Đồ án tính toán thiết kế hệ thống phục vụ của loại động cơ diesel tàu thuỷ cỡ lớn kèm bản vẽ

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 của nó là rất quan trọng. Các hệ thống có một vai trò to lớn 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 đảm bảo luôn hoạt động ở tình trạng kĩ thuật tốt nhất. Đồng thời cũng tránh đợc quá trình hỏng hóc do quá trình sử dụng sai các hệ thống phục vụ. 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 tới 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 nh cụm bơm, các bầu lọc, các bầu sinh hàn, các két phục vụ động cơ. 3. Nội dung đề tài. Gồm hai chơng: Chơng 1 : Tính nhiệt của chu trình công tác động cơ Diesel Chơng 2 : Tính toán thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ. Phần 1: Thiết kế hệ thống nhiên liệu Phần 2: Thiết kế hệ thống bôi trơn Phần 3: Thiết kế hệ thống làm mát Phần 4: Tìm hiểu một số loại bơm cao áp 4. Phơng pháp nghiên cứu của đề tài 4 Mô tả nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống từ đó tính toán cụ thể một số thiết bị trong hệ thống cụ thể. 5. Phạm vi của đề tài Đề tài chỉ có giới hạn trong phạm vi tính toán thiết kế hệ thống phục vụ của loại động cơ Diesel tàu thuỷ cỡ lớn. 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 Dieseltàu thuỷ. Cách tính toán thiết kế chúng, từ đó tối u hoá các hệ thống phục vụ. + ý nghĩa thực tiễn: Tính toán và đa vào sản xuất hệ thống nhiên liệu cho các loại động cơ Diesel tàu thuỷ cỡ lớn Chơng 2: Thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ 2.1. Thiết kế hệ thống nhiên liệu. 2.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu. Quá trình cấp nhiên liệu tốt hay xấu đều ảnh hởng đáng kể đến công suất và tuổi thọ của các chi tiết. Do đó hệ thống nhiên liệu cần đảm bảo một số yêu cầu sau: a. Yêu cầu về lợng nhiên liệu: - Lợng nhiên liệu cấp cho mỗi xi lanh phải đúng theo yêu cầu cần thiết cho mỗi chu trình công tác của động cơ (Đảm bảo định thời, định chất và định lợng) có thể dễ dàng điều chỉnh lu lợng theo phụ tải ban đầu. - Lợng nhiên liệu phun vào các xi lanh của động cơ phải đều nhau (chênh lệch về l- ợng nhiên liệu giữa các xi lanh không vợt quá 5%). - Dự trữ đủ lợng nhiên liệu cho thời gian hành trình của tầu. b.Yêu cầu về thời điểm và thời gian cấp nhiên liệu. - Nhiên liệu phun vào xi lanh phải đúng thời điểm quy định ( Đúng góc phun sớm) - Nếu phun sớm quá, lúc này nhiệt độ và áp suất khí nén trong xi lanh còn thấp, nhiên liệu phun vào khả năng bốc hơi chậm, quá trình cháy sẽ khó khăn, gây lãng phí nhiên liệu, áp suất cháy thấp, công suất giảm, động cơ nhả khói đen. Mặt khác 5 do phun sớm quá sẽ có hiện tợng cháy trớc khi piston lên đến ĐCT, gây phản áp làm cho động cơ chạy bị rung. - Nếu phun muộn quá, nhiên liệu không có thời gian chuẩn bị cháy, thời gian cháy rớt kéo dài, áp suất khí cháy thấp, công suất động cơ giảm, lãng phí nhiên liệu, động cơ xả khói đen. - Thời gian phun nhiên liệu phải hợp lý phải bảo đảm phun hết lợng nhiên liệu. Thời gian phun kéo dài sẽ làm quá trình cháy không tập trung, có hiện tợng cháy rớt làm giảm công suất động cơ, giảm tuổi thọ và lãng phí nhiên liệu. c. Yêu cầu về áp suất phun. - áp suất phun nhiên liệu phải đủ lớn để đảm bảo nhiên liệu sau khi ra khỏi đầu phun hoá sơng hoàn toàn và có sức xuyên suốt không gian vùng đốt để hoà trộn với khí nén trong xi lanh. - áp suất phun nhiên liệu hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy, kết cấu đầu phun và loại nhiên liệu. d. Yêu cầu về trạng thái phun. - Nhiên liệu phun vào buồng đốt phải đảm bảo sao cho các hạt nhiên liệu phun ra phải tơi, chùm tia phải phù hợp với hình dáng buồng cháy để hoá hơi tốt. - Quá trình phun phải dứt khoát, lúc bắt đầu và kết thúc phun không có hiện tợng nhỏ giọt, sau khi phun xong đầu phun phải khô. 2.1.2. Lựa chọn phơng án thiết kế Hệ thống nhiên liệu của động cơ đIêzel có kết cấu rất phức tạp và nhiều chi tiết có độ chính xác cao, cách bố trí kết cấu hệ thống đối với từng động cơ là khác nhau. Do đó việc lựa chọn phơng án thiết kế dựa trên cơ sở phân loại các hình thức của hệ thống nhiên liệu nh sau: 2.1.2.1. Hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp 1. Sơ đồ 6 1- Két trực nhật, 2- Bầu lọc nhiên liệu, 3- Bơm vận chuyển nhiên liệu, 4- Bơm cao áp, 5- Đờng ống cao áp, 6- Vòi phun Hình 2.1 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun gián tiếp 2. Nguyên lý hoạt động - Thời điểm phun nhiên liệu do cam khống chế thông qua việc dẫn động vòi phun. - áp lực phun và lợng nhiên liệu do bơm cao áp đảm nhiệm. Bơm 3 lấy dầu từ két 1 đa đến bơm cao áp 4. Bơm cao áp cấp nhiên liệu cao áp lên đờng ống 5 tới các vòi phun và đợc phun vào động cơ khi vòi phun mở. - Hệ thống này ít dùng vì có nhiều nhợc điểm nh: Truyền động cồng kềnh, kim phun bị bao bọc bởi 1 lớp nhiên liệu cao áp nên dễ hỏng hóc. 2.1.2.2. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp. 1. Sơ đồ cấu tạo. 7 1,15- Van tràn, 2- Đờng ống cao áp, 3,4,5- Các đờng dàu hồi, 6- Van, 7- Bầu lọc thô,8- Van tay, 9- Bơm cấp nhiên liệu bằng tay, 12- Động cơ, 13- Đồng hồ đo áp suất bơm cao áp, 14- Lới lọc, 11- Bơm cao áp, 16- Nút, 18- Miệng hút, 19- Két nhiên liệu, 20- Bầu lọc tinh, 21- Bơm nhiên liệu. Hình 2.2 - Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp 2. Nguyên lý hoạt động. - Bơm chuyển nhiên liệu 21 hút nhiên liệu từ thùng chứa qua miệng hút 18 và bầu lọc thô 7 cung cấp nhiên liệu qua bầu lọc tinh 20 tới bơm cao áp 11. Van tràn 1 dùng để hạn chế áp suất nhiên liệu trên đờng ống và để xả nhiên liệu thừa vào ống dầu hồi 5 trở về thùng chứa. - Đồng hồ áp suất 13 dùng để kiểm tra áp suất trong không gian cấp nhiên liệu vào bơm cao áp. Số tổ bơm cao áp bằng số xi lanh của động cơ ( Sơ đồ nguyên lý không biểu thị số tổ bơm cao áp). Bơm cao áp chuyển nhiên liệu qua đờng ống cao áp 2 tới vòi phun đa vào xi lanh động cơ. - Nhiên liệu rò qua khe hở trong thân kim phun của vòi phun và trong các tổ bơm đ- ợc theo các đờng ống dầu hồi 3 trở về két chứa. 8 - Nhiên liệu đi vào xi lanh bơm cao áp không đợc lẫn không khí vì không khí sẽ làm cho hệ số nạp của bơm không ổn định, thậm chí còn làm gián đoạn quá trình cấp nhiên liệu. Vì vậy trong hệ thống tại nhng nơi có khả năng tích tụ không khí phải bố trí các van xả khí để xả hết không khí lẫn trong hệ thống. - Khi động cơ ngừng hoạt động lâu ngày, nhiên liệu trong hệ thống bị rò qua những chỗ không kín khít, vì vậy trớc khi khởi động động cơ phải sử dụng 1 bơm tay hoặc bơm điện 9 lắp song song với bơm chuyển nhiên liệu 21 để bơm nhiên liệu đầy vào hệ thống. Sau đó phải khoá van 8 để cắt bơm 9 ra khỏi hệ thống rồi mới khởi động động cơ. - u điểm: Kết cấu gọn nhẹ độ tin cậy cao, việc bảo quản chăm sóc vận hành dễ dàng và độ tin cậy cao. Ngày nay, hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp đợc sử dụng rất phổ biến bởi những u điểm vợt trội của nó. Do vậy đề tài này cũng chọn hệ thống này để cấp nhiên liệu cho động cơ. 2.1.3. Nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu 2.1.3.1. Sơ đồ nguyên lý.(sơ đồ Hình 2-2) 2.1.3.2. Nguyên lý làm việc. Đã trình bày trong mục (2.1.2.2). 2.1.4. Thiết kế hệ thống nhiên liệu 2.1.4.1. Tính toán bơm cao áp. 1. Nhiệm vụ bơm cao áp Bơm cao áp có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho xi lanh động cơ đảm bảo: - Nhiên liệu có áp suất cao, tạo chênh áp lớn trớc và sau lỗ phun - Cung cấp nhiên liệu đúng thời điểm và theo quy luật mong muốn - Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xi lanh động cơ. - Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi lợng nhiên liệu cấp cho chu trình phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. 2. Phân loại bơm cao áp. 9 Bơm cao áp dùng trên động cơ điêsel có rất nhiều loại khác nhau. Dựa vào cách điều chỉnh nhiên liệu mà phân các loại sau: a. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng van tiết lu loại này piston của bơm có kết cấu hình trụ không có gì đặc biệt. b. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng mặt cam vát. Đặc điểm của piston nh trên, cam có dạng mặt vát để điều chỉnh hành trình có ích của piston. c. Bơm cao áp điều chỉnh nhiên liệu bằng ngăn kéo piston, loại này trên piston có rãnh xoắn và rãnh thẳng thông với cửa sổ cấp nhiên liệu trên xi lanh. Loại bơm này dựa vào thời điểm cấp đợc chia thành 3 loại: - Loại điều chỉnh thời gian bắt đầu cấp - Loại điều chỉnh thời gian kết thúc cấp - Loại điều chỉnh hỗn hợp Mặc dù có nhiều loại nh vậy, nhng hầu hết các động cơ điezel ngày nay đều dùng loại bơm cao áp thay đổi lợng nhiên liệu bằng cách dùng rãnh xoắn trên piston (piston ngăn kéo) loại này còn gọi là bơm Bô sơ. 3. Kết cấu bơm bô sơ. 10 8 6 a 4 c b 3 2 1 7 5 a- Cöa cÊp, b- R·nh xo¾n, c- Cöa x¶, 1-Cam, 2- Con l¨n, 3- Lß xo, 4- Lß xo cao ¸p, 5- Van cao ¸p, 6- Piston, 7- Thanh r¨ng, 8- Xi lanh H×nh 2.3 - KÕt cÊu b¬m b« s¬ 11 a. Đặc điểm cấu tạo - Bơm đợc cấu tạo bằng các loại thép hợp kim có khả năng chịu áp suất cao và có khả năng chịu đợc tải trọng thay đổi theo chu kỳ, và chống mòn tốt nh XBR, 25X5M. - Với các chi tiết của cặp piston xi lanh bơm cao áp thì các mặt ma sát có độ cứng không nhỏ hơn HRC58, mặt đầu không nhỏ hơn HRC55, với cặp piston xi lanh đợc chế tạo bằng thép 25C5M cần thấm Ni tơ. - Cặp chi tiết van cao áp và đế van cũng yêu cầu cao về mặt công nghệ. Vật liệu chế tạo là thép hợp kim XBR, sau khi nhiệt luyện độ cứng phải đạt HRC56-62và HRC 60-64 - Cặp chi tiết chính xác là piston 6 và xi lanh 8 của bơm đợc chọn lắp theo bộ. Trên xi lanh 8 có lỗ cấp nhiên liệu a và lỗ dầu hồi c. Để điều chỉnh lợng nhiên liệu dùng thanh răng 7 làm thay đổi hành trình có ích của piston. Trên piston 6 có phay rãnh xoắn b và rãnh thẳng để thay đổi lợng cấp nhiên liệu. b. Nguyên lý hoạt động - Hành trình thứ nhất: Khi động cơ hoạt động trục khuỷu quay lai trục cam bơm cao áp. Khi con lăn 2 tiếp xúc với bề mặt trụ của cam 1 thì piston 6 ở điểm chết dới. Piston bắt đầu đi lên lò xo 3 bị nén lại. Lúc này nhiên liệu ở trong xi lanh bắt đầu tràn qua lỗ dầu cấp a và nhiên liệu bắt đầu bị nén lại. áp suất nhiên liệu bên trong xi lanh bắt đầu tăng lên tới khi áp lực này thắng lực của lò xo 4 thì van cao áp 5 mở ra, nhiên liệu đợc cấp lên đờng ống cao áp đi tới vòi phun để phun vào xi lanh động cơ. Quá trình cấp cứ diễn ra cho đến khi mép xoắn b trùng với mép của cửa tràn c do đó áp suất dầu giảm đột ngột dẫn đến lò xo 4 đóng van cao áp 5 lại, mặc dù có thể lúc đó piston vẫn còn đi lên điểm chết trên. - Hành trình thứ 2: Khi con lăn tiếp xúc bên kia vấu cam thì lò xo 3 giãn dần và kéo theo piston 6 từ điểm chết trên đi xuống, lúc đầu tạo chân không trong xi lanh mà 12 cha hút nhiên liệu vào, cho đến khi đỉnh piston mở cửa cấp a, và cửa hồi c nhiên liệu trong khoang chứa lỗ nhập a và c đi vào xi lanh. Piston thực hiện hút nhiên liệu cho đến khi đến ĐCD. c. Phơng pháp điều chỉnh nhiên liệu Đối với bơm cao áp loại điều chỉnh lợng nhiên liệu bằng rãnh xoắn trên piston thì l- ợng nhiên liệu đợc cấp phụ thuộc hoàn toàn vào thời gian từ lúc bắt đầu cấp đến lúc kết thúc cấp. Thời điểm bắt đầu cấp là thời điểm mép trên đỉnh piston lằm trên mép trên của cửa cấp dầu. Thời điểm kết thúc cấp khi mép của rãnh xoắn nằm trên mép dới của cửa hồi dầu. Do vậy muốn thay đổi lợng nhiên liệu cấp cần thay đổi thời điểm kết thúc cấp bằng cách xoay piston. Thời gian cấp nhiên liệu tơng ứng với chiều cao của piston tính từ đỉnh tới mép của rãnh xoắn. Hình 2.4 - Sơ đồ điều chỉnh lợng nhiên liệu cấp - Khi cửa cấp ở vị trí O thì nhiên liệu không đợc cấp tới vòi phun. - Khi cửa cấp ở vị trí 1, lợng nhiên liệu cấp tới vòi phun tăng dần. - Khi cửa cấp ở vị trí 2, lợng nhiên liệu tăng lên so với vị trí 1. - Khi cửa cấp ở vị trí 3 lợng cấp tăng lên so với vị trí 2. 4. Xác định một số thông số cơ bản của bơm cao áp 13 [...]... bôi trơn c Ưu điểm Khắc phục đợc nhợc điểm của hệ thống các te ớt do dầu đợc chứa ở két bên ngoài Mặt khác dầu chứa ở két cũng đảm bảo lợng dầu tới các chi tiết ổn định khi động cơ làm việc ở những điều kiện nghiêng chúi lớn 2.2.3 Tính toán thiết kế hệ thống bôi trơn 32 Phơng pháp bôi trơn các te ớt đợc lựa chọn làm phơng án thiết kế 2.2.3.1 Tính toán bơm dầu nhờn 1 Nhiệm vụ của bơm dầu nhờn Cung cấp... thông số của bơm cao áp đợc xác định theo lợng nhiên liệu cấp cho chu trình khi động cơ chạy ở chế độ thiết kế a Thể tích nhiên liệu chu cấp cho một chu trình ở chế độ thiết kế g e Ne. 120.n.i. nl (lít) Vct = (2-1) Trong đó ge - Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ ; ge = 206 (g/K W.h) Ne - Công suất thiết kế của động cơ ; Ne = 1760 KW i - Số xi lanh của động cơ ;i=8 - Số kì của động cơ ;=4 n... liệu động cơ tiêu thụ trong 1h; G = 362 (kg/h) - Trọng lợng riêng của nhiên liệu; = 0,85.103 (kg/m3 ) T - Thời gian đảm bảo cho động cơ làm việc; chọn T = 8h Thay các giá trị vào công thức (6-1) ta đợc kết quả: V = 3,75 (m3) Chọn V = 4 (m3) 2.2 Thiết kế hệ thống bôi trơn 2.2.1 Nhiệm vụ yêu cầu đối với hệ thống bôi trơn a Nhiệm vụ 28 Trong quá trình hoạt động của động cơ các chi tiết chuyển động tơng... đờng ống hút của khoang trớc rồi lại vào bơm 4 .Tính toán bơm Việc tính toán bơm dầu nhờn là tính chọn Do đó thông số cần tính là lu lợng và cột áp của bơm sau đó căn cứ vào đó để chọn cho phù hợp a Cột áp của bơm Đối với từng loại động cơ thì áp suất dầu bôi trơn khác nhau Với động cơ điezel trung tốc ngời ta thờng chọn áp suất bơm dầu nhờn là: Pb = 0,2ữ0,4 (MN/m2) 33 Cột áp của bơm sẽ đợc tính theo công... cần có áp suất lớn và lu lợng ổn định Do đó dùng bơm bánh răng để cung cấp dầu nhờn Cấu tạo loại bơm này gồm hai bánh răng ăn khớp với nhau Một bánh răng là chủ động có thể do động cơ trực tiếp lai Bánh răng thứ hai ăn khớp trong với bánh răng thứ nhất Khi hai bánh răng này quay ngợc chiều sẽ tạo sự chênh áp rất lớn ở hai vùng trớc và sau bánh răng 3 Nguyên lý hoạt động - Khi động cơ hoạt động, trục khuỷu... dầu ra khỏi động cơ; chọn t = 100C Thay các giá trị vào công thức (7-3) đợc kết quả: G = 8264 (lít/h) Vậy cần chọn bơm dầu nhờn có: Cột áp: H = 27 mH2O 34 Lu lợng: Q = 8500 (lít/h) 2.2.3.2 Tính toán bầu lọc 1.bầu lọc thô a kết cấu Về cơ bản bầu lọc thô của hệ thống bôi trơn cũng giống nh bầu lọc của hệ thống nhiên liệu Cấu tạo gồm vỏ bầu lọc, lõi lọc có thể bằng các tấm kim loại hoặc lới đồng b.Nguyên... lực dầu trong bầu lọc tăng lên, van an toàn sẽ tự động mở ra dầu nhờn đi thẳng vào đờng dầu chính đi bôi trơn mà không cần vào bầu lọc để đảm bảo an toàn cho hệ thống và động cơ c Tính toán bầu lọc Tính toán khả năng lọc của bầu lọc thô dùng lõi lọc lới kim loại chủ yếu là xác định khả năng thông qua của bầu lọc bằng hệ số tiết diện thông qua + Hệ số thiết diện thông qua: 100. 1 360 k tp = %... - Kết cấu vòi phun Vòi phun là một trong những bộ phận quan trọng của hệ thống nhiên liệu Thực tế có rất nhiều loại vòi phun, việc sử dụng vòi phun loại nào phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống nhiên liệu: - Vòi phun nhiên liệu hở: Dùng cho hệ thống phun kiểu khí nén - Vòi phun nhiên liệu kín dùng van: Dùng cho hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp - Vòi phun kiểu kín dùng kim phun: Loại này dùng cho hệ thống. .. 704 (lít) 2.3 Thiết kế hệ thống làm mát 2.3.1 Nhiệm vụ của hệ thống làm mát Quá trình hoạt động nhiệt truyền cho các chi tiết trực tiếp tiếp xúc với khí cháy rất lớn Nhiệt đó sẽ đốt cháy các chi tiết sung quanh buồng đốt dẫn đến có thể gây cháy bó kẹt chi tiết dẫn đến động cơ không làm việc đợc Để khắc phục hiện tợng trên cần làm mát các chi tiết chịu nhiệt độ cao Hệ thống làm mát có nhiệm vụ truyền nhịêt... áp suất thấp chế tạo bằng đồng đỏ hoặc thép 6 Tính toán két trực nhật a Nhiệm vụ của két trực nhật Trực tiếp cung cấp nhiên liệu sạch cho động cơ dùng hàng ngày Thể tích két phảI đảm bảo cho động cơ làm việc ở chế độ thiết kế trong khoảng 4 ữ24 giờ b Tính thể tích két Thể tích két trực nhật đợc tính theo công thức sau: V = k G T (6-1) Trong đó: V- Thể tích két trực nhật k - Hệ số dự trữ két; chọn k . vi tính toán thiết kế hệ thống phục vụ của loại động cơ Diesel tàu thuỷ cỡ lớn. 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 Dieseltàu. 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. công tác động cơ Diesel Chơng 2 : Tính toán thiết kế một số hệ thống phục vụ động cơ. Phần 1: Thiết kế hệ thống nhiên liệu Phần 2: Thiết kế hệ thống bôi trơn Phần 3: Thiết kế hệ thống làm mát Phần