|
Поиск Лекций
История создания тепловых двигателей Подготовил ученик 8Б класса МБОУ Школы №72 г.о.Самара Сергеев Олег
Самара 2017г. Ранние тепловые двигатели В I веке до н.э. Герон Александрийский создал эолипил – большой котел с водой, над которым крепится сфера. Нагревая воду, пар, выходя из двух трубок, прикреплённых к сфере, заставлял её двигать. О практическом применении эолипила ничего неизвестно, скорее всего он использовался как игрушка.
Реактивный двигатель известен человеку издавна. Так в Китае XIII века этот двигатель использовался для запуска фейерверков и для торжественно-военных парадов. И только в XX веке двигатель стали использовать для запуска ракет.
Пушки и ружья тоже можно считать тепловыми двигателями. Ведь ядро или патрон вылетали из дула путём сгорания пороха. И в этих тепловых двигателях тепловая энергия превращается в механическую.
Современные тепловые двигатели
В 1764 году Иван Ползунов создал свой паровой аппарат. Она имела поистине циклопические размеры — была высотой с трехэтажный дом, а некоторые детали весили 2,5 тонны. Работала она так: вода нагревалась в котле, склепанном из металлических листов, и, превратившись в пар, поступала в два трехметровых цилиндра. Поршни цилиндров давили на коромысла, которые соединялись с мехами, раздувавшими пламя в рудоплавильных печах, а также с водяными насосами-распределителями. Наличие двух поршней позволяло сделать процесс работы непрерывным. Была предусмотрена автоматическая подача в котел подогретой воды. Этот двигатель использовался в горном деле. В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипношатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала. Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии. Разработанные Уаттом конструкции легли в основу многих механизмов и машин. Его двигатели использовались на пароходе(1807) и паровозе(1804).
Дени Папен изучал работу поршня в цилиндре. В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был один из первых паровых котлов. Папен изобрел и впервые применил в конструкции парового котла предохранительный клапан. За цилиндр он взял вертикально поставленный ствол пушки, топливом стал порох, поднимающий поршень. Испытания закончились неудачно - ствол пушки разорвало.В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану ЭтьенуЛенуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать. К 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Николаусом Отто. В 1864 году он получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два- в Москве и Петербурге. В 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более лёгкому нефтепродукту — бензину.Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Вероятно, первым его изобретателем можно назвать Костовича О.С., предоставившим работающий прототип бензинового двигателя в 1880 году. Однако его открытие до сих пор остается слабо освещенным. В Европе в создании бензиновых двигателей наибольший вклад внес немецкий инженер ГотлибДаймлер.В 1883 году был создан первый калильный бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой трубочки, вставляемой в цилиндр.Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях оставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году он взял патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия.Дизель — поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Работает на дизельном топливе, экономичен. Применяется в основном на судах, тепловозах, автобусах и грузовых автомобилях, тракторах, дизельных электростанциях, а с середины 2000-х годов стал распространен и на легковых автомобилях. Назван по имени изобретателя Рудольфа Дизеля. Первый двигатель с воспламенением от сжатия был построен Рудольфом Дизелем в 1897 году.После нескольких неудач первый практически применимый образец, названный Дизель-мотором, был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января того же года он был успешно испытан.Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении двигателей постройки «Дизель-мотора» и «Тринклер-мотора» русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более совершенной и перспективной. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. «Тринклер-моторы» не имели воздушного компрессора, а подвод тепла в них был более постепенным и растянутым по времени по сравнению с двигателем Дизеля. Российская конструкция оказалась проще, надёжнее и перспективнее немецкой. Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля работы над двигателем в 1902 году были прекращены.В 1898 г. Эммануил Нобель приобрёл лицензию на двигатель внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля.
Первую паровую турбину создал шведский изобретатель ГустафЛаваль. По одной из версий, Лаваль создал её для того, чтобы приводить в действие сепаратор молока собственной конструкции. Для этого нужен был скоростной привод. Двигатели того времени не обеспечивали достаточную частоту вращения. Единственным выходом оказалось сконструировать скоростную турбину. В качестве рабочего тела Лаваль выбрал широко используемый в то время пар.В 1884 году английский инженер Чарлз Парсонс получил патент на многоступенчатую турбину. Турбина предназначалась для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он разработал усовершенствованную версию, которая получила широкое применение на электростанциях. В конструкции турбины был применен выравнивающий аппарат, представляющий из себя набор неподвижных венцов (дисков) с лопатками, имевшими обратное направление. Турбина имела три ступени разного давления с разной геометрией лопаток и шагом их установки. Таким образом, в турбине использовался как «активный», так и «реактивный» принцип.
|
|
poisk-ru.ru
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 08 (148) апрель 2010 года
Эти меры должны сводиться к снижению отрицательного влияния современных тепловых двигателей на окружающую среду и повышению их эффективности и экономичности. Однако производителей современных двигателей это мало волнует.Прекратить малоэффективную и дорогостоящую реанимацию морально устаревших традиционных тепловых двигателей (ТД) может только появление двигателей с технико-экономическими и экологическими показателями, в разы превышающими существующие.
Технический консерватизм
Термодинамика возникла в первой половине XIX века в связи с развитием теории тепловых машин. В качестве рабочих тел были приняты газы и водяной пар. Появились газовые законы, появился нереальный – но при этом идеальный – цикл Карно. Появились также реальные газовые и паровые рабочие циклы тепловых двигателей, ставшие классикой. Они до настоящего времени находят широкое применение в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. И по-прежнему цикл Карно считается максимально эффективным и уважаемым среди специалистов.
Таким образом, техническая термодинамика, зомбированная «эталонностью» нереального термодинамического цикла и формулы определения термического КПД Карно относительно нереального нижнего предела температуры по Кельвину, до настоящего времени твердо стоит на прежних позициях. Попыток что‑либо существенно изменить не предпринимается.
Теория тепловых машин и двигателей также остается без каких‑либо принципиальных изменений. Основой первых тепловых машин стал цилиндр с поршнем для совершения механической работы прямолинейного перемещения. Затем появился гибрид поршня с кривошипно-шатунным механизмом, позаимствованным от придуманной еще в XV веке самопрялки с ножным приводом, которая давно является музейным экспонатом.
Даже первобытному человеку на заре технического прогресса вряд ли пришла бы в голову мысль, что приводить во вращение ворот или блок рациональнее периодическими толчками в плоскости, совпадающей с осью вращения, чем приводить во вращение, создавая усилие перпендикулярно рычагу, соединенному с вращаемым валом. Однако кривошипно-шатунный механизм, реализующий этот явно нелогичный принцип, почти 250 лет используется в машинах и двигателях.
Теория тепловых двигателей, по‑прежнему зажатая рамками поршневого цилиндра со степенью расширения, равной степени сжатия, не может выйти за пределы этих рамок. Она продолжает реанимацию поршневых ДВС неполного расширения введением систем турбонаддува, распределенного впрыска, многократного впрыска, изменения фаз газорас-пределения, увлажнения воздуха, впрыска топлива в состоянии пара, регулирования подъема впускных клапанов, рециркуляции отработавших газов, высокого давления впрыска, нейтрализации выхлопных газов и регенерационных систем. К давно появившимся циклам Карно, Ленуара, Отто, Дизеля, Тринклера, Хамфри, Эрикссона, Стирлинга, Брайтона – Джоуля, Гирна, Калины добавились новые циклы Аткинсона и Миллера – но каких‑либо существенных изменений они не обеспечили.
Что возможно и невозможно в тепловых двигателях
Известно, что залогом достижения максимального термического КПД, выражаемого через количество тепла, являются как можно более высокие начальные параметры рабочего тела (давление и температура) – перед расширением и минимальные, близкие к окружающей среде, – после расширения. Кроме того, чтобы достичь такого КПД, необходимо также обеспечить и максимально эффективное преобразование давления, для чего необходим и максимально эффективный механизм преобразования давления рабочего тела во вращение вала.
Из определения термического КПД следует, что он тем выше, чем большая доля подведенной к рабочему телу теплоты превращается в работу. Естественным желанием является полное превращение теплоты в работу. Однако, по второму закону термодинамики, это невозможно. Часть теплоты должна быть отдана окружающей среде.
Из термодинамики следует, что теплота, подведенная к рабочему телу, идет на появление у рабочего тела двух видов энергии – внутренней энергии, мерой которой является температура, и потенциальной энергии давления, которая аналогична потенциальной энергии сжатой пружины. Механическую работу во всех тепловых двигателях совершает только потенциальная энергия давления.
Так как часть теплоты должна быть отдана окружающей среде, а она является носителем двух видов энергии, то ей фактически отдается и часть потенциальной энергии давления.
Соответственно, для тепловых двигателей второй закон необходимо дополнить следующим важным дополнением – часть потенциальной энергии давления рабочего тела должна быть отдана окружающей среде.
Таким образом, невозможно все давление рабочего тела использовать для совершения механической работы. Часть давления должна быть отдана окружающей среде.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, не обеспечивая более полного использования потенциальной энергии давления рабочего тела.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, преобразующих давление в механическую энергию вращения, не обеспечивая постепенного увеличения площади, воспринимающей давление, и одновременного удаления ее от центра вращения.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, используя в качестве рабочего тела только газообразное.
Достижение максимального КПД возможно только при использовании в цикле расширения дополнительного рабочего тела, обладающего иными физическими свойствами, чем газ.
Достижение максимального КПД возможно только при максимальном использовании двух видов энергии, которой обладает рабочее тело перед расширением.
Невозможно достичь максимального КПД термодинамическими и рабочими циклами, не обеспечивающими полного использования энергии, которой обладает рабочее тело перед расширением.
Для достижения максимального КПД возможно использование не только потенциальной энергии давления газообразного рабочего тела, но и его внутренней энергии – при применении ее для генерации потенциальной энергии давления рабочего тела с иными свойствами, чем у газообразного, а именно – парообразующей жидкости.
Возможна генерация дополнительного рабочего тела непосредственно в процессе расширения газообразного.
Залог высокого КПД – максимальный крутящий момент
Рабочее тело в тепловом двигателе перед расширением обладает запасом потенциальной и внутренней тепловой энергии, но только потенциальная энергия (давление) рабочего тела преобразуется в механическую работу, а не температура. Температура необходима лишь для появления давления, которое и совершает работу. Об этом свидетельствует и формула крутящего момента. Даже после расширения до атмосферного давления рабочее тело имеет высокую температуру.
Для определения основных критериев оценки идеального теплового двигателя логичнее обратиться к формуле крутящего момента (Мкр), оценивающей конечный результат работы ТД, и проанализировать, как достичь максимальной величины Мкр.
Из формулы крутящего момента Мкр = Р х S х R (где Р – давление, S – активная площадь, R – радиус действия силы) следует, что для осуществления максимально эффективной работы при расширении рабочего тела необходимо обеспечить, по меньшей мере, его постоянство и максимальную величину. Что возможно, если поддерживать в процессе расширения максимальными площадь S и радиус R (или их произведение), то есть если увеличивать сомножители, входящие в формулу Мкр.
Идеальный механизм преобразования силы давления рабочего тела во вращательное движение вала должен обеспечивать увеличение объема за счет постепенного роста активной площади S, через которую передается усилие на вал, причем – при постоянном или растущем радиусе R приложения силы. Это и дает максимально возможный Мкр и, соответственно, мощность, которая зависит уже только от оборотов вала.
Использование парообразующей жидкости
Повысить степень использования тепловой энергии газов можно с помощью парообразующей жидкости – учитывая ее свойство при подводе одного и того же количества тепла запасать больше потенциальной энергии, чем газ. Это реализуется сейчас в парогазотурбинных установках, рассчитанных на совместное использование в двух тепловых циклах двух рабочих тел: газообразных продуктов сгорания топлива и водяного пара.
Для более глубокого использования тепла отработавших газов в газотурбинных двигателях (ГТД) применяются раздельные тепловые схемы установок с использованием газа и пара в контурах с отдельными газовыми и паровыми турбинами. В «хвост» ГТД пристраиваются парогенератор и паровые турбины. Они также преобразуют кинетическую энергию пара в механическую энергию вращения с такой же низкой эффективностью (не более 20 процентов) преобразования.
Известны контактные схемы, в которых газ и пар смешиваются в общий поток, поступающий в одну турбину. Пар здесь также генерируется в отдельном контактном парогенераторе. Однако в газовых турбинах необъемного расширения, работающих по циклу Брайтона, из‑за опасности помпажа и разрушения лопаток турбины можно подать только водяной пар и только в ограниченном количестве.
Теорией и практикой доказано, что использование водяного пара в рабочих циклах не только позволяет более полно использовать теплоту газообразных продуктов сгорания, но и обеспечивает снижение удельного расхода горючего.
Соответственно, также воздуха и выхлопных газов, повышая их удельную экологическую чистоту.
Использование парообразующей жидкости для повышения КПД газовых циклов возможно во всех типах тепловых двигателей, осуществляющих преобразование теплоты в механическую работу.
Максимальный КПД
В настоящее время в тепловых двигателях реализуются или только газовые, или только паровые циклы.
Среди используемых газовых максимальные начальные параметры давления и температуры (Р и Т) рабочих газов имеют циклы, реализуемые в тепловых двигателях объемного расширения. А невысокие, но обеспечивающие полное использование давления газов начальные параметры имеют циклы в двигателях необъемного расширения газотурбинных двигателей.
Первой перед автором стояла задача создать двигатель объемного расширения, в котором бы непрерывно реализовывался процесс создания газообразного рабочего тела с максимальными начальными Р и Т (характерными для двигателей объемного расширения), с дальнейшим расширением их до минимальных Р и Т (характерных для газотурбинных двигателей необъемного расширения).
Однако, обеспечивая максимально полное расширение, необходимо было также решить задачу максимально эффективного преобразования давления, обеспечив максимальный крутящий момент. А как следует из формулы, максимальный Мкр может быть достигнут при одновременном росте активной площади S и радиуса R. В большей степени это может обеспечить кинематический механизм, в котором процесс расширения будет происходить по траектории, подобной плоской спирали Архимеда.
Турбина объемного расширения
В современных осевых газовых и паровых турбинах необъемного расширения один поток рабочего тела движется в направлении оси вала турбины. При этом крутящий момент создает окружная сила, возникающая на лопатках ротора турбины и действующая перпендикулярно осевому потоку.
Известна однопоточная радиальная турбина необъемного расширения, предложенная в 1912 году в Швеции братьями Юнгстрем. Рабочее тело в ней движется при расширении от центра к периферии – в плоскости, перпендикулярной оси турбины. В ней нет неподвижных сопловых лопаток, два ротора вращаются в противоположных направлениях, и мощность, развиваемая турбиной, передается двум валам. Как и осевые турбины, она использует кинетическую энергию одного потока и является чисто реактивной.
Турбина объемного расширения (ТОР) является радиальной двухпоточной. В ней два потока рабочего тела движутся при расширении в плоскостях, перпендикулярных оси турбины, – однако, в отличие от известной, здесь используется не кинетическая энергия, а потенциальная энергия давления.
Она содержит два зеркально идентичных блока кольцевых цилиндров, между которыми эксцентрично установлен общий для двух проточных частей ротор. При использовании в составе ДВС он является общим рабочим колесом и для работы компрессоров, и для предварительного расширения газов, и для дорасширения газов или газопаровой смеси.
На планшайбе ротора, с двух торцевых сторон, для компрессорных полостей цилиндров и полостей предварительного бесступенчатого расширения газов каждого блока выполнены цилиндрические выступы, взаимодействующие через кинематические механизмы (шарниры) с лопастями или, как вариант, с лопатками рабочего колеса. Для цилиндров ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси предусмотрены лопатки. Один шарнир, проходящий сквозь планшайбу ротора, может одновременно использоваться для лопастей левого и правого цилиндров.
Изменением размеров поперечного сечения и количеством кольцевых цилиндров обеспечивается любая требуемая степень расширения газа или газопаровой смеси.
Во втором варианте радиальная турбина содержит ступени необъемного расширения. На боковых поверхностях ротора кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки рабочих ступеней, а на внутренних боковых поверхностях блоков цилиндров, также кольцами, – неподвижные сопловые лопатки. После сборки турбины подвижные лопатки ротора чередуются с неподвижными лопатками цилиндров, образуя ступени расширения. Подвод рабочего тела осуществляется не парциально, как в турбине объемного расширения, а по всей окружности.
Оба варианта турбин могут использоваться и как дорасширительные в ДВС, и в качестве расширительных с внешним подводом пара – вместо традиционных паровых турбин.
При использовании обоих вариантов турбин в составе двигателя внутреннего сгорания полости цилиндров в каждом блоке последовательно (от центра к периферии – от впускного окна до выпускного) сообщаются между собой с образованием проточной части. Проточная часть содержит одну (впрыск, карбюратор) или две (дизель) кольцевые полости сжатия, перепускной канал, полости дожатия, воспламенения и предварительного объемного бесступенчатого расширения рабочих газов. А также – центробежную, спиралеобразную проточную часть ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси.
Непрерывный, радиально-центробежный, спиралеобразный характер движения рабочего тела при расширении позволяет резко улучшить эффективность преобразования потенциальной энергии непосредственно в механическую. А соответственно – резко снизить удельный расход горючего и габаритно-весовые характеристики двигателя.
Газопаровой турбодвигатель
В ГПТД реализуется гибридный непрерывный рабочий цикл, состоящий из двух известных, осуществляемых раздельно в ДВС и паровых или газовых турбинах. При этом объединение двух рабочих циклов в один непрерывный обеспечивает срабатывание почти всего избыточного давления и почти всего избыточного тепла рабочих газов и пара и, соответственно, обеспечивает их суммарный КПД.
По существу, на газовый цикл традиционных ДВС, остаточная энергия газообразных продуктов сгорания которых велика и не используется, наложен паровой цикл, использующий теплоту предварительно расширившихся газов для генерации пара и его дальнейшего объемного расширения с ними до атмосферного давления газов и начала конденсации пара в жидкость.
В ГПТД обеспечивается «паровозная» тяга – большой крутящий момент при малой частоте вращения ротора, т. е. минимальный скоростной коэффициент и линейная характеристика крутящего момента, что при использовании турбодвигателя в мобильных транспортных средствах исключит необходимость применения многоступенчатых коробок передач.
Регулировка крутящего момента и, соответственно, мощности может осуществляться изменением подачи горючего и воды (или только воды – для мощных турбодвигателей) перепуском газопаровой смеси через ступень (по аналогии с паровыми турбинами).
Использование в рабочем цикле ГПТД водяного пара позволит не только более полно использовать теплоту продуктов сгорания, но и резко снизить удельный расход горючего, воздуха и выхлопных газов, обеспечивая их полную экологическую чистоту.
Известно, что в ДВС на сжигание 1 килограмма горючего в среднем расходуется 15 килограммов воздуха, а в авиационных ГТД – в 6‑7 раз больше. В ГПТД удельный расход воздуха в 8‑10 раз меньше, чем в ДВС, и в 50‑60 раз меньше, чем в авиационных двигателях.
Эффективность использования водяного пара в рабочем цикле ДВС для снижения токсичности выхлопных газов доказана исследованиями специалистов. Однако при этом не оценивается влияние попадающих в атмосферу токсичных паров воды, после конденсации которых растворенные твердые и газообразные токсичные вещества попадают в почву и атмосферу, т. е. в целом выхлоп остается токсичным.
При работе ГПТД обеспечивается полная экологическая чистота выхлопных газов. Токсичные газообразные и твердые вещества продуктов сгорания, растворенные в процессе расширения в водяном паре, остаются в контуре двигателя в конденсате, который периодически может сливаться, нейтрализовываться, а выделенные токсичные отходы утилизироваться.
В отличие от традиционных ДВС система охлаждения в ГПТД используется не для отвода избыточного тепла в атмосферу, а в качестве рекуперативного теплообменника. Она отводит тепло, образующееся при сжатии топливовоздушной смеси или воздуха, и избыточное тепло продуктов сгорания на предварительный нагрев второго рабочего тела – парообразующей жидкости.
В ГТД и ГПТД механические потери имеют место только в цилиндрах, в которых установлены лопасти и которые выполняют функции компрессора и предварительного расширения газообразных продуктов сгорания. При этом для герметизации стыков используются простые, надежные кольцевые торцевые уплотнения, характеризующиеся минимальным моментом трения и обеспечивающие высокий механический КПД.
В цилиндрах, которые выполняют функцию расширения газовой или газопаровой смеси и в которых перемещаются лопатки ротора, механические потери отсутствуют вообще, при этом в них создается основная доля крутящего момента и, соответственно, мощности турбодвигателя.
Расчеты показали, что фактически за счет тепловой энергии (теряемой в традиционных двигателях через систему охлаждения и с выхлопными газами) в газопаровом турбодвигателе объемного расширения до 70 процентов мощности, то есть больше половины, создается за счет нового газопарового термодинамического цикла и за счет оригинального механизма преобразования потенциальной энергии в механическую – турбины объемного расширения.
Турбодвигатель обеспечивает работу на всех видах углеводородного топлива, используемого для традиционных двигателей с внешним и внутренним подводом теплоты и, соответственно, реализацию всех известных рабочих циклов ДВС. Самым эффективным, как и в поршневых ДВС, является «дизельный» вариант ГПТД.
Предварительные расчеты основных технических характеристик ГПТД позволяют утверждать, что для создания мощности в 1 кВт он будет потреблять примерно в 8‑10 раз меньше горючего, чем потребляют лучшие образцы современных ДВС, соответственно в 8‑10 раз меньше потреблять атмосферного кислорода и выбрасывать в атмосферу нетоксичных выхлопных газов. Удельные потери тепла в атмосферу снизятся не менее чем в 15 раз.
Эффективный КПД может достигать 75‑80 процентов, то есть в два раза выше, чем обеспечивают лучшие образцы современных тепловых двигателей. При использовании тепла пара или горячего конденсата потребителями тепловой энергии (промышленная ТЭЦ или автономная мини-ТЭЦ) термический КПД может достигать 90 процентов, в условиях космоса – до 92 процентов.
Обеспечить вышеуказанные показатели удалось, создав совершенные кинематический механизм преобразования давления в крутящий момент и комбинированный (бинарный) газопаровой термодинамический цикл с использованием в качестве рабочего тела газопаровой смеси.
Появление адиабатного газопарового турбодвигателя объемного расширения, по мнению автора, вполне может завершить эпоху существования всех типов поршневых и роторно-лопастных ДВС неполного расширения и неполного использования теплоты газообразного рабочего тела.
www.eprussia.ru
современные тепловые двигатели современные тепловые двигателиТвердотельные двигателиВ двигателях этого типа в качестве рабочего тела используется твёрдое тело, а при работе двигателя изменяется не объём рабочего тела, а его форма (источник: журнал “Техника молодёжи“). Такой двигатель позволяет использовать рекордно малый перепад температур.ядерные ракетный двигательТрадиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора, системы подачи рабочего тела, и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) — подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.Поршневой двигатель внутреннего сгоранияДвигатель СтирлингаДвигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом».Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгоранияПримером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.Дистилляционный двигательСуществует разработка двигателя с внешним нагревом, в котором ротор в виде пустотелого кольца частично заполнен легкоиспаряемым твёрдым телом. Незаполненная часть ротора и часть рабочего тела нагреваются, образующийся пар перетекает из нагретой части ротора в ненагретую, нарушая тем самым равновесие роторl; в поле силы тяжести. В результате ротор приводится во вращение. Особенностью двигателя является согласованность скорости вращения его ротора со скоростью испарения рабочего тела. Двигатель разработан для осуществления зонной дистилляции с многократным повторением в устройстве с вращающимся контейнером. (Кравченко А.И. Роторный тепловой двигатель с внешним нагревом. Патент Украины № 78272, 2013 г.)Вверху — два распредвала и клапаны, внизу — коленвал, шатуны и поршни.Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень.
Full transcriptprezi.com
ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
наши дни тепловые двигатели получили широкое распространение. Они работают всюду в самых различных отраслях народного хозяйства. Но до XVIII века единственным источником энергии в промышленности служили водяные силовые установки. Тогда все крупные фабрики и заводы строились по берегам рек.
Одним из первых людей, взявшихся за создание теплового двигателя, был русский теплотехник Иван Иванович
Ползунов. Он работал механиком на Барнаульском медеплавильном заводе, на Алтае. В 1763 году Ползунов подал начальнику Колывано-Воскресенских заводов свой проект огнедействующей машины — машины, в которой. используется энергия водяного пара. Через два года она была построена. Это была первая паровая машина непрерывного действия. Испытания показали ее работоспособность. В течение нескольких месяцев она успешно работала на Барнаульском заводе, приводя в действие разнообразные механизмы.
Самозабвенная работа над изготовлением машины стоила изобретателю жизни. Ползунов заболел скоротечной чахоткой и умер за несколько месяцев до того, как его машина была пущена в ход.
За границей успешно работающая паровая машина для промышленных нужд была построена английским изобретателем Джемсом Уаттом лишь через 20 лет после Ползунова.
Машины И. Ползунова и Д. Уатта были предвестниками новой эры в технике. Наступил век пара. Уже к концу XVIII столетия сотни паровых машин работали на шахтах, рудниках, металлургических заводах, текстильных фабриках. А в XIX столетии постройка паровых машин стала ведущей отраслью промышленности. Новый, тепловой, двигатель привел к созданию паровозов и пароходов. Изучение техники паросиловых установок, или, как ее называют, теплотехники, стало необходимым для каждого инженера. В техническом мире появилась даже крылатая фраза: «Тот не инженер, кто не теплотехник».
К концу XIX века теплотехника достигла уже очень высокого уровня развития. Возросли мощность и коэффициент полезного действия паросиловых установок[31]).
Однако, как ни быстро совершенствовалась паровая машина, потребности общества увеличивались еще быстрее. Если первые пароходы имели машины мощностью в десятки лошадиных сил, то в начале XX века строились океанские корабли, для которых уже требовались силовые установки в десятки тысяч лошадиных сил. Паровая машина не могла удовлетворить этим требованиям. Пар сравнительно медленно движется в цилиндре машины. А ведь работа паровой машины совершается за счет энергии пара. И если через машину проходит мало пара, то и работа ее невелика. Возникла необходимость в новом, более легком и быстроходном двигателе.
Такой двигатель был создан. Это была паровая турбина.
Имеются сведения, что еще в 1813 году алтайский мастер Поликарп Залесов построил на Сузунском заводе небольшую паровую турбину. В последующие годы много изобретателей в России и за рубежом трудились над созданием паровых турбин. Но широкое промышленное применение получили лишь турбины, построенные шведским инженером Густавом Лавалем в 90-х годах прошлого века.
Главной рабочей частью турбины является ротор — вал с насаженным на него рабочим колесом. Рабочее колесо представляет собой диск, на ободе которого укреплен ряд лопаток. Пар, войдя в турбину, поступает в узкие каналы, называемые соплами. В каналах давление пара снижается, а за счет этого резко возрастает его скорость. Вылетая с большой скоростью из сопел, струя пара с силой воздействует на лопатки турбины. При этом энергия движения пара передается лопаткам, которые начинают быстро двигаться, вращая вал турбины. Пар непрерывно поступает в турбину, и ее лопатки движутся все время в одном направлении. Поэтому турбина работает более быстро и плавно, чем поршневая паровая машина. Само название «турбина» говорит о том, что ее основные рабочие части совершают вращательное движение. Слово турбина происходит из латинского «турбо», что означает вихрь, волчок.
Пар проходит через турбину с большой скоростью. Поэтому даже турбина малых размеров способна пропустить много пара. А чем больше пара пройдет через турбину, тем выше ее мощность.
Г. Лаваль нашел удачную форму сопла, по которому пар подается на лопатки турбины (рис. 1). В первых турбинах пар подавался со сравнительно небольшой скоростью, не превышавшей скорости распространения звука в водяном паре, которая при температуре пара 300° С равняется примерно 600 м/сек. А с помощью сопла Лаваля стало возможным разгонять пар до больших скоростей, превосходящих в несколько раз скорость звука. Тем самым удалось повысить мощность турбины и ее коэффициент полезного действия. Лаваль внес также ряд усовершенствований в конструкцию турбины, повысивших ее прочность.
| Рис. 1. Принцип работы турбины: по трубкам, называемым соплами, пар с большой скоростью поступает к рабочему колесу. Воздействуя на укрепленные на ободе диска лопатки, пар заставляет рабочее колесо вращаться. |
Первую судовую паровую турбину построил инженер русского военно-морского флота П. Д. Кузьминский. Он одним из первых понял, что паровые поршневые машины не могут обеспечить пароходу большой скорости движения. «...Существующий тип паровых машин,— писал Кузьминский,— при которых нет возможности получать таких
Огромных скоростей вращения двигателя (гребного винта),... должен отойти и на место его явится тип бы - стровращающихся турбинных двигателей».
В начале XX века начинается бурное развитие паровых турбин. Везде, где были нужны мощности в десятки тысяч лошадиных сил — на крупных электростанциях, на больших морских судах,— стали применяться паровые турбины.
Мощность паровой турбины, построенной в 1884 году, составляла всего 5 киловатт. Через двадцать лет уже строились турбины мощностью в 5000 киловатт. А через десятилетие их мощность достигла 50 тысяч киловатт. Перед Великой Отечественной войной Ленинградский металлический завод выпустил паровую турбину в сто тысяч киловатт. После войны коллектив этого завода создал еще более совершенную турбину, в 150 тысяч киловатт.
Однако у паровых турбин есть одно слабое место. Они, как и обычные паровые машины, нуждаются для своей работы в паровых котельных установках. При этом размеры парового котла и его вес в десятки раз превосходят размеры и вес турбины. На изготовление паровых котлов приходится затрачивать очень много высококачественной стали. Паросиловая установка в целом — громоздкое и дорогостоящее сооружение.
Развитие промышленности и особенно транспорта вызывало потребность в новом, легком и дешевом двигателе.
В паросиловом двигателе энергия топлива, выделяющаяся при его горении, передается пару, а энергия пара в цилиндре паровой машины или в турбине преобразуется в механическую энергию. В этом преобразовании пар играет роль посредника.
Уже давно возникла мысль создать двигатель, который не нуждался бы в посредничестве пара, сделать так, чтобы процесс горения топлива происходил внутри самого двигателя. Тогда отпала бы необходимость в устройстве паровых котлов. Такой двигатель — двигатель внутреннего сгорания — был создан еще в конце прошлого века.
Этот двигатель уже не нуждается в паре. В цилиндры двигателя поступает воздух и сжимается с помощью поршня.
Туда же подается горючее. При его горении выделяется большое количество энергии, которая идет на нагревание образующихся в цилиндре газов. Сжатый и сильно нагретый газ стремится расшириться и давит на поршень, заставляя его двигаться по цилиндру. С помощью шатуна поршень вращает вал двигателя, передавая ему ту энергию, которую он получил от газа. Когда процесс расширения заканчивается, в цилиндре открывается клапан, и газы выходят наружу, а на их место в цилиндр через другой клапан поступает новая порция атмосферного воздуха.
Сжигание топлива в цилиндрах двигателя позволило отказаться от пара, а значит, и от громоздкого парового котла. Получился весьма легкий двигатель. При небольших размерах и малом весе двигатель внутреннего сгорания способен развивать большую мощность.
Чтобы питать паром турбину мощностью в 10 тысяч лошадиных сил, требуется паровой котел размером с трехэтажный дом. Такую же мощность дают четыре современных авиационных двигателя внутреннего сгорания размером с небольшой письменный стол каждый.
Правда, первые двигатели внутреннего сгорания не были столь совершенны, как современные, но и они были несравненно легче паросиловых установок.
Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания?
Трудно назвать имя одного человека.
Первый двигатель внутреннего сгорания, получивший практическое применение, был построен французским механиком Жаном Лену аром в 1860 году. Двигатель Ле - нуара работал на светильном газе, почему и получил название газового двигателя. По своей конструкции он был весьма несовершенен. Перед вспышкой газ не сжимался, поэтому максимальное давление в цилиндре достигало всего лишь 4 атмосфер. Неудивительно, что двигатель Ленуара имел крайне низкий коэффициент полезного действия. А расходовал он громадное количество газа — по 3 кубических метра в час на одну лошадиную силу.
В дальнейшем над усовершенствованием двигателей внутреннего сгорания работали многие зарубежные и наши, отечественные, изобретатели. В 1877 году немецкий инженер Н. Отто изготовил газовый двигатель, в котором горючая смесь перед сгоранием подвергалась сжатию. Благодаря этому давление газа после вспышки достигало большой величины, и коэффициент полезного действия двигателя повысился. Усовершенствованный газовый двигатель получил высокую оценку; двигатели этого типа стали называть двигателями Отто.
Принцип работы такого двигателя был дан еще в 1862 году французским инженером Бо де Роша. Бо де Роша изложил физические основы рабочего процесса двигателя и показал, что полный цикл его работы совершается за четыре хода поршня, почему эти двигатели и получили в дальнейшем название четырехтактных.
Крупный шаг в развитии двигателей внутреннего сгорания был сделан моряком русского флота О. С. Косто- вичем. Он создал двигатель, работающий не на горючем газе, а на жидком топливе — на бензине.
Двигатель Костовича имел уже все основные детали, которые имеют современные двигатели внутреннего сгорания: испаритель, где приготовляется горючая смесь паров бензина и воздуха, систему электрического зажигания, коленчатый вал, клапанное распределение, водяное охлаждение цилиндров. Двигатель работал по четырехтактному циклу, то есть так, как действует сейчас большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания[32]).
В конце XIX столетия бензиновые двигатели внутреннего сгорания стали изготовляться в большом количестве и быстро вытеснили газовые. Изобретение и усовершенствование этих двигателей привело к развитию автомобилестроения. Пока не было легкого и мощного двигателя, все попытки изобретателей создать самодвижу - щиеся экипажи не давали практических результатов. Но как только был создан бензиновый двигатель, такие экипажи были созданы.
Такую же роль сыграли двигатели внутреннего сгорания и в развитии авиации. Если автомобиль нуждался в легком двигателе, то для самолета это требование было еще более важным.
Первые авиационные двигатели строились по образцу автомобильных. Они изготавливались из чугуна и низкосортных сталей, имели водяное охлаждение цилиндров. Однако постепенно в авиационных двигателях начали применяться легкие алюминиевые сплавы и высококачественные стали. Появились двигатели с воздушным охлаждением цилиндров — потоком встречного воздуха.
В XX веке во всех крупнейших странах мира началось бурное развитие авиационной промышленности. И основой для этого послужил бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Современные авиационные двигатели внутреннего сгорания — это двигатели очень большой мощности.
Приведем в качестве примера двигатель, созданный в нашей стране коллективом конструкторов, руководимым А. Д. Швецовым, перед Великой Отечественной войной — 14-цилиндровый двигатель марки «АШ-82». Мощность его достигает 1700 лошадиных сил. Весит он 850 килограммов, а диаметр его равняется всего 126 сантиметрам.
Однако и двигатели внутреннего сгорания, как и паровые машины, тоже не лишены недостатков. Ведь поршневой двигатель работает неравномерно. Под давлением газов поршень движется по цилиндру с нарастающей скоростью. Но вот он достиг наибольшей скорости. Теперь его движение начинает замедляться. Дойдя до конца цилиндра, поршень на мгновенье останавливается; это так называемая нижняя «мертвая» точка. Затем он начинает двигаться обратно. Снова следует разгон поршня, потом замедление и остановка уже в верхней «мертвой» точке. Если двигатель делает 3000 оборотов в минуту, то это значит, что за одну секунду поршень 100 раз изменяет направление своего движения.
Можно ли при таком режиме работы поршня заставить его двигаться с большой скоростью? Конечно, нет. Поэтому даже в самых совершенных авиационных двигателях скорость поршня достигает всего 15—17 метров в секунду. Поршень движется в двадцать раз медленнее, чем лопатки паровой турбины. Значит, поршневой двигатель гораздо тихоходнее, чем турбина.
Но мы знаем уже, что тихоходность двигателя препятствует росту его мощности. Вот почему приходится делать двигатели внутреннего сгорания с большим числом цилиндров. Например, авиационные двигатели мощностью в 3—4 тысячи лошадиных сил делают с 24 или 28 цилиндрами. Такой двигатель получается сложным, громоздким и очень тяжелым.
Перед учеными встала задача создать двигатель, обладающий быстроходностью паровой турбины и в то же время не требующий для своей работы парового котла. Иными словами, необходимо было создать двигатель, который сочетал бы в себе лучшие качества паровой турбины и поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Таким двигателем и явилась газовая турбина.
Отмечая исключительно большое значение газовых турбин, Президент Академии наук СССР А. Н. Несмеянов писал: «К числу важнейших достижений современной науки и техники относится новый тепловой двигатель — газовая турбина. Она несет с собой технический прогресс ряду отраслей народного хозяйства. Газотурбинные установки отличаются и простотой устройства, соединением высокой экономичности и большой мощности в одном агрегате».
Н Астало время, когда творческий труд ученых и изобретателей по созданию газотурбинных двигателей стал приносить свои замечательные плоды. Мы живем в годы, когда газовая турбина проникает во все новые и …
Пока мы говорили только о самой газовой турбине, не * * задавая вопроса, откуда берется газ, приводящий ее в действие. В паровую турбину рабочий пар поступает из парового котла. Какие …
Разовая турбина — это такой тепловой двигатель, рабо- * чие части которого совершают лишь вращательное движение под действием струи газа. Главной частью турбины служит рабочее колесо — диск, на ободе …
msd.com.ua
