Тепловые машины-двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины

     

     Рисунок 1.3 Схема газовой турбины

 

     Паровые турбины

   Паровая турбина (фр. turbine от лат. turbo-вихрь, вращение) - это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.

   Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор  во вращение.

   Паровая турбина является одним из элементов  паротурбинной установки (ПТУ). Отдельные  типы паровых турбин также предназначены  для обеспечения потребителей тепла  тепловой энергией.

   Паровая турбина и электрогенератор составляют турбоагрегат.

   Паротурбинные электростанции, вырабатывающие один вид энергии - электрическую, оснащают турбинами конденсационного типа и называют конденсационными электростанциями (КЭС). [4]

   Конденсационные паровые турбины служат для превращения  максимально возможной части  теплоты пара в механическую работу.

   Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего  пара в конденсатор, в котором  поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные турбины  бывают стационарными и транспортными.

   Стационарные  турбины изготавливаются на одном  валу с генераторами переменного  тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами.

   Тепловые  электростанции, на которых установлены  конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких  электростанций - электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии  используется на собственные нужды  электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков.

   Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях  устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности. [5]

   Частота вращения ротора стационарного турбогенератора  связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных  соответственно 1500 оборотов в минуту.

   Частота электрического тока вырабатываемой энергии  является одним из главных показателей  качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют  поддерживать частоту вращения с  точностью до трёх оборотов.

   Резкое  падение электрической частоты  влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

   В зависимости от назначения паровые  турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими  для покрытия пиков нагрузки; турбинами  собственных нужд, обеспечивающими  потребность электростанции в электроэнергии.

   От  базовых требуется высокая экономичность  на нагрузках, близких к полной (около 80%), от пиковых - возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд - особая надёжность в работе. Все паровые  турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

   Транспортные  паровые турбины используются в  качестве главных и вспомогательных  двигателей на кораблях и судах. Неоднократно делались попытки применить паровые турбины на локомотивах, однако паротурбовозы распространения не получили.

   Для соединения быстроходных турбин с гребными винтами, требующими небольшой (от 100 до 500 об/мин) частоты вращения, применяют  зубчатые редукторы.

   В отличие от стационарных турбин (кроме  турбовоздуходувок), судовые работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой скоростью хода судна. [3]

 

   

   Рисунок 2.1 Схема работы конденсационной  турбины

 

   На  рисунке 2.1 представлена принципиальная схема работы КЭС. Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3).При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Бо́льшая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

 

   

   Рисунок 2.2 Конденсационная турбина ЛМЗ (К-225-12,8). В разрезе.

 

   Чисто конденсационные турбины обладают рядом преимуществ, особенно при  необходимости надежного источника  энергии большой мощности и наличии  поблизости недорогого топлива, такого как технологический побочный газ. Для увеличения теплового КПД  турбины пар обычно отбирается из промежуточной ступени турбины  для подогрева питательной воды.

   Конденсационные турбины с промежуточным отбором  пара производят как технологический  пар, так и электроэнергию. Технологический  пар по мере необходимости может  отбираться автоматически при одном  или нескольких фиксированных значениях  давления. Турбины такого типа отличает эксплуатационная гибкость, поскольку  они обеспечивают необходимое количество технологического пара при постоянном давлении, производя при этом требуемое  количество электроэнергии. [4]

 

    

 
 
 
 

     Двигатели внутреннего сгорания

     Самый распространенный тип современного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

      Рассмотрим устройство четырехтактного  бензинового двигателя автомобильного типа. Устройство двигателей, устанавливаемых на тракторах, танках и самолетах, в общих чертах сходно с устройством автомобильного двигателя.

     Основной  частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и название двигателя. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны имеют вид тарелок, прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются при помощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредством стальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается так называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).

     Четыре  такта работы двигателя внутреннего  сгорания

     I такт — всасывание. Открывается впускной клапан /, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.

     II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

     III такт — сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов — раскаленных продуктов сгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

     IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

     Из  четырех тактов двигателя (т. е. за два  оборота коленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

     Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Присматриваясь к условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмосфера; она играет роль холодильника.

      Рисунок 3.2 Энергетический баланс автомобильного двигателя

     Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерный энергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке.[6]

 
 

     Газовые турбины

     Газовая турбина — это такой тепловой двигатель, рабочие части которого совершают лишь вращательное движение под действием струи газа.

     Главной частью турбины служит рабочее колесо, на ободе которого укреплены рабочие  лопатки. Под действием газа лопатки  двигаются, вращая диск. Последний жестко скреплен с валом. Рабочее колесо вместе с валом называется ротором турбины (рисунок 4.1).

     

     Рисунок. 4.1 Ротор газовой турбины.

 

     Механическая  энергия вращающегося ротора турбины  передается либо генератору электрического тока, либо гребному винту корабля, воздушному винту самолета и т. д.

     Газовая струя может воздействовать на лопатки  турбин двояко. В соответствии с  этим и турбины принято делить на два класса: активные и реактивные турбины.

     В активной турбине газ поступает  на рабочие лопатки с большой  скоростью. Благодаря инерции газ  стремится продолжать свое равномерное  прямолинейное движение. Но на пути стоит изогнутая лопатка. Она  отклоняет струю газа. При повороте быстро движущегося газа он развивает  большую центробежную силу. Эта сила и заставляет лопатки двигаться. Газ, отклоненный лопатками турбины  в сторону, обратную первоначальному  направлению его движения, выходит  наружу с меньшей скоростью,

     ходя  между лопатками турбины, газ  теряет часть своей энергии. Эта  энергия и идет на вращение рабочего колеса и вала турбины. Следовательно, можно сказать, что чем больше энергия газа, поступающего в рабочее колесо, и чем она меньше при выходе газа из колеса, тем большую полезную работу может совершить турбина.

     Отсюда  сразу видны те задачи, которые  встают при создании активной турбины. Во-первых, надо сообщить газу, поступающему в рабочее колесо, максимальную скорость. Во-вторых, надо выбрать такую форму  лопаток и задать рабочему колесу такую скорость вращения, чтобы при  выходе из колеса газ имел возможно меньшую скорость. Ясно также, что  следует предельно уменьшить  потери энергии на трение, на вихреобразование и другие непроизводительные расходы  энергии газа. В реактивной турбине  газ поступает на рабочие лопатки  с незначительной скоростью, но под  большим давлением. Форма лопаток  реактивной турбины подобрана такой, что образующийся между двумя  лопатками канал сужается от передней кромки лопаток к задней. А для  того, чтобы весь газ, вошедший в  широкое входное сечение канала, мог выйти через узкое выходное сечение, он должен двигаться все  быстрее. Поэтому при движении газа между лопатками реактивной турбины  его скорость сильно возрастает.