Đồ án thiết kế môn học diesel tàu thủy 2

Tính toán nghiệm nhiệt dựa trên động cơ mẫu có sẵn, về động cơ chính trên tàu thủy: động cơ wartsila W4L20, công suấ 800kw, vòng quay 1000 rpm, hành trình piston 280mm, đường kính xilanh 200mm. Ngoài ra còn tìm hiểu thêm về hệ thống làm mát của động cơ, bản vẽ mặt cắt động cơ

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ MẪU

1.1 Gới thiệu hãng wartsila

Wärtsilä là một tập đoàn đi đầu trong các công nghệ thôngminh và các giải pháp kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu khắtkhe về môi trường và đặc tính kỹ thuật, kinh tế của chủ tàu.Bằng cách nhấn mạnh sự đổi mới bền vững và phân tích dữ liệu,Wärtsilä tối đa hóa hiệu suất kinh tế và môi trường của các tàu

và nhà máy điện cho khách hàng Năm 2017 doanh thu củaWärtsilä đạt 4,9 tỷ EUR với khoảng 18.000 nhân viên Công ty cóhoạt động tại hơn 200 địa điểm tại hơn 80 quốc gia trên thế giới

Động cơ của hãng Wärtsilä đem lại hiệu quả cao, lượng khíthải thấp và hoạt động an toàn Công nghệ lưỡng nhiên liệuđược cải tiến cho phép sự thay đổi linh hoạt giữa nhiên liệu khí

và lỏng

Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đã sửa đổi các quy định ởphụ lục VI của MARPOL về phát thải tàu thủy Những quy địnhnày đặt ra các giới hạn nghiêm ngặt hơn về lượng khí thải NOx

từ động cơ, cũng như hàm lượng lưu huỳnh của nhiên liệu Cácyêu cầu mới sẽ có hiệu quả trong nhiều giai đoạn từ 2010 -2020

Wärtsilä đã phát triển những giải pháp để đáp ứng các yêucầu này Động cơ Wärtsilä được thiết kế để hoạt động với bất kỳhàm lượng lưu huỳnh nào trong nhiên liệu

Wärtsilä đã phát triển một công nghệ làm sạch cho phép

xử lý khí thải để đáp ứng các quy định nghiêm ngặt

Là tiên phong trong phát triển công nghệ, Wärtsilä có thểlàm giảm lượng khí thải Carbon thông qua thiết kế tàu, hiệu suấtđộng cơ, và các giải pháp tối ưu về thiết bị đẩy

1.2 Thông số cơ bản của động cơ W4L20

- Giải thích mac động cơ W4L20:

1.3 Đặc điểm động cơ

liệu dầu diesel Động cơ sử dụng trục cam để điều khiển hệ thống phun nhiên liệu nạp, xả.

Động cơ có dạng thùng, quay theo chiều kim đồng hồ, động cơ chạy bằng dầu nhẹ (MDO) hoặc dầu nặng (HFO) Trong khi vận hành động cơ có thể chuyển đổi linh hoạt từ MDO sang HFO.

+ Tăng áp bằng tuabin khí xa ;

+ Bôi trơn bằng hệ thống dầu bôi trơn áp lực cao;

+ Nhiên liệu dùng HFO, MGO, MDO;

+ Làm mát bằng bằng nước ngọt thông qua thiết bị chưng cất nước biển thành nước ngọt ;

+ Điều khiển cơ cấu phân phối khí bằng cơ cấu trục cam;

+Động cơ không đao chiều;

+Dễ dàng lắp đặt và tiết kiệm chi phí;

+Khoảng thời gian cần đại tu dài;

Công suất mỗi

Nhiệt độ tối đa tại

cửa vào máy nén

(tuabin)

Nhiệt độ sau khi làm mát

Hệ thống nhiên liệu (Lưu ý 4)

Áp suất trước khi phun

Áp suất trước khi bơm

nhiên liệu điều khiển

Tối đa Nhiệt độ dầu

HFO trước động cơ

Hệ thống dầu bôi trơn

200 + không đổi

200 + không đổi

200 + không đổi

Độ giam áp suất trong hệ

Lượng nước trong động

200 + không đổi

200 + không đổi

200 + không đổi

Độ giam áp suất trên bộ

Độ giam áp suất trong hệ

Wärtsilä 20 Product Guide 3 Technical Data

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC

CỦA ĐỘNG CƠ 2.1 Thông số đầu vào

Bảng 2 1 Các thông số đầu vào của động cơ

STT Tên thông số hiệuKí Công thức Giátrị Đơn vị

12 Loại buồng cháy Buồng cháy thốngnhất

15 Loại hình làm mát Làm mát động cơbằng nước ngọt

16 Bôi trơn Có hệ thống cấp dầubôi trơn cưỡng bức

18 Kích thước cơ ban, dài L, rộng W, cao H

2.2 Thông số công tác của động cơ

2.2.1 Thông số chọn trong quá trình tính toán

Bảng 2 2 Thông số lựa chọn để tính toán

ST

T Tên thông số hiệuKí Công thức Giá trị Đơnvị

1 Áp suất khí nạp pk (0,13-0,35) 0,277 Mpa

2 Tổn thất áp suất trung bìnhlàm mát Plm 0,004 0,004 Mpa

6 Chỉ số đoạn nhiệt m (1,5-1,8); [2],tr 2 1,5

7 Nhiệt độ khí nạp Tk

Tk=To.[Pk/Po]^[(m-1)/m]; [1], tr226 324,208 K

8 Hệ số dư lượng không khí α (1,6-2,2); [1], tr 232 2

9 Áp suất khí tăng áp Ps (0,13-0,35) 0,273 Mpa

10 Áp suất cuối kì nạp Pa Pa=(0,85-1,1)Ps ; [1],

Độ tăng nhiệt độ không khí

khi tiếp xúc với thành vách xi lanh ΔT (5-20); [1], tr 225 5 K

14 Hệ số lợi dụng nhiệt tại z ξz (0,86-0,98); [3], tr 57 0,75

15 Hệ số lợi dụng nhiệt tại b ξb (0,86-0,98); [3], tr 57 0,86

16 Tỉ số tăng áp λ (1,3-1,5); [1], tr 239 1,4

HL

19 Tốc độ trung bình củaPiston Cm Cm=S.n/30; [2], tr 1 9,333 m/s

Đơnvị

1 Nhiệt độ khí trước xupap nạp Ts Ts=Tk-ΔTlm; [1], tr225 299,208 K

2 Hệ số khí sót γr (0,01-0,02); [1], tr224 0,01

3 khi tiếp xúc với thành vách xilanhĐộ tăng nhiệt độ không khí sau ΔT (5-20); [1], tr225 5 K

4 khi đi qua sinh hàn gió tăng ápĐộ giam nhiệt độ khí nạp sau ΔTl

STT Tên thông số hiệuKí Công thức Giá trị Đơnvị

1 Chỉ số nén đa biến n1 chọn [1,38-1,42); [1], tr228 1,42

2 Áp suất cuối qúa trình nén Pc Pc=Pa.ε^n1; [1], tr229 9,842 Mpa

3 Nhiệt độ cuối quá trình

nén Tc Tc=Ta.ε^(n1-1); [1], tr229 859,087 K

2.2.4 Quá trình cháy

Bảng 2 5 Các thông số quá trình cháy

STT Tên thông số Kí

1

Lượng không khí lý

thuyết để đốt cháy 1kg

2 Lượng không khí thực

3 Lượng mol sp cháy khi

cháy hoàn toàn 1kg NL M'

M'=C/12+H/2+S/32+(α-0,21)Lo; [1],

4 Lượng mol san phẩm

cháy tăng lên ΔM' ΔM'=(8H+O)/32; [1], tr233 0,032 kmol/kgnl

5 Hệ số thay đổi phân tửlí thuyết βo βo=1+ΔM'/L ; [1], tr233 1,032

6 Hệ số thay đổi phân tửthực tế β β=(βo+γr)/(1+γr); [1], tr234 1,032

9 Hệ số thay đổi phân tửtại điểm z βz βz=1+[(βo-1)/(1+γr)].(ξz/ξb); [2],tr3 1,028

10 đẳng tích của không khíTỉ nhiệt mol trung bình Cv' Cv'=19,26+0,0025Tc; [2],tr3 21,408 kj/kmol.oK

11 Tỉ nhiệt mol trung bình

đẳng tích của khí sót Cv'' Cv''=20,47+0,0036.Tc; [2],tr3 23,563 kj/kmol.o

K

12 Tỉ nhiệt mol trung bìnhđẳng áp của khí cháy Cp'' Cp''=8,314+Cv''; [2],tr3 31,877 kj/kmol.oK

13 Áp suất cháy cực đại vàtỉ số tăng áp xuất Pz Pz=λ.Pc; [1], tr240 13,779 Mpa

14 Nhiệt độ khí xa tại điểmz Tz

Tz={(ξz.QH)/(α.Lo) +[Cv'+8,314λ+γr(Cv'' +8,314λ)]Tc}/[βz(1+γr)Cp''];

[1], tr240

1.844,31

15 Tỉ số giãn nở sớm ρ ρ=(βz.Tz)/(λ.Tc); [1], tr243 1,576

16 Tỉ số giãn nở sau δ δ=ε/ρ; [1], tr243 8,883

2.2.5 Quá trình giãn nở

Bảng 2 6 Các thông số quá trình giãn nở

STT Tên thông số hiệuKí Công thức Giá trị Đơnvị

1 Chỉ số giãn nở đa biến n2 (1,2-1,3); [1], tr243 1,250

2 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb Tb=Tz/δ^(n2-1);[1], tr242 1068,303 K

3 Áp suất cuối qt giãn nở Pb Pb=Pz/δ^n2;[1], tr243 0,899 Mpa

4 Kiểm nghiệm lại theo nhiệt độ khí

sót Tr Tr=Tb/3√(Pb/Pr); [2], tr5 711,736 K

2.2.6 Các thông số đặc trưng

Bảng 2 7 Công suất có ích của động cơ

STT Tên thông số hiệuKí Công thức Giá trị Đơn vị

1 bình quân lý thuyếtÁp suất chỉ thị Pi' Pi'=Pc/(ε-1){λ(ρ-1) +[λρ/(n2-1)](1-1/δn1-1) -[1/(n1-1)](1-1/εn1-1)} ; [1], tr248 2,290 Mpa

2 Hệ số lượn góc đồthị ζ (0,9-0,96); [1], tr249 0,9

3 bình quân thực tếÁp suất chỉ thị Pi Pi=Pi'.ζ; [1], tr248 2,910 Mpa

4 Hiệu suất cơ giới ηm (0,84-0,92); [1], tr255 0,84

5 Áp suất có ích bìnhquân Pe Pe=Pi.ηm; [1], tr255 1,731 Mpa

6 Suất tiêu hao NLchỉ thị gi gi=(3600.Ps.hH)/(8,314.a.Lo.Ts.Pi) ; [1],

7 Hiệu suất chỉ thị ηi ηi=3600/(gi.QH); [1], tr251 0,456

8 Hiệu suất có ích ηe ηe=ηi.ηm; [1], tr257 0,383

9 Công suất chỉ thị Ni Ni=13,1.D^2.S.n.i.0,5.Pi; [1], tr250 853,25 Kw

của động cơ 7

10 Công suất có íchcủa động cơ Ne Ne=Ni.ηm; [1], tr255 774,996 Kw

11 Kiểm tra lại

2.3 Xây dựng đồ thị P-V

2.3.1 Xây dựng đường cong nén.

Phương trình đường nén: p.Vn1 = cosnt => pc.Vcn1

V

V p p

c nx

i p

p =

Trong đó: pnx và Vnx là áp suất và thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường nén.

i là tỉ số nén tức thời.

2.3.2 Xây dựng đường cong giãn nở.

Phương trình đường giãn nở: p.Vn2 = cosnt =>

V

V p

Cho i tăng từ 1 đến ε

ta lập được bảng xác định tọađộ các điểm trênđường nén và đường giãn nở.

Pn(mm)

Pgn(mm)

Hình 2 1 Đồ thị công chỉ thị P-V

2.4 Xây dựng đồ thị công khai triển

2.4.1 Các góc đặc biệt trong chu trình

Bảng 2 9 Góc mở sớm, đóng muộn và phun nhiên liệu

Góc mở sớm xupap nạp 60o trước ĐCT r'Góc đóng muộn xupap nạp 45o sau ĐCD a''

2.4.3 Vẽ đồ thị công khai triển

Hình 2 2 Đồ thị công khai triển

2.5 Nguyên lý làm việc của động cơ và ý nghĩa của

- Áp suất trong xilanh giảm, không khí trong đường ống nạp

đi vào xilanh qua cửa nạp nhờ sự chênh lệch áp suất;

r

- Xupap nạp vẫn mở và đóng ở 45 độ sau khi piston quađiểm chết dưới (điểm a”).

- Nhiên liệu được phun sớm dưới dạng sương vào buồng đốt

ở 15 độ trước khi piston đi lên điểm chết trên (điểm c’);

- Nhiên liệu hòa trộn với khí nóng Trong điều kiện áp suất

và nhiệt độ trong xilanh cao, hỗn hợp nhiên liệu-khí tự bốccháy sinh ra áp suất cao đẩy piston đi xuống, qua thanhtruyền làm trục khuỷu quay và sinh công

Kì 4: Xả

- Xupap xả mở sớm ở 45 độ trước điểm chết dưới (điểm b’)

và đóng muộn ở 55 độ sau điểm chết trên (điểm r”);

- Pit-tông đi lên từ điểm b đẩy khí thải trong xilanh qua cửathải ra ngoài;

Góc phun sớm của nhiên liệu: để cho nhiên liệu có khoảngthời gian chuẩn bị cháy, để giai đoạn cháy, nhiên liệu và khíđược hòa trộn tốt, giai đoạn cháy sẽ tốt

Góc mở sớm xupap nạp và đóng muộn xupap xả (góc trùngđiệp): Để nạp nhiều khí sạch vào hơn, tận dụng luồng khí sạch

để đẩy nốt khí xả ra ngoài (xả cưỡng bức), giảm lượng khí sót,giảm công tổn thất cơ giới cho việc quét thải, làm sạch buồngđốt

Góc đóng muộn xupap nạp: tăng lượng khí nạp vào xilanh.Góc mở sớm xupap xả: tăng cường quá trình xả tự do, tận dụng năng lượng nhiệt của khí xả cho tuabin khí xả

b) ý nghĩa của các đồ thị công

- Đồ thị công chỉ thị: Đồ thị công chỉ thị p-V là sự phụ thuộc

áp suất môi chất vào thể tích xi lanh trong một chu trình Đồthị được xây dựng theo kết quả tính toán Diện tích của đồthị chỉ thị biểu diễn công do khí sinh ra trong xi lanh saumột chu trình, từ đó xác định được công suất chỉ thị do khítạo ra trong xi lanh;

- Đồ thị công khai triển: Đồ thị công khai triển p-α là sự phụthuộc áp suất môi chất vào góc quay trục khuỷu trong một

chu trình Từ đồ thị ta có thể nhận biết được quá trình hoạtđộng của động cơ.

CHƯƠNG 3 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU

BIÊN KHUỶU 3.1 Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu

Hình 3 1 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên cơ cấu biên

khuỷu

- Ta tiến hành phân tích lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu đối với cơ cấu chính tâm, sơ đồ lực biểu diễn như sơ đồ trên Lực khí thể và lực quán tính đều tác dụng lên piston, có phương trùng với đường tâm piston, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu, có điểm đặt tại chốt piston.

- Sau khi cộng lại ta có trị số tổng hợp lực:

- Khi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình không đổi, thì quan

hệ giữa Pkt và Pj phụ thuộc vào vòng quay động cơ, vòng quay càng lớn thì Pj càng lớn.

- Lực Pt tại tâm chốt piston được chia làm hai thành phần:

+ Thành phần lực thứ nhất N gọi là lực đẩy ngang, có điểm đặt tại tâm chốt pisotn, có phương vuông góc với đường tâm xilanh, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu, có trị số:

N = Pt./cosβ

+ Trong quá trình động cơ hoạt động lực đẩy ngang N gây nên va đập giữa piston với thành ống lót xilanh, lực đẩy ngang N là một trong những yếu tố dùng để xác định chiều dài dẫn hướng piston

+ Thành phần lực thứ hai Pb có điểm đặt tại tâm chốt piston, có phương trùng với đường tâm biên, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu, có trị số:

Pb = Pt/cosβ + Thành phần Pb tác dụng lên thân biên, giá trị Pb là một trong các cơ sở tính độ bền thân biên.

- Chuyển lực Pb đến tâm cổ biên và chia thành hai phần

+ Thành phần lực tiếp tuyến T có điểm đặt tại tâm cổ biên, có phương tiếp tuyến với bán kính quay khuỷu trục, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu.

+ Thành phần lực pháp tuyến Z có điểm đặt tại tâm cổ biên, có phương trùng với tâm má khuỷu, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu.

- Khi chuyển song song lực T vào tâm cổ trục , khi đó sẽ tạo thành một ngẫu T, T1 (do chuyển lệch tâm) và một lực T2 Lực T1 và T2 có điểm đặt tại tâm cổ trục, có phương song song với lực T và có chiều ngược nhau Cặp lực T, T1 tạo nên momen quay Mq truyền cho trục khuỷu

- Chuyển lực Z vào tâm cổ trục ( chuyển chính tâm, tạo thành lực Z1 Hợp Z1 và T2 tạo thành Pb1 có phương song song với Pb, trị số và chiều tác dụng như Pb Lực này tác dụng lên ổ đỡ trục khuỷu Lực Pb1 cũng là hợp lực của hai thành phần:

- Từ sơ đồ lực ta thấy, thành phần N1 song song với N, cùng trị số nhưng ngược chiều, cách nhau một khoảng H, nên sẽ tạo ra momen Ml, gọi là momen lật Momen lật có giá trị bằng momen quay, nhưng ngược chiều Momen lật tác dụng lên bệ đỡ, gây rung động động cơ, giá trị Ml là một trong các

cơ sở dùng để tính bệ đỡ và bu lông bệ động cơ Để giảm momen lật cần giảm khoảng cách H

- Ngoài các lực đã phân tích trên, cơ cấu biên khuỷu còn chịu tác dụng của lực quán tính li tâm C của khối lượng tham gia chuyển động quay Lực này cũng là lực không cân

bằng, có điểm đặt tại tâm cổ biên, có phương trùng với đường tâm má khuỷu, có chiều li tâm Thông qua khuỷu trục và ổ đỡ trục khuỷu, lực C tác dụng lên khung bệ và gây

ra dao động động cơ.

- Như vậy, lực tác dụng lên cổ biên gồm có: T, Z và một phần lực quán tính li tâm của khối lượng đầu to biên tham gia chuyển động quay

- Sau khi nghiên cứu hệ lực tác dụng lên động cơ trong quá trình hoạt động có thể rút ra một số nhận xét:

+ Lực khí thể là lực vô hướng, tác dụng lên nắp xilanh, thân động cơ và đỉnh piston.

+ Lực quán tính Pj của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến, có điểm đặt quy ước tại tâm chốt piston, có phương tác dụng trùng với đường tâm xilanh, có chiều phụ thuộc góc quay trục khuỷu Lực quán tính C của khối lượng tham gia chuyển động quay có giá trị không đổi, có điểm đặt quy ước tại tâm cổ biên, phương tác dụng trùng với đường tâm má khuỷu, có chiều li tâm

+ Tổng hợp lực khí thể và lực quán tính Pt của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến, có điểm đặt quy ước tại tâm chốt piston,có phương tác dụng trùng với đường tâm xilanh, có chiều quay phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu Hợp lực này tác dụng lên thân biên để tạo nên momen quay, đồng thời Pt tác dụng lên thân động cơ và ổ

3.2 CÁC THÔNG SỐ CẦN CHO TÍNH TOÁN

3.2.1 Thông số đầu vào

Bảng 3 1 Thông số cần thiết để tính toán

Đơn vị

Hệ số với Piston gang K1 [4], tr1 3 kG/m3

Hệ số với biên làm

hiệu Công thức Giá trị Đơn vị

1 Hệ số với piston gang k1 [4], tr1 3,00 kG/m3

2 Với biên làm bằng thép rèn k2 [4], tr1 3,50 kG/m3

3 Hệ số quy đổi a (0.25-0.4); [4], tr1 0,30

4 Trọng lượng của nhómpiston Gp Gp=k1.D3; [4], tr1 24,00 kG

5 Trọng lượng của biên Gb Gb=k2 D3; [4], tr1 28,00 kG

6 Trọng lượng các chi tiết

chuyển động thẳng Gt Gt=Gp+a.Gb; [4], tr1 32,40 kG

7 Diện tích đỉnh piston Fp Fp=π.D2/4; [4], tr1 314,16 cm2

9

Khối lượng các chi tiết tham

gia chuyển động thẳng của

một xilanh ứng với 1 đơn vị

diện tích đỉnh piston

mt mt=Gt/(g.Fp); [4], tr1 0,011 (kG.s2/m.cm2)

10 Tốc độ góc trung bình củatrục khuỷu ω ω=(π.n/30).0.159; [4], tr1 16,65 1/s

11 Thông số kết cấu λ (1/5-1/4); [4], tr1 0,25

12 Bán kính quay trục khuỷu R R=S/2; [4], tr1 0,14 m

13 Khối lượng biên mb mb=Gb/g; [4], tr2 2,86 kG.s2/m

14 Khối lượng quy về đầu nhỏbiên m1 m1 = (0,25 - 0,4)mb; [4], tr2;

chọn 0,3mb 0,83 kG.s2/m

15 Khối lượng quy về đầu to

biên m2 m2 = (0,75 - 0,6 )mb; [4], tr2;

16 Trọng lượng riêng của vậtliệu thép rèn γ [4], tr2 7848 kG/m3

17 Đường kính ngoài cổ biên Dcb Dcb =(0,6 - 0,75)D; [4], tr2;