1. Теплові машини і розвиток техніки Розвиток енергетики є однією з найважливіших передумов науково-технічного...
2. карбюраторний двигун
3. двигун Дизеля
4. Парова турбіна
5. газові турбіни
6. турбореактивний двигун
7. ракетні двигуни
8. література

Теплові машини і розвиток техніки

Розвиток енергетики є однією з найважливіших передумов науково-технічного прогресу. Потужний розквіт промисловості і транспорту в XIX в. був пов'язаний з винаходом і удосконаленням першого теплового двигуна - парової машини. Створення парових, а потім газових турбін і двигунів внутрішнього згоряння повністю змінило всю енергетику, дозволило створити великі морські судна, автомобільний і повітряний транспорт, створити космічні ракети, побудувати теплові електростанції і на цій основі реорганізувати всю промисловість.

Вперше практично діючі універсальні парові машини були створені І. І. Ползуновим (1763 г.) і Д. Уатт (1764 г.).

Конструкція перших парових машин мала основні частини всіх наступних теплових машин: нагрівач, в якому звільнялася енергія палива; водяна пара як робоче тіло і поршень з циліндром, що перетворює внутрішню енергію пара в механічну енергію; охолоджувач, необхідний для зниження температури і тиску пари.

Перші парові машини, природно, мали серйозні конструктивні недоліки. Наприклад, бажання зробити котел дешевим і безпечним в роботі призводило до необхідності використовувати пар низького тиску, а для отримання більшої потужності це змушувало робити циліндри діаметром близько 2 м з ходом поршня 3 м. Відповідно до цього доводилося збільшувати і всі інші деталі машини. Так, водопідйомна машина Ньюкомена - Коулі досягала висоти 4-5-поверхового будинку.

Подальше вдосконалення парових машин, підвищення температури і тиску пари дозволило істотно зменшити їх розміри і підвищити потужність. Це уможливило використання парових машин на судах (пароплави) і на залізничних локомотивах (паровози), а також в стаціонарних установках для приводу верстатів.

Головним недоліком парових машин був низький ККД, що не перевищує 9%.

Поршневий двигун внутрішнього згоряння

Серед способів збільшення ККД теплових двигунів один виявився особливо плідним. Сутність його полягала в зменшенні втрат теплоти за рахунок перенесення місця спалювання палива і нагрівання робочого тіла всередину циліндра. Звідси і походження назви «двигун внутрішнього згоряння» (ДВС). Природно, що для двигунів внутрішнього згоряння найбільш зручним паливом є газоподібне або рідке.

Перший двигун внутрішнього згоряння був створений в 1860 р французьким інженером Е. Ленуаром. Цей двигун не мав труби, топки і котла, але в основному конструктивно не відрізнявся від парової машини. Замість пара в циліндр при русі поршня засмоктувалася суміш светильного газу і повітря. Коли поршень проходив відстань, рівну половині свого ходу, закривався впускний клапан і горюча суміш запалала електричної іскрою. Під тиском продуктів згоряння поршень рухався далі, здійснюючи робочий хід. В кінці робочого ходу відкривався випускний клапан, і поршень при зворотному ході виштовхував продукти згоряння з циліндра.

ККД першого двигуна внутрішнього згоряння був 3,3%. Однак нові двигуни незабаром були значно вдосконалені. У 1862 р французьким інженером Боде Роша було запропоновано використовувати в двигуні внутрішнього згоряння чотиритактний цикл: всмоктування, стиснення, горіння і розширення, вихлоп. Ця ідея була використана німецьким винахідником Н. Отто, побудував в 1878 р перший чотиритактний газовий двигун внутрішнього згоряння. ККД цього двигуна досягав 22%, що перевищувало значення, отримані при використанні двигунів всіх попередніх типів.

карбюраторний двигун

Розвиток нафтової промисловості в кінці XIX в. дало нові види палива - гас, бензин. У бензиновому двигуні для більш повного згоряння палива перед впуском в циліндр його змішують з повітрям в спеціальних змішувачах, званих карбюраторами. Повітряно-бензинову суміш називають горючою сумішшю.

Розрахунки показують, що для повного згоряння суміші на одиницю маси бензину повинно припадати не менше 15 одиниць маси повітря. Це означає, що робочим тілом в двигунах внутрішнього згоряння фактично є повітря, а не пари бензину. Паливо тут спалюється для нагрівання повітря. При русі поршня від верхнього положення до нижнього через впускний клапан відбувається всмоктування горючої суміші в циліндр (рис. 3.27). Цей процес відбувається при постійному тиску. При зворотному ході поршня починається стиск горючої суміші. Стиснення відбувається швидко, і тому процес близький до адіабатне.

Мал. 3.27

В кінці такту стиснення відбувається займання горючої суміші електричною іскрою. Швидке згорання парів бензину супроводжується передачею робочого тіла кількості теплоти Q 1, різким зростанням температури і тиску повітря і продуктів згоряння. За короткий час горіння суміші поршень практично не змінює свого положення в циліндрі, тому процес нагрівання газу в циліндрі можна вважати майже ізохорним.

Під дією високого тиску поршень далі здійснює робочий хід від верхнього положення до нижнього. Цей процес розширення робочого тіла близький до адіабатне.

В кінці робочого такту відкривається випускний клапан і робоче тіло з'єднується з навколишньою атмосферою. Випуск відпрацьованих газів супроводжується передачею кількості теплоти Q 2 навколишньому повітрю, що грає роль охолоджувача.

При тривалій роботі двигуна описаний цикл повторюється багато-кратно. Але перед початком кожного циклу необхідно звільнити циліндр від відпрацьованих газів, що не містять кисню, і зробити всмоктування горючої суміші. Це здійснюється під час двох підготовчих тактів впуску та випуску.

Для поршневих двигунів внутрішнього згоряння важливою характеристикою, що визначає повноту згоряння палива та значно впливає на значення ККД, є ступінь стиснення горючої суміші: ε = V 2 / V 1, де V 2 і V 1 - обсяги на початку і в кінці стиснення. Зі збільшенням ступеня стиснення зростає початкова температура горючої суміші наприкінці такту стиснення, що сприяє більш повному її згорянню. У сучасних карбюраторних двигунів ступінь стиснення зазвичай становить 8-9. Подальшого збільшення ступеня стиснення перешкоджає самозаймання (детонація) горючої суміші, що відбувається ще до того, як поршень досягне верхньої мертвої точки. Це явище завдає руйнівної дії на двигун і знижує його потужність і ККД. Досягти зазначених ступенів стиснення без детонації вдалося шляхом збільшення швидкості руху поршня при підвищенні числа обертів двигуна до 5-6 тис. Об / хв і застосування бензину зі спеціальними антидетонаційними присадками.

двигун Дизеля

Щоб підвищити ККД двигуна внутрішнього згоряння, німецький інженер Р. Дизель в 1892 році запропонував використовувати ще більші ступеня стиснення робочого тіла і розширення при постійному тиску.

Високий ступінь стиснення без детонації досягається в двигуні Дизеля за рахунок того, що стисненню піддається не горюча суміш, а повітря. Після закінчення процесу стиснення в циліндр впорскується пальне. Для його запалення не потрібно ніякого спеціального пристрою, так як при високому ступені адиабатного стиснення повітря його температура підвищується до 600-700 ° С. Пальне, впорскується за допомогою паливного насоса через форсунку, запалюється при зіткненні з розпеченим повітрям.

Подача палива управляється особливим регулятором, в результаті чого процес горіння протікає не настільки короткочасно, як в карбюраторному двигуні. Тому частина процесу розширення, поки здійснюється подача палива, відбувається ізобарно, а потім адіабатно. При зворотному русі поршня здійснюється випуск.

Сучасні дизелі мають ступінь стиснення 16-21 і ККД близько 40%.

Парова турбіна

Спроби сконструювати парову турбіну, здатну конкурувати з паровою машиною, до середини XIX ст. були безуспішними, так як в механічну енергію обертання турбіни вдавалося перетворювати лише незначну частину кінетичної енергії струменя пара.

Перша парова турбіна, що знайшла практичне застосування, була виготовлена ​​шведським інженером Г. Лавалем в 1889 р Її потужність була менше 4 кВт при частоті обертання ротора 500 об / с. При конструюванні парової турбіни треба вирішити дві проблеми. По-перше, слід домогтися, щоб внутрішня енергія пара в максимальному ступені перетворювалася в кінетичну енергію струменя, що виривається з сопла. По-друге, слід домогтися, щоб кінетична енергія струменя в максимальному ступені пере-давалася лопаток ротора турбіни. Обидві ці завдання Лаваль вирішив.

Для економічної роботи турбіни потрібні надзвукові швидкості обертання ротора. Але при таких швидкостях ротор турбіни повинен зруйнуватися силами інерції. Для вирішення цієї суперечності доводиться конструювати турбіни, ротор яких обертається зі швидкістю, меншою оптимальної. Щоб повніше використовувати кінетичну енергію струменя пара, турбіни роблять багатоступінчатими, насаджуючи на загальний вал кілька роторів зростаючого діаметру. Через недостатньо великій швидкості обертання пар віддає тільки частину своєї кінетичної енергії ротора меншого діаметру. Потім пара, який відпрацював в першого ступеня, направляється на другий ротор більшого діаметра, де віддає його лопаток частина залишилася кінетичної енергії, і т. Д. Отработавший пар конденсується в охолоджувачі-конденсаторі, а тепла вода прямує в котел.

ККД сучасних парових турбін досягає 40%. Тому електричні генератори всіх теплових і атомних електростанцій наводяться в дію паровими турбінами.

Так як температура пара, що застосовується в сучасних паротурбінних установках, не перевищує 580 ° С, а температура пари на виході з турбіни зазвичай не нижче 30 ° С, максимальний ККД паротурбінної установки як теплової машини дорівнює 64%, а реальні значення ККД паротурбінних конденсаційних електростанцій досягають лише близько 40%.

Паротурбінні двигуни знайшли широке застосування на водному транспорті. Їх застосування на сухопутному транспорті і тим більше в авіації перешкоджає необхідність мати топку і котел для отримання пара, а також велика кількість води для використання в якості робочого тіла.

газові турбіни

Думка про усунення топки і котла в тепловій машині типу турбіни за рахунок спалювання палива в самому робочому тілі давно займала конструкторів. Але розробка таких турбін внутрішнього згоряння, в яких робочим тілом є не пара, а розширюється від нагрівання повітря, стримувалася відсутністю матеріалів, здатних працювати тривалий час при високих температурах і великих механічних навантаженнях.

Газотурбінна установка складається з повітряного компресора 1, камер згоряння 2, газової турбіни 3 і випускного сопла 4 (рис. 3.28).

Мал. 3.28

Компресор складається з ротора, укріпленого на одній осі з турбіною, і нерухомого направляючого апарату. При роботі турбіни ротор компресора обертається, засмоктуючи повітря; тиск повітря за першим рядом лопаток підвищується. За першим рядом лопаток ротора розташований ряд лопаток нерухомого направляючого апарату компресора, за допомогою якого змінюється напрям руху повітря і забезпечується можливість його подальшого стиснення за допомогою лопаток другого ступеня ротора і т. Д. Кілька ступенів лопаток компресора забезпечують підвищення тиску повітря в 5-7 разів . Процес стиснення протікає майже адіабатно, тому температура повітря значно підвищується, досягаючи 200 ° С і більше.

Стиснене повітря надходить в камеру згоряння 2. Одночасно через форсунку в неї впорскується під великим тиском рідке паливо - гас, мазут. При горінні палива повітря, службовець робочим тілом, нагрівається до 1500-2200 ° С. Нагрівання повітря відбувається при постійному тиску, тому повітря розширюється і швидкість його руху збільшується.

Рухомі з великою швидкістю повітря і продукти горіння направляються в турбіну 3. Переходячи від щабля до щабля, вони віддають свою кінетичну енергію лопаток ротора турбіни. Частина отриманої турбіною енергії витрачається на обертання компресора, а решта використовується, наприклад, для обертання гвинта літака або ротора електричного генератора.

Для запобігання лопаток турбіни від руйнівної дії розпеченої і високошвидкісний газового струменя в камеру згоряння нагнітається значно більше повітря, ніж необхідно для повного спалювання палива. Повітря, що входить в камеру згоряння за зоною горіння палива, знижує температуру газового струменя, що спрямовується на лопатки турбіни. Зниження температури газу в турбіні веде до зниження ККД, тому вчені й конструктори ведуть пошуки шляхів підвищення верхньої межі робочої температури в газовій турбіні. У деяких сучасних авіаційних газотурбінних двигунах на вході в турбіну температура газу досягає 1330 ° С.

Отработавший повітря разом з продуктами згорання при тиску, близькому до атмосферного, і температурі понад 500 ° С зі швидкістю понад 500 м / с викидається в атмосферу або (для підвищення ККД) направляється в теплообмінник, де віддає частину енергії на нагрівання повітря, що надходить в камеру згоряння.

Цикл роботи газової турбіни аналогічний циклу поршневого ДВС. Різниця лише в тому, що в поршневому ДВС його чотири такту відбуваються послідовно в часі в одному місці - циліндрі, а в газовій турбіні ті ж такти відбуваються одночасно в різних ділянках: всмоктування і стиснення повітря - в компресорі, спалювання палива - в камері згоряння, робочий хід - в турбіні і випуск - в випускному соплі.

ККД газотурбінних установок досягає 25-30%. У газотурбінних двигунів немає громіздких парових котлів, як у парових машин і парових турбін, немає поршнів і механізмів, що перетворюють зворотно-поступальний рух в обертальний, як у парових машин і двигунів внутрішнього згоряння. Тому газотурбінний двигун займає втричі менше місця, ніж дизель тієї ж потужності, а його питома маса (відношення маси до потужності) в 6-9 разів менше, ніж у авіаційного поршневого ДВС. Компактність і швидкохідні в поєднанні з великою потужністю на одиницю маси визначили першу практично важливу сферу застосування газотурбінних двигунів - авіацію.

Літаки з гвинтом, насадженим на вал газотурбінного двигуна, по-з'явилися в 1944 р Турбогвинтові двигуни мають такі відомі літаки, як Іл-18, Ан-22, Ан-124 «Руслан».

турбореактивний двигун

Газова турбіна може бути використана як реактивний двигун. Повітря і продукти горіння викидаються з газової турбіни з великою швидкістю. Реактивна сила тяги, що виникла при цьому, може бути використана для руху літака, теплохода або залізничного складу.

Основна відмінність турбореактивного двигуна від турбогвинтового полягає в тому, що в ньому газова турбіна використовується тільки для приведення в дію повітряного компресора і забирає у газового струменя, ви-ходить з камери згоряння, лише невелику частину енергії. В результаті газовий струмінь має на виході з сопла високу швидкість і створює реактивну силу тяги.

Успішне застосування турбореактивних двигунів в авіації почалося в 40-х роках створенням реактивних винищувачів, а перший в нашій країні реактивний пасажирський літак Ту-104 вийшов на лінію Москва - Іркутськ в 1956 р турбореактивними двигунами обладнані літаки Іл-62, Ту-154, Іл -86.

ракетні двигуни

Реактивні двигуни, які не використовують для своєї роботи навколишнє середовище, наприклад повітря земної атмосфери, називають ракетними двигунами. Основні частини ракетного двигуна - камера згоряння і сопло. В принципі для ракетного двигуна можуть бути використані різні джерела енергії, але на практиці поки застосовують в основному хімічні. При спалюванні палива в камері згоряння хімічного ракетного двигуна утворюються продукти горіння в газоподібному стані. Вихід струменя газу через сопло призводить до виникнення реактивної сили.

Конструкцію космічної ракети з рідинним реактивним двигуном (рис. 3.29) вперше запропонував в 1903 р К. Е. Ціолковський.

Мал. 3.29

Перша вітчизняна рідинна ракета «ГВРР-09» була створена в 1933 р за проектом М. К. Тихонравова. Двигун ракети працював на рідкому кисні і бензині.

Подальша успішна розробка ракетно-космічної техніки, ви-конання під керівництвом академіка С. П. Корольова, дозволила здійснити в нашій країні запуск першого в світі штучного супутника Землі (4 жовтня 1957 г.), політ навколо Землі першого в світі космонавта Ю. А . Гагаріна (12 квітня 1961 г.), запуск міжпланетних станцій на Місяць, Марс, Венеру. Рідинні реактивні двигуни для цих космічних ракет розроблені під керівництвом академіка В. П. Глушко.

Потужність першого ступеня ракети-носія «Восток» з ЖРД досягала 15 ГВт.

У 1987 р пройшла успішні випробування нова потужна універсальна ракета-носій «Енергія». Вона має стартову масу понад 2000 т, здатна виводити на орбіту понад 100 т корисного вантажу.

література

Фізика: Учеб. посібник для 10 кл. шк. і класів з поглиблений. изуч. фізики / О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Е. Е. Евенчік і ін .; Під ред. А. А. Пінського. - 2-е вид. - М .: Просвещение, 1995. - С. 185-192.