7. Конструирование дизеля

Известно, что более 80% энергетики потребляют двигатели внутреннего сгорания. Это двигатели с диаметром цилиндра от 10 мм до 840 мм и более. Например, судовой дизель с диаметром цилиндра 840мм, ходом поршня 1200 мм развивает эффективную мощность 25 тыс. КВт. Вес такого двигателя более 500 т.

Современный дизель отличается сложной конструктивной совокупностью механизмов и систем, работающих в условиях высоких механических и тепловых нагрузок. Наблюдается тенденция в развитии судового дизелестроения: фирмами выпускаются типоразмерные ряды дизелей, охватывающие диапазоны мощностей от нескольких десятков кВт до десятков тыс. кВт. Турбонаддув дизелей позволяет резко увеличивать давление сгорания (в перспективе до 20 МПа), а современные материалы и технология изготовления деталей – увеличить их надежность и долговечность.

Конструкция современного дизеля 4 вобрала в себя результаты конструкторской, исследовательской и научной работ ряда поколений отечественных и зарубежных двигателестроителей, поэтому расчет и конструирование дизеля является весьма сложным творческим процессом, при котором учитывают не только современные требования, предъявляемы к судовым дизелям, но и перспективы их развития.

Несмотря на применение ЭВМ, расчет элементов двигателя связан с высокими требованиями по их надежности и долговечности, прочности и жесткости, поэтому весьма сложен.

Ниже даны лишь основы конструирования и расчета основных элементов механизмов, статистические данные и др. сведения с учетом перспектив развития дизелей.

7.1.Параметры, характеризующие особенности конструкций судовых дизелей

Основными параметрами являются: число цилиндров, их расположение, короткоходность двигателя и отношение .

Число цилиндров влияет на: уравновешенность дизеля, равномерность хода, тепловую напряженность, износ, вес, габариты, стоимость производства, удобства эксплуатации. При выборе количества цилиндров исходят и из типа и класса дизеля, учитывают дополнительные требования. Например, в теплых районах эксплуатации судна для снижения тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы используют дизели с меньшими диаметрами цилиндров, чем дизели той же мощности, эксплуатируемые в холодных районах. Это связано с тем, что при уменьшении диаметра цилиндра его объем уменьшается в кубической зависимости по отношению к поверхности камеры сгорания, уменьшающейся в квадратной зависимости, т.е. теплоотдача в стенки камеры увеличивается.

Расположение цилиндров – рядное, V- образное, компоновки дизелей- с числом цилиндров от 3 до 18. V- образные многоцилиндровые дизели отличаются равномерностью хода, повышенной жесткостью картера, но при их проектировании уделяют значительное внимание решению задачи по гашению уровней крутильных колебаний коленчатого вала на резонансных режимах работы.

Параметр двигателя – отношение s/d. Чем выше короткоходность, тем это отношение ниже. Если s/d = 1, то дизель называют “ квадратным”. Повышение короткоходности позволяют снизить потери на трение, увеличить проходные сечения механизма газораспределения, увеличить перекрытие шеек коленчатого вала. В результате можно получить более жесткий коленчатый вал, устойчивый в отношении крутильных колебаний. Кроме того, при той же средней скорости поршня повышается частота вращения вала, следовательно, повышается литровая мощность двигателя. Повышение короткоходности лимитируется формой камеры сгорания, типом дизеля, степенью сжатия, маркой используемого топлива, объемом расчетных и конструкторских работ. При этом учитывают взаимосвязь рабочего процесса в камере сгорания в процессами с системах топливоподачи, смазки и охлаждения, газообмена, а это связано с удачным или неудачным исполнением отдельных частей дизеля. Чаще всего требования противоречивы, что говорит о том, что оптимальный во всех отношениях дизель создать не представляется возможным. В зависимости от назначения дизеля, его условий эксплуатации и ремонта, наличия исходных данных, требований Регистра и др. принимают решение по его компоновке: конструктивные основные параметры кривошипно-шатунного механизма, количество и расположение цилиндров, быстроходность, тактность и др. Процесс создания дизеля сводится к выполнению трех видов работ:

• поиск, обработка и анализ исходной информации;

• расчетные и конструкторские работы;

• изготовление, доводка, испытание макетов и опытных образцов дизеля.

Весь процесс создания нового судового дизеля весьма трудоемок и длится до 10 лет. Причем самым дорогим является третий вид работ, который полностью зависит от первых двух.

Требования, предъявляемые к судовым дизелям, подразделяют на общие и специальные. Общие требования нормированы стандартами и другими документами межотраслевого характера, определяющими показатели качества дизелей. Специальные требования нормированы «Правилами классификации постройки судов внутреннего плавания» Речного Регистра и Санитарными Правилами.

Общие требования сводятся к выбору типа двигателя (их 19 типов), к выбору быстроходности, размерности, комплектности и компоновки. При выполнении курсового и дипломного проекта рекомендуем пользоваться [1], где общим вопросам проектирования судовых дизелей уделено внимание в главе 12.

Специальные требования определены Речным Регистром и основные из них следующие:

• двигатель должен работать при длительном крене судна до 15^о и дифференте до 5^о, а при кратковременных значениях крена до 22,5^о и дифферента до 7,5^о;

• материалы для изготовления дизеля должны соответствовать требованиям Регистра;

• части дизеля, оборудование и трубопроводы, при нагреве до 60^оС и выше, представляющие опасность для обслуживающего персонала, надлежит теплоизолировать или экранировать;

• двигатели с =230 мм и выше должны иметь на цилиндрах предохранительные клапаны;

• при выходе из строя турбокомпрессора должна обеспечиваться возможность работы главного дизеля судна на пониженной мощности, равной не менее 20% номинальной;

• топливные насосы индивидуального типа дизелей с до 80 мм должны быть оборудованы устройствами для быстрого прекращения подачи топлива в любой цилиндр.

В зависимости от назначения дизелей и условий эксплуатации отдельные требования приобретают приоритетное значение. Например, для дизель-генераторов необходимо обеспечить высокие динамические показатели, а для главных двигателей судов каботажного плавания, промысловых судов, для вспомогательных двигателей более типичными являются режимы холостого хода и малых нагрузок. Поэтому при создании таких дизелей стремятся обеспечить возможность получения высоких показателей на неноминальных режимах работы.

Общие принципы конструирования и анализ конструкций основных деталей дизелей с высокими значениями р_me изложены в учебниках [ 4,5,6]. Конструирование и расчет деталей производится после выбора конструктивных основных соотношений, накопленных двигателестроителями в этом процессе. Следующий за конструированием расчет деталей называют проверочным. Если расчет предшествует конструированию, то его называют проектным. Наиболее часто при таком подходе пользуются методом конечных элементов.

Проверочный расчет деталей дизеля производят исходя из следующего.

1. Детали корпуса двигателя: расчет анкерных связей с учетом податливости деталей и цикличности нагружения. Расчет втулки цилиндра с определением суммарных напряжений.

2. Детали поршневой группы: расчеты поршня на сжатие от газовых сил и на растяжение от силы инерции по сечению канавки маслосъемного кольца; расчет на изгиб днища поршня. Расчет поршневого кольца на удельное давление на стенку цилиндра; расчет на изгиб в рабочем состоянии и при надевании его на поршень. Расчет поршневого пальца на изгиб, срез и овализацию; расчет его на удельное давление в бобышках поршня и верхней головке шатуна.

3. Детали шатунной группы: расчет поршневой головки шатуна на разрыв от сил инерции и от запрессовки втулки, расчет стержня шатуна на сжатие от газовых сил, на растяжение от сил инерции, на продольный изгиб от газовых сил. Расчет кривошипной головки на изгиб от сил инерции. Расчет шатунных болтов на разрыв.

4. Коленчатый вал: расчет коренных и шатунных шеек на изгиб и кручение; определение запасов прочности шеек (объем и полнота других расчетов по коленчатому валу, в том числе и необходимость построения диаграмм набегающих моментов на шейки вала, расчет на крутильные колебания, определяется руководителем в зависимости от конкретных условий).

5. Детали и элементы механизма газораспределения: расчет проходных сечений впускных и выпускных каналов; расчет сил, действующих в механизме газораспределения; расчет клапанных пружин с построением их характеристик, определение запасов прочности пружин; расчет распределительного вала на кручение, на изгиб и на стрелу прогиба. / По заданию руководителя в необходимых случаях производят профилирование кулачка, расчет и построение графиков пути, скорости и ускорения клапанов, расчет контактных напряжений на кулачках, расчет штанги толкателя на устойчивость и др.

Современные судовые дизели – результат НИОКР и прогрессивной технологии. Индикаторный КПД двигателей растет за счет оптимизации отношения при сохранении .Это достигается за счет увеличения давления и сокращения продолжительности впрыска топлива, что сопровождается повышением качества распыливания топлива и увеличением максимального давления сгорания .Например, судовые двигатели фирмы МАК (Германия) отличается повышенной быстроходностью при .В их конструкции заложены: охлаждение втулки цилиндра только в верхней части; облегченный чугунный поршень с тонкими стенками юбки; регулирование фаз газораспределения при изменении частоты вращения двигателя; выпускные клапаны имеют охлаждаемые седла и снабжены механизмом вращения; конструкция крышки цилиндра с двойным днищем, охлаждаемым потоком воды с повышенной скоростью, как и верхняя часть втулки цилиндра. Охлаждающая жидкость омывает их по специальным каналам.

Резервы для повышения эффективного КПД:

применение бустерной газовой турбины , работающей на отработавших газах и передающей крутящий момент через гидромуфту и редуктор на коленчатый вал дизеля (рис.16).

Схема ДВС с газотурбинным наддувом и силовой турбиной

рис 16

ТС- турбина силовая; МФ – гидромуфта;

Из рис. 14 видно, что при параллельном включении турбин за счет опорожнения МФ на малых нагрузках, ТС отключается от коленчатого вала. При этом газовая заслонка перекрывает доступ газа к ТС. На больших нагрузках ТС передает мощность на коленчатый вал дизеля.

Кроме того, возможно использование системы электронного управления рабочим процессом посредствам регулирования фаз газораспределения и закона подачи топлива в камеру сгорания на различных режимах работы дизеля.

С целью снижения дымности и токсичности отработавших газов, уменьшения тепловой напряженности, а также повышения экономичности дизелей в системах питания используют водо-топливные эмульсии.

В курсовом проекте представляют описание и краткий расчет основных систем охлаждения и системы пуска.