Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования  «Новгородский государственный  университет                              имени Ярослава Мудрого»

Кафедра «Промышленная энергетика»

 
 

Реферат

Тема: «  Тепловые машины-двигатели внутреннего  сгорания,

паровые и газовые турбины»

 
 

                                                                                  Разработал

студент группы  0411

___________ А.В.Никифоров «______»____________2010г

 
 

Проверил

Д.т.н. профессор

___________ И.В.Швецов «______»___________2010г

 

Великий Новгород 2010г

     Оглавление

 

     1. Общие сведенья  и история тепловых двигателей                     3                     

     2. Паровая турбина                                                                          11

     3.Двигатели внутреннего сгорания                                              15   

     4. Газовые турбины                                                                         18

     5.Заключение                                                                                   19

     6.Список литературы                                                                      20

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Общие сведенья  и история  тепловых двигателей

     В 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.

     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.

     

     Рисунок 1.1 Принцип работы турбины

 

     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.

     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.

     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 Ленуаром в 1860 году. Двигатель  Ленуара 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. Костовичем. 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.

     

     

     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 самодвижущиеся 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.

     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. [2]