Расчет параметров рабочего процесса и выбор элементов конструкции тепловозного дизеля (стр. 2 из 7)
По табл.1 выбирают число цилиндров, соответствующее рекомендациям п.1.1. Диаметр цилиндра, соответствующий выбранному числу цилиндров, округляют до ближайшего значения из ряда нормальных диаметров и уточняют среднюю скорость поршня по соотношению (2).
Отношение S/D не должно выходить за рекомендуемые пределы.
1.3. По полученным геометрическим параметрам проектируемого дизеля D, S, Z определяют его основные габаритные размеры
Длина дизеля
, м (5)где D- диаметр цилиндра, м;
К = Z- для рядных двигателей;
K = 0,5Z - для V -образных двигателей;
C = 1 - 2,5 м - линейный размер, зависящий от компоновки вспомогательного оборудования и агрегатов наддува двигателя.
Таблица 1.
Диаметры и числа цилиндров проектируемого двигателя.
| Значения (Сmi) | Значения (S/D)j | |||
| (S/D)1 | (S/D)2 | (S/D)3 | (S/D)4 | |
| Cm1 | D11 | |||
| Z11 | ||||
| Cm2 | ||||
| Cm3 | D34 | |||
| Z34 | ||||
Ширина двигателя
, м (6)Здесь: S- ход поршня, м; А = 3,5 - 6,0 - для рядных двигателей; А = 5,0 - 8,0 - для V - образных двигателей.
Высота двигателя
, м (7)где а = 6,0 - 8,0 - для рядных двигателей;
5,0 7,0 - для V - образных двигателей;
10 13,0 - для 2-х тактных двигателей с противоположно-движущимися поршнями.
После определения габаритных размеров дизеля производят проверку его размещения в кузове тепловоза.
Проверяют наличие необходимой ширины проходов по обе стороны от дизеля. От внешнего контура дизеля до боковых стенок кузова тепловоза должно быть 0,7 м на высоте груди человека (на расстоянии от настила 1,5 м), что обеспечивает нормальное и безопасное обслуживание дизеля.
В отдельных исключительных случаях допускается местное сужение прохода до 0,5 м.
Эскиз установки дизеля на тепловозе выполняется в масштабе 1:20 и прилагается к записке.
Все расчеты 1 раздела должны быть предъявлены консультанту. После согласования результатов расчетов 1 раздела с консультантом студент приступает к выполнению расчета рабочего процесса двигателя.
2. РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ И ЕГО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Целью расчета рабочего процесса дизеля является определение параметров, необходимых для реализации заданной мощности при заданной угловой скорости коленчатого вала и выбранных геометрических размерах цилиндра.
2.1. Расчет количества воздуха, необходимого для реализации заданной мощности, выбор схемы наддува и определение мощности компрессора
2.1.1. Расчет количества воздуха и давления наддува
Количество воздуха, необходимого для работы, зависит от мощности, выбранных ранее (см. п.1) геометрических размеров цилиндров, качества газообмена и других, факторов.
Расход воздуха через двигатель определяется из соотношения:
, кг/с (8)где вт - расход топлива двигателем, кг/с;
S- суммарный коэффициент избытка воздуха;
L0` - соотношение между количеством воздуха и топлива при полном сгорании топлива (= 1).
Расход топлива Вт зависит от мощности, КПД двигателя и качества топлива:
, кг/с (9)где Nе - эффективная мощность дизеля, кВт;
Ни - теплотворная способность топлива, кДж/кг;
hе - эффективный КПД двигателя.
С учетом (9) получим:
(10)Величины Sи hепредварительно выбираются по справочным данным. Обычно для 4-х тактных тепловозных дизелей характерно S2,1 - 2,6 hе=0,40-0,43, а для 2-х тактных соответственно – S2,5 -2,9 и hе=0,34 - 0,38
Величины L0`и Ни принимаются равными 14,35 и 42500 кДж/кг.
Во время продувки часть воздуха теряется, поэтому в процессе сгорания будет участвовать меньшее количество воздуха:
, кг/с. (11)где jк - коэффициент избытка продувочного воздуха.
Для 4-х тактных двигателей принимают jк = 1,05 - 1,15;
для 2-х тактных при прямоточно-щелевой продувке - jк = 1,4 - 1,5, при прямоточно-клапанной - jк = 1,4 - 1,7 и при контурной продувке - jк = 2,1.
Количество воздуха в цилиндрах Gи давление наддува РSсвязаны соотношением:
, МПа (12)где hv- коэффициент наполнения, выбирается для 4-х тактных ДВС в пределах 0,82 -0,97, а для 2-х тактных – 0,85 - 0,95;
ТS - температура наддувочного воздуха, К.
Если считать, что в условиях тепловоза не удается охлаждать наддувочный воздух ниже 340 - 350 К, то можно принять, что температура заряда в цилиндрах находится в пределах ТS = 370 - 400 К.
RВ - газовая постоянная воздуха, RВ= 287 Дж/кг.К.
2.1.2. Выбор схемы наддува
По найденной величине давления наддува следует выбрать и обосновать схему воздухоснабжения дизеля.
Для четырехтактных тепловозных дизелей, как правило, применяют одну ступень сжатия воздуха в центробежном компрессоре, приводимом в работу от газовой турбины. Предельная величина давления в таком компрессоре составляет 0,35 МПа.
Если по расчетам требуется более высокое давление наддува, целесообразно изменить размерность двигателя и снизить требуемую величину давления. Выбранная схема воздухоснабжения дизеля согласовывается с консультантом.
Мощность, потребляемая компрессором, определяется по формуле:
, Вт (13)где Т1 - температура воздуха на входе в компрессор, К;
- степень повышения давления в компрессоре (для компрессора низкого давления 1,9, среднего давления – 1,9 - 2,5 и высокого давления – 2,5 - 4,0);Р0 - давление воздуха на входе в компрессор
,x0 - потери в воздухозаборных устройствам и фильтрах x0 = 6,95 - 0,97;
hК - коэффициент полезного действия компрессора (принимается равным 0,75 - 0.81);
к - показатель адиабаты сжатия (к = 1,4).
2.1.3.Расчет параметров рабочего тела на входе в цилиндры
Температура воздуха на выходе из компрессора:
, К (14)Если в выбранной схеме предусмотрен охладитель, то температура после охладителя на входе в дизель определяется соотношением:
, К (15)где hх - коэффициент эффективности охладителя;
ТW- температура теплоносителя, охлаждающего наддувочный воздух.
Для водовоздушных охладителей hх находится в пределах 0,75 - 0,7, для воздуховоздушных охладителей величина может быть принята в пределах hх = 0,35 - 0,5.
Температура воды, охлаждающей на тепловозе наддувочный воздух, может приниматься равной 330К при нормальных наружных условиях (нормальные атмосферные условия: р0=0,103 МПа, Т0=293К).
В случае применения воздуховоздушного охладителя температура ТWпринимается равной Т0=293 К.
Потери давления воздуха по тракту и в воздухоохладителе оцениваются приближенно:
, (16)где xS - коэффициент потерь; выбирается в пределах 0,92 - 0,95.
При проектировании двухтактного дизеля в зависимости от требуемой величины наддува применяют одно- или двухступенчатый наддув. При давлении РS0,15 МПа применяют одноступенчатый наддув с механическим приводом компрессора. В качестве компрессора применяют объемный нагнетатель или центробежный компрессор. В этом случае охлаждение наддувочного воздуха не производят. Расчет мощности компрессора и температуры воздуха на входе в дизель производят по формулам (13, 14). Коэффициент полезного действия объемного нагнетателя принимают равным 0,65 - 0,7, а потребляемая мощность NПН180 кВт.
При давлении РS 0,15 МПа применяют двухступенчатый наддув с охлаждением наддувочного воздуха. Схема воздухоснабжения зависит от конкретных данных и выбирается студентом. Порядок расчета мощности, потребляемой компрессорами, и температуры на входе в дизель аналогичен описанному выше для четырехтактного дизеля. Следует учесть, что общая степень повышения давления в компрессорах:
, (17)Выбор степеней повышения давления воздуха в ступени сжатия зависит от схемы воздухоснабжения. Как правило, степень повышения давления воздуха в компрессоре, приводимого от вала дизеля, не превышает 1,25 - 1,35 и выбирается из условий обеспечения работы двигателя на холостом ходу при минимальной угловой скорости коленчатого вала.
При двухступенчатом сжатии температура воздуха на выходе из компрессора 1-й ступени сжатия определяется по формуле:
, К (18)При промежуточном охлаждении наддувочного воздуха его температура на выходе из компрессора второй ступени составляет: