bài giảng diesel tàu thủy

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI BỘ MƠN ĐỘNG LỰC – DIESEL KHOA ĐĨNG TÀU BÀI GIẢNG DIESEL TÀU THUỶ TÊN HỌC PHẦN: DIESEL TÀU THUỶ MÃ HỌC PHẦN: 14106 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH: MÁY TÀU THỦY HẢI PHÒNG – 2010 MỤC LỤC STT TÊN CHƯƠNG MỤC Chương 1: Động học động lực học cấu biên khuỷu TRANG 1.1 Động học cấu biên khuỷu 1.2 Động lực học cấu biên khuỷu 2: Chương Sơ lược kết cấu động diesel 32 2.1 Một số yêu cầu kết cấu động diesel 32 2.2 Một số thông số kỹ thuật động diesel 32 2.3 Kết cấu số động diesel 35 2.4 Các tiêu kỹ thuật sử dụng 35 Chương 3: Các chi tiết chuyển động chủ yếu động diesel 43 3.1 Piston 43 3.2 Chốt piston 51 3.3 Xéc măng 54 3.4 Biên bạc biên 57 3.5 Bu lông biên 73 3.6 Trục khuỷu bánh đà 74 Chương 4: Các chi tiết cố định chủ yếu động diesel 93 4.2 Cấu tạo chung chi tiết cố định 93 4.2 Bệ động 94 4.3 Gối đỡ 95 4.4 Bạc đỡ 97 4.5 Thân xi lanh ống lót xi lanh 98 4.6 Nắp xi lanh 100 4.7 Tính tốn kết cấu chi tiết cố định động 101 Chương 5: Các hệ thống phục vụ cho động diesel 109   5.1 Hệ thống trao đổi khí 109 1  5.2 Hệ thống nhiên liệu 120 5.3 Hệ thống bôi trơn 135 5.4 Hệ thống làm mát 146 5.5 Hệ thống khởi động đảo chiều 151 Đề thi kết thúc học phần 167 2    Chương ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU BIÊN KHUỶU Để nghiên cứu kết cấu tính toán độ bền chi tiết chủ yếu động diesel cần phải nắm vững qui luật chuyển động, tình trạng chịu lực chi tiết chủ yếu nhóm piston, cấu biên khuỷu 1.1 Động học cấu biên khuỷu c) b) a) lb lb   lb lbp  Hình 1.1 Sơ đồ cấu biên khuỷu: a) Chính tâm; b) Lệch tâm; c) Biên khớp l, lp - chiều dài biên chính, biên phụ; r - bán kính khuỷu trục; s - hành trình piston; Sx, Sxp - độ dịch chuyển piston theo góc quay trục khuỷu; - góc quay trục khuỷu; , p - góc lắc biên biên phụ;  - độ lệch đường tâm biên;  - góc hai đường tâm xi lanh; ĐCT, ĐCD - vị trí điểm chết trên, điểm chết Trong trình hoạt động động đốt kiểu piston (ĐCĐT), piston là chi tiết trực tiếp chịu tác dụng lực khí thể truyền lực cho cấu biên khuỷu Piston chi tiết bao kín buồng cháy, đồng thời piston với cấu biên khuỷu biến lực tác động vơ hướng khí cháy thành thành chuyển động có hướng Như vậy, nhiệt cháy môi chất công tác biến thành công học thơng qua nhóm piston cấu biên khuỷu (chuyển động tịnh tiến piston biến thành chuyển động quay trục khuỷu) Vì thế, muốn nghiên cứu động lực học cấu biên khuỷu cần phải nghiên cứu động học piston Trong trình khai thác, chế độ làm việc hệ động - phụ tải phụ thuộc chế độ tải tác động mơi trường đến thiết bị, ví dụ: tác động sóng gió động diesel tàu thuỷ, mức độ đóng cắt tải động diesel lai máy phát điện thiết bị xây dựng, độ mấp mô mặt đường thay đổi tốc độ động lắp phương tiện vận tải vv Chế độ làm việc thay đổi làm thay đổi vòng quay hệ trục Tuy nhiên, thiết kế, chế tạo động người ta tính tốn ứng với chế độ làm việc lâu dài chế độ làm việc ổn định định mức Ứng với chế độ làm việc ổn định mức độ dao động vịng quay khơng lớn, giả thiết trình làm việc ổn định tốc độ góc hệ trục khơng thay đổi, sở để nghiên cứu qui luật chuyển động piston Đối với động đốt có sơ đồ cấu biên khuỷu: tâm; lệch tâm; biên khớp (biểu diễn hình 1.1) Trong nội dung trình bày chủ yếu nghiên cứu sơ đồ cấu biên khuỷu dạng tâm loại sử dụng phổ biến động diesel tàu thuỷ dân dụng 1.1.1 Độ dịch chuyển piston Trong trình làm việc động cơ, piston liên tục dịch chuyển từ điểm chết (ĐCT) đến điểm chết (ĐCD), độ dịch chuyển piston sx thay đổi theo góc quay trục khuỷu  hay theo thời gian , trình nghiên cứu sau ta qui ước tính tốn độ dịch chuyển piston sx theo góc quay  góc quay  = 00TK ứng với piston nằm vị trí ĐCT Nhìn vào hình vẽ 1.1 piston dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD độ dịch chuyển sx tính: s x  AA'  OA  OA'  OA  OC  CA'  r  lb  r cos   l b cos   , (1.1) Sx2 S Sx2 Sx1 0  Hình 1.2 Độ dịch chuyển piston theo góc quay trục khuỷu Sx1; Sx2; Sx = Sx1 + Sx2 lb - chiều dài biên, m; r - bán kính quay khuỷu trục, m;  - góc quay khuỷu trục xét ứng với sx tính từ ĐCT;  - góc lắc biên so với đường tâm xi lanh Đặt r/lb = b - thông số kết cấu Sau biến đổi cơng thức (15.1) viết:  s x  r 1   b       cos   cos   , b    (1.2) Xét tam giác A'BO ta có mối quan hệ: lbsin = r sin, nên sin = bsin, từ đó:  cos    sin    2b sin    2b sin   1/ Triển khai vế phải đẳng thức theo nhị thức Niutơn, ta có: 1 cos    2b sin   b sin   6b sin   2.4 2.4.6 Bỏ qua số hạng bậc thấp ta có: cos    2b sin  Sau thay vào (1.2) biến đổi thu công thức gần xác định độ dịch chuyển piston hàm góc quay trục khuỷu: s x  r 1  cos    0,25b 1  cos 2  , (1.3) Như vậy, độ dịch chuyển sx tính xác theo (1.2) tính gần theo (1.3) Kết tính tốn cho thấy sai số hai công thức không lớn lắm, với b < 0,25 sai số khơng vượt q 0,1%, (1.3) sử dụng để tính sx nghiên cứu động học cấu nhóm piston - biên khuỷu Từ (1.3) ta thấy sx tổng hai thành phần: s x1  r 1  cos   s x  0,25rb 1  cos 2  , Thành phần sx2 phụ thuộc vào b giá trị sx 0 đạt cực đại ứng với  = 90  = 270 , cos2 = -1 sx2 = rb/2 Hình 1.3 Sự thay đổi vận tốc piston Đoạn thẳng biểu diễn tích số rb/2 theo góc quay trục khuỷu gọi đoạn bổ sung Brít Các đường cong sx, sx1, vp1; vp2; vp = vp1 + vp2 sx2 biểu diễn hình 1.2 Từ hình 1.1, 1.2 công thức 1.3 ta thấy giá trị sx1 độ dịch chuyển piston chiều dài biên lb lớn nhiều so với bán kính quay khuỷu trục r, thành phần sx2 giá trị bổ sung chiều dài biên có hạn Như vậy, độ dịch chuyển piston thay đổi theo góc quay , đạt giá trị cực tiểu ứng với ĐCT (ứng với 00 3600TK) đạt giá trị cực đại ứng với ĐCD (ứng với 1800TK) 1.1.2 Vận tốc piston Để xác định vận tốc piston ta đạo hàm độ dịch chuyển piston sx theo thời gian (đạo hàm công thức 15.2 theo thời gian): ds ds d vp  x  x  r sin   0,5b sin 2    r sin   0,5b sin 2  , (1.4) d d d  = d/d - vận tốc góc trục khuỷu, rad/s Tương tự phân tích cơng thức 15.3, vận tốc piston phân thành hai số hạng: vp=vp1+vp2; vp1 =  r sin vp2 = 0,5  r bsin2 Số hạng thứ vp1 vận tốc piston ứng với chiều dài biên vô hạn, số hạng ,0TK thứ hai vp2 thành phần vận tốc bổ sung ứng với chiều dài biên có hạn Trên hình 1.3 biểu diễn đồ thị thay đổi vận tốc piston vp theo góc  2700 1.1.3 Gia tốc piston Gia tốc piston xác định cách đạo hàm vận tốc theo thời gian Đạo hàm cơng thức 15.4 ta có: dv p dv p d Jp     r cos    cos 2  (1.5) d d d Đồ thị gia tốc piston thay đổi theo thời gian biểu diễn hình 1.4 Từ kết tính tốn đồ thị hình 1.4 ta thấy gia tốc piston tổng hai thành phần: thành phần thứ (ứng với chiều dài biên dài vô cùng) J1 = 2r cos thành phần thứ hai (ứng với chiều dài biên hữu hạn) J2 = 2r cos2 Giá trị cực đại gia tốc piston ứng với ĐCT Đặc tính thay đổi gia tốc piston vùng ĐCD phụ thuộc vào giá trị b, b < 0,25, Jp có cực tiểu ĐCD, b > 0,25 có hai cực tiểu vùng ĐCD 1.2 Động lực học cấu piston - biên khuỷu 1.2.1 Các lực mơ men tác dụng lên nhóm piston - biên khuỷu Nhóm piston - biên khuỷu chịu tác dụng lực: lực khí thể, lực Pj C Mj quán tính, trọng lực lực ma sát Đối với động cao p'k tốc trung tốc thành phần Mc pkt trọng lực bỏ qua, giá trị chúng bé so với thành phần lực khác, pj động diesel tàu Ml Mq thuỷ có công suất lớn thành phần trọng lực phải đưa vào tính tốn Thành phần lực ma sát phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: C trạng thái bề mặt làm việc, Hình 1.5 Lực mơ men tác dụng lên động diesel loại dầu bôi trơn sử dụng, P kt, P'kt - lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston nắp xi lanh; Pj, C, Pj, C, nhiệt độ dầu bôi trơn, chiều Mj, MC - lực mơ men qn tính khối lượng chuyển động tịnh dầy lớp đầu bôi trơn , nên tiến chuyển động quay tác dụng lên xi lanh tồn động cơ; Mq, khó tính xác trị số lực Ml - mô men quay mô men lật tác dụng lên động Vì khơng đưa lực ma sát vào cơng thức tính, mà đưa vào hiệu suất giới a Lực khí thể Pkt Lực khí cháy nguồn sinh cơng thị cơng có ích Lực khí thể Pkt (lực môi chất công tác ứng với trình, kể lực khí cháy) lực vơ hướng, lực tác động lên nắp xi lanh (P'kt), thành ống lót xi lanh, đỉnh piston, có piston chi tiết chuyển động, nên thơng qua nhóm cấu piston - biên - khuỷu tác dụng lên ổ trục sau tác dụng lên bệ đỡ động Lực khí thể Pkt cân với phản lực tác dụng lên nắp xi lanh P’kt Lực khí thể thay đổi theo góc quay trục khuỷu, xác định thơng qua đồ thị thị tính theo chu trình cơng tác phương pháp cân lượng Áp suất dư khí thể xi lanh (MPa) tính: (1.6) pkt = p - p0 , p - áp suất khí xi lanh (thay đổi theo góc quay trục khuỷu tính theo phương pháp số đo trực tiếp thiết bị chuyên dùng), Mpa; p0 - áp suất khơng khí mơi trường, Mpa Lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston có trị số: Pkt = pkt d2/4, (1.7) d - đường kính piston, m a) b) Mdn ldn B lb Mc Tâm biên  r ldt C Mdt Mct A Hình 1.6 Chi tiết biên khuỷu mơ hình động lực học hố a) Biên; b) khuỷu trục Lực khí thể có điểm đặt qui ước tâm chốt piston, có phương trùng với đường tâm xi lanh, có hướng phụ thuộc góc quay trục khuỷu b Lực qn tính Lực quán tính gồm: lực quán tính khối lượng chuyển động tịnh tiến Pj lực quán tính quay khối lượng chuyển động quay C, lực xuất cụm chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến chuyển động quay Lực quán tính khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến Pj có hướng trùng với đường tâm xi lanh, chiều Mtt phụ thuộc vào góc quay khuỷu trục, có điểm đặt qui ước tâm chốt piston Thông qua cấu biên khuỷu lực quán tính tác dụng lên ổ đỡ trục khuỷu khung động Lực quán tính li tâm khối lượng tham gia chuyển động quay C có phương trùng với đường tâm má khuỷu hướng li tâm, có điểm đặt tâm cổ biên Lực gây nên dao động trục khuỷu Mô men quay Mq động sinh truyền cho chong chóng (hay thiết bị tiêu thụ lượng) Mơ men lật Ml có trị số mơ men quay, chiều ngược Mqk  lại, mô men truyền cho bệ đỡ động Đối với động nhiều xi lanh lực qn tính PJ C tạo mơ men qn tính MJ MC, mơ men tác Mct dụng lên ổ đỡ khung động c Qui đổi khối lượng chi tiết nhóm piston biên khuỷu Hình 1.7 Mơ hình động lực học Để đơn giản hố việc tính lực tác dụng lên cấu cấu biên khuỷu tâm biên khuỷu, người ta thay cấu mơ hình động lực học, khối lượng chi tiết qui điểm tương ứng với qui luật chuyển động 10 Khối lượng nhóm piston tham gia chuyển động tịnh tiến gồm có: piston, xéc măng, chốt piston cán piston, guốc trượt (đối với động hai kì có guốc trượt), đặt tâm chốt piston (Mp) Mơ hình động lực học khuỷu trục (hình 1.6, b) biểu diễn đoạn thẳng, chiều dài đoạn thẳng chiều dài bán kính quay khuỷu trục r, phần khối lượng má khuỷu, cổ biên cổ trục đặt hai mút đoạn thẳng Để xác định giá trị khối lượng ta phân khối lượng khuỷu trục thành phần: - Phần A (Mct): gồm cổ trục phần vật liệu liền kề, có khối lượng Mct đặt tâm quay cổ trục; - Phần B (Mcb): gồm cổ biên phần vật liệu liền kề, có khối lượng Mcb đặt tâm cổ biên; - Phần C (Mmk): phần vật liệu má khuỷu nằm cổ trục cổ biên, khối lượng Mmk đặt tâm má khuỷu, cách tâm cổ trục đoạn  Trong trình hoạt động Mmk tạo lực li tâm Để thuận tiện tính tốn Mmk qui tâm cổ biên, gọi khối lượng qui dẫn má khuỷ Mmqd Theo phương trình cân lực li tâm cổ trục ta có: Mmk2 = Mmqdr2, nên Mmqd = Mmk/r Từ xác định khối lượng quay khơng cân khuỷu trục: Mk = Mcb + Mmk/r Mơ hình động lực học biên biểu diễn đoạn thẳng, có chiều dài khoảng cách hai lỗ tâm đầu nhỏ đầu to biên: - Khối lượng phần đầu nhỏ biên Mdn qui dẫn tâm chốt piston tham gia chuyển động tịnh tiến nhóm piston Mp; - Khối lượng phần đầu to biên Mdt qui dẫn tâm cổ biên tham gia chuyển động quay nhóm cổ biên Mk Khi thay biên thực hai khối lượng tương b đương tập trung hai điểm theo mơ hình động lực học t cần phải thoả mãn điều kiện sau đây:   - Tổng hai khối lượng thay phải khối lượng thực biên: Mdn + Mdt = Mb  - Trọng tâm mơ hình động lực thay phải trùng Z  với trọng tâm biên thực: + Mdnldn = Mdtldt - Mơ men qn tính hai khối lượng thay trọng tâm phải mô men quan tính biên thực trọng tâm: b Mdnldn2 + Mdtldt2 = t1 b Mb - khối lượng tồn biên, kg; Hình 1.8 Sơ đồ lực tác dụng lên Mdt - khối lượng tập trung vào đầu nhỏ biên, kg; cấu biên khuỷu Mdn - khối lượng tập trung vào đầu to biên, kg; ldn , ldt - khoảng cách từ tâm khối lượng phần đầu nhỏ đầu to đến trọng tâm biên, m 11 Tuy nhiên, phân khối lượng thoả mãn điều kiện nêu trên, mà thoả mãn hai điều kiện đầu Từ điều kiện thứ hai rút ra: Mdn = Mbldn/lb ; Mdt = Mbldt/lb Để thuận tiện cho tính tốn, cần phải đơn giản hoá, nhiên việc đơn giản hoá gây sai số không lớn Đối với động đốt phần khối lượng tập trung đầu to đầu nhỏ biên chọn theo công thức kinh nghiệm sau: Mdn = (0,2  0,3) Mb; Mdt = (0,7  0,8) Mb Đối với động diesel tàu thuỷ thường chọn: Mdn  0,3 Mb; Mdt  0,7 Mb Trên hình 1.7 biểu diễn mơ hình động lực học cấu biên khuỷu dạng tâm Đây cấu giả định có thơng số động lực học, giống cấu thực, khâu cứng khơng có khối lượng Khối lượng biên chia tập trung hai điểm tính tốn mơ hình: - Phần khối lượng tập trung tâm chốt piston, tham gia chuyển động tịnh tiến: Mtt = Mdn + Mp - Phần khối lượng tập trung tâm cổ biên, tham gia chuyển động quay: Mqk = Mdt + Mk Để thuận tiện cho việc tính tốn, ta tính theo đơn vị khối lượng tương đối (chia khối lượng cho diện tích đỉnh piston Fp ), kg/m2: mtt = Mtt/Fp; mq = Mqk/Fp d Lực quán tính tác dụng lên cấu biên khuỷu Trong trình hoạt động cấu biên khuỷu chịu tác dụng lực quán tính khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến mtt chuyển động quay mq Lực quán tính khối lượng tương đối tham gia chuyển động tịnh tiến, MN/m2: p J   mtt J p  mtt  r cos    cos 2  , (1.8) Thành phần thứ phương trình 15.8 gọi lực qn tính cấp I: p J  mtt  r cos   p1 cos  , (1.9) Thành phần thứ hai gọi lực quán tính cấp II: p J   mtt  r cos 2  p cos 2 , (1.10) (1.11) Từ đó: pJ = pJ1 cos + pJ2 cos2, Lực quán tính li tâm khối lượng tương đối tham gia chuyển động quay, MN/m2: (1.12) C = - mq r2, Lực C phân thành hai thành phần: thành phần thẳng đứng Ct = C cos thành phần nằm ngang Cn = C sin Tổng hợp lực quán tính khối lượng tương đối tham gia chuyển động tịnh tiến khối lượng tương đối tham gia chuyển động quay theo phương thẳng đứng xác định, MN/m2: (1.13) pJ = pJ1 cos + pJ2 cos2 + C cos, Lực qn tính tương đối pJ có phương trùng với đường tâm xi lanh, có chiều trị số phụ thuộc góc quay trục khuỷu Chu kì pJ1 ứng với vòng quay trục khuỷu, pJ2 ứng với 1/2 vòng quay trục khuỷu Ta qui ước pJ có trị số âm chiều li tâm trục khuỷu có trị số dương chiều hướng tâm trục khuỷu, ĐCT pJ có trị số âm ĐCD pJ có trị số dương Để thuận tiện cho việc xét dấu lực quán tính cấp cấp ta dùng hình chiếu 12 ... khuỷu 2: Chương Sơ lược kết cấu động diesel 32 2.1 Một số yêu cầu kết cấu động diesel 32 2.2 Một số thông số kỹ thuật động diesel 32 2.3 Kết cấu số động diesel 35 2.4 Các tiêu kỹ thuật sử dụng... chế độ tải tác động môi trường đến thiết bị, ví dụ: tác động sóng gió động diesel tàu thuỷ, mức độ đóng cắt tải động diesel lai máy phát điện thiết bị xây dựng, độ mấp mô mặt đường thay đổi tốc... thị T -  động diesel kì xi lanh Ttb Tmax Ttb Tmax 30 0 Hình 1.19 Đồ thị T -  động diesel kì xi lanh Ttb T Mq T Mq Tmax T Mq 15 30 0 Hình 1.20 Đồ thị T -  động diesel kì xi lanh