Thiết kế, chế tạo động cơ piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo

i MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC 2 1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước 2 1.2 Giới thiệu về động cơ piston hơi nước 6 1.2.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ piston hơi nước ban đầu 7 1.2.3. Tính năng, ưu nhược điểm của động cơ piston hơi nước thời kì đầu 8 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới 9 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước 9 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9 1.4 Khả năng và phạm vi ứng dụng 11 1.4.1 Ứng dụng trên bộ 11 1.4.2 Ứng dụng trong tàu thủy 12 Chương 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ 13 2.1. Thiết kế nguyên lý cơ cấu hoạt động của động cơ piston hơi nước 13 2.1.1. Nhiệm vụ thiết kế 13 2.1.2. Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế 14 2.1.2.1. Chu trình nhiệt động và các thông số trạng thái của động cơ piston hơi nước 14 2.1.2.2. Sơ đồ nguyên lý của động cơ 21 2.2. Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ theo yêu cầu thiết kế 27 2.2.1. Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ 27 2.2.1.1. Quá trình sinh hơi trong nồi hơi 28 2.2.1.2. Phân tích lựa chọn phương án cấp nhiệt cho động cơ 29 2.2.1.3. Phân tích lựa chọn kết cấu của nồi hơi phù hợp với yêu cầu sử dụng 31 2.2.2. Phân tích kết cấu và lựa chon nồi hơi mới 32 2.2.3. Tính toán các thông số của nồi hơi 41 ii 2.2.3.1. Phương pháp tính các thông số khí xả của động cơ diesel và lượng nhiệt cấp cho nồi hơi từ khí xả 41 2.2.3.2. Lượng khí xả G kx do động cơ chính xả ra 41 2.2.3.3. Lượng nhiệt cấp cho nồi hơi từ khí xả 42 2.2.3.4. Xác định sản lượng nồi hơi khí xả 42 2.2.4. Tính toán và kiểm nghiệm lượng khí xả trên động cơ G6300ZC17B ảnh hưởng đến các thông số của nồi hơi tận dụng nhiệt 43 2.2.4.1. Các thông số chính của động cơ [ Phần 4 trang 16]** 43 2.2.4.2. Tính các thông số khí xả động cơ, thông số công tác của nồi hơi 43 2.2.5. Đánh giá chung về loại nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả kiểu moduyn 45 2.2.5.1. Về khả năng hạn chế các tổn thất nhiệt, nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu 46 2.2.5.2. Về khả năng giảm chi phí chế tạo 46 2.2.5.3. Về khả năng đáp ứng công suất, thông số hơi và chất lượng hơi 47 2.2.5.4. Làm việc ổn định và an toàn 47 2.2.5.5. Thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, vận hành, kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa 48 2.2.6. Kết luận. 51 2.3. Thiết kế van và mạch điều khiển van 51 2.3.1. Cơ sở lưa chọn phương án thiết kế 51 2.3.2. Phân tích phương án 51 2.3.2.1. Van cơ khí 51 2.3.2.2. Van điện từ 52 2.3.3. Thành phần mạch điều khiển van 52 2.3.3.1. Lựa chọn LED thu – phát hồng ngoại 52 2.3.3.2. Lựa chọn kích thước đường ống, các van điện từ 54 iii 2.3.3.3. Cảm biến quang thiết kế 55 2.3.4. Lắp đặt van hơi 57 2.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ 57 Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO 60 3.1. Cơ sở và chọn phương án thiết kế 60 3.2. Chọn năng suất làm việc cho động cơ 61 3.3. Thiết kế chế tạo trục 61 3.3.1. Tính toán, thiết kế 61 3.3.2 Chế tạo trục 64 3.4 Thiết kế chế tạo xy lanh 68 3.4.1. Thiết kế 68 3.4.2. Quy trình phục hồi và gia công xilanh 69 3.5 Thiết kế chế tạo piston 70 3.5.1. Thiết kế piston 70 3.5.2 Chế tạo piston 73 3.6. Thiết kế chế tạo cam lệch 76 3.6.1. Thiết kế 76 3.6.2. Chế tạo cam lệch 78 3.7. Thiết kế, chế tạo tấm phẳng 79 3.7.1. Thiết kế 79 3.7.2. Gia công, chế tạo tấm phẳng 81 3.8 Động cơ sau khi được chế tạo hoàn chỉnh 83 3.9 Bản vẽ lắp của động cơ 83 CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM, KẾT LUẬN ,KIẾN NGHỊ 84 4.1 THỬ NGHIỆM 84 4.2. KẾT LUẬN 84 4.3 KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 85 Tài liệu tham khảo 87 iv DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1: Động cơ hơi nước ban đầu của James watt 3 Hình 1.2: Mô hình động cơ piston hơi nước ban đầu 5 Hình 1.3: Mô hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụng cơ cấu Cu-Lit 6 Hình 1.4: Đặc điểm, kết cấu của động cơ piston hơi nước áp dụng trên đầu máy xe lửa ban đầu 7 Hình 1.5: Chảo parabol sử dụng năng lượng mặt trời 11 Hình 2.1: Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong 15 Hình 2.2: Chu trình thực của động cơ piston hơi nước trên đồ thị P-V 16 Hình 2.3: Biểu diễn quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị công (p-v) và đồ thị nhiệt (T-s) 17 Hình 2.4: Biểu diễn quá trình đẳng áp trên đồ thị công và nhiệt 20 Hình 2.5: Lược đồ cơ cấu tay quay con trượt 22 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu tay quay con trượt 22 Hình 2.7: Lực tác dụng lên cơ cấu 24 Hình 2.8: Quá trình sinh hơi trong nồi hơi biểu diễn trên đồ thị i-t 28 Hình 2.9: Một số dạng nồi hơi khí xả thường dùng 33 Hình 2.10: Sơ đồ kết cấu nồi hơi ống nước tuần hoàn tự nhiên, có bộ hâm kiểu moduyn 35 Hình 2.11: Kết cấu nồi hơi khí xả cải tiến kiểu moduyn của khoa đóng tàu trường đại học Hàng Hải 38 Hình 2.12: Kết cấu một vỉ và kết cấu tổng thể giàn ống, phụ kiện nồi hơi khí xả kiểu moduyn 39 Hình 2.13: Kết cấu tổng thể nồi hơi khí xả và bộ hâm nước tiết kiệm kiểu moduyn dạng 3D 39 Hình 2.14: Một số hình ảnh chế tạo nồi hơi khí xả và bộ hâm nước tiết kiệm kiểu moduyn 40 v Hình 2.15:Sơ đồ thuật toán chương trình tính các thông số khí xả của động cơ 44 Hình 2.16: Đồ thị biểu diễn quan hệ công suất có ích của động cơ chính với nhiệt độ khí xả t r và sản lượng hơi của nồi hơi D h . 44 Hình 2.17: Cảm biến quang thu - phát độc lập 53 Hình 2.18: Cảm biến quang thu - phát chung 53 Hình 2.19: Cảm biến quang khuếch đại 53 Hình 2.20: Cấu tạo của cảm biến quang 54 Hình 2.21: Van điện từ 3 cửa 2 vị trí 55 Hình 2.22: Sơ đồ tổng thể của mạch cảm biến quang 55 Hình 2.23: Mô tả quá trình làm việc của pistoin trong xilanh 58 Hình 2.24: Sơ đồ chung toàn động cơ và các chi tiết 59 Hình 3.1: Biểu đồ momen uốn trên trục 62 Hình 3.2: Bản vẽ kết cấu của trục 64 Hình 3.3: Sơ đồ chống tâm khi gia công trục 66 Hình 3.4: Trục động cơ 67 Hình 3.5: Xy lanh động cơ 70 Hình 3.6: Bản vẽ chế tạo piston 74 Hình 3.7: Piston của động cơ 75 Hình 3.8: Piston của động cơ 76 Hình 3.9: Bản vẽ thiết kế, chế tạo cam lệch 77 Hình 3.10: Cam của động cơ 79 Hình 3.11: Bản vẽ thiết kế tấm phẳng 81 Hình 3.12: Tấm phẳng của động cơ 82 Hình 3.13: Động cơ được lắp ráp hoàn chỉnh 83 Hình 3.14: Thử nghiệm 83 1 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay vấn đề về năng lượng đang là vấn đề cấp bách mà con người ta đang cần phải tính toán và nghiên cứu. Nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt vì vậy việc nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng khác thay thế như năng lượng tận dụng từ nguồn năng lượng khí thải, hay năng lượng địa chất đang là vấn đề ngày càng cấp thiết không chỉ của Việt Nam mà là của toàn thế giới. Vì vậy ý tưởng của nhóm chúng em là chế tạo ra động cơ hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo . Động cơ ra đời giúp tiết kiệm nguồn năng lượng đồng thời giảm thiểu nguồn khí thải ra môi trường. Ngoài ra khi động cơ ra đời đánh dấu sự nỗ lực tiếp cận thực tế của sinh viên ngành Động Lực nói riêng khoa kỹ thuật Giao Thông trường đại học Nha Trang . Việc tính toán cũng như chế tạo ban đầu gặp rất nhiều khó khăn nên trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi sai xót. Chúng em mong các thầy góp ý cũng như bổ sung giúp để đề tài được hoàn thiện cũng như giúp chúng em củng cố kiến thức được vững vàng sau khi ra trường. 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC 1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước Trong thời kì thập niên 60 của thế kỉ XVIII có một phát minh mà sự thành công của nó đã giúp cho con người thoát khỏi sự hạn chế về kĩ thuật phục vụ cuộc sống. Đó là phát minh của nhà bác học James Watt ông tổ của máy hơi nước. James Watt sinh ngày 19 tháng 1 năm 1736 tại một thị trấn ven biển Greenock ở Scotland, ông nội là Thomas Watt giáo sư dạy trắc lượng học và hàng hải học. James Watt thường được mọi người gọi là nhà phát minh máy hơi nước. Ông là một trong những nhân vật then chốt trong cuộc cách mạng công nghiệp. Thật ra James Watt không phải là người chế tạo ra máy hơi nước đầu tiên. Năm 1698 Thomas Savory đã được trao bằng sáng chế máy bơm chạy bằng hơi nước đầu tiên. Năm 1712, Thomas Newcomen cũng đã được trao bằng sáng chế cải tiến máy hơi nước. Năm 1761, khi tiến hành sửa chữa một máy hơi nước kiểu Newcomen, James Watt đã cải tạo máy hơi nước kiểu này và tạo ra một ý nghĩa cực kì quan trọng đến nỗi mọi người phải công nhận ông là người phát minh ra máy hơi nước đầu tiên. 3 Hình 1.1: Động cơ hơi nước ban đầu của James watt Năm 1763-1764, tại trường đại học Glassgow, James Watt bắt đầu đặc biệt chú ý tới máy hơi nước và xác định việc nghiên cứu nguyên lý và kết cấu của máy hơi nước là phương hướng chủ yếu của mình. Năm 1769, James Watt được nhận bằng độc quyền về cải tiến máy hơi nước, một thành quả rất vĩ đại và có ý nghĩa cực kì to lớn đối với ngành công nghiệp bấy giờ. James Watt đã cải tiến máy hơi nước một bộ phận có thể phân ly để làm lạnh và cách ly các xilanh của nó. Năm 1782, ông đã phát minh ra máy hơi nước kiểu song động. Sau khi kết hợp các phát minh đó lại ông đã làm hiệu suất của máy hơi nước tăng lên gấp ba lần. Tháng 6 năm 1775, giữa Boulton và James Watt đã kí một hợp đồng có giá trị 25 năm, thành lập công ty Boulton - Watt chuyên sản xuất và tiêu thụ loại máy hơi nước mới. Đây chính là tiền đề để cho James Watt sáng tạo ra những cỗ máy hơi nước ngày càng tân tiến hơn. Trong 25 năm sau đó công ty của James Watt và Boulton đã sản xuất một số lượng lớn máy hơi nước cung cấp cho thị trường thời bấy giờ. Năm 1781, James Watt còn phát minh ra một bộ phận bánh xe răng để giúp cho máy hơi nước chuyển động xoay tròn mở rộng phạm vi sử dụng cho máy hơi nước. 4 Từ khi máy hơi nước ra đời đã có một tác dụng to lớn trong cuộc cách mạng công nghiệp. Trước khi có máy hơi nước, mặc dù con người đã biết sử dụng sức gió và sức nước nhưng động lực chủ yếu vẫn là sức lực của con người. Từ khi xuất hiện máy hơi nước con người đã thoát khỏi sự hạn chế đó. Ngoài việc dùng làm nguồn năng lượng cho các công xưởng, máy hơi nước còn được ứng dụng trong giao thông vận tải. Sự ứng dụng rộng rãi máy hơi nước đã ảnh hưởng đến cuộc cách mạng trên phương tiện giao thông của nước Anh. Năm 1814, George Stephenson chế tạo thành công xe lửa chạy bằng hơi nước, George Stephenson được suy tôn là cha đẻ của đầu máy xe hỏa. Ông là người thợ làm trong hầm mỏ tại Anh, trước khi làm việc dưới hầm mỏ, Stephenson đã từng quen thuộc với các loại máy hơi nước của James Watt. Rồi theo các ý tưởng của William Murdock và Richard Trevithick, ông đã chế tạo một đầu tàu kéo được 90 tấn trên quãng đường 85 dặm. Stephenson tiếp tục chế tạo chiếc xe nữa, nặng 4,5 tấn và bánh xe có đường kính 1,42 mét. Chiếc thứ ba có tên là Rocket chở được 36 hành khách và chạy với tốc độ 30 dặm một giờ. Năm 1830, Peter Cooper chế tạo chiếc đầu tàu Tom Thumb dùng cho đường xe lửa Baltimore-Ohio và xưởng đúc West Point cho ra đời chiếc Best Friend để sử dụng vào năm 1831 tại tiểu bang Nam Carolina trên tuyến đường Charleston và Hamburg. Chiếc đầu tàu xe lửa lịch sử De Witt Clinton của công ty hỏa xa Mohawk and Hudson do xưởng đúc West Poit chế tạo có nồi hơi đặt nằm ngang. Vào tháng 8 năm 1831, chiếc đầu tàu lịch sử kể trên đã kéo một đoàn tàu không mui chạy trên quãng đường dài 17 dặm từ Albany tới Schenectady trong một giờ bốn mươi lăm phút và đã đạt được vận tốc tối đa là ba mươi dặm trên một giờ. Lúc chạy về đầu tàu này đã chạy trong một giờ đồng hồ. 5 Hình 1.2: Mô hình động cơ piston hơi nước ban đầu Năm 1831, đầu máy John Bull được Hoa Kì nhập khẩu từ Anh để chạy trên tuyến đường Camden và Amboy, nhưng đầu máy này quá nặng nề đối với đường xe lửa mỏng manh của Hoa Kì. Xưởng Rogers Locomotive ở Paterson, New yersey, các đầu tàu được chế tạo với các xilanh nằm phía ngoài khung tàu. Chiếc đầu tàu chế tạo cho đường xe lửa New York, New Haven và Harford đã trở thành hình mẫu trong nửa thế kỷ cho các đầu tàu khác tại Hoa Kì. Chiếc đầu tàu này có 8 bánh, 11 xilanh dài 45 centimet. Đầu máy Virginian có chiều dài 32,6 mét, nặng 450 tấn đủ sức kéo được 17000 tấn. Sự cải tiến giao thông đường thủy là đóng những chiếc tàu có thể lắp được máy hơi nước làm hệ động lực. Ngày 19 tháng 8 năm 1807, một nhà phát minh người Mỹ là Fullton đã thiết kế một chiếc tàu chở khách chạy bằng hơi nước thử nghiệm thành công trên sông Hudson, đồng thời đã mở ra chuyến chạy định kì từ NewYork đến An-ba-ni. [...]... t o g m có lò uc a ng cơ piston hơi nư c là có c u t o r t ơn gi n t, n i hơi, cơ c u culit, h th ng van làm nhi m v phân ph i hơi t i xylanh, piston- xylanh 1.2.3 Tính năng, ưu như c i m c a ng cơ piston hơi nư c th i kì u Tính năng ng cơ piston hơi nư c ra i ánh d u bư c ngo t l n c a con ngư i Nó giúp chúng ta c i thi n và gi m s c lao nhi u Hơi nư c có áp su t cao s giúp piston chuy n chuy n ng... o ng cơ piston hơi nư c s d ng năng lư ng tái t o trong cu c s ng, ta ưu tiên l a ch n phương án thi t k theo cơ c u t m ph ng - cam l ch như trên s nhi m v thi t k áp ng ư c các yêu c u và t ra 2.2 Phân tích l a ch n n i hơi c p hơi cho 2.2.1 Phân tích l a ch n n i hơi c p hơi cho ng cơ theo yêu c u thi t k ng cơ N i hơi có nhi m v cung c p hơi nư c (năng lư ng t n t i dư i d ng hơi) cho ng cơ áp... ph n c a K tc uc a như 1.2.1 t trong ng cơ hơi nư c ng cơ piston cũng r t h p lý là các xy lanh ư c b trí th ng hàng t o i u ki n cho vi c bi n chuy n chuy n ng cơ ng ng t nh ti n c a piston thành ng quay mà không c n ph i s d ng cơ c u thanh truy n tr c khu u ng cơ t trong c i mk tc uc a Hình 1.4: ng cơ piston hơi nư c ban c i m, k t c u c a u ng cơ piston hơi nư c áp d ng trên u máy xe l a ban u... t o và năng lư ng t n d ng M t lo i năng lư ng có s n trong t nhiên và không nh hư ng n môi trư ng B ng 1 : B ng k t qu th nghi m ng cơ piston hơi nư c [5] 11 1.4 Kh năng và ph m vi ng d ng 1.4.1 ng d ng trên b Như ã bi t, ngoài nên ng cơ piston hơi nư c là m t d ng c a ng cơ có th ho t t ng trong môi trư ng có nhi t cung c p cho n i hơi là ư c Do ó, trên th c t có r t nhi u hơi nư c có th ng cơ a i... quá trình thi t ng cơ piston hơi nư c Trư c h t là xác tr ng thái c a nh chu trình nhi t ng và tính toán các thông s ng cơ ư c thi t k 2.1.2.1 Chu trình nhi t ng và các thông s tr ng thái c a ng cơ piston hơi nư c Trên cơ s nghiên c u và tính toán các thông s c a chu trình nhi t ng th c t trên ng cơ piston hơi nư c ta xem xét, ánh giá, phân tích các chu trình lý tư ng trên ng cơ ki u piston sau ó có... i ng cơ piston hơi nư c ng cơ máy t o thành bu ng t trong, piston có nhi m v cùng v i xi lanh và n p t Piston nh n áp su t do s giãn n c a khí cháy r i truy n l c cho tr c khu u tr c khu u thì), sinh công trong quá trình cháy và nh n l c t th c hi n các quá trình n p, nén và th i ( ng cơ ng cơ t trong 4 t trong 2 thì piston còn th c hi n ch c năng làm van óng m c a hút và c a x ng cơ piston hơi nư... Hình 1.3: Mô hình ng cơ piston hơi nư c ban u s d ng cơ c u Cu-Lit ng cơ hơi nư c hay máy hơi nư c ph n chuy n ng sơ c p c a bơm, u tiên ư c s d ng như b u máy tàu h a, tàu th y hơi nư c, máy cày, xe t i và các lo i xe cơ gi i ch y trên ư ng b khác và là n n t ng c a cu c cách m ng công nghi p thu ban hơi nư c u Thành t u l n nh t mà ng cơ t ư c là s xu t hi n c a các tu c bin hơi ư c s d ng trên nhi... cho ng cơ Ngu n nhi t do khí x là ngu n có năng lư ng l n mà chưa ư c t n d ng tri t khí x t nư c ng cơ cung c p cho V y chúng ta có th t n d ng năng lư ng un nóng n i hơi, t o ra ngu n năng lư ng m i là hơi ng cơ piston hơi nư c ư c thi t k M t khác, trên tàu th y nh ng h th ng bơm như bơm ballast hay các lo i thi t b khác ph i s d ng năng lư ng i n l y tr c ti p t máy ph N u thay th các lo i cơ s... piston hơi nư c thì piston có nhi m v nh n hơi nư c t n i hơi qua van óng m , r i nh s giãn n c a hơi nư c sinh công truy n l c 7 t ic n y tác ng lên t m ph ng cùng k t h p v i cam l ch t o ra chuy n ng quay cho ng cơ, piston th c hi n ng th i quá trình sinh công và th i ng cơ piston hơi nư c là ki u ng cơ khác v i t t c các ki u cơ mà chúng ta g p t trư c t i gi nó có s k t h p gi a ng cơ t ngoài và m... ng cơ piston hơi nư c i n hình như công ty cơ khí c a ông Robert 10 Green ã nghiên c u và cho ra i ng cơ mang tên Green Steam engine S n ph m này ã ư c ưa vào áp d ng trong th c t và thành công nh t t ư c nh ng nh Chúng ã ư c áp d ng vào làm quay máy phát i n, máy bơm nư c, làm ng cơ ph c v trong ngu n năng lư ng là hơi nư c Năng lư ng i s ng c a con ngư i b ng c p cho n i hơi là d ng năng lư ng tái . VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC 2 1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước 2 1.2 Giới thiệu về động cơ piston hơi nước 6 1.2.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ piston hơi nước ban đầu 7 1.2.3. Tính năng, . 3.5 Thiết kế chế tạo piston 70 3.5.1. Thiết kế piston 70 3.5.2 Chế tạo piston 73 3.6. Thiết kế chế tạo cam lệch 76 3.6.1. Thiết kế 76 3.6.2. Chế tạo cam lệch 78 3.7. Thiết kế, chế tạo tấm. hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụng cơ cấu Cu-Lit Động cơ hơi nước hay máy hơi nước đầu tiên được sử dụng như bộ phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước,