАН» – (0,96-1,12)Р_к (большие значения относятся к импульсному подводу газа к турбине);

принимаю Р_а=1Р_к

Температура воздуха в машинном отделении:

Т₀´ = 273 + t₀

Где t₀- температура воздуха в машинном отделении в ⁰С

t₀= 25 ⁰С

Т₀´ =273+25=298°К

Температура воздуха после компрессора:

Т_к = Т₀´* πк^(nк-1)/nк

Где n^к – показатель политропы сжатия в компрессоре (для центробежных компрессоров с охлаждающим корпусом n^к = 1,6 – 1,8; для поршневых компрессоров n^к = 1,4 – 1,6). n_к принимаю как 1,6

Т₀´=298°К

π_к =1,94

n_к = 1,6

Т_к = 291 * 1,94^0,6/^1,6 = 382°К

Т.к температура воздуха после компрессора больше 350⁰К, его дополнительно требуется пропустить через воздухоохладитель.

Температура воздуха в ресивере:

Т_s = 273 + t_зв + (15-20 °С)

Температура воздуха в ресивере Т_s (в °К) зависит от температуры забортной воды-t_зв в ⁰С , величины поверхностей теплообмена воздухоохладителя, количества прокачиваемой воды и технического состояния охладителя, но количество прокачиваемой воды и техническое состояние холодильника не дает снизить температуру воды после компрессора до температуры забортной воды, поэтому к температуре воздуха в ресивере мы дополнительно добавляем (15-20°С)

t_зв=25⁰С

Т_s = 273+25+20=318 °К

Степень охлаждения воздуха:

Е_x = (Т_к – Т_s) / (Т_к – Т₀^`)

Т_к = 382°К

Т_s = 318 °К

Т₀´=298°К

Е_x =(382-318)/(382-298) = 0,76

Температура воздуха в рабочем цилиндре с учётом подогрева от стенок камеры сгорания:

Попадая в цилиндр, воздух дополнительно нагревается от стенок камеры сгорания (∆t = 5-10°С), которые, в свою очередь, нагреты от предыдущего горения смеси топлива и воздуха.

Т_s´ = Т_s + ∆t

∆t- принимаю как 10 ⁰С

Т_s´ = 318 + 10 = 328 °К

Температура смеси воздуха и остаточных газов в конце процесса наполнения:

Т_а = (Т_s´ + ϒ_r* Т_г)/(1 + ϒ_r)

При расчёте рабочего цикла значением коэффициента остаточных газов ϒ_r задаются, используя опытные данные для двигателей:

Четырёхтактные с наддувом ϒ_r = 0,01-0,04;

-без наддува ϒ_r = 0,04-0,06;

Двухтактные с прямоточной продувкой ϒ_r = 0,04-0,08;

- с петлевой продувкой ϒ_r = 0,08-0,09;

фирмы «МАН» с петлевой продувкой ϒ_r = 0,09-0,12;

фирмы «ЗУЛЬЦЕР» с поперечной продувкой ϒ_r = 0,12-0,14;

ϒ_r принимаю как 0,04

Температура остаточных газов T_r зависит от степени сжатия ε, нагрузки и частоты вращения вала двигателя. С уменьшением ε уменьшается степень расширение газа, с увеличением нагрузки и частоты вращения увеличивается нагрев ЦПГ, значение T_r возрастает. Температура T_r близка к температуре газов за выпускными органами цилиндра и лежит в пределах 600-900 °K

Т_r принимаю как 700 °К

Т_а = (328+0,04*700)/(1 + 0,04) = 342°К

Коэффициент наполнения, отнесённый к полезному ходу поршня (действительный коэффициент наполнения) Ƞ_н:

Ƞ_н = ε*Р_а*Т_s*1/(ε-1)*Р_s*Т_а*(1+ϒ_r)

ε=12,5

Р_а=1,96*10⁵ Па

Т_s = 318 °К

Р_s =1,98*10⁵ Па

Т_а = 342°К

ϒ_r =0,04

Ƞ_н=12,5*1,96*318*1/(12,5-1)*1,98*342*1,04=0,96

Коэффициент наполнения, отнесённый к полному ходу поршня (условный коэффициент наполнения)

Ƞ´_н = Ƞ_н(1-ψ_s), где ψ_s = hs /s – относительный потерянный ход поршня. При расчёте рабочего цикла можно принимать для двухтактных двигателей: с контурной петлевой продувкой, фирмы МАН ψ_s = 0,20-0,226; с контурной петлевой продувкой, фирмы Зульцер ψ_s = 0,21-0,22; с контурной поперечной продувкой ψ_s = 0,25-0,27; с прямоточно-клапанной продувкой ψ_s = 0,08-0,12;

Принимаю ψ_s=0,1

Ƞ_н=0,96

ψ_s=0,1

Ƞ´_н = 0,96*(1-0,1)=0,86

Процесс сжатия

Давление в цилиндре в конце процесса сжатия:

Давление в конце процесса сжатия определяется уравнением политропы сжатия – Р_с = Р_а*εⁿ¹ (Па), где n1 – средний показатель политропы сжатия в цилиндре (по опытным данным имеет следующие значения: для мало и среднеоборотных двигателей – 1,34-1,38; высокооборотных – 1,38-1,4 ).

n₁ принимаю как 1,35 .

Р_с = Р_а*εⁿ¹

ε=12,5

Р_а=1,96*10⁵ Па

n₁ = 1,35

Р_с =1,96*10⁵*12,5^1,35= 59,3*10⁵ Па

Температура воздуха в конце процесса сжатия:

T_с = Т_а*ε^n1-1

ε=12,5

Т_а =342°К

n₁ = 1,35

T_с = 342*12,5^1,35-1= 827°К

Процесс сгорания

Максимальное давление сгорания:

Максимальное давление цикла P_z = λ*P_c, где λ – степень повышения давления, которая находится в пределах: у малооборотных двигателей λ= 1,2-1,35, среднеоборотных - λ=1,35-1,55. Чем выше λ, тем экономичнее работа двигателя, но вместе с этим возрастают механические напряжения на детали двигателя (двигатель работает жёстко).

λ принимаю как 1,2.

Р_z = λ* Р_c

λ =1,2

Р_с =59,3*10⁵ Па

Р_z = 1.2 * 59,3*10⁵ = 71,16*10⁵ Па

Теоретически необходимое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива L₀:

L₀=1/0,21*(С/12+Н/4+S/32-О/32)

Где С,H,S,O – элементарный состав топлива.

С= 0,86;

Н=0,126;

O=0.004

Количество О₂ в атмосфере в %=21

L₀=1/0,21*(0,86/12+0,126/4-0,004/32)=0,488 кмоль/кг

Средняя мольная теплоёмкость заряда воздуха:

С _v´ = 19.27+0.0025T_c

T_c=827°К

С _v´ = 19.27+0.0025*827 = 21,3 кДж/кмоль*°К

Средняя молярная изобарная теплоёмкость смеси «чистых» продуктов сгорания с оставшимися в цилиндре после сгорания избыточным воздухом и остаточных газов в точке z:

Cp´´=20,49+(α-1)*19,27/α + 36+(α-1)*25/α*10⁴ * Т_z+8,315

где α – коэффициент избытка воздуха при сгорании топлива. Значение α – зависит от типа двигателя, способа смесеобразования, режима работы.

Для малооборотных двигателей α колеблется в пределах 1,8-2,2, среднеоборотных 1,5-2, высокооборотных 1,3-1,5.

α принимаю как 2

Cp´´=20,49+(2-1)*19,27/2 + 36+(2-1)*25/2*10⁴ * Т_z+8,315=28,195+0,003Т_z

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

β_z = (β₀ + ϒ_r)/(1+ ϒ_r),

где β₀ – теоретический коэффициент молекулярного изменения. Коэффициент молекулярного изменения лежит в пределах 1,03 – 1,04.

β₀=1+(8Н+0/32*α* L₀)

β₀=1+(8*0,126+0,004/32*2*0,488)=1,032

β_z = (1,032 + 0,04)/(1+ 0.04)=1,03

Максимальная температура цикла определяется из уравнения сгорания:

+ (C_v´+ 8.315 λ)*T_c=β_z C_p´´ T_z

где ξ_z – коэффициент использования теплоты к моменту начала расширения (в точке z). При смещении процесса сгорания топлива на линию расширения значение коэффициента использования теплоты уменьшается и для судовых дизелей лежит в пределах: малооборотных – 0,80 – 0,86, среднеоборотных – 0,7 – 0,8;

ﻉ_z принимаю как 0,80

Q_н – низшая теплота сгорания (низшая теплотворная способность)

Для дизельного топлива Q_н =42400 – 43200 Дж/кг

Для моторного топлива Q_н =41000 – 42000 Дж/кг

Для мазута Q_н =40000 – 41500 Дж/кг

α=2

ﻉ_z =0,80

Q_н=40768 кДж/кг

L₀=0,488 кмоль/кг

ϒ_r=0,04

C_v´=21,3 кДж/кмоль*°К

β_z=1,03

λ=1,2

T_c=827⁰К

Cp´´=28,195+0,003Т_z

(0,80*40768/2*0,488*(1+0,04))+(21,3+8.315*1,2)*827=1,03*(28,195+0,003*T_z) *T_z

58000=29T_z+0,003T_z²

Привожу получившееся уравнение к виду:

АT_z²+BT_z – C =0

Получаю: 0,003T_z²+29T_z-58000=0

Вывожу T_z через дискриминант:



T_z=1700⁰К

Процесс расширения

Степень предварительного расширения:

ρ = (βz/λ)*(Tz/Tc)

β_z=1,03

λ=1,2

T_c=827⁰К

T_z=1700⁰К

ρ = (1,03/1,2)*(1700/827)= 1,76

Степень последующего расширения:

δ=ε/ρ

ε=12,5

ρ =1,76

δ=12,5/1,76 =7,1

Давление в конце расширения:

Р_b = Р_z*(1/δⁿ²)

где n2 – показатель политропы расширения ( принимается равным для малооборотных двигателей – 1,27–1,29; среднеоборотных 1,25–1,27; высокооборотных 1,15–1,25.

n2 принимаю как 1,27

Р_z=71,16*10⁵ Па

δ=7,1

n2=1,27

Р_b = 71,16 *10⁵ (1/ 7,1^1,27) =5,5*10⁵ Па

Температура в конце расширения:

Т_b = Т_z*(1/ δ^n2-1)

T_z=1700⁰К

n2=1,27

δ=7,1

Т_b = 1700*(1/7,1^0,27) = 1000 °К

Энергетические и экономические показатели.

Среднее индикаторное давление теоретического (расчётного) цикла:

P_i =

Р_с =59,3*10⁵ Па

ε=12,5

λ=1,2

ρ=1,76

n1=1,35

n2=1,27

δ=7,1

P_it=59,3*10⁵/12,5-1*[1,2*(1,76-1)+1,2*1,76/1,27-1*(1-1/7,1^1,27-1)-1/1,35-1*(1-1/12,5^1,35-1)]=12,11*10⁵ Па

Среднее индикаторное давление теоретического цикла двухтактного двигателя, отнесённого к полезному ходу поршня (в Па)

P_it´= P_it(1- ψ_s) где ψ_s – относительный потерянный ход поршня у двухтактных двигателей.

Двигатели с контурной петлевой продувкой фирмы "МАН" ψ_s = 0,2 – 0,226 Двигатели с контурной петлевой продувкой фирмы "Зульцер" ψ_s = 0,2 – 0,22 Двигатели с контурной поперечной продувкой ψ_s = 0,3 – 0,27

Двигатели с прямоточно-клапанной продувкой ψ_s = 0,1 – 0,12

Принимаю ψ_s = 0,1

P_it=12,11*10⁵ Па

ψ_s = 0,1

P_it´= 12,11*10⁵*(1-0,1)=10,9*10⁵ Па

Среднее индикаторное давление с учётом скругления острых углов (теоретической индикаторной диаграммы):

P_it´´= P_it´*ȹ_скр

Для четырёхтактных двигателей ȹ_скр (скругления острых углов) можно принять 0,95 – 0,97;

Для двухтактных двигателей ȹ_скр можно принять 0,96 – 0,98;

ȹ_скр принимаю как 0,97.

P_it´=10,9*10⁵ Па

ȹ_скр =0,97

P_it´´=10,9*10⁵ *0,97=10,5*10⁵ Па

Построение индикаторной диаграммы

Масштаб: Р_z=80:71,16=1,12 V_а=120 мм

V_с= V_а:ε=120:12,5=9,6 мм

V_z= V_с*ρ=9,6*1,76=16,8 мм

P_а=1,96*1,12=2,2 мм

P_с= Р_z:λ=71,16:1,2=59,3 мм

P_в= P_в*1,12=5,5*1,12=6,1 мм

№ по порядку	Сжатие, мм	Сжатие, *105 Па	Расширение, мм	Расширение, *105 Па
1	2,2	1,96	6,1	5,5
0,9	2,52	2,25	7	6,28
0,8	3	2,64	8,1	7,3
0,7	3,4	3,1	10,1	9,1
0,6	4,3	3,9	12,3	11
0,5	5,4	4,9	14,7	13,2
0,4	7,56	6,75	20,4	18.3
0,3	11,1	9,95	30,8	27,5
0,2	19,2	17,2	47,5	42,4
0,1	49	43,8	-	-

P_iср^` = 128,55/10 = 12,85*10⁵ Па
Среднее индикаторное давление теоретического цикла двухтактного двигателя, отнесённого к полезному ходу поршня (в Па)

P_iср´= P_iср(1- ψ_s) где ψ_s – относительный потерянный ход поршня у двухтактных двигателей.

Двигатели с контурной петлевой продувкой фирмы "МАН" ψ_s = 0,2 – 0,226 Двигатели с контурной петлевой продувкой фирмы "Зульцер" ψ_s = 0,2 – 0,22 Двигатели с контурной поперечной продувкой ψ_s = 0,3 – 0,27

Двигатели с прямоточно-клапанной продувкой ψ_s = 0,1 – 0,12

Принимаю ψ_s = 0,1

P_iср=12,85*10⁵ Па

ψ_s = 0,1

P_iср´= 12,85*10⁵*(1- 0,1)=11,565*10⁵ Па

Cреднее индикаторное давление с учётом скругления острых углов (теоретической индикаторной диаграммы)

Pi´´= Pi´ȹ_скр

Pi´´= 11,565*0,97= 11,2*10⁵ Па

Вывод

Поставленные задачи курсовой работы были успешно выполнены мной.

Я научился производить тепловой расчёт двигателя и строить индикаторную диаграмму.