Luận Văn Thiết kế, chế tạo động cơ Piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Thiết kế, chế tạo động cơ Piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC 2
1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước 2
1.2 Giới thiệu về động cơ piston hơi nước 6
1.2.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ piston hơi nước ban đầu . 7
1.2.3. Tính năng, ưu nhược điểm của động cơ piston hơi nước thời kì đầu 8
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới . 9
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước . 9
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9
1.4 Khả năng và phạm vi ứng dụng . 11
1.4.1 Ứng dụng trên bộ . 11
1.4.2 Ứng dụng trong tàu thủy . 12
Chương 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ 13
2.1. Thiết kế nguyên lý cơ cấu hoạt động của động cơ piston hơi nước . 13
2.1.1. Nhiệm vụ thiết kế . 13
2.1.2. Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế 14
2.1.2.1. Chu trình nhiệt động và các thông số trạngthái của động
cơ piston hơi nước . 14
2.1.2.2. Sơ đồ nguyên lý của động cơ . 21
2.2. Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơtheo yêu cầu thiết kế . 27
2.2.1. Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ 27
2.2.1.1. Quá trình sinh hơi trong nồi hơi 28
2.2.1.2. Phân tích lựa chọn phương án cấp nhiệt chođộng cơ . 29
2.2.1.3. Phân tích lựa chọn kết cấu của nồi hơi phùhợp với yêu
cầu sử dụng . 31
2.2.2. Phân tích kết cấu và lựa chon nồi hơi mới . 32
2.2.3. Tính toán các thông số của nồi hơi 41
ii
2.2.3.1. Phương pháp tính các thông số khí xả của động cơ diesel
và lượng nhiệt cấp cho nồi hơi từ khí xả . 41
2.2.3.2. Lượng khí xả G
kx
do động cơ chính xả ra 41
2.2.3.3. Lượng nhiệt cấp cho nồi hơi từ khí xả . 42
2.2.3.4. Xác định sản lượng nồi hơi khí xả . 42
2.2.4. Tính toán và kiểm nghiệm lượng khí xả trên động cơ G6300ZC17B
ảnh hưởng đến các thông số của nồi hơi tận dụng nhiệt 43
2.2.4.1. Các thông số chính của động cơ [ Phần 4 trang 16]** 43
2.2.4.2. Tính các thông số khí xả động cơ, thông sốcông tác của
nồi hơi . 43
2.2.5. Đánh giá chung về loại nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả kiểu
moduyn . 45
2.2.5.1. Về khả năng hạn chế các tổn thất nhiệt, nâng cao hiệu
suất, tiết kiệm nhiên liệu . 46
2.2.5.2. Về khả năng giảm chi phí chế tạo 46
2.2.5.3. Về khả năng đáp ứng công suất, thông số hơi và chất
lượng hơi . 47
2.2.5.4. Làm việc ổn định và an toàn . 47
2.2.5.5. Thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, vận hành, kiểm tra,
bảo dưỡng và sửa chữa . 48
2.2.6. Kết luận. . 51
2.3. Thiết kế van và mạch điều khiển van . 51
2.3.1. Cơ sở lưa chọn phương án thiết kế . 51
2.3.2. Phân tích phương án 51
2.3.2.1. Van cơ khí 51
2.3.2.2. Van điện từ . 52
2.3.3. Thành phần mạch điều khiển van . 52
2.3.3.1. Lựa chọn LED thu – phát hồng ngoại . 52
2.3.3.2. Lựa chọn kích thước đường ống, các van điện từ . 54
iii
2.3.3.3. Cảm biến quang thiết kế 55
2.3.4. Lắp đặt van hơi . 57
2.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ 57
Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO . 60
3.1. Cơ sở và chọn phương án thiết kế 60
3.2. Chọn năng suất làm việc cho động cơ 61
3.3. Thiết kế chế tạo trục . 61
3.3.1. Tính toán, thiết kế . 61
3.3.2 Chế tạo trục . 64
3.4 Thiết kế chế tạo xy lanh . 68
3.4.1. Thiết kế . 68
3.4.2. Quy trình phục hồi và gia công xilanh . 69
3.5 Thiết kế chế tạo piston . 70
3.5.1. Thiết kế piston 70
3.5.2 Chế tạo piston 73
3.6. Thiết kế chế tạo cam lệch 76
3.6.1. Thiết kế . 76
3.6.2. Chế tạo cam lệch 78
3.7. Thiết kế, chế tạo tấm phẳng 79
3.7.1. Thiết kế . 79
3.7.2. Gia công, chế tạo tấm phẳng 81
3.8 Động cơ sau khi được chế tạo hoàn chỉnh . 83
3.9 Bản vẽ lắp của động cơ 83
CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM, KẾT LUẬN ,KIẾN NGHỊ 84
4.1 THỬ NGHIỆM 84
4.2. KẾT LUẬN . 84
4.3 KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN . 85
Tài liệu tham khảo . 87
iv
DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1:Động cơ hơi nước ban đầu của James watt 3
Hình 1.2:Mô hình động cơ piston hơi nước ban đầu 5
Hình 1.3:Mô hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụng cơ cấu Cu-Lit . 6
Hình 1.4: Đặc điểm, kết cấu của động cơ piston hơi nước áp dụng trên
đầu máy xe lửa ban đầu . 7
Hình 1.5:Chảo parabol sử dụng năng lượng mặt trời 11
Hình 2.1: Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong 15
Hình 2.2:Chu trình thực của động cơ piston hơi nước trên đồthị P-V . 16
Hình 2.3:Biểu diễn quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị công (p-v) và đồ thị
nhiệt (T-s) 17
Hình 2.4: Biểu diễn quá trình đẳng áp trên đồ thị công và nhiệt . 20
Hình 2.5:Lược đồ cơ cấu tay quay con trượt 22
Hình 2.6:Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu tay quay con trượt . 22
Hình 2.7: Lực tác dụng lên cơ cấu 24
Hình 2.8: Quá trình sinh hơi trong nồi hơi biểu diễn trên đồ thị i-t. 28
Hình 2.9: Một số dạng nồi hơi khí xả thường dùng . 33
Hình 2.10: Sơ đồ kết cấu nồi hơi ống nước tuần hoàn tự nhiên, có bộ
hâm kiểu moduyn 35
Hình 2.11: Kết cấu nồi hơi khí xả cải tiến kiểu moduyn của khoa đóng
tàu trường đại học Hàng Hải . 38
Hình 2.12: Kết cấu một vỉ và kết cấu tổng thể giàn ống, phụ kiện nồi hơi
khí xả kiểu moduyn 39
Hình 2.13: Kết cấu tổng thể nồi hơi khí xả và bộ hâm nước tiết kiệm
kiểu moduyn dạng 3D . 39
Hình 2.14: Một số hình ảnh chế tạo nồi hơi khí xả và bộ hâm nước tiết
kiệm kiểu moduyn . 40
v
Hình 2.15:Sơ đồ thuật toán chương trình tính các thông số khí xả của
động cơ. . 44
Hình 2.16: Đồ thị biểu diễn quan hệ công suất có ích của động cơ chính
với nhiệt độ khí xả t
r và sản lượng hơi của nồi hơi D
h
. . 44
Hình 2.17:Cảm biến quang thu - phát độc lập 53
Hình 2.18:Cảm biến quang thu - phát chung 53
Hình 2.19:Cảm biến quang khuếch đại . 53
Hình 2.20: Cấu tạo của cảm biến quang . 54
Hình 2.21: Van điện từ 3 cửa 2 vị trí 55
Hình 2.22:Sơ đồ tổng thể của mạch cảm biến quang 55
Hình 2.23:Mô tả quá trình làm việc của pistoin trong xilanh . 58
Hình 2.24: Sơ đồ chung toàn động cơ và các chi tiết . 59
Hình 3.1: Biểu đồ momen uốn trên trục . 62
Hình 3.2: Bản vẽ kết cấu của trục 64
Hình 3.3: Sơ đồ chống tâm khi gia công trục . 66
Hình 3.4: Trục động cơ . 67
Hình 3.5: Xy lanh động cơ . 70
Hình 3.6: Bản vẽ chế tạo piston . 74
Hình 3.7: Piston của động cơ . 75
Hình 3.8: Piston của động cơ . 76
Hình 3.9: Bản vẽ thiết kế, chế tạo cam lệch. 77
Hình 3.10:Cam của động cơ 79
Hình 3.11:Bản vẽ thiết kế tấm phẳng 81
Hình 3.12: Tấm phẳng của động cơ . 82
Hình 3.13: Động cơ được lắp ráp hoàn chỉnh 83
Hình 3.14: Thử nghiệm 83
1
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay vấn đề về năng lượng đang là vấn đề cấp bách mà con người
ta đang cần phải tính toán và nghiên cứu. Nguồn năng lượng hóa thạch ngày
càng cạn kiệt vì vậy việc nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng khác thay thế
như năng lượng tận dụng từ nguồn năng lượng khí thải, hay năng lượng địa
chất đang là vấn đề ngày càng cấp thiết không chỉ của Việt Nam mà là của
toàn thế giới. Vì vậy ý tưởng của nhóm chúng em là chế tạo ra động cơ hơi
nước sử dụng năng lượng tái tạo .
Động cơ ra đời giúp tiết kiệm nguồn năng lượng đồngthời giảm thiểu
nguồn khí thải ra môi trường. Ngoài ra khi động cơ ra đời đánh dấu sự nỗ lực
tiếp cận thực tế của sinh viên ngành Động Lực nói riêng khoa kỹ thuật Giao
Thông trường đại học Nha Trang .
Việc tính toán cũng như chế tạo ban đầu gặp rất nhiều khó khăn nên
trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi sai xót. Chúng em mong các
thầy góp ý cũng như bổ sung giúp để đề tài được hoàn thiện cũng như giúp
chúng em củng cố kiến thức được vững vàng sau khi ra trường.
2
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC
1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước
Trong thời kì thập niên 60 của thế kỉ XVIII có một phát minh mà sự
thành công của nó đã giúp cho con người thoát khỏi sự hạn chế về kĩ thuật
phục vụ cuộc sống. Đó là phát minh của nhà bác học James Watt ông tổ của
máy hơi nước.
James Watt sinh ngày 19 tháng 1 năm 1736 tại mộtthị trấn ven biển
Greenock ở Scotland, ông nội là Thomas Watt giáo sưdạy trắc lượng học và
hàng hải học.
James Watt thường được mọi người gọi là nhà phátminh máy hơi
nước. Ông là một trong những nhân vật then chốt trong cuộc cách mạng công
nghiệp. Thật ra James Watt không phải là người chế tạo ra máy hơi nước đầu
tiên. Năm 1698 Thomas Savory đã được trao bằng sángchế máy bơm chạy
bằng hơi nước đầu tiên. Năm 1712, Thomas Newcomen cũng đã được trao
bằng sáng chế cải tiến máy hơi nước. Năm 1761, khi tiến hành sửa chữa một
máy hơi nước kiểu Newcomen, James Watt đã cải tạo máy hơi nước kiểu này
và tạo ra một ý nghĩa cực kì quan trọng đến nỗi mọingười phải công nhận
ông là người phát minh ra máy hơi nước đầu tiên.
3
Hình 1.1: Động cơ hơi nước ban đầu của James watt
Năm 1763-1764, tại trường đại học Glassgow, James Watt bắt đầu đặc
biệt chú ý tới máy hơi nước và xác định việc nghiêncứu nguyên lý và kết cấu
của máy hơi nước là phương hướng chủ yếu của mình.
Năm 1769, James Watt được nhận bằng độc quyền về cải tiến máy hơi
nước, một thành quả rất vĩ đại và có ý nghĩa cực kìto lớn đối với ngành công
nghiệp bấy giờ. James Watt đã cải tiến máy hơi nướcmột bộ phận có thể phân
ly để làm lạnh và cách ly các xilanh của nó. Năm 1782, ông đã phát minh ra
máy hơi nước kiểu song động. Sau khi kết hợp các phát minh đó lại ông đã
làm hiệu suất của máy hơi nước tăng lên gấp ba lần.
Tháng 6 năm 1775, giữa Boulton và James Watt đã kí một hợp đồng có
giá trị 25 năm, thành lập công ty Boulton - Watt chuyên sản xuất và tiêu thụ
loại máy hơi nước mới. Đây chính là tiền đề để cho James Watt sáng tạo ra
những cỗ máy hơi nước ngày càng tân tiến hơn. Trong25 năm sau đó công ty
của James Watt và Boulton đã sản xuất một số lượng lớn máy hơi nước cung
cấp cho thị trường thời bấy giờ.
Năm 1781, James Watt còn phát minh ra mộtbộ phận bánh xe răng để
giúp cho máy hơi nước chuyển động xoay tròn mở rộngphạm vi sử dụng cho
máy hơi nước.
4
Từ khi máy hơi nước ra đời đã có một tác dụng to lớn trong cuộc cách
mạng công nghiệp. Trước khi có máy hơi nước, mặc dùcon người đã biết sử
dụng sức gió và sức nước nhưng động lực chủ yếu vẫnlà sức lực của con
người. Từ khi xuất hiện máy hơi nước con người đã thoát khỏi sự hạn chế đó.
Ngoài việc dùng làm nguồn năng lượng cho các công xưởng, máy hơi
nước còn được ứng dụng trong giao thông vận tải. Sựứng dụng rộng rãi máy
hơi nước đã ảnh hưởng đến cuộc cách mạng trên phương tiện giao thông của
nước Anh.
Năm 1814, George Stephenson chế tạo thànhcông xe lửa chạy bằng hơi
nước, George Stephenson được suy tôn là cha đẻ của đầu máy xe hỏa. Ông là
người thợ làm trong hầm mỏ tại Anh, trước khi làm việc dưới hầm mỏ,
Stephenson đã từng quen thuộc với các loại máy hơi nước của James Watt.
Rồi theo các ý tưởng của William Murdock và RichardTrevithick, ông đã chế
tạo một đầu tàu kéo được 90 tấn trên quãng đường 85dặm. Stephenson tiếp
tục chế tạo chiếc xe nữa, nặng 4,5 tấn và bánh xe có đường kính 1,42 mét.
Chiếc thứ ba có tên là Rocket chở được 36 hành khách và chạy với tốc độ 30
dặm một giờ.
Năm 1830, Peter Cooper chế tạo chiếc đầutàu Tom Thumb dùng cho
đường xe lửa Baltimore-Ohio và xưởng đúc West Pointcho ra đời chiếc Best
Friend để sử dụng vào năm 1831 tại tiểu bang Nam Carolina trên tuyến đường
Charleston và Hamburg.
Chiếc đầu tàu xe lửa lịch sử De Witt Clinton của công ty hỏa xa
Mohawk and Hudson do xưởng đúc West Poit chế tạo cónồi hơi đặt nằm
ngang. Vào tháng 8 năm 1831, chiếc đầu tàu lịch sử kể trên đã kéo một đoàn
tàu không mui chạy trên quãng đường dài 17 dặm từ Albany tới Schenectady
trong một giờ bốn mươi lăm phút và đã đạt được vận tốc tối đa là ba mươi
dặm trên một giờ. Lúc chạy về đầu tàu này đã chạy trong một giờ đồng hồ.
5
Hình 1.2: Mô hình động cơ piston hơi nước ban đầu
Năm 1831, đầu máy John Bull được Hoa Kì nhập khẩu từ Anh để
chạy trên tuyến đường Camden và Amboy, nhưng đầu máy này quá nặng nề
đối với đường xe lửa mỏng manh của Hoa Kì.
Xưởng Rogers Locomotive ở Paterson, New yersey, các đầu tàu được
chế tạo với các xilanh nằm phía ngoài khung tàu. Chiếc đầu tàu chế tạo cho
đường xe lửa New York, New Haven và Harford đã trở thành hình mẫu trong
nửa thế kỷ cho các đầu tàu khác tại Hoa Kì. Chiếc đầu tàu này có 8 bánh, 11
xilanh dài 45 centimet.
Đầu máy Virginian có chiều dài 32,6 mét, nặng 450 tấn đủ sức kéo
được 17000 tấn.
Sự cải tiến giao thông đường thủy là đóng những chiếc tàu có thể lắp
được máy hơi nước làm hệ động lực. Ngày 19 tháng 8 năm 1807, một nhà
phát minh người Mỹ là Fullton đã thiết kế một chiếctàu chở khách chạy bằng
hơi nước thử nghiệm thành công trên sông Hudson, đồng thời đã mở ra
chuyến chạy định kì từ NewYork đến An-ba-ni.
6
Hình 1.3: Mô hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụng
cơ cấu Cu-Lit
Động cơ hơi nước hay máy hơi nước đầu tiên được sử dụng như bộ
phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy
cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường bộ khác và là nền tảng của
cuộc cách mạng công nghiệp thuở ban đầu. Thành tựu lớn nhất mà động cơ
hơi nước đạt được là sự xuất hiện của các tuốc bin hơi được sử dụng trên
nhiều lĩnh vực hiện nay.
1.2 Giới thiệu về động cơ piston hơi nước
Đối với động cơ đốt trong, piston có nhiệm vụ cùng với xi lanh và nắp
máy tạo thành buồng đốt. Piston nhận áp suất do sự giãn nở của khí cháy rồi
truyền lực cho trục khuỷu để sinh công trong quá trình cháy và nhận lực từ
trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp, nén và thải (động cơ đốt trong 4
thì), ở động cơ đốt trong 2 thì piston còn thực hiện chức năng làm van đóng
mở cửa hút và cửa xả.
Động cơ piston hơi nước thì piston có nhiệm vụ nhận hơi nước từ nồi
hơi qua van đóng mở, rồi nhờ sự giãn nở của hơi nước sinh công truyền lực


Tài liệu tham khảo
[1]* Th.S Nguyễn Ngọc Hải GS.TS Lê Viết Lượng,Kết cấu nồi hơi tận dụng
nhiệt khí xả kiểu moduyn, Trường Đại học Hàng Hải.
[2]** Th.S Nguyễn Ngọc Hải; GS.TS Lê Viết Lượng; Th.S Nguyễn Văn
Hoàn, Tính toán các thông số khí xả của động cơ diesel vàthông số công
tác của nồi hơi khí xả, Trường Đại học Hàng Hải.
[3]*** PGS.TS Quách Đình Liên, Hướng dẫn thiết kế đồ án động cơ đốt
trong, Trường Đại học Nha Trang.
[4] **** Th.S: Nguyễn Thái Vũ, Hướng dẫn thiết kế đồ án thiết bị mặt
boong,Trường Đại học Nha Trang.
[5] http//: www.greensteam.com
[6] TH.S Lê Kim Dưỡng, Nhiệt động học kỹ thuật,Trường đại học SPKT
TPHCM
[7] Lê Cung, Bài giảng cơ sở thiết kế máy, phần 1, Đại học bách khoa Đà
Nẵng, bộ môn nguyên lý chi tiết máy.
[8] Th.S Trần Ngọc Nhuần,Giáo trình lý thuyết máy, Đại học Nha Trang, bộ
môn chế tạo máy.
[9] PGS.TS Nguyễn Duy Tiến (2007), Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB
Giao thông vận tải, Hà Nội.
[10] Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải- Số 15 + 16, tháng 11 / 2008
[11] Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải- số 20, tháng 11 / 2000.
[12] Tạp chí Khoa học Công Nghệ Hàng hải- Số 21, tháng 1 / 2010.
[13] Asoc, Prof. Nguyễn Văn Nhận Engineering Thermodynamics.