Tính toán thiết kế ba hệ thống phục vụ động cơ diesel tàu thủy

Lý do lựa chọn đề tài Trong việc nghiên cứu, tính toán thiết kế động cơ Diesel thì thiết kế hệ thống phục vụ cho động cơ là rất quan trọng.. Trong quá trình khai thác động cơ Diesel tàu

Mở đầu

1 Lý do lựa chọn đề tài

Trong việc nghiên cứu, tính toán thiết kế động cơ Diesel thì thiết kế hệ thống phục

vụ cho động cơ là rất quan trọng Các hệ thống có một vai trò to lán trong quá trình hoạt động của động cơ, góp phần nâng cao công suất, hiệu suất và tuổi thọ của động cơ

Trong quá trình khai thác động cơ Diesel tàu thuỷ, việc quan tâm và nghiên cứu các hệ thống phục vụ sẽ giúp cho động cơ luôn đảm bảo hoạt động ở tình trạng kĩ thuật tốt nhất Đồng thời cũng tránh được việc vận hành các hệ thống phục vụ không đúng quy định

Ngày nay, các động cơ Diesel tàu thuỷ ngày càng hiện đại hoá Điều đó đòi hỏi các hệ thống phục vụ nó cũng phải hoàn thiện dần Tiến tổi nâng cao công suất động cơ

và nâng cao tính kinh tế của hệ thống

2 Mục đích đề tài

Tính toán thiết kế ba hệ thống phục vụ động cơ Diesel tàu thuỷ là: Hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát Trong đó cần tính toán các thiết bị của ba hệ thống như cụm bơm, các bầu lọc, các bầu sinh hàn, các két phục vụ động cơ

3 Nội dung đề tài.

A Phần thuyết minh:

Mở đầu

1 Tính thời sự của đề tài

2 Mục đích của đề tài

3 Nội dung chính của đề tài

4 Phương pháp nghiên cửu của đề tài

5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Chương 1: Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ Diesel

1.1 Lựa chọn công thức và chương trình tính

1.1 Kết quả tính

Chương 2: Tính toán thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ.

2.1 Thiết kế hệ thống nhiên liệu

2.2 Thiết kế hệ thống bôi trơn

2.3 Thiết kế hệ thống làm mát

Chương 3: Tìm hiểu kết cấu một số kiểu vòi phun và bầu ỉọc

3.1 Vòi phun

3.2 Bầu lọc

B Phần bản vẽ: 6 bản Ao

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Mô tả nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống từ đó tính toán cụ thể một số thiết

bị trong hệ thống

5 Phạm vi của đề tài

Đề tài chỉ có giới hạn ữong phạm vi tính toán thiết kế hệ thống phục vụ của động

cơ Diesel công suất 4000 Kw

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

+ Ý nghĩa khoa học: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống phục vụ động cơ Diesel tàu thuỷ Cách tứih toán thiết kế chúng, từ đó tối ưu hoá các hệ thống phục vụ + Ý nghĩa thực tiễn: Tính toán và đưa vào sản xuất một số thiết bị của các hệ thống nhiên liệu cho các loại động cơ Diesel tàu thuỷ

CHƯƠNGI TÍNH NHIỆT CỦA CHU TRÌNH

CÔNG TÁC ĐỘNG cơ DIESEL

11 Lựa chọn công thức và chương trình tính

Chu tành động cơ hoàn thành sau hai vòng quay trục khuỷu đối với động cơ bốn kỳ và sau một vòng quay của trục khuỷu đối với động cơ hai kỳ.Tuy nhiên trong một chu trình công tác cả hai động cơ phải thực hiện các quá trình nạp, nén nổ, xả Để xác định mối quan hệ giữa các thông số của chu trình công tác của động cơ thì phải tính chu trình công tác Việc tính chu trình công tác có thể tính theo phương pháp cổ điển hoặc phương pháp mới Để lựa chọn phương pháp tính cần phải đánh giá các phương pháp đó

1.1.1 Đánh giá phương pháp cổ điển tính chu trình công tác của động cơ Diesel

Để tính chu trình công tác của động cơ cần phải nghiên cứu, tính toán các quá trình công tác: Nạp, nén, cháy giãn nở và xả trên cơ sở nhiệm vụ thiết kế và động cơ mẫu lựa chọn Sau khi tính các quá trình sẽ xác định được các thông số môi chất tại các điểm đặc trưng Trong quá trình tính sẽ lựa chọn được các hệ số, các chỉ số đặc trưng cho chu trình phụ thuộc vào loại động cơ thiết kế Dựa vào kết quả tính toán xây dựng đồ thị công chỉ thị, đây là công đoạn chủ yếu để xác định các thông số chỉ thị và có ích của động cơ

Theo phương pháp cổ điển, để tính chu trình công tác của động cơ cần phải giả thiết quá trình nén và giãn nở đa biến với chỉ số đa biến trung bình ni và n2 quá trình cấp nhiệt đẳng tích và đẳng áp thay cho quá trình cháy nhiên liệu được đặc trưng bởi tỉ số tăng áp suất

trong quá trình cháy X, chỉ số giãn nở sớm p Ngoài ra để tính các thông số của chu trình còn

phải chọn nhiều hệ số khác như: Hệ số lợi dụng nhiệt, hệ số biến đổi phân tử

Từ cách tính chu trình công tác theo phương pháp cổ điển có thể rút ra một số nhận xét sau đây:

- Không xét được ảnh hưởng của góc phối khí

- Sử dụng quá trình hệ số lựa chọn nên không đảm bảo độ chính xác

- Không xét được ảnh hưởng của góc phun sớm, quy luật cấp nhiên liệu, lượng nhiệt trao đổi vứi nước làm mát

- Không xét được các thông số động học quá trình cháy và mối quan hộ giữa các thông số này với lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu

- Với phương pháp này rất khó nghiên cứu các thông số công tác khi động

cơ làm việc theo các đường đặc tính điều chỉnh, đặc tính bộ phận, đặc tính chong chóng và ảnh hưởng của điều kiện khai thác tới chất lượng làm việc của động cơ

1.1.2 Phương pháp cân bằng năng lượng

Động cơ tầu thuỷ hiện đại chủ yếu là động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả Các quá trình công tác trong xi lanh động cơ và trong tua bin máy nén có mối liên hệ phụ thuộc lẫn nhau, điều đó phương pháp cổ điển không tính đến Vì vậy, phải soạn thảo mô hình toán học

mà các quá trình công tác cho phép tính đến các yếu tố này và cho phép đánh giá ảnh hưởng của chúng đến đặc tính quá trình công tác, tính kinh tế và tính tin cậy của động cơ

Trong đề tài này sử dụng phương pháp cân bằng năng lượng để nghiên cứu Để áp dụng phương pháp này phải giả thiết môi chất trong thể tích công tác của xi lanh tại thời điểm bất kỳ đều ở trạng thái cân bằng, nghĩa là môi chất tròng xi lanh là một hệ thống nhiệt động cân bằng Nếu bỏ qua sự rò lọt môi chất qua xéc măng trong quá trình nén và giãn nở thì hệ thống nhiệt động là hệ kín

Như vậy, với phương pháp này thì môi chất trong thể tích làm việc của xi lanh trong quá trình luôn tuân theo định luật thứ nhất

Phương trình cân bằng năng lượng của môi chất được biểu diễn thông qua công thức:

dQ_đU_ dL_ d(p ảẹ d(p

— - Lương nhiêt cấp cho mồi chất theo góc quay của truc khuỷu (KT°/TK)

d(p

-— Đô thay đổi nôi năng của môi chất theo góc quay của truc khuỷu (KT°/TK) d<p '

— - Đô thay đổi công theo góc quay của truc khuỷu (KT°/TK) d(p *

ọ - Góc quay của trục khuỷu thay đổi từ 0 đến (p ct, tính từ ĐCT lúc bắt đầu quá trình nạp.

Biến thiên nội năng của môi chất tính theo cồng thức:

Độ thay đổi cỏng tính theo công thức:

a_= dV_ dẹ ^ dọ

m - Khối lượng chất công tác (kg) cv - Nhiệt dung riêng đẳng tích (kJ/(kg.K)) u - Nội năng đơn vị chất công tác (kj/kg) p - Áp suất môi chất trong xi lanh V - Thể tích môi chất công tác (m3 )

Nội năng đơn vị chất công tác:

Ư = \Cv.dT 0

a Sự thay đổi các thông sô'môi chất trong quá trình nén

Mồi chất công tác gồm khí sạch và khí sót nên phương trình nhiệt động có dạng:

Mở đầu 1

1.Lý do lựa chọn đề tài 1

2.Mục đích đề tài 1

3.Nội dung đề tài 1

4.Phương pháp nghiên cứu của đề tài 2

5.Phạm vi của đề tài 2

6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

11 Lựa chọn công thức và chương trình tính 3

1.1.1 Đánh giá phương pháp cổ điển tính chu trình công tác của động cơ Diesel 3

1.1.2.Phương pháp cân bằng năng lượng 4

cị 105 7

0,21 8

c_ c jS ơ 8

1.1.6 Kết quả tính toán 11

a yk ~ Hệ số truyền nhiệt từ vách tói môi chất theo góc quay trục khuỷu và bề mặt trao nhiệt;

kW/(m2.K)

Tvx - Nhiệt độ trung bình vách sau 1 chu trình, ò chế độ định mức Tvx = 400 -r 480 K

Fvx - Diện tích bề mặt ưao đổi nhiệt m2

T • Thời gian trao đổi nhiệt (s)

dx 1

— = — nên dẹ 6.n

—— = —— = a , ẨTvx - Tkc).Fvx

6 n

b Sự thay đổi các thông số trong quá trình chấy Góc bắt đầu cháy

nhiên liệu tính theo công thức

& = <Pfs+<P,

(p f Góc phun sớm nhiên liệu lấy theo lý lịch động cơ ọ Góc

cháy trì hoãn °TK

Khối lượng môi chất kể cả sản vật cháy tính theo công thức

ảm _ dx dọ ^ct dọ

Gct lượng nhiên liệu phun vào xi lanh trong 1 chu trình (kg)

Tốc độ cháy tương đối tính theo thực nghiệm

Khối lượng không khí giảm xuống trong quá trình cháy:

Gbx = Gb — G0 gct.x Sản vật cháy tăng lên

mkcx = mr + gct X — G0 gct.x

X = — dọ Phần trăm nhiên liêu đã cháy ứng với thời điếm xét ịdẹ

Nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác

dQ _ dQ w ^ dQỵ d(p d(p d(p

Lượng nhiệt toả ra do cháy phần nhiên liệu cấp kW/kg

f^ = 0 2 Á

, — \ÍH-Ế>cr ,

c Sự thay đổi các thông số môi chất trong quá trình giãn nở

Trong quá trình giãn nở kết thúc quá trình cấp nhiên liệu vào bên trong xi lanh, còn khối lượng sản vật cháy giữ không đổi cho đến khi mở cửa thải

Dựa theo các phương trình nêu trên sẽ xác định được áp suất môi chất công tác và từ

đó tính được nhiệt độ theo phương trình trạng thái của môi chất 1.1.3 Một số công thức dừng trong quá trình tính toán

Pa = p,- cị 105

516.W2.TS

- Tốc độ trung bình của piston Cm (m/s)

= SMm 30

- Tốc độ lớn nhất của piston khi nạp qua xu páp nạp (m/s)

cw=l,57.cm.k

k - Tỉ số giữa diện tích đỉnh piston và diện tích lỗ xu páp

- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Q H = 100.[339.c + 1256.H — 109.(O-S) — r w (9H+W) rw = 2512 kj/kg - Nhiệt ẩm hoá hơi của nước trong nhiên liệu ứng với áp 101,2 kPa

- Nhiệt độ của không khí sau máy nén tăng áp (° K)

"t-i

7ĩ k - Tỉ số tăng áp

Nk = 1,5 - 2 Chỉ số nén đa biến trong máy nén Ts = TK -

À.T^

A.T^ - Độ giảm nhiệt độ trong bầu làm mát

Ps = PR • KK “ A.P|m

A.Plm - Độ giảm áp suất áp trong bầu làm mát - Áp suất

không khí cuối quá trình nạp

- Hệ số khí sót

_ Ợ,+At)J>r Us.pa-pr)

6 - Tỉ số nén lí thuyết

Pr, Tr áp suất và nhiệt độ khí sót

At = 5 -s-10 °c Độ tăng nhiệt độ không khí do tiếp xúc với vách

- Nhiệt độ không khí cuối quá trình nạp

Ts+At + ỵrTr

1 + 7,

- Diện tích bề mặt xung quanh xi lanh công tác khi piston ở ĐCT

ĨĨH =

7/// — 7//

^2 + 71ĩ

-DS_

-1 _ Diện tích bề mặt của các chi tiết tiếp xúc với môi chất công tác F vx

cp - Góc quay khuỷu - Thẻ

tích công tác của xi lanh (m3)

1

K =-7rS.DJ

- Thể tích công tác của xi lanh khi piston ở điểm chết trênK = vc+Vs

- Thể tích công tác của xi lanh tính theo góc quay trục khuỷu

V vx =v c +0,25.^-.D2.5,.(l-cos^ + 0,5./l.sin2 ọ)

- Khối lượng riêng của không khí sau máy nén

Ps = • RT

R = 287 kJ/(kmol.K) — hằng số của không khí - Lượng không khí

khô cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu (kmol/kg)

=0,21 c_ c jS ơ

12 + 4 + 32 32

- Hệ số nạp không kể đến hàm lượng ẩm

* P.T, 1

e-VPJa '1 + ỵr - Hộ số nạp kể đến hàm lượng

ẩm

\ + ỵr

\ + Yr+d

D -hàm lượng ẩm của không khí vào xi lanh

- Lượng không khí thực tế nạp vào xi lanh trong 1 chu trình không kể đến hàm lượng ẩm của không khí (kg)

^B ~Ĩ7H-^S 'PS

s-l *

X = 1- exp - 6,908 ẹ-6

, m+\

\ <Pz

- Tốc độ toả nhiệt theo góc quay trục khuỷu

_ Hệ số dư lượng không khí a khống kể đến hàm lượng ẩm

GB

a = B - ScrG0

- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu

Gũ ~ Ms A

- Khối lượng của 1 mol khồng khí

ụ s = 28,96 kg/kmol

- Hệ SỐ dư lượng không khí (X có kể đến hàm lượng ẩm

a

ax

-1 1 + 1,61 Â

- Thời gian cháy trì hoãn

8217,4

(C p \°>635 r0’294

y^m'rkf) 'Ẳkf

T ư - Nhiệt độ mồi chất trong xi lanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu

Pkf - áp suất môi chất trong xi lanh lúc bắt đầu phun nhiên liệu - Hệ số truyền nhiệt từ khí tới vách ống lót xi lanh

amc = 2,47 Ậjcm -yjPkc Tkc

pkc , Tkc - áp suất và nhiệt độ khí cháy

- Bề mặt trao đổi nhiệt tức thời của vách với mô chất công tác

F„, =^Ệ-+ĩ

\

Sọ- Độ dịch chuyển tức thời củapiston S ọ =

0,5.5.(1 - COSỘ7 + 0,5X sin2 <p)

- Lượng nhiệt toả ra và tốc độ toả nhiệt tính theo công thứcVibe Phần

trăm nhiệt lượng toả ra theo góc quay trục khuỷu

Lị - Công chỉ thị của chu trình

- Công suất chl thị

- Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

ễi = 3600 PS.7]H

ụs.R.LữTs.Pra

- Hiệu suất chỉ thị

Vi

=

Ms.R.LữTs.Pra

QH -PS-VH

- Áp suất có ích trung bình

Pm - áp suất tổn hao cơ giới

- Hiệu suất cơ giới

- Công suất có ích

p =p, -p m

c 1 m

v n =

N' =N'Jỉr,

- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

m - Chỉ số đặc trưng cho sự phát triển sự cháy chọn theo thực nghiệm m = 0,3 - 1

ẹ z - Thời gian cháy (ọ z = 50 -r-130 °) góc quay khuỷu

0 - Góc cháy ban đầu 0 = (p fs + <pị

ọ fs - Góc phun sớm nhiên liệu

(p - Thời gian cháy trễ của nhiên liệu

- Áp suất chỉ thị trung bình

* = 6,908 m + 1 J exp -6,908. Ị <p-&]

<Pz )

- Hiệu suất có ích

7 e=Vi*ĩm

- Suất tiêu hao nhiên liệu trong lh: Bh = ge.Ne

1.1.4 Lựa chọn chương trình tính

1.1.6 Kết quả tính toán

Phần tính nhiệt của động cơ sử dụng chương trình tính tự động theo chương trình của ngôn ngữ lập trinh Visua Basic

Các thông sế nhập vào chương trình

- Nhiệt độ môi chất đầu quá trĩnh nạp pa = 130000 (Pa)\

r

rpi à r