Расчет и анализ дизельного двигателя Sulzer – готовая структура и пример для курсовой работы

Введение. Актуальность и задачи курсового проектирования

Дизельные двигатели остаются краеугольным камнем мировой транспортной системы и энергетики. Их высокая экономичность и надежность обеспечивают работу морских судов, железнодорожных локомотивов, карьерной техники и стационарных электростанций, что делает их изучение неотъемлемой частью подготовки инженера. Актуальность курсового проектирования заключается в необходимости перехода от теоретических знаний к практическому применению инженерных методик.

Целью данной курсовой работы является выполнение комплексного расчета и всестороннего анализа судового дизельного двигателя на примере продукции компании Sulzer для закрепления и углубления знаний, полученных в ходе изучения теоретических дисциплин.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести историко-технический анализ развития дизельных двигателей на примере компании Sulzer.
2. Выполнить тепловой расчет рабочего процесса двигателя для определения его ключевых термодинамических параметров.
3. Рассчитать динамику кривошипно-шатунного механизма для анализа силовых нагрузок на его детали.
4. Проанализировать особенности эксплуатации двигателя в нештатных и переходных режимах работы.

В качестве объекта исследования выбрана продукция компании Sulzer — одного из пионеров мирового дизелестроения. История компании Sulzer началась еще в 1834 году, а свой первый дизельный двигатель в сотрудничестве с Рудольфом Дизелем она разработала в 1898 году. Такой выбор позволяет не только выполнить стандартные расчеты, но и проследить эволюцию конструкторских решений на примере одного из лидеров отрасли.

Глава 1. Исторический путь и конструктивные особенности двигателей Sulzer

Изучение истории и конструкции объекта исследования является необходимой базой для любого инженерного проекта. Понимание эволюции технологий позволяет глубже осмыслить современные решения и обоснованность применяемых в расчетах параметров.

1.1. От паровых машин к дизелю

Путь швейцарской компании Sulzer, основанной в 1834 году в городе Винтертур, начался с производства паровых машин и ткацких станков. Однако поворотным моментом в ее истории стало сотрудничество с Рудольфом Дизелем. Прозорливость инженеров компании позволила им одними из первых оценить потенциал нового типа двигателя внутреннего сгорания. Результатом этой работы стало создание и запуск первого собственного дизельного двигателя в 1898 году, что навсегда вписало Sulzer в историю мирового моторостроения.

1.2. Эволюция ключевых серий

С 1905 года компания Sulzer начала серийное производство двигателей, которые постоянно совершенствовались. Ранние двухтактные двигатели (например, типа PC) были безнаддувными. Революционным шагом стало внедрение газотурбинного наддува в 1956 году, что позволило увеличить мощность на 33% и открыло новую эру в дизелестроении. За этим последовали более совершенные серии: СД (SD), САД (SAD) и РД (RD). В результате всего за 15 лет, благодаря увеличению диаметра цилиндра и повышению степени наддува, цилиндровая мощность двигателей Sulzer выросла в 5 раз.

Маркировка двигателей Sulzer отражала их ключевые конструктивные особенности:

• S – крейцкопфный
• O – реверсивный
• T – тронковый
• P – с продувочным насосом
• A – с газотурбинным наддувом
• R – с управлением выпуска
• N – с газотурбинным наддувом при постоянном давлении

Современная история компании связана с такими знаковыми сериями, как Z40, ZA40, ZA40S (мощностью от 3000 до 11800 кВт), а также более высокооборотными A25 и S20, которые нашли широкое применение на судах и дизельных локомотивах.

1.3. Конструкция современных гигантов

Венцом инженерной мысли Sulzer (сегодня в составе компании Wärtsilä) являются двухтактные турбокомпрессорные дизели, такие как Wärtsilä-Sulzer RTA96-C. Эти гиганты устанавливаются на крупнейшие контейнеровозы мира. Их технические характеристики поражают воображение:

• Диаметр цилиндра: 960 мм
• Ход поршня: 2500 мм
• Общая масса (14-цил. версия): 2300 т
• Высота: 13.4 м
• Максимальная мощность: до 80 000 кВт (около 109 000 л.с.)

Ключевой технологической особенностью современных двигателей, таких как RT-flex96C, является применение электронной системы впрыска топлива Common Rail. Эта система обеспечивает точное дозирование топлива под сверхвысоким давлением, что позволяет оптимизировать процесс сгорания, снизить удельный расход топлива и уменьшить вредные выбросы в атмосферу.

Глава 2. Тепловой расчет и анализ рабочего процесса двигателя

Тепловой расчет является основой проектирования любого двигателя внутреннего сгорания. Его цель — определить термодинамические параметры рабочего тела в ключевых точках цикла, рассчитать индикаторные и эффективные показатели, чтобы оценить работоспособность и эффективность проектируемого двигателя.

2.1. Исходные данные для расчета

Расчет, как правило, проводится для режима максимальной мощности. В качестве исходных данных для двигателя типа Sulzer ZA40S принимаются его паспортные характеристики: эффективная мощность (Ne), частота вращения коленчатого вала (n), диаметр цилиндра (D), ход поршня (S), а также заданные или выбранные из справочных материалов параметры, такие как среднее эффективное давление (Pe), степень сжатия (ε) и другие.

2.2. Расчет процессов наполнения и сжатия

На этом этапе определяются параметры рабочего тела (воздуха) в начале и конце процесса впуска, а также в конце процесса сжатия. Расчет учитывает потери давления на впуске и подогрев заряда от горячих стенок цилиндра. В конце процесса сжатия рассчитываются ключевые параметры — давление p_c и температура T_c, которые определяют условия для самовоспламенения топлива.

2.3. Расчет процесса сгорания

Один из самых сложных этапов, включающий термохимический расчет. Здесь определяется необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, состав и газовые постоянные продуктов сгорания. Кульминацией этого раздела является расчет максимальной температуры цикла (T_z) и максимального давления сгорания (p_z), которые являются критически важными для последующего прочностного расчета деталей.

2.4. Расчет процесса расширения и выпуска

На этапе расширения определяется давление в конце процесса (p_b), которое необходимо для замыкания индикаторной диаграммы. По результатам всего цикла вычисляются важнейшие показатели эффективности двигателя:

• Индикаторная мощность и индикаторный КПД.
• Эффективная мощность (которая должна совпасть с заданной) и эффективный КПД.
• Механический КПД, характеризующий потери на трение.
• Удельный и часовой расходы топлива.

2.5. Построение и анализ индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма в координатах P-V (давление-объем) — это графическое отображение работы, совершаемой газами в цилиндре за один цикл. Она строится по рассчитанным параметрам в характерных точках. Анализ ее формы позволяет визуально оценить качество протекания рабочих процессов. Полученные в ходе расчета показатели, такие как среднее эффективное давление (для дизелей 0.5-0.85 МПа) и удельный расход топлива (170-270 г/(кВт·ч)), сравниваются с типичными значениями для двигателей данного класса, что позволяет сделать вывод о корректности выполненного расчета.

Глава 3. Расчет и анализ системы газообмена и наддува

Эффективность работы современного дизеля немыслима без тщательно спроектированной системы газообмена и наддува. Эта система отвечает за очистку цилиндра от продуктов сгорания и его наполнение свежим зарядом воздуха под давлением, что напрямую влияет на мощность и экономичность.

3.1. Определение фаз газораспределения

Первым шагом является выбор или обоснование углов открытия и закрытия впускных и выпускных органов (клапанов или окон). Эти углы (фазы газораспределения) определяют продолжительность процессов впуска и выпуска и должны быть оптимизированы для номинальной частоты вращения двигателя, обеспечивая наилучшее наполнение и очистку цилиндра.

3.2. Расчет проходных сечений

Ключевой проверочный расчет, цель которого — убедиться, что размеры клапанов (или окон) достаточны для пропуска необходимого количества воздуха и отработавших газов без чрезмерных газодинамических потерь. Рассчитываются так называемые «время-сечения» — интегральные показатели, характеризующие пропускную способность органов газораспределения за весь период их открытия.

3.3. Энергетический баланс турбокомпрессора

Для двигателей с наддувом этот расчет имеет решающее значение. Он доказывает, что система «газовая турбина — компрессор» работоспособна. Для этого отдельно рассчитываются:

1. Мощность, потребляемая компрессором для сжатия необходимого количества воздуха до заданного давления наддува.
2. Мощность, которую может развить газовая турбина, используя энергию отработавших газов.

Для работоспособности системы мощность турбины должна быть больше мощности, потребляемой компрессором, с учетом механического КПД их общего вала. Положительный баланс подтверждает, что турбокомпрессор сможет обеспечить двигатель необходимым количеством воздуха.

Глава 4. Динамический анализ и уравновешенность двигателя

После того как термодинамические процессы рассчитаны, необходимо проанализировать силы, которые возникают в механизмах двигателя. Динамический анализ позволяет определить нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ), необходимые для их последующего расчета на прочность, и обеспечить плавность работы двигателя.

4.1. Построение диаграммы сил

Основной задачей является разложение и суммирование сил, действующих в КШМ на протяжении всего рабочего цикла. Эти силы включают в себя две главные составляющие:

• Силы давления газов, полученные из индикаторной диаграммы.
• Силы инерции поступательно движущихся масс (поршень, часть шатуна).

Результатом является построение графиков суммарной силы, действующей вдоль оси цилиндра, а также тангенциальной и нормальной составляющих, которые нагружают кривошип и шатун.

4.2. Расчет маховика

Суммарный крутящий момент на коленчатом валу многоцилиндрового двигателя неравномерен. Чтобы сгладить эти колебания и обеспечить равномерность вращения, используется маховик. На основе диаграммы суммарного крутящего момента определяется необходимый момент инерции маховика, который обеспечит заданную степень неравномерности хода — ключевой показатель плавности работы двигателя.

4.3. Нагрузки на подшипники

На основе разложения сил строятся полярные диаграммы нагрузок на шатунный и коренной подшипники. Эти диаграммы наглядно показывают величину и направление вектора силы, действующей на подшипник в каждый момент времени. Результаты этого анализа являются исходными данными для гидродинамического расчета подшипников скольжения и определения давления в них.

4.4. Основы прочностного расчета

Хотя полный расчет на прочность является отдельной масштабной задачей, в курсовой работе необходимо обозначить его методику. Результаты динамического анализа (максимальные силы и моменты) используются как исходные данные для проверки на прочность самых нагруженных деталей: коленчатого вала (на изгиб и кручение), шатуна (на сжатие и изгиб) и поршневого пальца.

Глава 5. Анализ эксплуатации двигателя в нештатных и переходных режимах

Номинальный режим работы, на который выполняется основной расчет, является идеализированной моделью. Реальная эксплуатация двигателя включает в себя множество переходных процессов и отклонений от нормы. Анализ этих режимов демонстрирует глубокое понимание рабочих процессов.

5.1. Работа при частичных нагрузках

При снижении нагрузки на двигатель (например, при маневрировании судна) изменяются его ключевые показатели. Проводится анализ того, как меняется удельный расход топлива, температура отработавших газов и дымность выхлопа. Особое внимание уделяется работе топливной аппаратуры, так как ее характеристики напрямую влияют на качество распыления и сгорания топлива в условиях неустановившейся нагрузки и частичной загрузки, что критично для экономичности и экологичности.

5.2. Влияние внешних факторов

Мощностные и экономические показатели дизеля напрямую зависят от параметров окружающего воздуха, который поступает в цилиндры. В этом разделе анализируется, как изменение температуры и атмосферного давления (например, при эксплуатации в разных климатических зонах) влияет на плотность воздуха и, как следствие, на цикловую подачу топлива, мощность и эффективность двигателя.

5.3. Анализ внештатных ситуаций

Этот раздел посвящен гипотетическому моделированию неисправностей. Рассматриваются возможные сценарии и их последствия:

• Отказ одной из форсунок: Как изменится работа двигателя? Какие диагностические признаки (вибрация, падение мощности, изменение звука выхлопа) позволят выявить неисправность?
• Применение топлива с присадками: Как может повлиять использование присадок, формирующих на трущихся поверхностях защитный слой? Потенциально это может снизить трение «металл-металл» и улучшить механический КПД, но может иметь и побочные эффекты.

Такой анализ показывает способность инженера не только рассчитывать, но и прогнозировать поведение сложной технической системы в реальных условиях.

Заключение. Обобщение результатов и выводы по работе

В ходе выполнения данной курсовой работы был проведен комплексный расчет и анализ судового дизельного двигателя на примере продукции компании Sulzer. Были решены все поставленные во введении задачи и достигнута главная цель работы.

В первой главе был выполнен историко-технический анализ, который позволил проследить эволюцию конструкций от первых моделей до современных высокоэффективных агрегатов, таких как RTA96-C. Во второй главе был произведен детальный тепловой расчет, определены термодинамические параметры рабочего цикла и ключевые эффективные показатели, такие как мощность и удельный расход топлива. Результаты расчета показали, что спроектированный двигатель соответствует типичным показателям для своего класса.

В третьей и четвертой главах были выполнены проверочные расчеты систем газообмена и наддува, а также проведен динамический анализ кривошипно-шатунного механизма. Было доказано, что система наддува обеспечивает двигатель необходимым количеством воздуха, а определенные нагрузки на детали КШМ могут быть использованы для их дальнейшего прочностного расчета.

Особое внимание в пятой главе было уделено анализу работы двигателя за рамками номинального режима. Исследование частичных нагрузок и нештатных ситуаций позволило сформировать комплексное представление о поведении дизеля в реальных условиях эксплуатации, что является ключевым навыком для инженера-практика.

Таким образом, можно сделать главный вывод: спроектированный дизельный двигатель является работоспособным, его параметры соответствуют заданным, а всесторонний анализ подтвердил корректность примененных инженерных методик. Цель курсовой работы достигнута, а поставленные задачи выполнены в полном объеме.

Список использованной литературы

1. Судовые дизельные энергетические установки / Методические рекомендации по курсовому проектированию для мореходных и арктического училищ – М., в/о «Мортехинформреклама», 1987 г. – 79 с.
2. Судовые двигатели внутреннего сгорания / Возницкий – М., Транспорт, 1979, — 358 с.
3. Судовые энергетические установки / Сизых – М., Транспорт, 1987 – 254 с.
4. Судовые двигатели внутреннего сгорания / Гогин, Кивалкин – М., Транспорт, 1981 – 284 с.