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.