Проектирование и расчет главного дизельного двигателя

Проектирование и расчет главного дизельного двигателя

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

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.

2. Выбор главных двигателей и основных параметров

.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

.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:

=150мм=>1Па=1.2732×10-5мм=200мм=>1м3=9345,7944 мм

Далее определяем координаты остальных объёмов:

 мм=Vc+Vs=200+12,5=221,5 мм=r×Vc=1,94×12,5=21,75 мм

мм

мм

мм

) Построение политропы сжатия:

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

.

Результаты вычислений занесем в таблицу:

Построение политропы расширения:

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

.

Результаты вычислений занесем в таблицу:

По полученным значениям в табл.№1 строим расчётную индикаторную диаграмму. Станиметрировав участок acz¢zba 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

.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= -mn×ao= -mn×R×w2×(1+l)= -1000×0,18×76,452 ×(1+1/4,5)= - 1285812,55 Н/м2по= 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= -mn×a180 = -mn×[-R×w2×(1-l)] = -12000×[(-0,18)×(76,45)2×(1-1/4,5)]=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:

=3×mn×l×R×w2=3×1000×1/4,5×0,18×(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:

=4АВ=4×200=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

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 720:48=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:

Таблица значений:

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

.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:

,

;

;

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

. Толщина щеки:

,

;

5. Ширина щеки:

,

;

. Длина шатунной шейки:

,

;

. Длина рамовой шейки:

,

;

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

. Радиусы закруглений:

у мотылевой шейки

,

;

у рамовой шейки

,

;

- у фланца

,

;

. Определение наиболее нагруженного мотыля в первом опасном положении:

№ мотыля              и

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

. Значение радиальной силы вычислим по формуле:

двигатель топливо сгорание охлаждение

Определение наиболее нагруженного мотыля во втором опасном положении:

№ мотыля              и

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

Первое опасное положение.

Расчет шатунной шейки.

. Сила давления в конце горения:

,

;

16. Момент, изгибающий шатунную шейку:

,

;

. Напряжение изгиба:

,

где  - осевой момент сопротивления, для сплошной шейки ;

. Наибольшее касательное усилие от расположенных впереди цилиндров:

,

;

. Момент, скручивающий мотылевую шейку:

,

20. Напряжение кручения:

,

. Эквивалентное напряжение в шейке:

,

. ,

где  - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

 - условие выполняется.

Расчет рамовой шейки.

. Изгибающий момент:

,

;

. Напряжение изгиба:

;

25. Напряжение кручения:

напряжение кручения шатунной шейки равно напряжению кручения рамовой шейки:

;

. Эквивалентное напряжение:

,

;

. ,

где  - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

 - условие выполняется.

Расчет щеки.

. Изгибающий момент:

,

;

. Момент сопротивления на широкой стороне щеки:

,

;

,

;

. Момент сопротивления на узкой стороне щеки:

,

;

. Напряжение изгиба на узкой стороне щеки:

;

. Напряжение сжатия от силы :

,

;

. Суммарное напряжение:

, ; 35. ,

где  - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

 - условие выполняется.

Второе опасное положение.

Расчет шатунной шейки.

. Наибольшее касательное усилие одного цилиндра:

,

;

. Наибольшее радиальное усилие одного цилиндра:

,

;

. Изгибающий момент от наибольшего касательного усилия:

,

;

. Изгибающий момент от наибольшего радиального усилия:

, ;

. Напряжение изгиба от действия :

,

где  - соевой момент сопротивления, для сплошной шейки ;

;

. Напряжение изгиба от действия :

,

;

. Равнодействующее напряжение изгиба:

,

;

. Суммарное касательное усилие, передаваемое шейкой рамового подшипника:

,

;

44. Касательное усилие от впереди расположенных цилиндров:

,

;

. Крутящий момент от касательной силы :

,

;

. Крутящий момент от касательной силы одного цилиндра:

,

;

. Напряжение кручения от моментов  и :

,

;

,

;

48. Суммарное напряжение кручению:

,

;

. Эквивалентное напряжение в шатунной шейке:

,

;

. ,

где  - допускаемое напряжение, для валов из легированной стали ;

 - условие выполняется.

Расчет щеки.

. Изгибающий момент на широкой стороне щеки:

,

;

. Напряжение изгиба на широкой стороне щеки:

,

;

53. Напряжение изгиба на узкой стороне щеки:

,

;

. Напряжение сжатия силой :

,

;

. Суммарное напряжение:

,

;

. Момент, скручивающий щеку:

,

;

. Момент сопротивления кручению на середине широкой стороны щеки:

, ;

58. Касательное напряжение на середине широкой стороны щеки:

,

;

. Напряжение кручения на середине узкой стороне щеки:

,

;

. Равнодействующее напряжение на середине широкой стороны щеки:

,

;

. Равнодействующее напряжение на середине узкой стороны щеки:

,

;

Расчет рамовой шейки.

. Изгибающий момент силы :

,

;

. Изгибающий момент силы :

,

;

. Равнодействующий изгибающий момент:

,

;

. Напряжение изгиба:

,

;

. Момент, скручивающий рамовую шейку:

,

;

67. Напряжение кручения:

,

;

. Суммарное напряжение в рамовой шейке:

,

;

. ,

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

. 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;

. ,

;

,

;

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

, ;

. ,

; , ;

, ;

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.

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 ;

;

) 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.

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

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

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

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