Содержание
Введение…………………………………………………………………..…………....3
Техническая характеристика дизеля 7ДКРН 82/337,5……..……...……...................5
I. Особенности конструкции двигателя……………………………..………….......7
1.1 Выбор и обоснование конструктивных особенностей двигателя ……….15
1.2 Выбор особого задания и исходных данных на проетирование ……….16
II. Тепловой расчет двигателя………………………………………….....................17
2.1 Расчет процесса наполнения………………………………………………..17
2.2 Расчет процесса сжатия……………………………………………………...18
2.3 Расчет процесса сгорания……………………………………………...…....19
2.4 Расчет процесса расширения………………………………………………..21
2.5 Средняя индикаторная и эффективная работы двигателя…………..…...23
III. Построение индикаторной диаграммы ………….……......................................24
3.1 Расчет газообмена и построение диаграммы «времся-сечение» ……...26
IV. Кинематический и динамический расчет двигателя ………………………......38
4.1 Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма…………….38
4.2 Расчет сил и моментов, действующих в КШМ двигателя…………….....45
4.3 Исходные данные для расчета…………………………………………......48
4.4 Расчет и графическое определение движущих сил Рg и Рj …………..…48
4.5 Расчет и построение диаграммы касательных усилий ……………….....50
4.6 Расчет и построение суммарных касательных усилий ST ……………....51
4.7 Построение полярной диаграммы нагрузки на шатунную.
(мотылевую) шейку…………………………………………………………. 57
4.8 Перестроение полярной диаграммы Rшш в прямоугольные
координаты……………………………………………………………...…...58
V. Расчет прочности деталей поршневой группы СДВС………..…..................…60
5.1 Условия работы и материалы для поршневой группы……………….....60
5.2 Расчет на прочность поршня………………………………………….…..62
5.3 Расчет на прочность поперечины крейцкопфа……………………….….69
5.4 Расчет на прочность поршневых колец………………………………….72
Заключение…………………………………………………………………………..76
Литература…………………………………………………………………………...77
Техническая характеристика двигателя прототипа
Двигатель 7ДКРН 82/337,5 (Sulzer 7RT-flex 82Т)
Номинальная мощность, кВт....................................................................... 31640
Удельный расход топлива, кг/ч……………………………….……….…..167
Номинальная частота вращения, мин-1 ……………………………..…….80
Среднее эффективное давление, МПа……………………………..……...2,0
Давление наддува, МПа…………………………………………………....0,360
Диаметр цилиндра, мм................................................................................. 820
Ход поршня, мм............................................................................................ 3375
Максимальное давление сжатия, МПа…………………………….….…. 13,0
Максимальное давление цикла, МПа……………………………….…….14,5
Рис. 1. Поперечный разрез двигателя 7ДКРН 82/337,5 (Sulzer 7RT-flex 82Т)
I. Конструктивные особенности двигателя
Фундаментная рама —стальная, сварной конструкции. В поперечине балки рамы вварены стальные литые стулья для рамовых подшипников. Рама изготовляется цельной для двигателей с количеством цилиндров до семи и из двух частей — при большем количестве цилиндров. Рамовые подшипники имеют стальные вкладыши из двух половин, залитые баббитом, Выход коленчатого вала имеет уплотнение.
Станина — сварной конструкции, с усиленными ребрами жесткости. В вертикальные стенки стоек вварены стальные трубы, через которые проходят анкерные связи.
Картер закрывается съемными щитами , в которых установлены предохранительные пластинчатые клапаны.
Параллели чугунные, односторонние, с нащечинами для заднего хода и ребрами жесткости. Параллели имеют внутреннюю полость, охлаждаемую маслом от циркуляционной системы и крепятся к стойкам болтами.
Диафрагма — чугунная, она отделяет подпоршневые полости от картера двигателя. Уплотнение штока осуществляется сальником.
Блок цилиндров состоит из отдельных чугунных рубашек, соединенных болтами. В рубашке расположены продувочные и выпускные окна, против которых находится смотровое отверстие, закрытое крышкой.
Анкерные связи из легированной стали с гайками соединяют фундаментную раму, станину и блок цилиндров. Связи затягиваются гидравлическими домкратами.
Втулка цилиндра — цельная, изготовлена из легированного чугуна. Для улучшения газообмена и уменьшения потери хода при расширении и сжатии газов в цилиндре окна имеют переменную высоту. Суммарная ширина шести выпускных окон 660 мм и восьми продувочных — 730 мм. Уплотнение воздушной полости достигается постановкой в нижней части втулки резинового кольца.
Смазка ко втулке (рис. 3, черт. 1) подается лубрикаторами через шесть штуцеров, расположенных в верхней части, и по волнообразной канавке в районе 2-3 уплотнительных колец при положении поршня в в. м. т., а в нижней части — через два штуцера со стороны выпуска. Штуцеры 1 и 7 имеют невозвратные клапаны 2.
На верхней наружной части втулки 8 имеются ребра 3 для увеличения скорости охлаждающей воды. Уплотнение водяной полости достигается в верхней части притиркой опорных поверхностей, в средней — мягкой набивкой из пяти колец 4, асбестового шнура 5 и зачеканенного медного кольца 6. Между мягкой набивкой и асбестовым шнуром через кольцевую выточку А по отверстию В отводятся просочившиеся вода и газы.
Крышка цилиндра состоит из двух частей. Днище крышки чугунное, с внутренней полостью в виде последовательных концентрических каналов, По которым проходит охлаждающая вода. Чугунная верхняя часть крышки крепится к блоку цилиндров удлиненными шпильками. Уплотнение крышки по втулке осуществляется притиркой. Для очистки водяной полости крышки от загрязнений имеются отверстия, закрытые пробками.
В крышке размещены: по центру—форсунка, на стороне выпуска — предохранительный и пусковой клапаны (в одном корпусе), на стороне распределения — индикаторный кран.
Поршень — составной. Охлаждающее масло поступает по трубам и шарнирному устройству и отводится через трубу со смотровым стеклом, термометром и регулирующим вентилем по трубопроводу.
Поршень (рис. 4, черт. 1) состоит из двух частей. Головка поршня 8 стальная, литая, имеет пять уплотнительных колец 10 шириной 18 мм и высотой 14 мм, с косым замком, из которых три нижних фиксируются штифтами. Тронк поршня 13 изготовлен из сплава на алюминиевой основе. Для улучшения условий приработки тронк имеет три пояска 5 из свинцовистой бронзы. Обе части крепятся к поршневому штоку 14 шпильками 4 и 6. В головке поршня для направления масла установлена чугунная вставка 9, уплотненная эластичным кольцом // и сальником 12, имеющим пять уплотнительных маслостойких колец. Для увеличения скорости масла на торце вставки предусмотрены кольцевые выточки.
Масло, охлаждающее поршень, поступает и отводится через поперечину / при помощи шарнирных труб 16, закрепленных на выступающих цапфах. Для придания маслу направления движения установлена вставка 2 (путь охлаждающего масла указан стрелками). Высота, на которой располагается верхняя кромка сливной воронки 7, должна быть такой, чтобы обеспечивалось сохранение масла в поршне во время остановки двигателя.
Шток 14, изготовленный из углеродистой стали, крепится к поперечине / шпильками 15 при помощи фланца. Маслоотводящая труба 3 со вставкой 2 в средней части имеет для уменьшения вибрации направляющие ребра.
Сальник штока (рис. 5, черт. 2) имеет чугунный корпус, состоящий из двух частей: нижней 13, закрепленной шпильками / к кольцу 14, которое крепится к диафрагме 15, и верхней 7, соединенной с нижней шпильками 8. Между ними зажато промежуточное кольцо 5 на прокладках 12, которые служат для регулирования осевого зазора маслосъемных колец. В нижней части корпуса установлено три маслосъемных кольца 2, в верхней части установлено два уплотнительных кольца 3, камерное 11 и два маслосъемных 9 и 10 кольца. Кольца 2 я 3 стопорятся от проворачивания относительно друг друга винтами 4 и прижимаются к штоку обжимными спиральными пружинами 6.
Обе части корпуса 7 и 13 и кольца 5, 11 и 14 изготовлены из двух частей, кольца 2, 3, 9 и 10 — из трех частей каждое. Благодаря такой конструкции сальник может быть демонтирован без демонтажа поршневого штока. Для отражения разбрызгиваемого в картере масла под сальником установлен защитный лист 16.
Крейцкопф —односторонний. Стальная поперечина имеет две шейки для головных подшипников шатуна. Ползун, изготовленный из литой стали с залитой баббитом рабочей поверхностью, крепится к поперечине болтами.
Шатун (см. рис. 4, черт. 2) — с отъемными головными и мотылевым подшипниками. Стальные литые головные подшипники, отъемная половинка 7 мотылевого подшипника и его стальной вкладыш залиты баббитом. Каждый подшипник имеет по два шатунных болта / и 5 из легированной стали с центрирующими, поясками. Прокладки 2 и 6 служат для регулировки масляного зазора. Стержень 4 шатуна из углеродистой стали имеет жесткую безвильчатую форму и систему отверстий для подвода смазки к мотылевому подшипнику. Изменение степени сжатия при износе деталей цилиндро-поршневой группы производится увеличением толщины прокладки 3 под пяткой шатуна.
Смазка верхних подшипников шатуна осуществляется сдвоенным плунжерным насосом, навешенным на каждый крейцкопф. К мотылевому подшипнику масло направляется по отверстию в стержне шатуна.
Смазка головных подшипников при неработающем двигателе производится включением масляного насоса охлаждения поршней. При этом давление в системе увеличивается, и через перепускные клапаны масло поступает к подшипникам. При пуске двигателя и в начале работы сдвоенного насоса давление в системе повышается, перепускные клапаны автоматически закрываются, и смазка шатунных подшипников осуществляется только от сдвоенного насоса, навешенного на крейцкопф.
Коленчатый вал (см. рис. 3, черт. 2) из углеродистой стали для двигателей с числом цилиндров до семи изготовляется цельным для двигателей с большим числом цилиндров—из двух секций, соединенных фланцами на болтах.
Привод распределительного вала (см. рис. 5, черт. 3) — цепной; он расположен у первого цилиндра. Цепное колесо 5, закрепленное на коленчатом валу, через одинарную роликовую цепь 6 приводит в движение цепное колесо /, которое сидит на муфте распределительного вала. Цепь проходит через две направляющие 2 и 9 и две натяжные звездочки 4 и 7, закрепленные в поворотном кронштейне 3. Натяжение цепи осуществляется разворотом кронштейна с помощью регулировочного болта 8 с шаровой гайкой.
Продувка двигателя — контурная, односторонняя, петлеобразная, с переменной высотой и лучевым расположением в плане.
Угол открытия выпускных окон — при 145°, продувочных — при 118° поворота коленчатого вала.
Все подпоршневые полости цилиндров работают в пусковые периоды. При работе двигателя на топливе работают в основном подпоршневые полости цилиндров, включенные параллельно. При нагрузке двигателя больше 25% от номинальной последовательно подключенные подпоршневые полости цилиндров автоматически выключаются из работы.
Охлаждение воздуха производится после газотурбонагнетателей в поверхностных воздухоохладителях, имеющих ребра.
С переходом на повышенные значения среднего эффективного давления с целью снижения теплонапряженности двигателя применяется водяное охлаждение поршней.
Топливоподающая система работает следующим образом. Топливо из расходной цистерны под давлением 1—1,5 ати подается самотеком либо подкачивающим насосом к сдвоенному фильтру. Насос приводится в движение от двигателя или электромотора. Фильтр состоит из двух секций, которые могут по мере надобности включаться одновременно или раздельно. После фильтра топливо поступает в топливный насос 24 высокого давления золотникового типа с регулировкой по концу подачи, имеющийся у каждого цилиндра. Форсунка 21 закрытого типа.
Система охлаждения цилиндров — замкнутая. Пресная охлаждающая вода с присадкой антикоррозийного масла подводится в нижней части цилиндров от трубопровода 30 под давлением 1,5—2,0 ати, поднимается вверх и по переходным патрубкам поступает в крышки цилиндров. Температура воды после выхода из крышек 60—65° С. От этой системы пресная вода поступает на охлаждение газовых турбин. Форсунки охлаждаются пресной водой с присадкой антикоррозийного масла по самостоятельной системе. Поршни охлаждаются маслом под давлением 4 ати. Температура масла на входе 40—45° С, на выходе 50—55° С.
Забортной водой под давлением до 1,5 ати охлаждаются воздухоохладитель, пресная вода, циркуляционное масло и масло, охлаждающее поршни.
Система циркуляционной смазки двигателя работает под давлением 2—2,5 ати. Температура масла на входе 40—45° С, на выходе 50—55° С. Масло стекает в поддон, откуда сливается в сточную цистерну. Смазка головных и мотылевых подшипников шатуна 37 самостоятельная и осуществляется сдвоенным поршневым насосом, навешенным на каждом крейцкопфе. Смазка цилиндровых втулок производится от лубрикаторов, приводимых в движение от тяг индикаторного привода.
Распределительный вал 28 — стальной. На нем имеются для каждого цилиндра по две пары кулачных шайб симметричного профиля (переднего и заднего хода) для привода топливных насосов 24 и воздухораспределителей 41.
Кулачные шайбы топливных насосов, а также их ролики — толкатели имеют на торцах скосы, и при реверсировании достаточно передвинуть распределительный вал в осевом направлении, чтобы соответствующие кулачные шайбы стали под приводные ролики. На кормовом торце двигателя у распределительного вала размещены реверсивные баллоны 40.
Топливный насос (рис. 4, черт. 2) высокого давления золотникового типа, с регулированием по концу подачи топлива. Приводной ролик 20 с бронзовой втулкой и стальным пальцем, закрепленным в толкателе 19, через упорную шайбу 18 передает движение плунжеру 16. Плунжер диаметром 35 мм с ходом 31 мм из легированной стали ходит в стальной втулке 2, зажатой в корпусе 6 из литой стали гайкой 8 через уплотнительное кольцо 11, втулку 7 и промежуточную шайбу 12. Шайба является гнездом и направляющей нагнетательного клапана 13, нагруженного пружиной 10. На втулку 7 навертывается накидная гайка 9 напорного топливного трубопровода. Пружина 17 прижимает ролик толкателя к кулачной шайбе 21.
Цилиндрическая часть плунжера насоса имеет две винтообразные канавки, соединенные радиальным и центральным отверстиями с верхним торцом плунжера. Наличие двух канавок улучшает условие отсечки топлива и разгружает плунжер от боковых усилий, что снижает неравномерный износ плунжерной пары.
Нижняя часть плунжера имеет крестовину 15, входящую в шлиц регулировочной втулки 5, в верхней части которой расположен зубчатый венец, находящийся в зацеплении с зубчатой рейкой 14, связанной с тягой регулировки подачи топлива.
В случае заедания плунжера и жестко связанной с ним зубчатой рейки при движении регулировочной тяги 25 сжимается пружина болта 26 и соединительная серьга 27 соскакивает с болта 28 зубчатой рейки. Пружина 26 выжимает серьгу 27 из района зацепления, и произойдет отключение регулировочной тяги от зубчатой рейки данного насоса.
Прокачка топливных насосов вручную производится съемным рычагом через штифт 4, тягу / и упорную шайбу 18, связанную с плунжером насоса. В случае необходимости отключения одного из топливных насосов тягой / толкатель 19 устанавливается в верхнее крайнее положение и в паз Б вводится стопорная планка 3. Топливо, просочившееся через неплотности, отводится от насоса по каналу В.
Изменение опережения подачи топлива осуществляется смещением рабочей части кулачной шайбы 21 относительно распределительного вала 22 при помощи болтов 23 с пальцами 24.
Форсунка (рис. 5, черт. 1) закрытого типа имеет коническую иглу 5, нагруженную утопленной пружиной 9 через толкатель 7. Затяжка пружины на давление начала подачи (220 кГ/см2) регулируется болтом 10 и фиксируется контргайкой 12 при вывернутой пробке 13. Игла имеет направляющую втулку 3, выполненную отдельно от сопла 2. Сопло имеет десять отверстий диаметром 0,65 мм с углом распыла топлива 144°.
Проставочная шайба 6 ограничивает подъем иглы до 0,8 мм. Сопло, направляющая втулка 3 и проставочная шайба прижимаются к торцу корпуса 8 форсунки накидной гайкой / через обжимное кольцо 4. Топливо от насоса высокого давления поступает по трубе 14 и системе отверстий в полость под иглу. Топливо, которое просачивается через неплотности, отводится по штуцеру //. Охлаждающая вода подводится и отводится через штуцеры 15 и 16 вотверстия в корпусе форсунки.
Управление двигателем (рис. 6) осуществляется штурвалом / с поста управления. Штурвал закреплен на валу 2 и имеет возможность поворачиваться примерно на 180°. Пуск двигателя осуществляется сжатым воздухом под давлением до 30 кГ/см2 с одновременной подачей топлива.
Пост управления, имеющий реверсивную рукоятку и штурвал 43 для пуска и регулирования подачи топлива, расположен на носовом торце двигателя. На щите приборов 42 установлены контрольно-измерительные приборы: механический тахометр, указатель вращения и суммарный счетчик оборотов, манометры давления пускового и продувочного воздуха, топлива, масла, пресной и забортной воды, дистанционные тахометры турбонагнетателей. Кроме того, у поста управления находится переключатель дистанционных термометров с гальванометром для контроля температуры выпускных газов по цилиндрам. Пуск двигателя осуществляется сжатым воздухом под давлением до 30 кПсм2 с одновременной подачей топлива до 30% от номинальной. Изменение направления вращения двигателя производится путем перемещения распределительного вала в осевом направлении на 85 мм при помощи масляных сервомоторов.
Главный пусковой клапан 36 является запорным клапаном в пусковом трубопроводе и открывается только во время пуска с поста управления. Пуск двигателя осуществляется установкой штурвала в положение «Пуск», при этом кулачок 32 открывает главный пусковой клапан, и сжатый воздух поступает в полость К пускового клапана 37 цилиндра и полость Л золотника 43 воздухораспределителя, прижимая ролик 44 золотника к симметричной кулачной шайбе 45 с отрицательным профилем, закрепленной на распределительном валу 46.
В том случае, когда ролик золотника вошел в углубление кулачка, золотник находится в пусковом положении и управляющий воздух, пройдя через него, поступит в полость М пускового клапана цилиндра. Управляющий воздух, воздействуя на поршень 38, преодолевает усилие пружины 39 и открывает пусковой клапан. Воздух из полости К поступает в цилиндр, и двигатель начнет работать на воздухе. При выходе ролика из углубления кулачка толкатель 42 передвигает вверх золотник 41 воздухораспределителя и через трубку 40 производит разгрузку полости М от давления в атмосферу. Под воздействием пружины 39 пусковой клапан цилиндра закрывается, и подача воздуха в данный цилиндр прекращается. Профиль кулачков воздухораспределителя выполнен таким, чтобы подача воздуха происходила одновременно в два цилиндра, обеспечивая надежный пуск двигателя при любом положении коленчатого вала.
С появлением первых вспышек в цилиндрах штурвал переводится на увеличение подачи топлива до требуемой скорости вращения. При этом кулачок 32 занимает положение, при котором главный пусковой клапан закрывается, воздух из пускового трубопровода выпускается в атмосферу по канавке Я в поршне и трубку 35. Этим осуществляется перевод двигателя на топливо. Во время пуска в момент появления вспышек в цилиндре пусковой клапан автоматически закрывается.
При необходимости повторного пуска, когда штурвал переведен на увеличение подачи топлива, а двигатель разворачивается медленно, можно, не переводя штурвал в положение «Пуск», рычагом 33 вспомогательного пуска принудительно открыть главный пусковой клапан и продлить процесс запуска.
Регулировка количества подаваемого топлива начинается с пуском двигателя, когда при повороте штурвала поворачивается вал 2 поста управления и через систему рычагов и тяг с обратной связью воздействует на зубчатую рейку 31 топливного насоса. При повороте штурвала влево подача топлива увеличивается.
Тяга 26 снабжена на конце проушиной 27, в которой ходит палец 28 рычага 29. При повороте штурвала на увеличение подачи (по стрелке) пружина 30 оттягивает рычаг 29 и палец 28 упирается в верхнюю часть проушины 27. При повышении скорости вращения выше допустимой срабатывает регулятор предельного числа оборотов 22, поршень сервомотора 23 через систему тяг и рычагов, снабженную на конце проушиной 25 с пальцем 24, разворачивает рычаг 29 на уменьшение подачи (против стрелки). При этом палец 28 скользит в неподвижной проушине 27.
Регулятор — предельно всережимный (осуществляет только уменьшение подачи топлива), центробежного типа, непрямого действия, начинает срабатывать при скорости вращения выше номинальной на 10%'. Для увеличения усилий от вращающихся грузов регулятора и передачи их на систему тяг, воздействующих на топливный насос, регулятор снабжен масляным сервомотором 23.
Реверсирование двигателя производится перемещением распределительного вала в осевом направлении сжатым воздухом при помощи крана переключения 5, имеющего два положения — «Вперед» и «Назад». Кран устанавливается в соответствующее положение до начала реверсирования рукояткой 10. При этом один из баллонов 20 или 21 соединяется через кран переключения с атмосферой, а второй — с магистралью сжатого воздуха.
При изменении направления вращения двигателя штурвал ставится в положение реверсирования и кулачок 5 открывает клапан 4. Сжатый воздух поступает в направлении, указанном стрелкой, к крану переключения и по трубопроводу — к соответствующему реверсивному баллону.
Масло из баллона под давлением воздуха перетекает в соответствующую полость цилиндра и воздействует на поршень 16, передвигая его в одно из крайних положений, а масло, находящееся во второй полости цилиндра, вытесняется во второй баллон, соединенный с атмосферой. Поршень передвигает распределительный вал в осевом направлении на 85 мм, и соответствующие кулачки «Вперед» или «Назад» подходят под приводные ролики топливных насосов и золотников воздухораспределителя.
Для фиксации вала в конечных положениях служит рычаг 14, один конец которого закреплен на распределительном валу через муфту 19. На другом конце рычага установлен ролик 13, который при реверсировании скользит по скосам на торце поршня 12, сжимая пружину // и фиксируя ролик и, следовательно, распределительный вал в конечных положениях.
Для реверсирования двигателя вручную рычаг 14 имеет зубчатый сектор, входящий в зацепление с зубчатым колесом 15, вращая которое специальной трещоткой можно реверсировать двигатель.
Системой предусмотрена блокировка, предотвращающая пуск двигателя до окончания реверса. Для этого на распредлительный вал насажена втулка 17, от которой через систему тяг и рычагов осевое движение распределительного вала передается рычагу 6 блокировочного устройства, который блокирует шайбу 3 и кран 8 с рычагом 7.
По окончании процесса реверсирования при достижении распределительным валом одного из крайних положений проиходит разблокировка шайбы 3 и крана 8. Стрелкой 18 показано направление перемещения распределительного вала при реверсировании «Вперед» — В и «Назад» — Я, которое фиксируется указателем реверса 9.
Для остановки двигателя штурвал ставят в положение «Стоп», и через систему тяг и рычагов зубчатая рейка топливных насосов разворачивает плунжеры насосов на нулевую подачу. Подача топлива в цилиндры двигателя прекращается, и двигатель останавливается. При повороте штурвала вправо в положение «Стоп» во избежание повторного пуска защелка 34 предотвращает открытие главного пускового клапана 36.
Рис. 3. Втулка рабочего цилиндра (черт. 1) и коленчатый вал (черт. 2)
Рис. 4. Поршень (черт. 1) и шатун рабочего цилиндра (черт. 2)
Рис. 5. Форсунка (черт.1) и топливный насос (черт.2)
Рис. 6. Управление двигателем
