Розрахунoк робочого циклу чотирьохтактного двигуна 6ЧН26/27 та турбіни його турбокомпресора

 Міністерство транспорту та зв’язку України

Українська  державна академія залізничного транспорту

 

 

Кафедра: ’’Теплотехніка та теплові   двигуни”

 

 

 

 

Розрахунoк робочого циклу чотирьохтактного двигуна

6ЧН26/27 та турбіни його

турбокомпресора

 

 

 

 

КПМ КТТД 6ЧН26/27    00.00.26 ПЗ та Р

 

 

 

 

Розробив:

студент групи

 

Перевірив:

 

 

 

 

 

2011

Зміст

 

Вступ………………………………………………………………………………….3

1  Розрахунок  чотирьохтактного дизеля з газотурбінним  наддувом 

     6ЧН13/11,5………………………..……………………………………………….4

1.1 Вихідні данні……………………………………………………………………..4

1.2 Попередні  допоміжні розрахунки…………………………………………........5

1.2.1 Визначення  теоретично необхідної та дійсної  кількості повітря 

для згоряння одиниці маси або об’єму палива …………………………………..5

1.2.2 Визначення  хімічного коефіцієнта молекулярної зміни…………………….5

1.2.3 Визначення  поточного об’єму циліндра при  зміні кута повороту колінчастого вала…………………………………………………………………….6

1.2.4 Визначення  тиску Рт в випускному колекторі перед

турбіною……………………………………………………………………………...9

1.2.5 Розрахунок  середнього прохідного перерізу впускних клапанів ………10

1.3.Розрахунок газообміну…………………………………………………………11

1.4 Розрахунок процесу стискання ………………………………………………16

1.5 Розрахунок  процесу ефективного згоряння …………………………………19

1.6 Розрахунок  процесу розширення робочого тіла у циліндрі ДВЗ……………21

1.7 Побудова  розгорнутої та згорнутої індикаторної  діаграми робочого 

процесу дизеля……………………………………………………………………...24

1.8 Визначення  середньо індикаторного тиску,  а також 

індикаторних  та ефективних показників робочого циклу ДВЗ………………....24

1.9 Визначення  температури випускних газів  Тт………………………………...27

2   Розрахунок  турбокомпресора ТК-23……... …………………………………30

2.1 Вихідні  дані для розрахунку турбіни ………………………………………..30

2.2 Конструкція  турбокомпресора ТК -23………………………………………31

2.3 Розрахунок турбіни турбокомпресора ………………………………………..32

Список використаних джерел……………………………………………………..41

 

 

 

 

 

Вступ

Двигуни внутрішнього згорання належать до найбільш розповсюдженого типу теплових двигунів, але є такі двигуни, в яких теплова енергія перетворюється при згоранні палива в механічну енергію.

Першим етапом курсового проекту  являється розрахунок двигуна внутрішнього згорання 6ЧН 13/11,5, в якому ставлять задачу по розрахунку робочого процесу в циліндрі дизеля, який розподіляє прямоточну послідовну сукупність розрахунків процесу стискання робочого тіла, згорання, розширення, випуску і наповнення циліндра повітрям.

Метою розрахунку являється визначення параметрів стану робочого тіла в циліндрі по куту розвороту колінчатого валу, в результаті чого можна в процесі розрахунку оцінити показники газообміну, індикаторні та ефективні показники двигуна.

Другим етапом являється розрахунок турбіни турбокомпресора за даними розрахунками робочого процесі в циліндрі двигуна.

Турбокомпресор призначається для форсування дизеля шляхом подачі повітря під надлишковим тиском з метою збільшення потужності та економії дизеля.

Використання енергію випускних  газів турбіна виробляє визначну потужність яка передається компресору.   Частота обертання турбіни та колектора однакова так як вони знаходяться на одному валу і тому вся потужність,виробляється турбіною,передається компресору ,за винятком механічних втрат.   

          

 

 

 

 

 

1  Розрахунок  чотирьохтактного дизеля з газотурбінним  наддувом 6ЧН13/11,5

 

1.1 Вихідні данні:

z = 6 – число циліндрів;

i = 4 –  4^х тактний двигун;

Н – з  наддувом;

D = 0,26 – діаметр циліндра;

S = 0,27 см – хід поршня;

* = 13 – геометрична ступінь стискування;

L_ш = 0,605 м – довжина шатуна;

n = 750 хв^-1 – частота обертання колінчастого валу дизеля;

α = 2,1 – коефіцієнт надлишку повітря у циліндрі дизеля;

Р_z = 12,7МПа – максимальний тиск згоряння;

Р_k = 0,27 МПа – тиск надувного повітря після компресора перед ОНП ;

ν = 0,07 – коефіцієнт утікання продувного повітря;

х = 0,45 – доля залишкових газів у суміші з повітрям у ВМТ газообміну;

ζ = 0,78 – коефіцієнт ефективності тепловиділення;

η_к = 0,78 – ККД компресора ТК;

η_Т = 0,78 – ККД турбіни ТК;

Е = 0,8 – ефективність охолоджувача наддуву повітря;

Т_Х = 318 К – температура охолоджуваної води в ОНП;

Р_ЗТ = 0,104 МПа – тиск газу за турбіною;

ΔР_ВС = 0,002 МПа – гідравлічні втрати на вході в компресор ТК;

ΔР_В =0,0035 МПа – гідравлічні втрати у випускних клапанах;

ΔР_ОХ = 0,002 МПа – гідравлічні втрати у ОНП;

Т_Т = 780 К – температура випускних газів перед турбіною ТК у першому наближенні;

η_мех = 0,92 – механічний ККД дизеля.

 

1.2 Попередні допоміжні розрахунки

 

Для проведення розрахунку робочого процесу необхідно провести деякі попередні розрахунки та привести деякі загальні принципи та залежності, за допомогою яких у подальшому будуть розраховуватись однотипні параметри для усіх ділянок робочого циклу ДВЗ.

1.2.1 Визначення теоретично необхідної  та дійсної кількості повітря  для згоряння одиниці маси  або об’єму палива.

Для згоряння одного кг рідинного  палива теоретично необхідна мольна кількість повітря:

М_о=(С /12+Н /4 - О /32)/0,21               (1)

 

де С = 0,86, Н = 0,13, О = 0,01 – відповідно частки вуглецю, водню та кисню у робочій масі дизельного рідинного палива.

 

                  М_о=(0,86 /12+0,13 /4 – 0,01 /32)/0,21= 0,4945 моль пов./кг пал

 

 

 

Дійсну кількість повітря, яка  потрібна для згоряння одиниці маси або об’єму палива:

 

М_св=aМ_о ,                                                      (2)

 

де  α – з вихідних даних;

М_о - з формули (1).

 

М_св=2,1·0,4945 =1,03845  моль/кг

 

1.2.2 Визначення хімічного коефіцієнта молекулярної зміни

Підсумковий коефіцієнт надлишку повітря:

 

a_S = a /(1 - u),                                                   (3)

 

   де ν – з вихідних даних.

 

a_S = 2,1 /(1 - 0) = 2,1.

 

Хімічний коефіцієнт молекулярної зміни:

                                            

        b_о= 1+(Н /4 + О /32) /(a·М_о)                  (4)

 

де α_Σ - з формул (3).

 

                           b_о= 1+(0,13/4 + 0,01 /32) /(2,1·0,4945) =1,0316    

 

1.2.3 Визначення поточного об’єму циліндра при зміні кута повороту колінчастого вала.

Згідно схемі, яка наведена на рисунку 1, поточний об’єм циліндра ДВЗ можна уявити у вигляді:

_{,                                                  (5)}

 

Рисунок 1- Розрахункова схема до розрахунку поточних об’ємів циліндру.

 

Робочий об’єм циліндра:

 

V_h =(pD²/4)·S_,                                          (6)

 

де S, D – з вихідних даних, м.

 

V_h =(3,14·0,26²/4)·0,27=0,01433 м³

де D=0,26м -діаметр циліндра з вихідних даних

S=0,27 м – хід поршня з вихідних даних

Об’єм  камери  згоряння.

 

Об’єм камери згоряння:

 

V_c=V_h /(e -1) ,                                         (7)

 

де V_h – з формули (6);

ε – з вихідних даних.

 

V_c= 0,01433 /(13 -1)=11,94·10^-5 м³

де e=13 - ступінь стискання з вихідних даних

 

 

Радіус кривошипа:

 

               R=S /2 ,                                                   (8)

 

R=0,27/2=0,135 м

 

 

Кінематичний параметр КШМ:

 

l_K =R /L_ш ,                                                (9)

 

   де R – з формули (8);

   L_ш – з вихідних даних.

 

l_кр =0,135/0,605=0,2231

 

 

де R – радіус кривошипа 

L_ш-довжина шатуна з вихідних даних

         R=S /2                  

 

R=0,27/2=0,135 м

 

Поточний хід поршня

                  S_j=S×{1+1/l_k –[cosj + (1 - l_k²×sin2j)0,5 /l_k]} / 2,                   (10)

де j- повороту колінчастого валу

Змінна частина поточного  об’єму

V_j =(pD²/4) S_j      

   

Поточний об’єм циліндра ДВЗ:

 

                                     V_j=V_c+V_j          

 

 

де λ_кр – з формули (9).

 

Розрахунок  вводиться у таблицю 1. За допомогою таблиці 1 будуємо графік залежності Vj =f (j) на рисунку 2.

 

Таблиця 1 – Розрахунок поточного об’єму циліндра ДВЗ

 

 

 

 

1.2.4 Визначення  тиску газів Р_Т в випускному колекторі перед турбіною

Тиск повітря  на вході у компресор ТК після повітряного фільтра:

 

р_ВС = р_о - Dр_ВС ,                                            (11)

 

де Р_О - атмосферний тиск, МПа;

ΔР_ВС - вихідні данні.

 

р_ВС = 0,1013 – 0,002=0,0993 МПа

 

 

Ступінь стискання  повітря в компресорі:

 

p_К = р_К / р_ВС ,                                                (12)

 

Р_к - з вихідних даних;

Р_ВС – з формули (11).

 

p_К =0,27/ 0,0993=2,719

 

Мольна теплоємкість повітря:

 

mС_vв=19,84+427×10^-5×Т₀                                      (13)

 

де Т₀=293К -температура при нормальних умовах

 

mС_vв=19,84+427×10^-5×293=21,0911 кДж/(кмоль×К)

 

 

Показник  адіабати:

 

k =  1+ 8,314/mС_vв                                                       (14)

 

  де mс_vв - з формули (13).

 

k =  1+ 8,314/21,0911=1,3942

 

Мольна теплоємкість продуктів згоряння:

mС_vг=19,84+1,632/a_S +(427+184,36 /a_S)10^-5Т_Т                        (15)

 

 де Т_Т – з вихідних даних.

 

mС_vг=19,84+1,632/2,26+(427+184,36 /2,26)10^-5780=

=24,53017 кДж/(кмоль×К)

 

Показник  адіабати:

 

k= 1+ 8,314/mС_vг  ,                                              (16)

 

   де mс_vг - з формули (15).

 

k= 1+ 8,314/24,53017=1,33893

 

Розрахунковий комплекс:

 

                                                                                                          ,                    (17)

                      

де к_т – з формули (16);

к - з формули (14);

π_к - з формули (12);

β_от - з формули (4);

η_{к ,} η_Т - з вихідних даних.

 

       

 U=[=

 

=1,21289.

 

Тиск газів  P_т в випускному колекторі перед турбіною:

 
р_Т = р_ЗТ× е ^{kT×lnU/(kT –1)} ,                                         (18)

 

де Р_ЗТ – з вихідних даних;

U – з формули (17).

 

р_Т = 0,104·е ^{1,33893 × ln 1,21289/(1,33893 –1)}=0,222931 МПа

 

1.2.5 Розрахунок  середнього прохідного перерізу  впускних клапанів

Ефективним  прохідним перерізом mf будь-якого отвору називається добуток коефіцієнта витрати m  на величину площі геометричного прохідного перерізу отвору f. Коефіцієнт витрати m є відношенням дійсної витрати газу через отвір до теоретичного. Він враховує втрати на відрив потоку від стінок

отвору, на удар, на тертя, на завихрення і т. н.. Для визначення середнього значення ефективного прохідного перерізу впускних клапанів (mfs)ср треба накреслити за даними таблиці графік mfs = f (j) (рисунок 1.3).

Величина  середньо інтегрального значення ефективного прохідного перерізу впускних клапанів (mfs)ср:

 

,                    (19)

(μƒ_s)_ср=((16+23,5+32+40+45,5+48,3+49+49+49+49+49+49+48+45+39,5+32+23,5+16)/18)·10^-4=39,07·10^-4 м²

 

1.3  Розрахунок газообміну

 

Задаємося у  першому наближенні коефіцієнтом залишкових газів  g =0,01.

Задаємося у першому наближенні середнім тиском повітря при наповненні.

 

р_ср = k_cpp_K ,                                                   (20)

 

k_cp - коефіцієнт для визначення середнього тиск у першому наближенні.

 

р_{ср 1} = 0,92·0,27= 0,2484 МПа

 

Температура залишкових газів:

 

Т_ост=  850 К.

 

Для розрахунку другого наближення слід прийняти отримані дані з першого наближення. Тоді коефіцієнт залишкових газів:

 

    g =0,03

 

З графіка визначаємо: 

 

р_ср =0,2484 МПа.

 

Тиск повітря  у впускній системі після ОНП:

 

р_S = р_К - Dр_ОХ ,                                               (21)

 

де DР_ОХ – втрати тиску у ОНП, МПа.

 

р_S = 0,27– 0,0025=0,2675 МПа

 

 

Тиск  газів  у циліндрі на такті випуску:

 

 р_r = р_Т  + Dр_В ,                 (22)

 

де Dр_В  – з вихідних даних, МПа;

 р_Т – з формули (18).

 

р_r= 0,222931 +0,0035=0,226431 МПа

 

 

Адіабатний  ККД компресора:

 

h_Kад = 0,98h_K,,                                                 (23)

 

h_Kад = 0,98·0,78=0,7644.

 

Температура повітря після компресора:

 

Т_К =Т_о[1+(p_к^(k-1)/k –1)/h_K],           ,                             (24)

 

де К=1,4-коефіцієнт адіабати повітря

 

Т_К =293[1+(2,719^{(1,3942-1)/1,3942} –1)/0, 7644]=415,78 К.

 

 

Температура повітря у впускному колекторі:

 

Т_S = T_K – E(T_K –T_X) ,                                    (25)

 

де Т_К - з формули (24);

Т_Х – з вихідних даних;

Е – з вихідних даних.

 

Т_S = 415,78 – 0,8(415,78–318)=337,57 К.

 

 

Тиск на початку процесу стискання:

 

р_а= 0,5(р_ср.+ р_S)            ,                                           (26)

 

де Рср - середній тиск повітря у циліндрі при його наповненні (приймаємо);

Р_S -  з формули (21).

 

р_а= 0,5(0,2484+ 0,2675)=0,25795 МПа

 

 

Температура залишкових газів у результаті їх розширення:

 

T’_ост= Т_ост (р_а /р_r)^(m-1)/m ,                                               (27)

 

де Т_ост - температура залишкових газів наприкінці процесу випуску;

Р_а – з формули (26);

Р_r - з формули (22);

m =1,425.

 

T’_ост= 900 ( 0,25795 /0,226431)^{(1,425-1)/1,425}=935,67 К,

 

Мольна  теплоємкість повітря:

 

mс_vв=19, 84+427×10^-5Тs,                                         (28)

 

де Т_S – з формули (25).

 

mС_vв=19, 84+427×10^-5337,57=21,28 кДж/(кмоль×К)

 

Коєфіціент  адіабати для повітря:

 

k_s =  1+ 8,314/mС_vв                                  (29)

 

де mс_vв - з формули (1.27).

 

k_s =  1+ 8,314/21,28=1,391

Температура підігріву заряду від гальмування  потоку повітря наприкінці наповнення:

 

 ,                                     (30)

 

де Рср.- приймаємо;

к_S  – з формули (29).

 

DT_кін = 337,57 [( 0,25795 /0,2484)^{(1,391 –1)/1,391} –1]=3,596 К

 

Підігрів заряду при наповнені:

 

DT =D_ТT +DT                                                  (31)

 

де D_ТT – температура підігріву за рахунок тепловиділення від стінок циліндра, (приймаємо значення);

Т_КІН - з формули (30).

 

DT =14 +3,596=17,596 К

 

Температура заряду наприкінці наповнення:

 

Т_а = (Т_S + DТ + g×Т’_ост) / (1+ g) ,                             (32)

 

де DT– з формули (31);

– з формули (27);

γ – коефіцієнт залишкових газів(задаємося в першому  наближенні).

 

 

Т_а = (337,57+ 17,596 + 0,03×935,67 ) / (1+0,03)=372,06К

 

 

 _,                (33)

де к_S – з формули (29);

R – газова постійна;

(μf_s)_ср - з формули (19);

n– з вихідних даних.

 

 

 

Коефіцієнт наповнення:

                                                                                            ,                          (34)

де ε – з вихідних даних;

x – з вихідних даних.

 

=

 

Константа В:

                                                                                                          ,                        (35)

a_S - з формули (33);

η_VS - з формули (34).

 

В =   = 0,1036.

 

Далі  накреслимо графік АРср = f(Р_ср) (рисунок 1.4). Проведемо константу В = const до перерізання з кривою АРср = f(Р_ср). Точка перерізу і є функцією  при розшукуваному значенні Р_ср.

 

А_Рср=(Р_ср/Р_S)^1/К_S√1-(Р_ср/Р_S)^(Ks^{-1)/ K}s ,                            (36)

 

Таблиця 2 – Результати розрахунку наближень.

Pcp · 106, Па	Ap cp
0,26750	0
0,26250	0,07173
0,25750	0,10039
0,25250	0,12166
0,24750	0,13896
0,24250	0,15365
0,23750	0,16642
0,23250	0,17769
0,22750	0,1872
0,22250	0,1967

 

 

 

Визначаємо  остаточний коефіцієнт залишкових газ:

 

                                                          g =0,0124                                                       (37)

 

 

Визначаємо  приблизну величину середнього тиску  насосних ходів:

 

р_нх= р_ср – р_r ,                                         (38)

 

де Р_ср – останнє наближення, МПа.

 

р_нх= 0,2565 – 0,22631=0,0301МПа

 

Визначаємо  витрату повітря:

 

                                                                                          ,                            (39)

де i– з вихідних даних.

 

= 1.5553.

 

Результати  розрахунку процесу газообміну наведено в таблиці 3.

 

 

Таблиця 3. - Результати розрахунку наближень.

РК, бар	рS, бар	рТ, бар	рr, бар	рср, бар	ра, бар	ТК, К	ТS, К	Та, К	hvs	g	рнх, бар	GS,кг/с
2.7	2.675	2.2293	2.643	2.565	2.6255	419.8	338.36	361.46	0.9785	0.00122	0.0301	1.555

 

 

1.4 Розрахунок  процесу стискання

 

Об’єм в точці „а”:

 

_{,                                               (40)}

 

де V_c– з формули (7).

 

= 0,001624.

 

У першому наближенні приймаємо 

 

Т_с=900 К

 

 

 

У результаті наближень отримали

 

Т_с=907,66 К

.

 

Середня температура у процесі стискування:

 

                                                   Т_сж=0,5(Т_с+Т_а)                                                 (41) 

де Т_а  – з формули (32);

Т_с – температура наприкінці процесу стискання в першому наближенні.

 

Т_сж=0,5(907,66+361,46)= 634,56 К

 

Теплоємкість повітря:

 

mС_vсж=19,84+427×10^-5Т_{сж         ,}                             (42)

 

Т_ст  – з формули (41).

 

  mС_vсж=19,84+427×10^-5630,73= 22,53321 кДж/(кмоль×К)

 

Показник адіабати процесу стискування:

 

                                 K_сж =  1+ 8,314/22,53321=1,36897                           (43)

 

  – з формули (42).

 

 

Середній показник політропи процесу стискування:

 

                                 _,                                          (44)

 

де к_СТ – з формули (43);

Dnc - приймаємо.

 

n_c=1,3687–0,01=1,3587

 

Уточнення першого наближення температури  повітря наприкінці процесу стискування:

 

 ,                                               (45)

 

де n_cт – з формули (44).

 

Т_с= 361,46 ×13^{1,3587 –1}=907,04 К

 

Тиск робочого тіла наприкінці процесу стискування:

 

,                                             (46)

 

р_с= 0,26255 ·13 ^1,35872=8,55566 МПа

 

Залежності рj та Тj від кута повороту колінчастого вала та від величини об’єму  циліндра:

 

_,                                           (47)

 

 ,                                    (48)

 

 

Розрахунок  вводиться у таблицю 4.

 

Таблиця 4 – Розрахунок поточних параметрів у процесі стискування

φ	Vj,	Pj			Тj
540	0,015521805	0,26225			361,455433
550	0,015437011	0,264209195			362,166405
560	0,015183445	0,270222217			364,324519
570	0,014762287	0,280750221			368,019453
580	0,014177422	0,296602155			373,395094
590	0,013435315	0,319080052			380,666387
600	0,012544977	0,350235041			390,145412
610	0,011521678	0,393160561			402,23765
620	0,010386307	0,452675047			417,488709
630	0,009167379	0,536353205			436,609434
640	0,007898997	0,656634588			460,566926
650	0,006621564	0,834482534			490,653435
660	0,005381067	1,106183865			528,558137
670	0,004225392	1,536366796			576,446417
680	0,003202312	2,23918231			636,722393
690	0,002354395	3,400895966			711,000023
700	0,001719592	5,211898027			795,826521
710	0,001326973	7,412043432	873,367816
720	0,001193985	8,555657664	907,08776