книги из ГПНТБ / Чернышев А.Н. Корабельные двигатели внутреннего сгорания. (Теория рабочих процессов поршневого двигателя) учебное пособие
.pdf
Ленинградское высшее военно-морское инженерное училище
А. Н. ЧЕРНЫШЕВ, Р. М. БАСИЛЬЕВ-ЮХЕН
КОРАБЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(Теория рабочих процессов пориневого двигателя)
Утверхдено начальником училища в качестве учебного пособия для кур сайтов высшего военно-морского инхе нерного училища
Ленинград
1968
Б книге излагается основные вопросы теории рабочих процессов поршневого двигателя внутреннего сгорания (ди зеля), знание которых необходимо корабельному инженерумеханику, занимающемуся эксплуатацией дизелей. Произво дится сравнение термодинамических (идеальных), рабочих и расчетных циклов ЛВС.
Рассматриваются:
- процессы наполнения, сжатия, смесеобразования и сгорания, расширения и выпуска расчетных и действительных циклов четырех- и двухтактных дизелей с наддувом и без наддува;
- параметры, характеризующие мощность и экономич ность дизеля и способы повышения мощности.
При изложении вопросов теории рабочих процессов порш невого ЛВС особое внимание уделяется рассмотрению различ ных эксплуатационных факторов. Материал излагается с уче том опубликованных за последние годы исследований. В кни ге используются результаты исследований, выполненных в ла боратории ЛВС ЛВВМИУ.
Книга предназначается в качестве учебного пособия для курсантов и слушателей ВВМИУ, может быть использована ко рабельными инженерами-механиками и инженерно-техническими работниками, связанными с эксплуатацией корабельных и су довых дизелей.
Вцелях обеспечения самостоятельной работы с книгой
вконце каждой главы даются вопросы для повторения.
П р е д и с л о в и е
Книга написана в качестве учебного пособия по разделу "Теория рабочих процессов пориневого двигателя корабель ных ДВС" курса "Корабельные двигатели внутреннего сгора ния".
В разделе "Теория рабочих процессов корабельных ДВС” изучаются:
-теория рабочих процессов порнневых двигателей внутреннего сгорания и способы повыиения их агрегатной мощности;
-основы теории агрегатов наддува;
-совместная работа пориневого ДВС и агрегатов над
дува;
-характеристики пориневых и турбопориневых корабель ных ДВС, нмевших различные схемы наддува.
Данное учебное пособие является частью раздела "Тео рии рабочих процессов корабельных ДВС” . Оно посвящено рас смотрению вопросов теории рабочих процессов пориневого двигателя внутреннего сгорания, знание которых необходимо для изучения последующих глав и разделов курса.
За последние годы отдельными авторами [3, 19] и кол лективами [7, 10] кафедр двигателей внутреннего сго рания написан и издан ряд учебников по двигателям внутрен него сгорания, в том числе и по теории рабочих процессов. Опубликованные учебники написаны в соответствии с програм мами и профилем подготовки специалистов, выпускаемых соот ветствующими ВТУЗами. Поэтому в них не нанял освещения не которые важные вопросы, необходимые для подготовки кора
3
бельных инженеров-механиков. Кроме того, примеры, подтвер ждающие отдельные положения теории и опытные графические зависимости, как правило, приводятся для дизелей, либо совсем не применяющихся в качестве главных корабельных двигателей, либо имеющих ограниченное применение в ВМФ. Разбросанность необходимых сведений по большому числу различных по стилю изложения и направленности учебников вызывает значительные трудности при изучении слушателями и курсантами курса "Корабельные двигатели внутреннего сгорания". Эти обстоятельства и побудили авторов написать учебное пособие, содержащее необходимые сведения по тео рии корабельных ДВС и отвечающее требованиям программы и количеству часов, отведенных учебным планом.
Авторы использовали опубликованные за последние пять лет в открытой печати результаты исследований по корабель
ным двигателям |
внутреннего |
сгорания, а также результаты |
||
исследований, |
выполненных |
в |
лаборатории ДВС |
ЛВВМИУ. |
В учебном пособии приняты |
все обозначения и термины, при |
|||
меняемые при чтении лекций. |
|
|
||
Предисловие, введение и гл. |
X написаны А. Н. |
Черныше |
||
вым; главы I-IX и гл. XI - Р. М. Васильевым-Южиным. Авторы приносят благодарность тт. Е. И. Минаеву,
Е. И. Соловьеву, А. А. Косенко за ценные замечания, сде ланные при просмотре рукописи данного учебного пособия, а также научному редактору Г. А. Чижову за помощь, оказан ную в подготовке книги к изданию.
В в е д е н и е
|
Среди всех типов тепловых машин |
двигатели |
внутренне |
го |
сгорания (ЛВС) в настоящее время |
наиболее |
универсаль |
ны |
и имеют широкое применение как в |
Вооруженных Силах, |
|
так и в различных областях народного |
хозяйства. |
||
За последние годы в составе энергетических установок кораблей получили широкое применение турбопоршневые дви гатели. Основу турбопоршневого двигателя составляют четы ре главных элемента:
1)поршневой двигатель внутреннего сгорания с вос пламенением топлива от сжатия (дизель) для превращения выделившегося тепла в индикаторную работу внутри цилинд ра и передачи ее на вал;
2)компрессор (или система компрессоров) для пред варительного сжатия воздуха перед его поступлением в ци линдры поршневого двигателя;
3)холодильник для охлаждения воздуха, сжатого в компрессоре, перед его поступлением в цилиндр поршневого двигателя ;
4)газовая турбина (или система турбин) для осуще ствления продолженного расширения газов после выхода их из цилиндров поршневого двигателя и преобразования энер гии выпускных газов в работу, используемую для привода компрессора или передаваемую на вал дизеля.
Турбопоршневые двигатели имеют различные схемы. В со ставе корабельных установок наибольшее распространение получили турбопоршневые двигатели, имеющие следующие типы
связей компрессора и турбины с дизелем:
5
- механическую или гидравлическую связь - вал ком прессора и вал турбины связаны между собой и с валом ди зеля посредством механической или гидравлической переда чи. Такие двигатели получили название двигателей с под
ключенным газотурбинным |
наддувом (например И503); |
|
- газовую связь - |
валы компрессора и турбины жест |
|
ко связаны между собой, |
но |
не связаны непосредственно с |
валом дизеля; компрессор и |
турбина имеют с дизелем лишь |
|
общие воздушные и газовые коммуникации. Двигатели с таким типом связи получили название двигателей со свободным газотурбинным наддувом (например Дл42);
- комбинированную связь - характерным признаком это го двигателя является двухступенчатое сжатие воздуха.
Турбопорнневой двигатель с комбинированной связью так же называют двигателем с комбинированной системой наддува (например 40Д).
К числу турбопорвневых двигателей относятся также без дельные мотогенераторы. В мотогенераторнон турбопороневом двигателе мощность дизеля полностью расходуется на привод компрессора, полезная же мощность снимается с газовой тур бины, использующей энергию газов, выходящих из дизеля.
Поршневой двигатель превращается в генератор газа. Нотогенераторные турбоцоршневые двигатели не получили
широкого применения в составе корабельных энергетических установок и поэтому в курсе корабельных ДВС не рассматри ваются.
В разделе "Теория рабочих процессов корабельных дви гателей внутреннего сгорания" изучаются:
- теория рабочих процессов поршневых двигателей внутреннего сгорания и способы повышения их агрегатной мощности;
- основы теории агрегатов наддува (компрессоров и газовых турбин);
- совместим работа поршневого двигателя внутренне го сгорания (дизеля) и агрегатов наддува;
б
- характеристики поршневых и турбопорпневых кора бельных двигателей» имеющих различные типы связей компрес сора и турбины с дизелем.
Изучение теории турбопорпневых двигателей начинается с теории рабочих процессов пориневого двигателя.
Теория двигателей внутреннего сгорания есть приклад
ная наука, |
наука |
о процессах, |
происходящих в двигателях. |
Она имеет |
своей общей целью установление зависимостей: |
||
- с |
одной |
стороны, между |
основными эксплуатационны |
ми качествами двигателей (мощность - экономичность, мощ ность - надежность - срок службы и д р .);
- с другой стороны, между конструктивными особенно стями двигателя и его режимом работы.
Кроме этой общей задачи, теория двигателей внутренне го сгорания изучает и другие вопросы, выдвигаемые практи кой эксплуатации и двнгателестроения. Обобщенная теория дает возможность направлять опытные работы наиболее целе сообразно.
Знание теории двигателей внутреннего сгорания необхо димо как инженеру, занимающемуся эксплуатацией двигателей, так и ннженеру-конструктору. Объем необходимых знаний оп ределяется их применением на практике. Инженер-механик, занимающийся эксплуатацией корабельных двигателей внутрен него сгорания, должен хорошо изучить те разделы теории,
которые необходимы для технически грамотной эксплуатации
две.
Мощность, экономичность, надежность работы и долго вечность двигателя зависят от совершенства рабочего цикла.
Показатели рабочего цикла пориневого двигателя опреде ляются из индикаторной диаграммы. Следовательно, индика торная диаграмма отражает в главных чертах качество рабо чего цикла двигателя.
Все сказанное выше о значении рабочего цикла и его ин дикаторной диаграммы ухе давно побуждает инженеров-иссле- дователей и ученых создавать теоретические модели, упро-
7
щенно отображающие реальный рабочий цикл двигателя. Теоре тические циклы, являющиеся моделями действительных циклов, строятся на базе термодинамики. Теоретические циклы легко описываются математически, и ото дает возможность выпол нить анализ и установить качественную связь между отдель ными факторами и показателями рабочего цикла.
Известные из курса термодинамики циклы с изохорным, изобарным и смешанным подводом теплоты являются моделями первого теоретического приближения рабочих циклов двига телей внутреннего сгорания.
Поскольку при исследовании идеальных циклов не учиты ваются химическое изменение состава рабочего тела, гидрав лические потери з течение процессов впуска и выпуска, за висимость теплоемкости от температуры, тепловые потери в
стенки от неполноты сгорания, |
постольку результаты исследо |
вания дают не количественную, |
а лишь качественную карти |
ну влияния некоторых факторов |
на использование тепла в |
двигателе. |
|
Моделью второго теоретического приближения к действи тельному циклу поршневого двигателя внутреннего сгорания является расчетно-теоретический цикл, разработанный про фессором Московского высшего технического училища (МВТУ) В. И. Гриневецким. Этот метод расчета рабочего цикла учи тывает изменение химического состава рабочего тела в про цессе сгорания, гидравлические потери в процессах впуска и выпуска, зависимость теплоемкости от температуры, сум марные тепловые потери в стенки и от неполноты сгорания.
При правильном выборе исходных величин тепловой рас чет по методу В. И. Гриневецкого дает удовлетворительное соответствие вычисленных значений среднего индикаторного давления и к. п. д. цикла значениям, определенным опытным путем. Метод В. И. Гриневецкого - Е. К. Мазинга позволяет ориентировочно рассчитать ряд параметров, дающих нагляд ное представление о протекании основных процессов в дви гателе. Четкость определения этих параметров, правильность
9
качественной оценки влияния различных факторов на эти па раметры и на весь рабочий процесс, а также простота мате матического аппарата обусловили широкое распространение
винженерной практике метода В. И. Гриневецкого. Вместе
стем этот метод обладает рядом существенных недостат
ков, главные из которых следующие:
-метод не дает возможности установить количествен ную зависимость отдельных параметров рабочего процесса от конструктивных элементов двигателя, режима и условий его работы. Например, изменение по времени или углу поворота коленчатого вала давления и температуры газов в течение процесса сгорания не может быть вычислено методом класси ческого теплового расчета;
-метод не позволяет рассчитывать другой важный по
казатель |
цикла - скорость нарастания давления; |
|||
|
- |
в тепловом |
расчете, выполненном по |
этому методу, |
не |
учитывается влияние на показатели цикла угла опереже |
|||
ния подачи топлива |
- фактора, практическое |
влияние которо |
||
го |
очень |
велико; |
|
|
-ве-личина максимального давления цикла также не мо жет быть определена расчетным путем, ею приходится зада ваться ;
-метод не позволяет рассчитать процессы выпуска, продувки, наполнения и др.
Таким образом, метод В. И. Гриневецкого, раскрывающий физическую сущность отдельных рабочих процессов, происхо дящих в поршневых двигателях внутреннего сгорания, не яв ляется таким расчетным аппаратом, который позволял бы еще в стадии проектирования выбирать наивыгоднейшие элементы дизеля и судить о качестве двигателя в эксплуатации.
Разработанный В. И. Гриневецким метод теплового рас чета явился тем началом, вокруг которого концентрирова лись последующие исследования в области теории рабочих процессов поршневых ЛВС. Метод В. И. Гриневецкого получил развитие в трудах профессора Е. К. Маэинга, Н. Р. Брилин-
Э