Проектирование и расчет главного дизельного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Министерство образования и науки РФ

Филиал Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Кафедра «Океанотехника и энергетические установки»

Курсовая работа

по дисциплине: Судовые дизели

Тема: «Проектирование и расчет главного дизельного двигателя»

Северодвинск

2009 г.



Введение

Цель данного курсового проекта: проектирование судового ДВС по исходным данным: типу и водоизмещению судна, на которое будет установлена СЭУ, требуемой скорости, составу используемого топлива и степени сжатия. В процессе выполнения курсового проекта теоретические знания по дисциплине «Судовое главное энергетическое оборудование» наряду с практическими навыками самостоятельной работы при решении технических задач систематизируются, расширяются и закрепляются.

Любая судовая энергетическая установка (СЭУ) предназначена для обеспечения движения судна и снабжения необходимой энергией всех судовых потребителей. От СЭУ существенно зависят экономические показатели транспортного судна, уровень его строительной стоимости и текущих эксплуатационных затрат по содержанию. Затраты на СЭУ в среднем составляют 20...35 % общей строительной стоимости судна и 40...60 % затрат на содержание судна на ходу. Кроме того, основные качества транспортных судов - безопасность плавания, мореходность и провозоспособность в значительной мере обеспечиваются СЭУ. В связи с этим положениями проектирование СЭУ является одним из важнейших этапов создания судна.

Анализ состава мирового коммерческого флота показывает, что в качестве СЭУ на транспортных и ледокольных судах в основном используются дизельные установки.

Дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит к типу тепловых двигателей, в которых химическая энергия топлива, сгорающего непосредственно внутри рабочего цилиндра, преобразуется в механическую работу.

Газообразные продукты сгорания топлива, обладающие высокой температурой, расширяются и давят на стенки цилиндра и поршень, который совершает прямолинейно-поступательное движение. С помощью кривошипно-шатунного механизма это движение преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Такой способ превращения тепловой энергии в механическую работу позволяет обходиться без промежуточного рабочего вещества (носителя тепла), которым в паровых машинах является пар.

Дизельные ДВС обладают самым высоким эффективным КПД, среди прочих установок, малым временем приготовления к пуску и постоянной готовностью к действию, взрыво- и пожаробезопасностью, способностью работать на дешевых тяжелых сортах топлива и еще рядом положительных особенностей. Это еще раз доказывает актуальность выбора дизельного ДВС и его непосредственного расчета и проектирования.

Для реализации курсового проекта и достижения поставленных целей будут использованы техническая литература, посвященная разработке и проектированию СГЭО, ГОСТы, методические указания для данного курсового проекта под руководством В.А. Стенина для непосредственного планирования, расчета и написания работы.

1. Исходные данные

Параметры для расчета судовой ДЭУ.

Тип судна
Сухогруз	2,4	16	15	84	1	14

2. Выбор главных двигателей и основных параметров

2.1 Определение суммарной мощности главных двигателей

Мощность главных двигателей, необходимая для движения судна, определяется сопротивлением , которое оказывает окружающая среда (вода, воздух) и заданной скоростью движения. Мощность, которую необходимо затратить на создание упора, преодолевающего силы сопротивления, принято называть буксировочной .

Буксировочная мощность равна:

,

где - сопротивление движению судна, ;

- скорость судна, ;

Валовая мощность равна:

,

где - пропульсивный КПД;

- КПД валопровода;

Мощность на фланцах главных двигателей или агрегатов в случае работы прямо на винт . При наличии в ГЭУ передач, одинаковых на всех гребных валах:

,



где - КПД передачи.

Ориентировочное значение эффективной мощности можно получить при помощи обратного адмиралтейского коэффициента:

,

, кВт = 4156,7 л. с.

где - водоизмещение судна, т.

В приближенных расчетах, пренебрегают формой корпуса и КПД передачи, этим выражением пользуются для оценки суммарной мощности главных двигателей.

Прототипом выбираем 2 двигателя 8ЧНП 30/38: л.с. = 1544 кВт;

2.2 Выбор основных параметров дизеля

Цилиндровая мощность:

,

где - количество цилиндров, ;

;

Частота вращения и средняя скорость поршня:

Главным критерием быстроходности дизеля является средняя скорость поршня:

,

где - ход поршня, ;

- частота вращения дизеля, ;

;

Число цилиндров:

Число цилиндров выбирается исходя из допускаемой цилиндровой мощности с учетом уровня форсирования и тактности двигателя.

Для четырехтактного судового дизеля при рядном расположении цилиндров примем ;

Габариты ДВС:

Определяющим габаритом для ДВС является его длина. В первом приближении длина рядного двигателя на фундаментной раме равна:

,

где - количество цилиндров, ;

- расстояние между осями, выраженное в количестве диаметров цилиндра, , ;

;



Ширина двигателя на фундаментной раме:

,

где - коэффициент, равный 3,6;

- ход поршня двигателя.

;

Высота двигателя от оси коленчатого вала до крайней верхней точки:

,

где - коэффициент, равный для тронковых двигателей 4,6..5;

;

Расстояние по высоте от оси коленчатого вала до нижней точки:

,

где - коэффициент, равный 1,25..2.

;

Общая высота двигателя:

, ;

Масса двигателя:

,

где - удельная масса равная 10..20;

;

Масса установки:

,

;

Ожидаемое значение среднего эффективного давления:

,

где - эффективная мощность двигателя, ;

- диаметр поршня, ;

- ход поршня, ;

- коэффициент тактности равный 0,5 для четырехтактного двигателя;

- число цилиндров;

;



3. Тепловой расчет ДВС

3.1 Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания топлива - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Она зависит от элементарного состава топлива.

Низшую теплоту сгорания жидкого топлива можно определить по формуле Д.И. Менделеева:

,

где - низшая теплота сгорания рабочего топлива, ;

- массовые доли углерода, водорода, кислорода, серы и воды в топливе.

;

3.2 Процесс наполнения

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения, являются:

- коэффициент наполнения;

- коэффициент остаточных газов;

- давление в конце наполнения;

- температура рабочей смеси;

- давление остаточных газов;

- температура остаточных газов;

Расчет процесса наполнения заключается в определении значений этих параметров.

Давление в конце наполнения:

,

где - наибольшая скорость протекания свежего заряда при открытии выпускных клапанов;

- давление наддува, ;

- коэффициент скорости истечения, учитывающий вредные сопротивления при протекании воздуха через клапаны, для ДВС с наддувом ;

- температура в начале процесса наполнения, К.

,

где - температура воздуха после воздухоохладителя, К;

- повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя;

;

Скорость поступающего заряда через живые сечения клапана:

,



где - площадь поршня;

- площадь сечения полностью открытых впускных клапанов;

- коэффициент, равный 6..9;

Наибольшая скорость протекания свежего заряда при открытии выпускных клапанов равна:

,

.

;

Коэффициент остаточных газов определяется по формуле:

,

где - давление остаточных газов, ;

- давление в конце наполнения;

- температура окружающей среды;

- повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя ;

- степень сжатия, 16;

- температура остаточных газов, ;

Так как при наддуве температура воздуха после нагнетателя очень высока, то в систему включим «холодильник», который охлаждает воздух до температуры окружающей среды.



;

Температура смеси в конце наполнения:

,

;

Коэффициент наполнения равен:

,

где - температура в начале процесса наполнения, К;

- температура в конце процесса наполнения, К;

- давление в конце наполнения;

- давление остаточных газов;

.

3.3 Процесс сжатия

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения, являются:

- давление начала сжатия;

- температура начала сжатия;

- степень сжатия;

- показатель политропы сжатия;

- температура конца сжатия;

- давление конца сжатия;

Так как процесс сжатия политропный, то величины, характеризующие его начало и окончание, связаны уравнениями:

;

,

где - показатель политропы, ;

;

;

3.4 Процесс сгорания

Количество воздуха теоретически необходимое для сгорания 1кг топлива:

,

где - массовые доли углерода, водорода, кислорода в топливе.

;



Действительное количество воздуха поступающее в цилиндр:

,

где - коэффициент избытка воздуха при горении,

; ;

Мольное количество смеси воздуха и остаточных газов, находящееся в цилиндре до горения:

,

;

Количество молей продуктов сгорания:

А) Теоретическое:

,

.

Б) Фактическое:

,

где - количество молей остаточных газов в конце процесса сгорания;



,

;

;

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

,

;

При постоянном объеме:

Приближенные значения средних молекулярных теплоемкостей:

- для азота:

,

;

- для кислорода:

,

;

- для водяного пара:

,

;

- для углекислого газа:

,

;

Содержание кислорода в свежем заряде:

,

;

Содержание азота в свежем заряде:

,

;

Количество молей продуктов сгорания:

- азота:

,

;

- кислорода:

,

;



- водяного пара:

,

;

- углекислого газа:

,

;

Количество молей остаточных газов:

- азота:

,

;

- кислорода:

,

;

- водяного пара:

,

;

- углекислого газа:

,

;

Молярные доли компонентов топлива:

- кислород:

,

;

- азот:

,

;

- водяной пар:

,

;



- углекислый газ:

,

;

Молярная теплоемкость смеси газов:

;

;

При постоянном давлении:

Приближенные значения средних молекулярных теплоемкостей:

- для азота:

;

- для кислорода:

;

- для водяного пара:

,

- для углекислого газа:



,

Количество молей продуктов сгорания:

- азота:

,

;

- кислорода:

,

;

- водяного пара:

,

;

- углекислого газа:

,

;

Молярные доли компонентов топлива:

Молярные доли компонентов топлива считаем по формуле:



;

- азот:

;

-кислород:

;

- водяной пар:

;

- углекислый газ:

;

Молярная теплоемкость смеси газов:

;

;



Уравнение сгорания для смешанного цикла:

,

где - коэффициент использования тепла, ;

- степень повышения давления, ;

;

Температура в точке Z: ;

Давление в точке Z:

,

;

Степень предварительного расширения:

,

;

Степень последующего расширения:

, ;



3.5 Процесс расширения

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения, являются:

- температура начала расширения;

- давление начала расширения;

- показатель политропы расширения;

- температура конца расширения;

- давление конца расширения;

Давление начала расширения:

,

;

Давление конца расширения:

,

;

Температура конца расширения:

,

;



3.6 Процесс выпуска

В связи с тем, что в момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре сравнительно высокое, приходится выпускные окна открывать с некоторым опережением, несколько раньше прихода поршня в нижнюю мертвую точку, чтобы избежать большого противодавления на поршень и, кроме того, чтобы ускорить и улучшить очистку цилиндра от остаточных газов.

Ввиду того, что характер колебаний давления газов при выпуске не поддается точному теоретическому подсчету, поэтому в расчете вместо переменного давления используем среднее постоянное давление газов в период выпуска .

Это давление выше давления в выпускной трубе . По практическим данным можно принять и . Средняя температура отработавших газов .

3.7 Построение расчётной индикаторной диаграммы

Построение расчётной индикаторной диаграммы проводим по данным расчёта рабочего процесса.

Откладываем по оси ординат давление, а по оси абцисс объёмы.

Для этого выбираем масштабы диаграммы:

Pz=150мм=>1Па=1.273210-5мм

Vs=200мм=>1м3=9345,7944 мм

Далее определяем координаты остальных объёмов:



мм

Va=Vc+Vs=200+12,5=221,5 мм

Vz=Vc=1,9412,5=21,75 мм

мм

мм

мм

1) Построение политропы сжатия:

Разобьем на 10 равных частей. Задавая объемы , определим значение давления, которое равно:

.

Результаты вычислений занесем в таблицу:

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
,	12,5	32,5	52,5	72,5	92,5	112,5	132,5	152,5	172,5	192,5	212,5
,	114,7	30,7	15,8	10,1	7,2	5,5	4,4	3,6	3,1	2,6	2,3

Построение политропы расширения:

Разобьем на 10 равных частей. Задавая объемы , определим значение давления, которое равно:

.



Результаты вычислений занесем в таблицу:

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
,	12,5	32,5	52,5	72,5	92,5	112,5	132,5	152,5	172,5	192,5	212,5
,	314,1	95,1	52,2	34,9	25,7	20,15	16,4	13,8	11,8	10,3	9,1

По полученным значениям в табл.№1 строим расчётную индикаторную диаграмму. Станиметрировав участок aczzba диаграммы, получим её площадь F=4951,35 мм2 , на которой найдём среднее теоретическое индикаторное давление:

Па

Среднее теоретическое индикаторное давление для цикла смешанного сгорания:

,

;

Среднее индикаторное давление с учетом поправки на полноту диаграммы:

,

где - принимаем 0,95...0,98;



;

3.8 Параметры, характеризующие рабочий цикл

К параметрам, характеризующим действительный рабочий цикл двигателя, относят давление в конце сжатия, давление в конце горения, среднее индикаторное давление, среднее эффективное давление , эффективный расход , эффективный КПД , а также приводятся диаметр цилиндра и ход поршня .

Среднее эффективное давление:

,

где - механический КПД,

;

;

Удельный индикаторный расход:

,

;

;

Удельный эффективный расход топлива:



,

;

Индикаторный КПД:

,

;

Эффективный КПД:

,

;

Диаметр цилиндра:

, ;

Диаметр поршня ;

Ход поршня:

;



4. Динамический расчёт двигателя

4.1 Диаграмма движущих усилий

Сила тяжести Рв:

Па

где mn=1000 кг/м2 - удельная масса поступательно движущихся частей, отнесённая к единице площади поршня (принимаем).

Далее строим кривую удельных сил инерции по способу Гои, для чего проводим горизонтальный отрезок АВ, равный длине индикаторной диаграммы: АВ=200мм, затем из точки А в масштабе индикаторной диаграммы откладываем удельную силу инерции в ВМТ Jпо:

Jпо= mnao= mnR21+= 10000,1876,452 1+1/4,5= 1285812,55 Н/м2

Jпо= 16,4 мм

где R - радиус мотыля, L - длина шатуна.

с-1 - угловая скорость вращения коленчатого вала.

Из точки В вниз откладываем удельную силу инерции в НМТ:

Jп180= mna180 = mnR2 11876,452,818244,35 Н/м2 = 10,4мм



Полученные точки C и D соединяют прямой. Из точки пересечения CD и AB откладывают вниз в принятом масштабе величину EF:

EF=3mnR2=310001/4,50,18(76,45)2=701352,3=8,9 мм.

Точку F соединяют прямыми с точками C и D. Линии CF и FD делят на одинаковое число равных частей и соединяют точки одного и того же номера прямыми. Через точки C и D по касательным и прямым, соединяющим одинаковые номера, проводим главную огибающую линию, которая и будет кривой удельных сил инерции. Построение диаграммы сил инерции, отнесённых к единице площади поршня, изображено в графической части проекта.

Построение диаграммы движущихся усилий проводим следующим образом:

проводим горизонтальный отрезок mm, равный четырём АВ:

mm=4АВ=4200=800 мм

делим отрезок mm на четыре равных участка

принимая прямую mm за атмосферную линию, строим развёрнутую индикаторную диаграмму

делим отрезок mm на четыре равных участка

на каждом участке наносим кривую сил инерции, отнесённых к единице площади поршня в зеркальном изображении

на каждом участке, как на диаметре, строим полуокружность

определяем поправку Брилса в масштабе абсцисс диаграммы

мм

откладываем из центра О каждого участка отрезок ОО'

построенные ранее полуокружности делим через каждые 15, устанавливая транспортир в О'

из каждой точки деления, на полуокружностях проводим вертикаль до пересечения с кривыми диаграммы

замеряем длину каждого из перпендикуляров между кривыми сил инерции и давления газов

результаты замеров заносим во вторую колонку таблицы №2 с учётом знака

подсчитываем значения касательного усилия Рк, соответствующим приведённым значениям углов.

Таблица 4.1

0	P9 , мм
0	-15,32	0	0
15	-14,46	0,315	-4,55
30	-12,03	0,596	-7,17
45	-8,4	0,819	-6,88
60	-4,26	0,964	-4,11
75	0,01	1,023	0,01
90	3,87	1	3,87
105	6,87	0,91	6,25
120	9,02	0,767	6,92
135	10,39	0,595	6,18
150	11,1	0,404	4,48
165	11,37	0,203	2,31
180	11,43	0	0
195	-11,4	0,203	-2,31
210	-11,09	0,404	-4,24
225	-10,77	0,595	-6,41
240	-9,86	0,767	-7,56
255	-8,3	0,91	-7,55
270	-6,41	1	-6,41
285	-4,41	1,023	-4,51
300	-3,83	0,964	-3,69
315	-7,72	0,819	-6,32
330	-20,46	0,596	-12,19
345	-42,94	0,315	-13,53
360	-132,36	0	0
375	132,22	0,315	41,64
382,42	134,13	0,441	59,15
390	92,65	0,596	55,22
405	48,17	0,819	39,45
420	29,25	0,964	28,2
435	21,85	1,023	22,35
450	19,46	1	19,46
465	18,82	0,91	17,13
480	18,68	0,767	14,33
495	18,65	0,595	11,1
510	18,5	0,404	7,47
525	18,32	0,203	3,72
540	-18,23	0	0
555	-10,34	0,203	-2,1
570	-10,07	0,404	-4,07
585	-9,36	0,595	-5,57
600	-7,99	0,767	-6,13
615	-5,84	0,91	-5,31
630	-2,84	1	-2,84
645	1,03	1,023	2,99
660	5,29	0,964	5,1
675	9,48	0,819	7,76
690	13,06	0,596	7,78
705	15,49	0,315	4,88
720	16,35	0	0

4.2 Диаграмма касательных усилий

Построение диаграммы проводим следующим образом:

проводим горизонтальную прямую и на ней в принятом масштабе оси абсцисс откладываем отрезок xx, равный четырём ходам поршня: xx=800мм

делим отрезок xx на 48 равных частей

нумеруем полученные точки деления с учётом того, что каждая часть выражает 72048=15 поворотом мотыля

из каждой точки деления восстанавливаем перпендикуляр, на котором с учётом знака откладываем соответствующие ей касательные усилия, значение которого выбирается из таблицы №2

полученные точки соединяем плавной кривой.

4.3 Диаграмма суммарных касательных усилий

Угол поворота радиуса мотыля между двумя последовательными вспышками:

,

где - число цилиндров;

;

Таблица углов:

	0	1	2	3	4	5	6
	0	15	30	45	60	75	90
	90	105	120	135	150	165	180
	180	195	210	225	240	255	270
	270	285	300	315	330	345	360
	360	375	390	405	420	435	450
	450	465	480	495	510	525	540
	540	555	570	585	600	615	630
	630	645	660	675	690	705	720



Таблица значений:

0	1	2	3	4	5	6
0	-4,55	-7,17	-6,88	-4,11	0,01	3,87
3,87	6,25	6,92	6,18	4,48	2,31	0
0	-2,31	-4,24	-6,41	-7,56	-7,55	-6,41
-6,41	-4,51	-3,69	-6,32	-12,19	-13,53	0
0	41,64	55,22	39,45	,28,2	22,35	19,46
19,46	17,13	14,33	11,1	7,47	3,72	0
0	-2,1	-4,07	-5,57	-6,13	-5,31	-2,84
-2,84	2,99	5,1	7,76	7,78	4,88	0
14,08	54,54	65,4	39,31	17,94	6,88	14,08

Постоянная удельная сила сопротивления:

- графо-аналитический метод:

,

где - площадь под кривой диаграммы касательных усилий, ;

- масштаб давлений, ;

- масштаб объемов,

, ;

- удельный объем, ;

;



- аналитический метод:

,

где - количество цилиндров;

;

Так как разница между значениями удельной силы сопротивления посчитанными аналитическим и графо-аналитическим метод превышает 4%, то дальнейший расчет по значению посчитанному графо-аналитическим методом.



5. Расчет прочности деталей двигателя

5.1 Детали поршневой группы

Расчет поршня.

Диаметр головки поршня:

,

где - диаметр поршня;

;

Диаметр юбки поршня:

,

;

Толщина днища:

,

;

Расстояние от первого кольца до кромки днища:

,

;



Толщина цилиндрической стенки головки:

,

;

Толщина направляющей части юбки:

,

;

Длина направляющей части юбки:

,

;

Расстояние от нижней кромки юбки до оси поршневого пальца:

,

;

Полная длина поршня:

,

;

Необходимая длина направляющей части поршня:



,

где при : ;

- сила, действующая на поршень в конце сгорания топлива;

- допустимое удельное давление на 1 площади проекции боковой поверхности поршня в , принимаемое равным ;

- площадь поршня;

;

Днище поршня рассчитываем на изгиб, так как днище поршня плоское, то условие прочности имеет вид:

,

где - толщина днища: для чугунных неохлаждаемых поршней: ,

- допускаемое напряжение на изгиб: эквивалентные допускаемые напряжения на изгиб для чугунных поршней должны быть ;

;

Расчет поршневого пальца:

Диаметр пальца:

Рис. 5.1

,

;

Длина вкладыша головного подшипника:

,

;

Внутренний диаметр пальца:

,

;

Длина пальца:

, ;



Расстояние между серединами опор пальца:

,

;

Длина опорной части бобышки:

,

;

Напряжение изгиба, возникающее в момент действия силы:

,

где - допускаемое напряжение изгиба, для углеродистой стали:

;

;

Напряжение среза:



,

где - допускаемое напряжение среза:

;

;

Степень овализации пальца:

По методу Кинасошвили определим увеличение наружного диаметра в горизонтальной плоскости:

,

где - модуль упругости материала, для стали ;

;

;

Удельное давление в подшипнике скольжения:



,

где - допускаемое давление, для игольчатых подшипников ;

;

Удельное давление на гнездо бобышки:

,

где - допускаемое давление, для бобышек из чугуна ;

;

5.2 Расчет коленчатого вала

1. Выбор материала вала:

вал изготовлен из стали марки 45Х, предел прочности , предел текучести .

2. Диаметр коленчатого вала:

,

где - диаметр цилиндра в ;

- ход поршня в ;

- расстояние между центрами рамовых подшипников в ;

и - безразмерные коэффициенты, зависящие от () и ();

- безразмерный коэффициент, зависящий от числа цилиндров и тактности: ;

- безразмерный коэффициент зависящий от предела прочности и вычисляемый по формуле:

,

;

;

3. Диаметр шатунной () и рамовой () шейки примем равными расчетному значению диаметра вала ().

4. Толщина щеки:

,

;



5. Ширина щеки:

,

;

6. Длина шатунной шейки:

,

;

7. Длина рамовой шейки:

,

;

8. Расстояние между осями коренной и шатунной шеек , между средним слоем щеки и серединой рамового подшипника , между серединами рамовых шеек .

9. Радиусы закруглений:

- у мотылевой шейки

,

;

- у рамовой шейки

,

;

- у фланца

,

;

10. Определение наиболее нагруженного мотыля в первом опасном положении:

№ мотыля	и	Углы поворота мотыля, град	Порядок вспышек
		0,720	90	180	270	360	450	540	630
1		0	3,87	0	-6,41	0	19,46	0	-2,84	1
		-15,32	-0,88	-11,1	1,46	-132,36	-4,44	18,23	0,65
2		0	-6,41	0	19,46	0	-2,84	0	3,87	7
				0
				-132,6
3		19,46	0	-2,84	0	3,87	0	-6,41	0	4
									1,03
									-132,6
34		0	19,46	0	-2,84	0	3,87	0	-6,41	5
		19,46
		-132,6
5		-2,84	0	3,87	0	-6,41	0	19,46	0	2
							20,49
							-132,36
		-6,41	0	19,46	0	-2,84	0	3,87	0	6
			16,92
			-132,6
		0	-2,84	0	3,87	0	-6,41	0	19,46	3
								16,92
								-132,6
6		3,87	0	-6,41	0	19,46	0	-2,84	0	8
					14,08
					-132,6

В первом опасном положении следует рассчитывать мотыль второго цилиндра, как передающий наибольшее касательное усилие от цилиндров, расположенных впереди.

11. Значение радиальной силы вычислим по формуле:

двигатель топливо сгорание охлаждение

Определение наиболее нагруженного мотыля во втором опасном положении:

№ мотыля	и	Углы поворота мотыля, град	Порядок вспышек
		22,42 742,22	112,42	202,42	292,42	382,42	472,42	562,42	652,42
1		-7,01	6,35	-3,15	-4,79	49,65	15,83	-3,96	3,25	1
		-10,97	-2	-11,37	2,3	-114,72	-9,95	9,29	1,56
2		-3,15	-4,79	49,65	15,83	-3,96	3,25	-7,01	6,35	7
				46,5
				-114,72
3		15,83	-3,69	3,25	-7,01	6,35	-3,15	-4,79	49,65	4
									9,6
									-114,72
34		49,65	15,83	-3,69	3,25	-7,01	6,35	-3,15	-4,79	5
		58,65
		-114,72
5		3,25	-7,01	6,35	-3,15	-4,79	49,65	15,83	-3,96	2
							71,93
							-114,72
		-4,79	49,65	15,83	-3,69	3,25	-7,01	6,35	-3,15	6
			56,34
			-114,72
		-3,96	3,25	-7,01	6,35	-3,15	-4,79	49,65	15,83	3
								52,92
								-114,72
6		6,35	-3,15	-4,79	49,65	15,83	-3,96	3,25	-7,01	8
					56,44
					-114,72

Во втором опасном положении следует рассчитывать мотыль второго цилиндра, как передающий наибольшее касательное усилие от цилиндров, расположенных впереди.

Первое опасное положение.

Расчет шатунной шейки.

15. Сила давления в конце горения:

,

;



16. Момент, изгибающий шатунную шейку:

,

;

17. Напряжение изгиба:

,

где - осевой момент сопротивления, для сплошной шейки ;

18. Наибольшее касательное усилие от расположенных впереди цилиндров:

,

;

19. Момент, скручивающий мотылевую шейку:

,



20. Напряжение кручения:

,

21. Эквивалентное напряжение в шейке:

,

22. ,

где - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

- условие выполняется.

Расчет рамовой шейки.

23. Изгибающий момент:

,

;

24. Напряжение изгиба:

;



25. Напряжение кручения:

напряжение кручения шатунной шейки равно напряжению кручения рамовой шейки:

;

26. Эквивалентное напряжение:

,

;

27. ,

где - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

- условие выполняется.

Расчет щеки.

28. Изгибающий момент:

,

;

29. Момент сопротивления на широкой стороне щеки:

,

;



30. Напряжение изгиба:

,

;

31. Момент сопротивления на узкой стороне щеки:

,

;

32. Напряжение изгиба на узкой стороне щеки:

;

33. Напряжение сжатия от силы :

,

;

34. Суммарное напряжение:

, ; 35. ,

где - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

- условие выполняется.

Второе опасное положение.

Расчет шатунной шейки.

36. Наибольшее касательное усилие одного цилиндра:

,

;

37. Наибольшее радиальное усилие одного цилиндра:

,

;

38. Изгибающий момент от наибольшего касательного усилия:

,

;

39. Изгибающий момент от наибольшего радиального усилия:

, ;

40. Напряжение изгиба от действия :

,

где - соевой момент сопротивления, для сплошной шейки ;

;

41. Напряжение изгиба от действия :

,

;

42. Равнодействующее напряжение изгиба:

,

;

43. Суммарное касательное усилие, передаваемое шейкой рамового подшипника:

,

;

44. Касательное усилие от впереди расположенных цилиндров:

,

;

45. Крутящий момент от касательной силы :

,

;

46. Крутящий момент от касательной силы одного цилиндра:

,

;

47. Напряжение кручения от моментов и :

,

;

,

;



48. Суммарное напряжение кручению:

,

;

49. Эквивалентное напряжение в шатунной шейке:

,

;

50. ,

где - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

- условие выполняется.

Расчет щеки.

51. Изгибающий момент на широкой стороне щеки:

,

;

52. Напряжение изгиба на широкой стороне щеки:

,

;



53. Напряжение изгиба на узкой стороне щеки:

,

;

54. Напряжение сжатия силой :

,

;

55. Суммарное напряжение:

,

;

56. Момент, скручивающий щеку:

,

;

57. Момент сопротивления кручению на середине широкой стороны щеки:

, ;

58. Касательное напряжение на середине широкой стороны щеки:

,

;

59. Напряжение кручения на середине узкой стороне щеки:

,

;

60. Равнодействующее напряжение на середине широкой стороны щеки:

,

;

61. Равнодействующее напряжение на середине узкой стороны щеки:

,

;

Расчет рамовой шейки.

62. Изгибающий момент силы :



,

;

63. Изгибающий момент силы :

,

;

64. Равнодействующий изгибающий момент:

,

;

65. Напряжение изгиба:

,

;

66. Момент, скручивающий рамовую шейку:

,

;



67. Напряжение кручения:

,

;

68. Суммарное напряжение в рамовой шейке:

,

;

69. ,

где - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

- условие выполняется.



6. Определение уравновешенности ДВС

Под внешней неуравновешенностью ДВС понимается наличие в нем периодических сил или моментов сил, передающихся на фундамент. Причиной внешней неуравновешенности ДВС являются силы инерции приведенных поступательно движущихся масс и неуравновешенных вращающихся масс кривошипно- шатунного механизма всех цилиндров, а так же опрокидывающие моменты.

Расчет уравновешенности ДВС:

Схема вала:

Рис. 6.1

Примем величину условной центробежной силы ;

Найдем углы развала мотылей для всех цилиндров ДВС при положении мотыля первого цилиндра в ВМТ:

Рис. 6.2

№ цилиндра
1	0	3,5H	1	0	3,5H	0	10	3,5H	1	0	3,5H	0
2	0	2,5H	1	0	2,5Н	0	0	2,5H	1	0	2,5H	0
3	180	1,5H	-1	0	-1,5H	0	0	1,5H	1	0	1,5Н	0
4	180	0,5H	-1	0	-0,5Н	0	0	0,5H	1	0	0,5H	0
5	270	-0,5H	0	-1	0	-0,5Н	180	-0,5H	-1	0	0,5Н	0
6	90	-1,5Н	0	1	0	-1,5Н	180	-1,5Н	-1	0	1,5Н	0
7	90	-2,5Н	0	1	0	-2,5Н	180	-2,5Н	-1	0	2,5Н	0
8	270	-3,5H	0	-1	0	3,5Н	180	-3,5H	-1	0	3,5Н	0
			0	0	4Н	-1,5Н			0	0	16H	0

4. Определение уравновешенности ДВС сведем в таблицу:

В таблице:

- составляющая условной центробежной силы инерции первого порядка в вертикальной плоскости;

- составляющая условной центробежной силы инерции первого порядка в горизонтальной плоскости;

- момент сил инерции относительно центра тяжести в вертикальной плоскости;

- момент сил инерции относительно центра тяжести в горизонтальной плоскости;

- составляющая условной центробежной силы инерции второго порядка в вертикальной плоскости;

- составляющая условной центробежной силы инерции второго порядка в горизонтальной плоскости;

- момент сил инерции относительно центра тяжести в вертикальной плоскости;

- момент сил инерции относительно центра тяжести в горизонтальной плоскости;

5. ,

;

,

;

Положение вектора моментов на диаграмме мотылей относительно мотыля первого цилиндра, расположенного в ВМТ, определяется углом из выражения:

, ;

6. ,

; , ;

, ;

7. Определим неуравновешенные силы и моменты от системы сил вращающихся масс. Неуравновешенные силы и моменты сил инерции определяются при положении мотыля в верхней мертвой точке. Методика определения аналогична методике определения неуравновешенных сил и моментов инерции первого порядка.

№ цилиндра
1	0	3,5H	1	0	3,5H	0
2	0	2,5H	1	0	2,5Н	0
3	180	1,5H	-1	0	-1,5H	0
4	180	0,5H	-1	0	-0,5Н	0
5	270	-0,5H	0	-1	0	-0,5Н
6	90	-1,5Н	0	1	0	-1,5Н
7	90	-2,5Н	0	1	0	-2,5Н
8	270	-3,5H	0	-1	0	3,5Н
			0	0	4Н	-1,5Н

В таблице:

- составляющая условной центробежной силы инерции первого порядка в вертикальной плоскости;

- составляющая условной центробежной силы инерции первого порядка в горизонтальной плоскости;

- неуравновешенный момент в вертикальной плоскости;

- неуравновешенный момент в горизонтальной плоскости;

Максимально неуравновешенный момент равен:

,

;



Положение вектора моментов на диаграмме мотылей относительно мотыля первого цилиндра:

,

;



7. Расчет системы охлаждения

Подача насоса пресной воды определяется количеством теплоты , которую необходимо отвести от двигателя с водой в течение часа:

,

где - коэффициент запаса подачи, ;

- доля теплоты, отводимой пресной водой, по тепловому балансу двигателя, при охлаждении поршней и цилиндров, ;

- теплоемкость пресной воды, ;

- плотность пресной воды, ;

- перепад температур, ;

- низшая теплота сгорания рабочего топлива, ;

- массовый расход охлаждающей воды, ,

;

;

Подача насосов забортной воды зависит от количества теплоты, отводимой от маслоохладителя , охладителя пресной воды и охладителя наддувочного воздуха :

, ;

где - доля теплоты отводимой от маслоохладителя, ;

,

где - доля теплоты отводимой от охладителя пресной воды ;

;

,

где - теплоемкость воздуха, ;

- температурный перепад наддувочного воздуха, ;

,

где - суммарный коэффициент избытка воздуха, для четырехтактного СОД ;

- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, ;

.

Подача насоса забортной воды равна:

,



где - коэффициент запаса, учитывающий дополнительный расход забортной воды на охлаждение компрессоров, подшипников валопровода и теплообменных аппаратов, не учтенные в отводимой теплоте , ; - теплоемкость забортной воды, ; - перепад температур забортной воды, ; - плотность забортной воды, ;

Площадь охлаждающей поверхности водо-водяного охладителя равна:

,

где - коэффициент запаса на глушение трубок, ;

- общий коэффициент теплопередачи от воды к воде, ; - температурный напор:

,

здесь и - температуры охлаждаемой пресной воды на входе и выходе из охладителя, , ; и - температуры забортной воды на входе и выходе из охладителя, , ;

;



Объем расширительной цистерны равен:

,

;

Мощность насосов, обслуживающих системы ДУ: Насос пресной воды:

,

где - подача насоса пресной воды; - необходимый напор, для центробежного насоса ; - общий КПД насоса, для центробежного насоса ;

;

2) Насос забортной воды:

,

где - подача насоса забортной воды;

- необходимый напор, для центробежного насоса ;

- общий КПД насоса, для центробежного насоса ;

Вывод

В результате работы над данным курсовым проектом был разработан судовой дизельный двигатель 8ЧН 27,5/36. Данный двигатель относится к СОД (частота вращения коленчатого вала 730 об/мин), имеет 8 цилиндров, расположение цилиндров - рядное. Он отвечает требованиям, указанным в учебном техническом задании: развивает необходимую мощность, что обеспечивает судну требуемую скорость. Спроектированный двигатель также имеет достаточно низкий удельный расход топлива - . Данное значение удельного расхода топлива ниже среднего для СОД, что говорит об экономичности двигателя. Кроме того, по сравнению с прототипом, разработанный дизель имеет несколько меньшие габариты по ширине (максимальная ширина 1296мм, у прототипа - 1360мм) и высоте (максимальная высота - 2196мм, у прототипа - 2860мм), что позволяет говорить о некотором выйгрыше в массе двигателя и, конечно же, о меньшей массе и стоимости исходных материалов, что, в свою очередь, приводит к снижению себестоимости двигателя.

Но тем не менее данный двигатель не пригоден для использования в качестве ГД на ледоколе. Для наиболее эффективного преодоления ледяных преград ледоколу необходим ВОД. Рассчитанный двигатель может быть использован в качестве вспомогательного, например для движения по безледному пространству, как двигатель использующий более дешевое топливо.



Список литературы

1. Стенин В.А., Альпин, «Проектирование судовых ДВС.», уч. пособ., Северодвинск, 1998.

2. Стенин В.А. «Судовое главное энергетическое оборудование. Судовые дизели», уч. пособ. по курс. и дипл. проект., Северодвинск, 2003.

3. Андросов Б.И., Кравцов А.И., Коншин И.А., «Дизели морских судов», атлас конструкций, М.: Транспорт, 1966.

4. Ваншейдт В.А., «Судовые ДВС.», Л.: Судостроение, 1977.

5. Овсяников М.К., «Судовые дизельные установки», Л.: Судостроение, 1986.

Размещено на Allbest.ru