Занятие №3
«Определение среднеэксплуатационной экономичности тепловозного ЛЭУ»
Цель: рассчитать величину среднеэксплуатационной экономичности заданной ЛЭУ
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время работы (в%) при различных мощностях |
|
|
|
|||||||||||||||||
Дизель |
|
|
Тепловоз |
|
|
Поезд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дизеля (в долях) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
0,12 |
0,25 |
0,375 |
0,5 |
0,625 |
0,75 |
|
0,875 |
|
1 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2-5Д49 |
|
|
|
М62 |
|
|
Пасс. |
12 |
|
5 |
|
2 |
|
|
3 |
15 |
17 |
|
20 |
|
15 |
|
11 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
РАСХОД ТОПЛИВА ПО ТЕПЛОВОЗНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДИЗЕЛЯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тип |
|
|
Уд. Эффективный расход топлива (г/кВт.ч) в зависимости о мощности |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
дизеля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
тепловоза |
|
|
10 |
|
|
20 |
|
30 |
|
|
40 |
|
50 |
|
|
60 |
70 |
|
80 |
|
90 |
|
100 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
2-5Д49 |
|
|
300 |
|
270 |
|
250 |
|
|
235 |
226 |
222 |
220 |
217 |
216 |
217 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ГЕНЕРАТОРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
Тип ЛЭУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Частота вращения nд |
/ Мощность Ne, кВт |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
0,2 |
|
0,3 |
|
0,4 |
|
0,5 |
|
|
0,6 |
|
|
0,7 |
|
|
0,8 |
|
0,9 |
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
2-5Д49 |
|
|
0 |
|
100 |
|
200 |
|
425 |
|
|
720 |
|
|
1000 |
|
1285 |
|
1780 |
|
2210 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
Номинальная мощность |
|
|
Расход топлива на холостом |
|
|||
2-5Д49 |
|
|
|
|
|
ходу |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
2940 кВТ. |
|
|
|
bx = 18,8 кг/час |
|
||
1. Расход топлива на установившихся режимах: |
|
|
|
|
|
|
|||||
geэ |
ст. |
= |
∑Nei τi gei +∑bx τx |
, кГ/кВт-ч, |
|
|
|
|
|
||
|
∑Nei τi |
|
|
|
|
|
|||||
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
(87,5 15 0,22) + (100 11 0,217) + (13,5 18,8) |
||
(12 5 0,3) + (25 2 0,27) + (37,5 3 0,25) + (50 15 0,235) + (62,5 17 0,226) + (75 20 0,222) + |
|||||||||||
еэ = |
|
|
|
(12 5) + (25 2) |
+ (37,5 3) |
+ (50 |
15) + (62,5 |
17) + (75 20) + (87,5 |
15) + (100 11) |
||
|
|
|
|
= 0,1206 кг/кВт− ч |
|
|
|
|
|
|
|
где Nе - эффективная мощность на i-том режиме, кВт
|
|
|
τi |
|
- относительное время работы на данном режиме |
|||||||||
|
|
|
|
gei |
- |
удельный эффективный расход топлива для данного режима, кГ/кВт-ч |
||||||||
|
|
|
|
bx |
|
- |
|
расход топлива на холостом ходу |
|
|
||||
|
|
|
τx |
|
- |
|
относительное время работы на холостом ходу. |
|||||||
Корректирование расхода топлива с учётом переходных процессов: |
||||||||||||||
g |
eэ |
= g |
|
ст. К |
пер. |
, кГ/кВт-ч, |
|
|
Кпер = 1,03 – коэффициент переходных режимов |
|||||
|
|
|
|
|
eэ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Кпер = 1,02 ÷ 1,05 для 2 − 5Д49 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
э = 0.120 1.03 = 0.124 кг/кВт −ч |
||
Определить среднеэксплуатационную мощность дизеля: |
||||||||||||||
N |
|
|
|
= |
∑Nei τi |
, кВт |
|
5947 |
||||||
eэ |
|
|
|
|
∑τi |
|
= |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
88 2940 = 1987 кВт |
|
2.Время работы ЛЭУ в эксплуатации без дозаправки топливного бака:
τ |
э |
= |
Qб |
, ч, |
|
geэ Neэ |
|
||||
|
|
6500 |
|
||
|
|
|
= 26,3 ч |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
э = 0,120 1987 |
Qб - ёмкость бака 2-5Д49 6,5 тонн.
3.Показатель топливной экономичности дизеля:
В = |
geэ |
|
|
|
|
|
|
д |
gен |
0,120 |
|
|
= 0,57 |
||
|
|
Вд = 0,217 |
Вывод
Основной причиной повышенных расходов топлива является длительная работа на ХХ и наличие переходных процессов.
Занят ие №4
«ПОСТРОЕНИЕ РАСЧЁТНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ»(процессы
наполнения и сжатия)
1.Цель занятия
Определение контрольных точек и построение индикаторной диаграммы для номинального режима в координатах Р(φ) и Р( V), то есть необходимых для реализации заданной мощности двигателя (целесообразно использовать результаты практического занятия №1 или задания по курсовому проекту).
2.Методика исследования
Все расчёты проводятся при нормальных внешних атмосферных условиях, то есть температуре окружающего дизель воздуха То = 293К и барометрическом давлении Ро = 0,105 мПа.
Процесс наполнения
Давление в конце процесса наполнения:
Ра = (0,9 – 0,96) Рs – для 4-такного двигателя. Давление наддува Рs можно определить по формуле:
P = |
4 Ts Rs GΣ τ |
|
10−6 , мПа |
|
|
|
|
|
−6 |
||
s |
|
4 370 287 7,61 4 |
|||
S D2 Z ω η |
|
|
10 = 0,382 мПа |
||
|
= 0.26 0.262 11 120,37 1 |
||||
|
|
|
v |
|
|
где Ts – температура воздуха на входе в двигатель.
Можно принять 370 – 400 К.
Rs – газовая постоянная воздуха, равная 287, Дж/кг.К
η- коэффициент наполнения, выбирается для 4-х тактных ДВС в пределах 0,9 -1,05
vω = π30nд , рад/с = 120,37 рад/с
GΣ |
- суммарный расход воздуха, кг/с |
||||
РасходΣ |
топливаT Σ |
равен0 |
: |
∑ = 0,241 2.2 14.35 = 7,61 |
|
Величину расхода воздуха можно определить: |
|||||
G = B α L ′ |
|
|
|||
BT = |
|
|
, кг/с |
|
т = 42,500 0,39 = 0,241 кг/с |
Hu eηe |
|
||||
|
4000 |
||||
|
N |
|
|
|
|
( для справки L ′ = 14,35 кг возд/кг топл., суммарный коэффициент избытка воздуха α |
Σ |
берётся |
|||
0 |
|
|
|
|
|
для выбранного типа двигателя, а Hu |
= 42500 кДж/кг). |
|
|
|
|
Часть воздуха проходит через дизель во время продувки, поэтому в цилиндрах будет фактически |
|||||
G = ϕkΣ , кг/с, |
|
= 3,105 |
= 7,61 кг/ |
|
|
находиться меньшее количество воздуха: |
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
где ϕk - коэффициент избытка продувочного воздуха для 4-тактных можно принять равным 1,0. |
|||||
После определения величины |
|
Ps необходимо |
помнить, что предельная величина давления в |
||
одноступенчатом компрессоре не должна превышать 0,15 МПа. При большем давлении наддува целесообразно применять 2-ступенчатую схему наддува с охлаждением надувочного воздуха.
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
1+0.03 |
= 391,21 |
Температура воздуха в конце наполнения равна: |
|
|||||||||
Ta |
= Ts +∆1T+γ+rγr |
Tr , К |
|
|
370+10+0.03 765 |
|
||||
где |
|
∆T |
- приращение температуры воздуха в цилиндре, равное |
|||||||
∆T = ∆Tкин. +∆Тт = (5 −8) , К |
≈ 10 |
|
|
|
||||||
Tr |
– температура остаточных газов, обычно равная (700-800), К |
|
||||||||
γr - коэффициент остаточных газов, принимаемый (0,02 – 0,05) |
||||||||||
ε- (11÷13) для Д49 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Уточняем коэффициент наполнения ηv : |
|
1.03 00..382355 391370,21 1+01.03 = 0,98 |
||||||||
ηv |
= ε −1 |
ξd1 Ps |
Ta |
1 |
+γr |
ɳ = 1111−1 |
||||
|
|
ε |
Pa |
Ts |
|
1 |
|
|
|
|
Следует помнить, что чем выше Pa , тем меньше должна быть степень сжатия ε .
Величина коэффициента дозарядки ξd1 обычно составляет 1,03 – 1,06.
Процесс сжатия
Необходимо определить параметры конца процесса сжатия воздуха в цилиндре, то есть величины
Pc и Tc .
Давление в конце сжатия
Pc = Pa εnc , |
= 0,355 111.35 = 9,05 мПа |
где nc - среднее значение показателя политропы сжатия, равное для ЛЭУ 1,32 – 1,39 (для справки,
для дизелей типа Д49 величина показателя политропы равна 1,34 – 1,36).
Политропа сжатия показывает отличие реального процесса от идеального (адиабатного с показателем адиабаты 1,41), то есть без теплообмена с реальной средой.
При больших значениях наддува величины |
Pc |
достигают значений 9,5 – 10,5 мПа. |
||
Tc =Ta εnc −1 , К |
|
= 391,21 111.35−1 = 905,53 К |
||
Температура воздушного заряда в конце сжатия |
|
|
||
Следует помнить, что по условиям надёжного самовоспламенения величина Tc |
≥ 750K . |
|||
Промежуточные значения давления |
процесса |
сжатия нужно определить |
по политропному |
|
уравнению
P V = const ,
где nc – истинный показатель политропы сжатия, изменяющийся по ходу сжатия, что зависит от
реального процесса теплообмена в цилиндре.
Следовательно, для подсчётов принимается ранее принятое значение.
Тогда величина |
P = |
Constn . |
|
|
v c |
Значения (не более 5-7 значений) V берутся на участке сжатия.
Далее на миллиметровой бумаге вычерчивается индикаторная диаграмма в координатах P(V ) и
P(ϕ) .
ЗАНЯТИЕ № 5
«ПОСТРОЕНИЕ РАСЧЁТНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ»
(процессы сгорания и расширения)
3. |
Цель занятия |
|
|
|
Определение в точке « z » контрольных значений давления и температуры |
Pz , Tz |
и степени |
||
предварительного и последующего расширения ρ и δ . |
|
|
|
|
Построение индикаторной диаграммы в координатах P(ϕ) и |
P(V ) , то есть необходимых для |
|||
реализации заданной мощности двигателя (использовать результаты |
практического |
занятия |
№4 по |
|
расчёту процессов наполнения и сжатия). |
|
|
|
|
4. |
Методика исследования |
|
|
|
Все расчёты проводятся при нормальных внешних атмосферных условиях, то есть температуре окружающего дизель воздуха То = 293 К и барометрическом давлении Ро = 0,105 мПа.
Процесс сгорания
Весовой элементарный состав дизельного топлива принимаем равным:
С = 0,86, Н = 0,13 и О = 0,01
Для определения |
Tz |
используем известное уравнение сгорания |
||||||||
|
ξz Hu |
|
= β |
|
mc |
|
T −(mc |
+8.314 λ) T |
||
α L0 (1+γr ) |
|
|
||||||||
|
|
z |
|
pz |
z |
vc |
c |
|||
|
0.66 42500 |
|
|
|
|
|
|
|
||
2.2 0.486 (1 + 0.03) = 1.025 ( + ) −(21,58 + 8.314 1.55) 905,5 |
||||||||||
24132,5 = 1.025 ( + 2) |
−36275 |
|
→ 0.0025 2 + 28.03 −60407,5 = 0 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
= 1936 |
|
где ξz - коэффициент использования теплоты в точке z; |
||||||||||
Величина |
ξz =ξ χ = 0,66 |
|
|
|||||||
|
ξ = 0,8 – 0,9, а |
|
χ = 0,75 – 0,9 |
|
|
|||||
теплоёмкость свежего заряда |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= 18.576 + 0.0025 = 21,58 |
|||
βz - коэффициент молекулярного изменения в точке z, равный |
||||||
βz |
=1+ 1 |
+0 γr |
χz , |
|
= 1 + 1+01.03.−031 0.85 = 1.025 |
|
|
|
β −1 |
|
|
|
|
где β |
|
=1+ |
8H +O |
|
|
|
0 |
32 α L |
= 1,03 |
|
|||
|
|
|
||||
0 = 1 + 32 2,2 0.486 |
- теоретический коэффициент молекулярного изменения |
|||||
|
|
8 0,13+0,010 |
|
|||
α- коэффициент избытка продувочного воздуха ( см. занятие №4)
χ- коэффициент выделения теплоты в точке (z). Можно принять 0,85.
Из курса теплотехники известно, что средняя молярная теплоёмкость равна mcpz = a +b Tz =28.03+0.0025*1936 = 33,7
где
a=
b=
коэффициенты определяются по известным формулам: |
+ 8.314 = 28.03 |
|||||||
α |
|
|
|
+8.314 = 20.46 0.85+(22.2.2−0.85) 19.5 |
||||
20, 46 χ +(α −χ) 19, 26 |
|
|
|
|
|
|||
1000 α ) |
|
2,5 |
= |
1000 2.2 |
= 0.0029 |
|
|
|
3,6 χ +(α −χ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда величину Tz найдём по уравнению сгорания:
A T 2 + B T |
−C = 0 |
Т = 1936 |
|
z |
z |
|
|
|
|
||
Необходимо иметь в виду, что для эффективного сгорания величина должна удовлетворять условию:
Tz ≤ 2200K
Далее определяются максимальное давление сгорания ( pz ) и степень предварительного расширения
( ρ ): |
|
c |
= 1.55 |
905,5 = 1.41 |
ρ = |
λz Tz |
1.025 |
1936 |
|
|
β |
T |
|
|
= = 1. 9,05 = 14,03
2.2. Процесс расширения
Необходимо найти параметры Pb и Tb в конце расширения, и затем построить политропу
расширения.
Степень последующего расширения равна:
Величина Tb = δn2 −1 |
β , К (1) |
|
|
|
Tz |
βz |
|
= 11 = 7,77
δ = ερ 1.41
= 9.8119361.27−1 01..875029 = 946
где n2 - среднее значение показателя политропы расширения
В уравнении (1) два неизвестных Tb и n2 , поэтому для его решения используем
дополнительно уравнение теплового баланса на линии расширения:
= 16034−8,314 900 + 1 = 1,27 n2 = A1 −8,314′′ Tb +1 42422−22,58 900
B1 −mcv Tb
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
= 8.314 10,.875029 1997 = 16034 |
|||||
A1 =8.314 ββz Tz |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
β =1+ |
8H +O |
|
|
|
1 |
|
-коэффициент молекулярного изменения при полном сгорании |
||||||||||
|
|
|
o = r1 + |
8 0,13 + 0,01 |
|
1 |
= 1.029 |
||||||||||
|
|
|
32 α L |
1+γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
L = 0,495, |
β |
|
|
|
|
|
32 2,2 0.495 |
1 + 0.03 |
|
||||||||
o |
|
|
|
|
z |
= β χ |
z |
= 1.029*0.85 = 0.875 |
|
|
|||||||
|
α |
Lo (1+γr ) β |
|
|
|
β |
|
|
= 2.2 0.486 (1+0.03) 1.09 |
+ 1.029 22.73 1997 = 42422 |
|||||||
B1 = |
|
Hu (ξ −ξz ) |
|
|
|
|
+ |
βz mcv′′ Tz |
42500 (0.8−0.66) |
0.875 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Величину mcv′′- среднюю теплоёмкость продуктов сгорания приравниваем теплоёмкости
свежего заряда ( mc |
′ |
), равнойчпс |
= 19,32 + 0,0025 1936 = 24,2 |
|
|||||
" |
|
|
|
|
|
= 22,58 |
|||
= ( −х) + |
х = 21,58 (2.2 −0.85) + 24,2 0.85 |
||||||||
|
′ |
|
|
|
|
чпс |
|
2.2 |
|
mcv′ = a′+b Tср. = 22,58 |
|
|
|
||||||
где Тср. = |
Та +Тср. |
|
|
|
|
|
|
||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициенты а′ и b определяются по формулам:
а′ = 4,74 + 0,39α
= 4.74 02.39.2 = 4.91 |
102 + |
44 |
|
|
и b = |
|
α |
= 1.22*10-3 |
|
105 |
|
|||
Далее решаем уравнения (1) и (2) методом итераций:
1). Задаёмся значением Tb в диапазоне 900 – 1200 К
2). Находим n2 из уравнения (1).
3). Подставляем n2 в уравнение (2) и определяем Tb .
4). Если |
|
|
−Tb) /Tb |
|
|
|
|
(Tb |
|
получается более 0,01, то расчёт рекомендуется повторить. |
|||||
Для тепловозных ЛЭУ обычно n2 = 1,21 – 1,28, а Tb |
= 900-1200К |
||||||
Определяем давление в конце процесса расширения: |
|
||||||
|
|
= 9.811.27 = 0,618 |
|
|
|||
Pb = |
Pz |
11,24 |
|
(для справки обычно Pb |
= 0,5 – 1,0). |
||
δn2 |
|
||||||
Промежуточные значения давлений газов в цилиндре ЛЭУ в процессе расширения можно найти по уравнению политропы расширения P V n2 =Const
Задавшись несколькими значениями объёма V , найдём соответствующие величины
P = Const
V n2 .
Далее на миллиметровой бумаге дополнительно к итогам по заданию №4 вычерчивается индикаторная диаграмма в координатах P(ϕ) и P(V ) для процессов сгорания и расширения.