Расчет энергетического баланса газотурбинного наддува комбинированного дизеля

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

Федеральное государственное АВТОНОМНОЕ образовательное

учреждение высшего образования

«Севастопольский государственный университет»

 

Институт кораблестроения и морского транспорта

 

 

Гоголев Г.В.

Расчет  рабочего  цикла  судовых  ДВС

Рекомендовано

Учебно-методическим советом института

в качестве методических указаний

для студентов очной и заочной форм обучения

специальности

26.05.06 – Э ксплуатация судовых энергетических установок и

очной и заочной форм обучения

 

Севастополь

2016

УДК 629.431.74.052:621.436

ББК 39.46

Рецензенты: К.В. Перепадя, к.т.н., доцент каф. ОиК

    В.А. Очеретяный, к.т.н., доцент каф. ЭМСС

 

Г.В. Гоголев

 

Расчет рабочего цикла судовых ДВС: методические указания к практическому занятию по дисциплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания». – Севастополь: ФГАОУВО «СевГУ», 2016. – 16 с.

 

Рассматривается порядок расчета рабочего цикла судовых двухтактных и четырехтактных двигателей.

Пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения Севастопольского государственного университета, института кораблестроения и морского транспорта, специальности 26.05.06 – Эксплуатация судовых энергетических установок.

Выполнение практической работы направлено на изучение следующих профессионально-специализированных компетенций (Конвенция ПДНВ):

ПСК-7 – Основные принципы конструкции и работы механических систем, включая судовой дизель.( Эксплуатация главных установок и вспомогательных механизмов и связанных с ними систем управления)

 

© Гоголев Г.В. 2016

© Издание ФГАОУВО «СевГУ», 2016

 

Содержание

Введение …………………………………………………..		4
1.	Расчет рабочего цикла двигателя …………………..	4
2.	Расчет энергетического баланса газотурбинного наддува комбинированного дизеля ………………...	10
3.	Расчет эффективных показателей комбинированного двигателя ……………………………………….	13
4.	Расчет и построение теоретической индикаторной диаграммы ……………………………………………	14
Библиографический список ……………………………...		17

 

Введение

Расчет рабочего цикла базируется на классическом методе теплового расчета, разработанного профессором В.И. Гринивецким и развитым в последующем советскими учеными Мазингом Е.К., Брилингом Н.Р., Орлиным А.С. и Стечкиным Б.С.

Метод теплового расчета основан на общеизвестных положениях термодинамики и термохимии, достаточно полно охватывает сущность тепловых явлений, происходящих в рабочем цилиндре, и представляет собой инженерное аналитическое исследование. На его основе можно:

- количественно оценить эти явления как при проектировании, так и при исследовании построенного двигателя;

- дать представление об основных параметрах цикла и факторах, влияющих на процессы рабочего цикла;

- определить расчетные значения параметров состояния рабочего тела в характерных точках расчетного цикла, а также эффективные показатели, характеризующие работу двигателя в целом.

Метод обеспечивает удовлетворительную для практики точность расчетов, несмотря на то, что протекающий в двигателе цикл описывается простейшими термодинамическими процессами и вводится ряд опытных коэффициентов, оценивающих реальные условия протекания рабочих процессов в двигателе.

 

РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ

Расчет осуществляется в табличной форме. Рекомендации по выбору исходных данных и различных коэффициентов даны в таблице 1.1, а также могут быть взяты из литературы [1, 2].

При расчете максимальной температуры сгорания Т _z (пункт 12 таблицы 1.4) следует подставить в уравнение сгорания топлива зависимости для  и решить его методом последовательных приближений, задаваясь температурой Т _z в диапазонах: 1700…1900 К для МОД;

                                                      1800…2000 К для СОД и ВОД.

Средний показатель политропы расширения n₂ определяется при совместном решении уравнений в пунктах 5 и 6 таблицы 1.5 методом последовательных приближений, задаваясь значениями температуры Т _в =900…1200 К. Средние значения показателя политропы лежат в диапазоне: n₂ =1,2…1,3 для МОД и СОД с охлаждаемыми поршнями; n₂ =1,1…1,25 для ВОД с неохлаждаемыми поршнями.

Таблица 1.1 – Исходные данные

Параметр	Обозначение	Размер-ность	Формула	Двигатель
				5L90MCE (5ДКРН 90/291,6 )	12ЧН 18/20
1	2	3	4	5	6
1. Эффективная мощность	Ne	кВт	Задано	28600	1000
2. Частота вращения	n	1/мин		74	1500
3. Давление окружающей среды	Р0	МПа		0,103	0,103
4. Температура окружающей среды	Т0	К		300	290
5. Давление наддува	рк	МПа	рк=(0,15…0,20)ре (4-х тактн.) рк=(0,18…0,20)ре (2-х тактн.)	0,315	0,17
6. Коэффициент избытка воздуха для сгорания	α		Выбрано α=1,5…2,7  (для МОД α=1,8…2,7;  для СОД α=1,6…2,2)	2,7	1,9
7. Коэффициент продувки	φα		для 4-х тактных φα=1,05…1,35 для 2-х тактных φα=1,25…1,80	1,4	1,15
8. Коэффициент остаточных газов	γr		для 4-х тактных γr=0,01…0,04 для 2-х тактных с прямоточной схемой газообмена γr=0,02…0,09 для 2-х тактных с контурными схемами газообмена γr=0,01…0,14	0,03	0,04
9. Коэффициент использования тепла в точке z	ξ z		МОД и СОД ξz=0,75…0,92 ВОД ξz=0,7…0,85	0,90	0,75
10. Коэффициент использования тепла в точке b	ξ b		МОД и СОД ξb=0,85…0,99 ВОД ξb=0,85…0,95	0,98	0,9
11. Степень сжатия	ε		для МОД ε=11…15 для СОД ε=12…16 для ВОД ε=15…18	15	14

 

Продолжение таблицы 1.1.

1	2	3	4	5		6
12. Степень повышения давления сгорания	λ		λ=1,1…1,5	1,12		1,5
13. Подогрев заряда от стенок цилиндра	ΔТа	К	для 2-х тактных ΔТа=5…10 К для 4-х тактных ΔТа=5…20 К	10		10
14. Доля хода поршня, потерянная на продувку	ψа		ψ=0,04…0,25 для прямоточно-клапанной схемы газообмена ψ=0,04…0,13 для контурных схем	0,10		-
15. Плотность топлива при 15 °С	r15	кг/м3	Выбираем из таблицы показатели принятого топлива [4]
16. Коэффициент скругления индика-торной диаграммы	ζ		ζ=0,95…0,98	0,95		0,96
17. Механический КПД двигателя	ηм		ηм= 0,75…0,96	0,94		0,84
18. Адиабатный КПД компрессора	ηк.ад		принимаем ηк.ад= 0,75…0,84	0,82		0,75
19. Потеря давления в  воздухо-охладителе	Δрохл	МПа	для 2-х тактных 0,003…0,007 для 4-х тактных 0,001…0,003	0,005		0,004
20. Снижение температуры в воздухоохладителе	ΔТохл	К	д.б. Т S£310 К принимаем ΔТохл = 25…140	135		28
21. Температура остаточных газов	Т r	К	Для МОД Т r=550…650 К Для СОД Т r=650…800 К Для ВОД Т r=750…900 К	500		850
22. Массовый состав топлива		кг/кг	принимаем в пределах C=0,84…0,88; H=0,11…0,14; S=0,001…0,045; О=0,001…0,03 =0…0,002	C=0,877 H=0,12 S=0,002 О=0,001		C=0,87 H=0,126 О=0,004
23. Низшая теплотворная способность топлива	Qн	кДж/кг			42170		41870
24. Показатель политропы сжатия в компрессоре	nк		nк=1,5…2,0	1,7		1,6

 

Таблица 1.2. – Расчет процесса наполнения

Параметр	Обозначение	Размер-ность	Формула	Двигатель
				5 L90 MCE (5ДКРН 90/291,6)		12ЧН 18/20
1	2	3	4	5		6
1. Температура воздуха за компрессором	Тк	К			475	353
2. Температура воздуха перед двигателем	Тs	К	Тк - ∆Тохл		340	325
3. Температура заряда к концу наполнения	Та	К			354	355
4. Давление воздуха перед двигателем	рs	МПа	рк - ∆рохл		0,31	0,165
5.Давление заряда к концу процесса наполнения	ра	МПа	(0,97…0,98)·рs		0,296	0,160
6. Коэффициент наполнения	ηн		(ДН)  (ЧН)		0,844	0,892

 

Таблица 1.3 - Расчет процесса сжатия

Параметр	Обозначение	Размер-ность	Формула	Двигатель
				5 L90 MCE (5ДКРН 90/291,6)	12ЧН 18/20
1	2	3	4	5	6
1. Средняя мольная изохорная теплоемкость воздуха		кДж/ (моль∙К)	19,26+0,0025Т
2. Средняя мольная изохорная теплоемкость чистых продуктов сгорания		кДж/ (моль∙К)	20,47+0,0036Т
3.    Теплоемкость смеси воздуха и остаточных газов на ходе сжатия		кДж/ (моль∙К)	= =avc+bcT	19,251+ 0,0025·Т	19,262+ 0,002534·Т
4. Средний показатель политропы сжатия	n1			1,368	1,369
5. Давление в конце сжатия	рс	МПа		12,04	5,95
6. Температура в конце сжатия	Тс	К		962	941

 

Таблица 1.4 –Расчет процесса сгорания

Параметр	Обозначение	Размер-ность	Формула	Двигатель
				5 L90 MCE (5ДКРН 90/291,6)		12ЧН 18/20
1	2	3	4	5			6
1. Теоретически необходимое мольное количество воздуха для cго-рания 1 кг топлива	L0
2. Действительное количество воздуха для сгорания 1 кг топлива	L	кмоль/ кг	a·L0	1,312			0,941
3. Химический коэффициент молекулярного изменения	β0			1,0234			1,0337
4. Действительный коэффициент молекулярного изменения	β			1,0221			1,033
5. Доля топлива, сгоревшая в точке z	xz		ξz/ξb	0,918			0,843
6. Коэффициент молекулярного изменения в точке z	βz			1,0211			1,0274
7. Приращение объема продуктов сгорания	∆ М
8. Коэффициент	m
9. Изобарная теплоемкость
10. Средняя мольная изохорная теплоемкость рабочего тела в точке z		кДж/ (кмоль∙К)			19,76+ 0,0029·Т		19,82+ 0,00293∙Т
11. Средняя мольная изохорная теплоемкость рабочего тела в точке b		кДж/ (кмоль∙К)		19,87+ 0,003·Т			19,94+ 0,00323∙Т

 

Продолжение таблицы 1.4.

1	2	3	4			5	6
12. Максимальная температура сгорания	T z	К				1725	1865
13. Максимальное давление сгорания	pz	МПа			13,52		8,92

 

Таблица 1.5– Расчет процесса расширения

Параметр	Обозначение	Размер-ность	Формула	Двигатель
				5 L90 MCE (5ДКРН 90/291,6)		12ЧН 18/20
1	2	3	4	5		6
1. Степень предварительного расширения	ρ				1,63	1,36
2. Степень последующего расширения	δ				9,16	10,3
3. Коэффициент А			А=
4. Коэффициент В			В=
5. Средний показатель политропы расширения	n2		Определяется при совместном решении уравнений пунктов 5 и 6		1,276	1,232
6. Температура в конце процесса расширения	Tb	К			944	1080
7. Давление в конце процесса расширения	pb	МПа			0,804	0,538

 

Таблица 1.6 – Определение индикаторных показателей

Параметр	Обозначение	Размер-ность	Формула	Двигатель
				5 L90 MCE (5ДКРН 90/291,6)		12ЧН 18/20
8. Теоретическое среднее индикаторное давление		МПа			1,76	1,17
9. Действительное среднее индикаторное давление		МПа	Для 2-х тактных  (ДН) Для 4-х тактных  (ЧН)		1,53	1,12
10. Индикаторная мощность			Для 2-х тактных z=1 Для 4-х тактных z=0,5
11. Индикаторный удельный расход топлива		кг× (кВт∙ч)			0,162	0,192
12. Индикаторный КПД					0,507	0,444

 

Таблица 1.7 – Определение эффективных показателей

Параметр	Обозначение	Размер-ность		Формула	Двигатель
					5 L90 MCE (5ДКРН 90/291,6)		12ЧН 18/20
1. Среднее эффективное давление		МПа				1,44		0,96
2. Удельный эффективный расход топлива		кг/ (кВт∙ч)				0,173		0,230
3. Эффективный КПД двигателя						0,477		0,381

расчет энергетического баланса газотурбинного наддува комбинированного дизеля

Наддув комбинированного четырехтактного дизеля может быть достаточно надежно осуществлен одноступенчатым газотурбинным нагнетателем обычно центробежного типа. Согласованность автономного ГТН с двигателем достигается равенством относительных мощностей газовой турбины d_т и компрессора d_к.

В случае применения импульсных турбин допускается превышение мощности центробежного нагнетателя над мощностью газовой турбины на 10…15 % при повышенном наддуве и на 15…20 % при низком р_к.

Такое превышение d_к=(1,05..1,25) d_т оправдано, если расчет газовой турбины ведется как турбины постоянного давления, а мощность импульсной турбины при прочих равных условиях оказывается больше на 5…25 %.

В двухтактных двигателях наддув автономным ГТН надежно осуществляется только при прямоточно-клапанной продувке, а при контурной продувке применяется комбинированная схема наддува, состоящая из автономного ГТН (одного или нескольких) первой ступени и приводного нагнетателя (ПН), установленного в качестве второй ступени.

При комбинированной схеме наддува степень повышения давления в приводном нагнетателе (p_н) должна быть возможно меньше, а давление между ступенями (р_I) возможно большим,  так как с ростом  p_н увеличивается мощность, отбираемая от двигателя на привод этого нагнетателя.

Можно назначать р_I, исходя из соотношения p_н=р¢_к/р_I=1,05…1,2; тогда p_к=р_I/р₀.

 

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 335; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!