Деякі теплові машини

Розглянемо роботу деяких теплових машин, які застосову­ються в техніці.

Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Конструкція і принцип дії бензинового двигуна внутрішнього згоряння були вже розглянуті у 8-му класі. Повторимо цей матеріал і дещо доповнимо його.

Чотиритактний ДВЗ складається з одного чи кількох ци­ліндрів. Розглянемо дію найпростішого одноциліндрового чо­тиритактного двигуна внутрішнього згоряння. Всередині кожного циліндра переміщається поршень (мал. 77), з’єдна­ний з кривошипно-шатунним механізмом, на колінчастий вал якого насаджено маховик. Розподільний пристрій у відповід­ні моменти відкриває і закриває клапани — впускний 1, через який в циліндр засмоктується пальна суміш, і випускний 2, з’єднаний з атмосферою. Для запалювання пальної суміші на електроди свічки С, вставленої в циліндр, подається висока напруга, і між ними проскакує іскра.

Нагадаємо принцип роботи чотиритактного двигуна. В першому такті в результаті руху поршня вниз відбувається всмоктування через відкритий впускний клапан пальної су­міші, випускний клапан закритий. Здійснюючи зворотний рух, поршень у другому такті стискає (обидва клапани закри­ті) пальну суміш, яка при цьому нагрівається. Коли поршень піднімається майже до крайнього верхнього положення, стиснута пальна суміш загоряється від електричної іскри.

Розжарені гази — продукти згоряння пальної суміші — тис­нуть на поршень і штовхають його вниз. Рух поршня переда­ється шатуну, а через нього колінчастому валу з маховиком, і поршень виконує корисну роботу. Діставши сильний поштовх, маховик продовжує обертання за інерцією і переміщає з’єд­наний з ним поршень під час наступних тактів. Таким чином, цей (третій) такт є єдиним робочим тактом із чотирьох. До моменту, коли поршень досягає крайнього нижнього положен­ня, гази сильно охолоджуються під час розширення і тиск в циліндрі падає до (2—3) • 10⁵ Па. Обидва клапани протягом тре­тього такту залишаються закритими. Нарешті, в четвертому такті поршень повертається в крайнє верхнє положення, виштовхуючи відпрацьовані гази через випускний клапан, який в цей час відкривається (впускний клапан закритий).

Графік (р, V-діаграма) зміни стану газу в циліндрі двигуна подано на малюнку 78. Протягом першого такту (І— 2) відкрито впускний клапан, йде засмоктування пальної суміші. Другий такт (2 —3) — обидва клапани закриті, поршень стискає пальну суміш — стискання. В кінці стискання за допомогою електричної іскри запалюється пальна суміш, відбувається вибух — тиск стрибком (З — 4) підвищується і починається третій такт (4 — 5) — робочий хід (клапани, як і раніше, закриті). У кінці його (точка 5) відкривається випускний клапан, тиск різко зменшується, і під тиском, трохи більшим за атмосферний, відпрацьовані гази виштовхуються в навколишнє середовище, відбувається четвертий такт (6 —7) — вихлоп. Цикл завершено, закри­вається випускний клапан, відкривається впускний, і починається новий цикл. Корисна робота за один цикл приблизно дорівнює площі фігури 2 — 3 — 4 — 5 — 6 — 2.

Широке розповсюдження таких двигунів зумовили мала маса, компактність, порівняно високий ККД (температура в циліндрі під час згоряння палива досягає 1500 °С; отже, теоретичний ККД дорівнює:

а практично ККД цього двигуна близько 30%). ДВЗ цього типу будують потужністю від 0,37 до 440 кВт. Але вони не позбавлені й істотних недоліків: працюють на дорогому високоякісному паливі, складні за конструкцією, мають дуже велику швидкість обертання вала двигуна, їх вихлопні гази забруднюють атмосферу тощо.

Економічнішим е чотиритактний дизельний двигун внутрішнього згоряння. Він працює на дешевих сортах рідкого палива і позбавлений більшості вказаних вище недоліків. Особливості його роботи такі. Під час ходу поршня вниз через впускний клапан в робочий циліндр засмок­тується не пальна суміш, а атмосферне повітря. На р, V-діаграмі (мал. 79) цей такт зображений ізобарою 1 — 2. При дальшому обертанні маховика поршень під час зворотного руху вгору адіабатно стискає повітря в циліндрі (впускний кла­пан закритий) до тиску 1,2-10⁶ Па, що веде до підвищення його температури в кінці цього такту (2 —3) до 500—700 °С. У стиснуте й розжарене повітря впорскується за допомогою паливного насоса і форсунки дизельне паливо; воно загоряється і горить значно довше за бензин. Гази, які утворюються при цьому, тиснуть на поршень і виконують корисну роботу протягом всього руху поршня вниз. Тиск газу під час роз­ширення підтримується приблизно сталим (ізобара З— 4). Після закінчення горіння впорснутої порції палива відбувається роз­ширення газу (адіабата 4 —5), і, нарешті, відкривається ви­пускний клапан. Тиск падає відповідно ізохорі 5 — 6. За час зворотного руху поршень виштовхує (вихлоп) продукти зго­ряння в атмосферу (ізобара 6 —7), і на цьому цикл завершується. Таким чином, на р, V-діаграмі робочий хід зображений ділянкою 3— 4 — 5, а корисна робота за цикл приблизно дорівнює площі фігури 2 —3— 4 — 5 — 6 — 2. ККД цього двигуна становить близько 40 %.

Дизельні двигуни встановлюють на тракторах і автомобілях, тепловозах, електростанціях невеликої потужності.

Парові й газові турбіни. Фізичний принцип дії парових турбін було розглянуто у 8-му класі. Нагадаємо його.

Головною робочою частиною турбіни є ротор — закріпле­ний на валу диск з лопатками по його ободу. Пара від парового котла спрямовується через спе­ціальні канали (сопла) на лопатки ротора. В соплах пара розширюєть­ся, тиск її падає, але зростає швид­кість витікання, тобто відбувається перетворення внутрішньої енергії пари в кінетичну енергію стру­мини.

Парові турбіни бувають двох ти­пів: турбіни активної дії, обертання роторів яких відбувається и результаті удару струмини пари об лопатки, і турбіни реак­тивної дії, в яких лопатки розміщені так, що пара, вирива­ючись зі щілин між ними, створює реактивну тягу.

Найпростіша турбіна активної дії зображена на малюнку 80. Вона скла­дається з насадженого на вал 1 одного ротора 2 і тому називається односту- пеневою. Проти зігнутих стальних лопаток 3 розміщене одне (або кілька) сопло 4. Корпус 5 турбіни забезпе­чений випускним патрубком 6.У такій турбіні пара розширюється тільки в каналі сопла. Міжлопаточні канали сопла мають сталий переріз, і пара, яка проходить ними, не розширюється, а тільки змінює напрям руху, діючи на лопатку з деякою силою. Ця сила змушує ротор і вал обертатися, виконуючи роботу за рахунок кінетичної енергії пари.

Одноступеневі турбіни мають низький ККД, їх будують лише малої потужності для приведення в рух невеликих машин. Сучасні потужні турбіни роблять багатоступеневими (мал. 81), тобто ротори таких турбін мають кілька рядів робочих лопаток, розділених нерухомими перегородками.

До позитивних якостей парової турбіни слід віднести швид­кохідність, компактність, значну потужність і велику питому потужність (потужність, яка припадає на одиницю маси дви­гуна). ККД парових турбін досягає 25 %. Недоліками їх є інерційність (значний час для пуску й зупинки), неможли­вість регулювання швидкості обертання в широких межах, відсутність зворотного ходу.

Перспективний двигун — газо­ва турбіна. Працює вона анало­гічно паровій, але робочим тілом в ній служить розжарений газ. Оскільки його температура значно вища за температуру пари, ККД газової турбіни набагато перевищує ККД парової, досягаючи 60—65 %.

Великою перевагою газових тур­бін перед паровими є відсутність громіздкої котельної установки, що дає змогу застосовувати їх не тільки для вироблення електроенергії на теплових і атомних електростан­ціях, а й на транспорті.

Як двигуни газові турбіни встановлюються на автобусах і в потягах (газо­турбовоз), на кораблях. Особливо широко застосовуються га­зотурбінні двигуни в авіації.

Реактивні двигуни. Теплові двигуни, які використовують реактивну тягу витікаючих газів, називають реактиви и- м и. Паливо в них згоряє в спеціальних камерах, і тому їх відносять до ДВЗ.

З принципом реактивного руху ви ознайомилися в 9-му класі. Коротко розглянемо кілька типів реактивних дви­гунів.

Один з найпростіших за конструкцією — прямоточ­ний повітряно-реактивний двигун (мал. 82). Він є трубою, в яку зустрічний потік нагнітає повітря, а рідке паливо впорскується в неї і підпалюється. Розжарені гази вилітають із труби з великою швидкістю, надаючи їй (за законом збереження імпульсу) реактивної тяги. Не­доліком цього двигуна є те, що для створення тяги він має рухатися відносно повітря, тобто самостійно злетіти він не може, його треба спочатку розігнати за допомогою двигуна іншого типу. Прямоточний повітряно-реактивний двигун ефективно працює на швидкостях порядку 2000— 3000 км/год, а найбільшу силу тяги розвиває за швидкості 6000— 7000 км/год.

Якщо в реактивному двигуні є турбіна, яка працює за рахунок енергії витікаючої струмини газів, і компресор, який всмоктує повітря і нагнітає його в камеру згоряння, то такий двигун називають турбокомпресорним (мал. 83). Під час запуску двигуна стартер починає обертати вал, на якому розміщені турбокомпресор 2 і газова турбіна 4. Через забірник / стискуване турбокомпресором повітря потрапляє в камеру згоряння 3, куди вбризкується паливо. Тут воно підпалюється, продукти згоряння, пройшовши через газову турбіну 4, яка обертає компресор, витікають через сопло 5, створюючи реактивну тягу.

Залежно від розподілу потужності ці двигуни поділяють на турбореактивні і турбогвинтові. В турбореак­тивних менша частина енергії пального йде на обертання газо­вої турбіни (яка приводить у дію тільки компресор), а більша частина створює реактивну тягу. У турбогвинтових, навпаки, більша частина енергії палива витрачається на обертання газової турбіни, яка, крім компресора, обертає і повітряний гвинт (пропелер), а менша частина енергії йде на створення реактивної тяги.

Дата добавления: 2015-05-23