Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет тепловозного двигателя

Исходные данные

Для расчёта двигателя по заданным значениям, необходимо знать все параметры двигателя-образца, которые берутся из литературы [2],[3]:

Fкр = 156 кН – расчетное значение силы тяги тепловоза ТЭП70;

Nе обр = 2940 кВт – эффективная мощность образца дизеля;

t = 4 – тактность дизеля;

i = 16 – число цилиндров;

n = 16,67 об/с – частота вращения коленчатого вала;

wд = 104,7 рад/с - угловая скорость коленчатого вала дизеля;

DП = 260 мм, S = 260 мм – диаметр и ход поршня;

jb = 1,05 – коэффициент продувки;

hм = 0,88 – механический к.п.д. двигателя;

a = 2,01 – коэффициент избытка воздуха ;

l = 1/5,4– отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

e = 12,2 – степень сжатия;

g = 0,03 - коэффициент остаточных газов;

рz = 12,5 МПа – наибольшее давление сгорания;

x = 0,78 - коэффициент эффективного выделения теплоты;

n1=1,36 – средний показатель политропы сжатия;

n2=1,28 – средний показатель политропы расширения;

Мп = 32 кг, Мш = 60 кг - масса поршня и шатуна.

Введение

Создание надежного и экономичного дизеля представляет собой сложную проблему в конструкторско-технологическом и производственном аспектах, особенно в связи с ростом мощности двигателя на единицу объема и веса при одновременном повышении надежности, ресурса, экономичности и снижении трудоемкости его изготовления и обслуживания. Создание же однотипных двигателей с достаточно широким мощностным диапазоном выдвигает необходимость высокой унификации моделей семейства этих двигателей.

Мощностной ряд четырехтактных дизелей типа Д49 (ЧН 26/26) включает восьми-, двенадцати-, шестнадцати- и двадцатицилиндровые модификации дизелей мощностью от 585 до 4410 кВт. Дизели этого ряда предназначены для применения на магистральных и маневровых тепловозах, передвижных электростанциях, на стационарных буровых и судовых установках. Мощностной ряд дизелей типа Д49 позволяет заменить весьма многочисленные устаревшие модели однотипными дизелями с высокой степенью унификации и лучшими экономическими показателями. Требования к моторесурсу и экономичности определили выбор в качестве базовой модели четырехтактного дизеля. В основу создания мощностного ряда был положен принцип обеспечения всего диапазона мощностей ряда за счет изменения количества цилиндров и уровня форсирования V-образных дизелей, имеющих одинаковые диаметр и ход поршня. Все дизели типа Д49 имеют диаметр цилиндра и ход поршня равными 260 мм, угол развала между цилиндрами в V-образной модели 45°. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D = 26/26 = 1 позволило создать дизели с хорошими показателями по габаритным размерам и сравнительно малой удельной массой.

Наибольшее применение дизели типа Д49 получили на железнодорожном транспорте. При создании и доводке дизелей типа Д49 были использованы лучшие конструктивные решения, проверенные в длительной эксплуатации на отдельных отечественных дизелях 11Д45 и Д100.

1 Расчёт требуемой эффективной мощности и давления наддува дизеля

1.1 Определение значения давления наддува

По заданным значениям расчетной силы тяги и скорости тепловоза на расчетном подъеме определяется величина касательной мощности тепловоза, кВт:

(1.1)

Подставляя численные значения, получаем:

Требуемая эффективная мощность дизеля определяется по формуле

(1.2)

где hпер – к.п.д. передачи тепловоза, принимаем 0,83 [1];

hвсп – коэффициент, учитывающий затраты мощности на вспомогательные нужды тепловоза, принимаем 0,9 [1].

Подставляя численные данные, получаем

Требуемое давление наддувочного воздуха определяется по параметрам дизеля-образца из пропорции:

(1.3)

где – давление наддува дизеля-образца, принимаем = 0,266 МПа.

Подставляя численные значения, получаем

Продолжая расчёт с этим давлением наддува, получим расчётное значение эффективной мощности Ne = 2476 кВт, что существенно меньше требуемой эффективной мощности проектируемого дизеля. В связи с этим увеличим давление наддувочного воздуха до 0,33 МПа.

1.2 Выбор схемы воздухоснабжения дизеля

Для четырехтактных дизелей наиболее рациональной является одна ступень сжатия воздуха в центробежном компрессоре, приводимом от газовой турбины. Предельная величина давления в таком компрессоре составляет 0,35 МПа.

Так как полученное давление находится в допустимом диапазоне, то принимаем одноступенчатую схему наддува, которая показана на рисунке 1.1.

Степень повышения давления в компрессоре определяется по формуле

(1.4)

где p0 – давление атмосферного воздуха, МПа, p0 = 0,102 МПа

1 − фильтр; 2 − компрессор; 3 − охладитель надувочного воздуха;

4 − воздушный ресивер; 5 − поршневая часть дизеля;

6 − выпускной коллектор; 7 − турбина; 8 − глушитель

Рисунок 1.1 − Схема воздухоснабжения дизеля.

Температура воздуха Т1 на выходе из компрессора определяется из выражения

(5)

где Т0 − температура окружающего воздуха, Т0 = 293 К;

к – показатель адиабаты сжатия, к = 1,4;

− к.п.д. центробежного компрессора, принимаем 0,8.

Температура воздуха Тs на входе в дизель определяется соотношением

(6)

где ТW − температура теплоносителя, охлаждающего наддувочный воздух, примем для водовоздушного охладителя TW = 330 K;

− коэффициент эффективности охладителя, принимаем 0,7.

2 Определение параметров рабочего процесса дизеля и построение индикаторной диаграммы

2.1 Расчет процесса наполнения цилиндра

Рабочий объем цилиндра Vh определяется по следующему выражению:

(2.1)

Подставляя численные значения, получаем:

Объем камеры сжатия определяем из выражения:

(2.2)

Подставляя численные значения, получаем:

Максимальный объем цилиндра составит:

(2.3)

Тогда, подставляя численные значения, получаем:

Давление в начале сжатия определяется следующим образом:

Температура рабочего тела в начале сжатия вычисляется по следующей формуле:

(2.4)

где Тг – температура выпускных газов, принимаем 800 К [1];

DТ – суммарное повышение температуры воздуха в период наполнения, принимаем 10 К [1].

Тогда подставляя численные данные, получаем:

Коэффициент наполнения двигателя определяется из выражения

(2.5)

Подставляя численные значения, получаем

2.2 Расчет процессов сжатия и горения

Давление и температура в конце сжатия определяются из выражений

(2.6)

Тогда подставляя численные значения, получаем:

Химический коэффициент молекулярного изменения определяется по зависимости:

(2.7)

где Н, О – массовые доли водорода и кислорода в топливе, Н = 0,135 и О = 0,005 [1];

L0 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, L0 = 0,5 кмоль/кг [1].

Тогда подставляя численные значения, получаем:

Действительный коэффициент молекулярного изменения определяется из соотношения:

(2.8)

Подставляя численные значения, получаем:

Степень повышения давления в цилиндре определяется по следующей формуле:

(2.9)

Подставляя численные значения, получаем:

Температура рабочего тела в точке z индикаторной диаграммы определяется из уравнения сгорания. При решении данного уравнения значения температур tc, tz более удобно представлять в градусах Цельсия:

(2.10)

где mгСpmz – средняя молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания;

mCvmc – средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для воздуха;

Hu – теплота сгорания смеси, Нu = 42500 кДж.

Значения теплоемкостей определим по следующим формулам:

– для воздуха:

(2.11)

– для продуктов сгорания жидкого топлива при х>1:

(2.12)

Подставляя численные значения в (2.11), получаем:

После подстановки значения mCvmc и mгCpmz в выражение (2.10) и некоторых преобразований получаем квадратное уравнение:

Решив квадратное уравнение, получаем, что температура рабочего тела в точке z индикаторной диаграммы будет равна: Tz = 1555 °С + 273 = 1828 К.

Степень предварительного расширения определяем из зависимости:

(2.13)

Подставляя численные значения, получаем:

Объем в точке z индикаторной диаграммы определяется по формуле:

(2.14)

Подставляя численные данные, получаем:

2.3 Расчет процесса расширения

Давление и температура в конце расширения определяются по следующим формулам:

(2.15)

(2.16)

где d = Vb/Vz = en /r = 12,2/1,499 = 8,14 - степень последующего расширения в цилиндре;

Тогда подставляя численные значения, получаем:

2.4 Расчет расчетного среднего индикаторного давления

Расчетное среднее индикаторное давление вычисляется по формуле:

(2.17)

Подставляя численные значения, получаем:

Для четырёхтактного двигателя среднее индикаторное давление, вычисленное для полезного рабочего объема цилиндра, следует отнести ко всему рабочему объему. Следовательно pi = jп×pip, где jп – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, для четырёхтактного двигателя jп = 0,97 [1]. Тогда pi = 0,97×0,1,824 = 1,769 МПа.

Индикаторная мощность двигателя вычисляется по следующей формуле:

(2.18)

Подставляя численные данные, получаем:

Индикаторный к.п.д. определяется по следующей зависимости:

(2.19)

Подставляя численные данные, получаем:

Удельный индикаторный расход топлива определяется по следующему выражению:

(2.20)

Подставляя численные данные, получаем:

2.5 Расчет эффективных показателей работы двигателя

Вычисляются по следующим зависимостям:

(2.21)

(2.22)

(2.23)

Подставляя численные значения в эти выражения, получаем:

Расчетное значение эффективной мощности отличается от требуемой на 2,68 % в меньшую сторону, что допустимо.

Часовой расход топлива дизелем определяем по формуле:

(2.24)

Подставляя численные данные, получаем:

Суммарный секундный расход воздуха дизелем определим по формуле:

(2.25)

Подставляя численные данные, получаем:

Расход воздуха, определяющий заряд цилиндра будет ниже суммарного, т.к. часть воздуха расходуется на продувку цилиндров:

Gb = Gbå/jb = 5,797/1,05 = 5,521 кг/с.

Секундный расход отработавших газов определяем по формуле:

(2.26)

Подставляя численные значения, получаем:

2.6 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строим в координатах р-v. По значениям ранее вычисленных объемов и давлений на координатную плоскость наносится положение характерных точек индикаторной диаграммы.

Значения координат промежуточных точек процессов сжатия а-с и расширения z-b определяются по уравнениям политроп сжатия и расширения при заданных значениях текущего объема V.

Уравнение политропы сжатия:

(2.27)

Уравнение политропы расширения:

(2.28)

Задавая значения текущего объема V, определяем давление р.

Значение объема V при заданном угле поворота коленчатого вала находится по зависимости

(2.29)

где Fп – площадь поршня, м2;

S – перемещение поршня от ВМТ.

Значение S в зависимости от угла поворота коленчатого вала будет:

(2.30)

Для построения индикаторной диаграммы все расчеты сведем в таблицу 2. При этом положение поршня от ВМТ берём через каждые 15ْ поворота коленчатого вала от 0ْ до 180ْ.

Индикаторная диаграмма представлена на рисунке 2.1.

Таблица 2.1 – Расчет индикаторной диаграммы

φ		S	FПS	V	Сжатие			Расширение
град	рад	м	м3	м3	Va/V	(Va/V)n1	p, МПа	V/VZ	(V/VZ)n2	p, МПа
0	0,0000	0,0000	0,000000	0,001232	12,2	30,02	9,412	0,667	0,596	12,500
15	0,2618	0,0052	0,000278	0,001510	9,95	22,77	7,138	0,818	0,773	12,500
30	0,5236	0,0204	0,001084	0,002316	6,49	12,72	3,989	1,254	1,336	9,354
45	0,7854	0,0441	0,002340	0,003572	4,21	7,06	2,213	1,934	2,327	5,372
60	1,0472	0,0740	0,003928	0,005160	2,91	4,28	1,342	2,795	3,727	3,354
75	1,3090	0,1076	0,005709	0,006941	2,17	2,86	0,896	3,759	5,446	2,295
90	1,5708	0,1420	0,007537	0,008769	1,71	2,08	0,652	4,749	7,346	1,702
105	1,8326	0,1749	0,009280	0,010512	1,43	1,63	0,510	5,693	9,265	1,349
120	2,0944	0,2040	0,010827	0,012059	1,25	1,35	0,423	6,531	11,045	1,132
135	2,3562	0,2279	0,012096	0,013328	1,13	1,18	0,369	7,218	12,554	0,996
150	2,6180	0,2456	0,013033	0,014265	1,05	1,07	0,337	7,725	13,694	0,913
165	2,8798	0,2564	0,013605	0,014837	1,01	1,02	0,319	8,035	14,401	0,868
180	3,1416	0,2600	0,013797	0,015029	1,00	1,00	0,314	8,139	14,641	0,854

Рисунок 2.1 - Построение индикаторной диаграммы и определение её площади графическим методом

После построения индикаторной диаграммы необходимо определить среднее индикаторное давление. Для этого подсчитывают площадь индикаторной диаграммы следующим образом. Длину индикаторной диаграммы ℓ делят на 10 равных частей и определяют величины ординат.

Масштабы:

– давления: 14 МПа/140 мм = 0,1 МПа/мм;

– объема: 0,016 м3/160 мм = 0,0001 м3/мм.

Результаты измерений сведены в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 – Определение площади индикаторной диаграммы

	y, мм
y0	31
y1	46
y2	28
y3	19
y4	15
y5	12
y6	10
y7	8
y8	7
y9	6
y10	5

Среднее индикаторное давление составит:

(2.31)

где ym – средняя высота прямоугольника площадью Fi и основанием l.

Видно, что индикаторная мощность, определенная графическим (1,75) и аналитическим (1,769) методом приблизительно равна, расхождение не более 0,02 МПа.