Локомотивные энерго установки

1. Общее описание компоновки дизеля аналога, его  силовой схемы, отдельных  узлов и характеристик.

    Дизель  М756 состоит из следующих основных сборочных единиц: верхнего и нижнего  картера, моноблока, турбокомпрессора, впускного коллектора, шатунно – поршневого и газораспределительного механизмов, носка дизеля, топливного, водяного и масляных насосов, аммортизатора, коленчатого вала и трубопроводов. 

    Картер  отлит из алюминевого сплава и  состоит из двух половин – верхнего и нижнего картера. Верхний картер воспринимает все усилия, возникающие при работе двигателя. Нижний картер служит маслосборником. В силовую схему верхнего картера входят подвески, являющиеся крышками коренных подшипников коленчатого вала. Подвески монтируются в пазах верхнего картера и крепятся к нему силовыми шпильками. Соединение обоих картеров производится с помощью сшивных болтов, ввертываемых в пистоны верхнего картера. Для крепления дизеля к раме верхний картер имеет лапы коробчатого сечения. Опорные плоскости этих лап распщложены на одном уровне с осью коленчатого вала. В передней части картера имеется фланец для крепления кронштейна турбокомпрессора, задняя сторона картера соединяется с носком дизеля, в роликовых подшипниках которого расположен концевой вал с фланцем отбора мощности. 

    Коленчатый  вал изготовлен из легированной стали, шесть колен кривошипов вала раположены под углом 120⁰. Коленчатый вал лежит на семи подшипниках верхнего картера. На коленчатом валу дизеля смонтировано шесть главных и шесть прицепных шатунов. Поршни дизеля изготовлены из штамповок алюминевого сплава. На каждый поршень устанавливается пять поршневых колец, из которых  два компресионных и три маслосъемных. 

    На  верхний картер устанавливается  два шестицилиндровых моноблока  из алюминевого сплава и стягивается последними силовыми шпильками. С верху на каждой головке моноблока дизеля установлено по два распределительных валика на дюралюминиевых подшипниках. Один валик предназначен для клапанов впуска, другой для клапанов выпуска. Распределительные валики приводятся во вращение от коленчатого вала. С внутренней стороны к головкам моноблоков крепятся стальные всасывающие коллекторы, соединенные с выходящими патрубками компрессора. На внешней стороне моноблоков установлены выпускные коллекторы, охлаждаемые водой. 

    Большинство агрегатов дизеля сосредоточено  в передней его части и приводится во вращение от коленчатого вала дизеля.  

    Маслонагнетающий  насос шестеренного типа размещен на наклонной плоскости картера. 

    С другой стороны картера (симметрично) находится насос пресной воды центробежного типа.

    Привод  каждого из этих трех агрегатов производится с помощью пары конических шестерен и рессорного шлицевого валика. 

    Наддув  дизеля осуществляется турбокомпрессором, т.е. центробежным нагнетателем, получающим вращение от газовой турбины. Турбокомпрессор  представляет собой единый агрегат, который установлен на специальном  кронштейне на переднем торце картера. 

    В развале цилиндров на четырех  стальных опорах устанавливается двенадцатиплунжерный топливный насос, который приводится во вращение от кленчатого вала дизеля двумя парами конических шестерен. 

    Дизель  М756 имеет следующие характеристики: 

    Тип                                                                            – четырехтактный с турбонаддувом

    Расположение  цилиндров                                       – V образное

    Число цилиндров                                                     – 12

    Диаметр цилиндров                                                 – 180 мм

    Ход поршня:

    для цилиндров с глвными шатунами            – 200 мм

    для цилиндров с прицепными шатунами     – 209,8 мм

    Рабочий объем всех цилиндров                              – 62,4 л

    Степень сжатия                                                         – 13,5 ± 0,5

    Среднее эффективное давление, Па                        – 9,8*10⁵

    Частота вращения коленчатого вала, об/мин:

    номинальная                                                     – 1500

    минимальная                                                     – 650.

    Определим рабочий объем цилиндра дизеля – аналога М756 используемого на дизельпоездах серии ДР1.

    Объем цилиндра равен: 

    Геометрическая  степень сжатия - отношение наибольшего объема цилиндра к наименьшему , т.е.:

    Действительная  степень сжатия - отношение объема цилиндра, соответствующая положению поршня в момент закрытия органов газораспределения, к наименьшему объему цилиндра:

    Из  выражения для определяем объем камеры сжигания:

     ,

    где данные находим в таблице.  

    Теперь  определяем объемы цилиндра соответствующие  точкам и :

    для четырехтактного дизеля М756 

     . 

    В расчетах рабочего процесса используется много опытных коэффициентов, от выбора которых существенно зависит  соответствие между опытными и расчетными данным, например давление в начале сжатия принимаем –

      где  задано в таблице. 

    Определяем  температуру рабочего тела в начале сжатия 

    где , находим в таблицах,

    а по опытным данным принимаем что

      - 10;

        - 850 .

    Коэффициент наполнения в данном случае определяется из выражения 

    Из  определения видим что при  определении коэффициента наполнения учитывается параметры рабочего тела в начале сжатия .

    Давление  и температуру воздуха в конце сжатия ( точка ) определяем по формулам: 

     , 

    где - для четырехтактного двигателя геометрическая степень сжатия,

    - средний показатель политропы сжатия, заданный в таблице. 

    Величина  зависит от интенсивности охлаждения цилиндра и его газоплотности: меньшее значение соответствует дизелю при интенсивном охлаждении цилиндров и меньшей их газоплотности.

    Параметры конца сгорания (точка  ) характеризуются давлением и температурой , при этом давление задано в таблице. Прежде чем определить температуру , необходимо некоторые характерные величины, относящиеся к процессу сгорания – теоретически необходимое количество воздуха и - для сгорания 1 кг топлива, моль/кг топлива:

    где и - элементарный состав топлива, заданный в таблице. 

      кг воздуха/ кг топлива, 

    где - коэффициент избытка воздуха при сгорании топлива в таблице,

      - молекулярная масса воздуха, .

    Определяем  коэффициент молекулярного изменения  характеризующий относительное увеличение числа молей продуктов сгорания по сравнению с числом молей воздуха, участвующего в сгорании 

    Действительный  коэффициент молекулярного изменения  характеризует относительное увеличение числа молей рабочего тела в цилиндре при сгорании топлива: 

    Степень повышения давления рабочего тела при  сгорании топлива: 

    Температура рабочего тела в конце сгорания определяется из уравнения сгорания: 

     , 

    где     ,

      - коэффициент эффективного выделения  тепла до точки  данный в таблице,

- средняя молярная теплоемкость при постоянном давлении продуктов сгорания жидкого топлива, определяемая при температуре ,

- средняя молярная теплоемкость  при постоянном объеме для  воздуха, определяемая при температуре .

Средние молярные теплоемкости в кДж/(кмоль*град) определяют по формулам: 

- воздух  и двух атомные газы 

, 

- продукты  сгорания жидкого топлива при   

     .

,

    определяем

    подставляя  найденные значения в уравнение сгорания, из которого вычисляем  

    Видим что абсолютная величина , и соответственно эту температуру принимаем в качестве решения.

      После вычисления определяем степень предварительного расширения  

    Так как по определению степень предварительного расширения 

      то 

    Заданное  значение и расчетные значения и полностью определяют параметры и положение точки в координатах давление и объем .

    Давление  и температура рабочего тела в конце расширения ( точка ) определяем из соотношений:

    степень последующего расширения продуктов  сгорания 

где   - геометрическая степени сжатия четырехтактного двигателя

      - среднийпоказатель политропы  расширения заданный в таблице.

    После вычисления параметров характерных  точек индикаторной диаграммы вычисляем показатели рабочего процесса.

    Среднеим  индикаторным давлением  является отношение работы газов за цикл к рабочему объему цилиндра. Среднее индикаторное давление соответствует высоте прямоугольника, основанием которого служит рабочий объем цилиндра.

    Расчетное среднее индикаторное давление в  МPа определяем по формуле

    Среднее индикаторное давление действительного  цикла меньше расчетного вследствие наличия скруглений в точках индикаторной диаграммы и в конце расширения.

    Поэтому

     MPa

    Индикаторная  мощность дизеля, кВТ

    Определяем  индикаторное к.п.д. четырехтактного дизеля

    Эффективные мощность кВТ, к.п.д. и удельный расход топлива , кг/(кВТ*ч) определяем из выражений, где задан = 0,853:

     ,

    где

Часовой расход топлива дизелем, кг/ч:

Расход  воздуха дизелем, кг/ч, где - коэффициент продувки 1,25:

Количество  отработавших газов, кг/ч:

3. Построение индикаторной  диаграммы рабочего  процесса дизеля. 

            Индикаторную диаграмму строим в координатах давления - объем . Объем откладываем по оси абсцисс в масштабе , по оси ординат откладываем давление в масштабе . По значениям объемов и давлений находим характерные точки индикаторной диаграммы. Для четырехтактного дизеля в процессе наполнения цилиндра воздухом ( линия ) и выпуска отработанных газов (линия ) условно принимаем, что давление по линии сохраняется постоянным, при этом , соединив точки и получаем условное изображение процессов наполнения и выпуска.

           Далее необходимо определить координаты промежуточных точек политроп сжатия и расширения . Для этого необходимо выразить значение давлений точек этих политроп при заданном текущем объеме :

- политропа сжатия:

- политропа расширения:

           Определяем текущий объем  , м³,  при заданных углах поворота коленчатого вала , для дизеля с одним поршнем в цилиндре:

,

где - площадь поперечного сечения цилиндра, м², ;

       - перемещение поршня от в.м.т., м. , где радиус кривошипа коленчатого вала, он соответствует половине хода поршня.

          Для приближенного вычисления  площади делим отрезок на 10 равных частей и определяем величины ординат заключенных между линиями расширения и сжатия, и используем формулу площади трапеций: 

           Средняя высота прямоугольника  площадью  и основанием будет: 

           Так как на индикаторной диаграмме  масштаб давлений соответствует величине , то тогда среднее индикаторное давление, Mpa,  

        что находится в допустимых  пределах несовпадений  .

      Детали  шатунно – кривошипного механизма подвергаются действию сил давления газов внутри цилиндра, сил инерции поступательно и вращательно движущихся частей, сил трения на поверхностях относительно скольжения и сил сопротивлений со стороны потребителя энергии. При определении действующих сил и моментов целесообразней находить их удельные значения.

      Суммарная удельная сила , приложенная в центре поршневого пальца определяется как алгебрическая сумма двух сил:

      Сила  давления газов  алгебрически складывается из давления газов на поршень со стороны камеры сгорания и давления воздуха состороны картера :

где .

      Зависимость изменения давления газов в цилиндре от угла поворота кривошипа задана индикаторной диаграммой.

      Удельные  силы инерции поступательно движущихся масс, , определяем по формуле:

       ,

      где - масса поступательно движущихся частей, кг;

           - площадь поршня, м².

      Ускорение поршня , м/с², в зависимости от угла определяем по формуле

       ,

где - угловая скорость коленчатого вала, с^-1; .

      Масса включает массу комплекса поршня и часть массы шатуна, учавствовавшей в поступательном движении:

      Массу шатуна делим на две части. Одну из них  считаем сосредоточенной на оси поршневого пальца и относим к поступательно движущимся частьям, а другую - на оси кривошипа и относим к вращающимся частьям. Распределение масс производим по правилам разложения равнодействующей на две параллельные силы:

       ;              

      где - длина шатуна между центрами верхней и нижней головок,

           - расстояние от центра тяжести шатуна до центра кривошипной головки.

Для приближенных расчетов можно принимать:

Масса поступательно движущихся частей будет  равна 

Вычисленные удельные силы сводим в таблицу.

      Получаем  следующие выражения для определения  удельных сил:

      Полученые значения сил,определяемых по приведенным  формулам, а также значения тригонометрических функций найденных в приложениях заносим в таблицу. Далее строим зависимости изменения сил от угла (в приложениях).