Двигатель отто принцип работы схема

Введение

Рассмотрим энергоснабжение предприятий и других объектов, потребляющих одновременно тепловую и электрическую энергию. Таких, например, как предприятия пищевой промышленности, которые расходуют пар низких параметров для тепловой обработки продуктов и электроэнергию для холодильных установок. Другой пример – лесопереработка, где пар необходим для сушильных камер, а электроэнергия для распиловки брёвен. Или тепличные хозяйства и многое, многое другое. И, конечно, тепло- и электрообеспечение объектов ЖКХ, особенно небольших посёлков, включая объекты министерства обороны, перебои в электроснабжении которых часто приводят к остановкам котельных.

Известно, что совместное производство тепловой и электрической энергии более экономично, чем раздельное. При небольшой величине потребления совместное производство тепловой и электрической энергии может производиться на малых тепловых электростанциях (МТЭС). Чаще всего на малых ТЭС химическая энергия топлива преобразуется в тепловую с помощью паровых котлов. Затем заключённая в водяном паре тепловая энергия преобразуется в механическую с помощью паровых агрегатов – турбин, винтовых или поршневых машин.

Оставшаяся после агрегата тепловая энергия в зимнее время используется на отопление и технологические нужды, а в летнее время может использоваться на технологические нужды или для получения холода с помощью абсорбционных холодильных машин.

Такая схема может использоваться и на нефтедобывающих предприятиях, попутный газ которых не пригоден для работы газовых двигателей, но успешно сгорает в топке котла.

Удельный расход пара (количество килограммов пара, необходимое для производства 1 кВт∙ч механической энергии) для паросиловых установок не зависит от их типа, а зависит только от параметров поступающего в них пара и параметров пара на выходе из этих установок.

В поршневых паровых машинах весь поступивший в них пар совершает работу, а через турбины малой мощности и винтовые паровые машины часть поступившего пара проходит, не совершая работы. В связи с этим соотношение полученных от этих агрегатов механической работы и тепловой энергии сместится в сторону увеличения количества теплоты.

В табл. 1 показан удельный расход пара различными агрегатами. В ней собраны данные по поршневым паровым машинам (ППМ) и паровым турбинам серии ОР, выпускавшихся до 1950 г., а также по турбоагрегатам и винтовым паровым машинам (ВПМ), которые выпускаются в настоящее время.

К сожалению, данных о паропоршневых двигателях у автора нет.

Для сравнения экономичности агрегатов, использующих пар различных начальных параметров, фактический удельный расход пересчитан для пара со следующими параметрами:

— давление пара на входе в агрегат – 1,2 МПа

— температура пара на входе в агрегат – 260 °С

— давление пара на выходе из агрегата – 0,3 МПа

Таблица 1. Сравнительные характеристики паровых агрегатов малой мощности.

Вид агрегата	Модель агрегата	Давление пара на входе в агрегат, МПа	Температура пара на входе в агрегат, °С	Давление пара на выходеиз агрегата, МПа	Мощность агрегата, кВт	Фактический удельный расход пара, кг/кВт•ч	Коэффициент пересчёта	Расчётный удельный расход пара, кг/кВт•ч
Турбины	ОР-0,3-1	1,5	260	0,1	300	25	1,06	26,5
АП-0,75	3,5	435	0,1	750	13,1	1,12	14,7
ТГ-0,75/Р13	1,2	250	0,4	740	17,6	0,96	16,9
ОР-1,5-3	1,5	350	0,3	1500	14,5	1,02	14,8
ТП-1100	1,47	220	0,04	800	12,0	1,04	12,5
ТП-320	1,37	194	0,12	235	18,5	0,94	19,8
Машины	Винтовая паровая машина	1,3	250	0,1	250	30	1,02	30,6
Поршневая паровая машина СК-500	1,6	350	0,1	370	6,8	1,08	7,4
Поршневая паровая машина ЛМ-Х	1,3	330	0,1	245	7,9	1,07	8,5

Данные табл. 1. показывают, что удельный расход пара у поршневых машин, потребляющих пар низких параметров, примерно вдвое ниже, чем у турбин, потребляющих пар тех же параметров.

А как же дизели?

Во ВМВ дизели не завоевали особой славы. Но перед войной разработки широко велись во многих странах. Дизели фирм Паккард, Юнкерс, Клерже, Бристоль тому пример. Почему же тратилось столько труда? Перед карбюраторными моторами дизель имеет ряд преимуществ. Благодаря высокому КПД, дизель очень экономичен. Благодаря впрыску, дизель сохраняет номинальную мощность на более бедной смеси. И потому меньше теряет мощность с высотой. А бОльший крутящий момент позволяет лучше переносить изменение нагрузки и дольше сохранять неизменные обороты или угол атаки лопастей пропеллера.

Но имеется у дизелей один недостаток. Большая степень сжатия вынуждает делать более прочный, но потому и более тяжёлый мотор. Проигрыш перед карбюраторными в удельных параметрах становится уж больно большой. Но это ещё пол беды. Избыток в весе авиадизеля перекрывается экономией топлива через 2-3 часа полёта. Главная беда заключалась в увеличенных сроках доводки мотора в связи с большой сложностью конструкции. На момент доводки дизеля, он был уже никому не нужен из-за своих слабых удельных параметров и малой мощности.

Потому и получились серийные дизели, нашедшие применение на самолётах, только в двух странах. В Германии и СССР. Немцы пошли по пути доводки ресурса и получили надёжные, но маломощные авиадизели Юмо. Мы сделали ставку на высокие удельные параметры и мощность. Получив по циферкам неплохие, но ненадёжные дизели Чаромского и Яковлева.

После войны наработки по авиадизелям нашли применение в танкостроении.

В поисках нового топлива

Одновременно с совершенствованием ДВС шел активный поиск наиболее эффективного топлива. Уже были опробованы двигатели, использовавшие в качестве горючего угольную пыль, водород, смесь скипидара и спирта, нефть. Некоторые из них работали, но не получили широкого распространения из-за высокой цены. Однако наиболее перспективным направлением для инженеров виделось использование вместо газа паров испаряемого жидкого горючего.

В 1872 году американец Брайтон пытался работать с керосином. Однако тот испарялся не очень интенсивно, и он перешел на бензин более легкой фракции. Для работы на новом топливе необходимо было разработать дополнительное устройство, переводившее новое горючее в газообразное состояние. После чего пары бензина необходимо было смешать с воздухом. Брайтон изобрел и первый испарительный карбюратор, который однако получился не очень удачным. Но именно он задал тренд в использовании горюче-смазочных материалов в качестве топлива.

BMW M52

• Установлен в: BMW 3 E36/E46, 5 серии E39, 7-серии E38, Z3
• Годы производства: 1994-2000
• Объем: 1991-2793 см3
• Мощность макс.: 150-193 л.с.
• Срок годности: около 500 тысяч. км

Основные конструктивные особенности:

• – алюминиевый блок
• – двигатель цепной
• – переменные фазы газораспределения (Vanos)
• – 24 клапана
• – 6 цилиндров,
• многоточечный впрыск.

BMW

Популярен и используется во многих моделях BMW. Двигатель прочный и стойко переносит даже серьезное небрежное обращение и расходные материалы или необходимость езды на LPG. Лучший вариантом считается самая мощная, 193 л.с. версия M52B28TU объемом 2.8 л, которая появилась в модельном ряду в 1998 году. Двигатели M52 были доступны как двухлитровые (M52B20, 150 л. с.), так и моторы 2.5 (M52B25, 170 л.с.).

Турбореактивный двигатель

Газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного состава.

Основное отличие турбореактивного двигателя от турбовинтового заключается в том, что в нем газовая турбина используется только для приведения в действие воздушного компрессора и отнимает у газовой струи, вы-ходящей из камеры сгорания, лишь небольшую часть энергии. В результате газовая струя имеет на выходе из сопла высокую скорость и создает реактивную силу тяги.

Успешное применение турбореактивных двигателей в авиации началось в 40-х годах созданием реактивных истребителей, а первый в нашей стране реактивный пассажирский самолет Ту-104 вышел на линию Москва — Иркутск в 1956 г. Турбореактивными двигателями оборудованы самолеты Ил-62, Ту-154, Ил-86.

Готовы ли паровые машины к эпическому возвращению?

Когда-то давно господствовал паровой двигатель — сначала в поездах и тяжелых тракторах, как вы знаете, но в конечном итоге и в автомобилях. Сегодня это трудно понять, но на рубеже 20-го века более половины автомобилей в США работали на парах. Паровой двигатель был настолько усовершенствован, что в 1906 году паровая машина под названием «Ракета Стэнли» даже имела рекорд скорости на земле — опрометчивая скорость 127 миль в час!

Теперь вы можете подумать, что паровая машина имела успех только потому, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) еще не существовали, но на самом деле паровые машины и автомобили ДВС были разработаны одновременно. Поскольку у инженеров уже был 100-летний опыт работы с паровыми двигателями, у паровой машины был довольно большой старт. В то время как ручные коленчатые двигатели ломали руки несчастных операторов, к 1900 году паровые машины были уже полностью автоматизированы — и без сцепления или коробки передач (пар обеспечивает постоянное давление, в отличие от хода поршня ДВС), очень легким в управлении. Единственное предостережение, что вы должны были подождать несколько минут, чтобы котел нагрелся.

Однако через несколько коротких лет Генри Форд придет и все изменит. Хотя паровой двигатель технически превосходил ДВС, он не мог сравниться с ценой серийных Фордов. Производители паровых автомобилей пытались переключать передачи и продавать свои автомобили как премиальные, роскошные продукты, но к 1918 году Ford Model T был в шесть раз дешевле, чем Steanley Steamer (самая популярная паровая машина в то время). С появлением электродвигателя стартера в 1912 году и постоянным повышением эффективности ДВС прошло совсем немного времени, пока паровая машина исчезла с наших дорог.

Под давлением

В течение последних 90 лет паровые машины оставались на грани исчезновения, а гигантские звери выкатывались на показы старинных автомобилей, но не намного. Спокойно, однако, на заднем плане исследования незаметно продвигались вперед — отчасти из-за нашей зависимости от паровых турбин в производстве электроэнергии, а также потому, что некоторые люди считают, что паровые двигатели действительно могут превосходить двигатели внутреннего сгорания.

ДВС имеют внутренние недостатки: им требуется ископаемое топливо, они производят много загрязнений, и они шумные. Паровые двигатели, напротив, очень тихие, очень чистые и могут использовать практически любое топливо. Паровые двигатели благодаря постоянному давлению не требуют зацепления — вы получаете максимальный крутящий момент и ускорение мгновенно, в состоянии покоя. Для городского вождения, где остановка и запуск потребляют огромное количество ископаемого топлива, непрерывная мощность паровых двигателей может быть очень интересной.

Технологии прошли долгий путь и с 1920-х годов — в первую очередь, мы теперь мастера материалов . Оригинальным паровым машинам требовались огромные, тяжелые котлы, чтобы выдерживать жару и давление, и в результате даже небольшие паровые машины весили пару тонн. С современными материалами паровые машины могут быть такими же легкими, как их двоюродные братья. Добавьте современный конденсатор и какой-нибудь котел-испаритель, и вы сможете построить паровую машину с приличной эффективностью и временем прогрева, которое измеряется секундами, а не минутами.

Цикл Ранкина, на котором основан паровой двигатель Cyclone Technologies

В последние годы эти достижения объединились в некоторые захватывающие события. В 2009 году британская команда установила новый рекорд скорости ветра на паровой тяге в 148 миль в час, наконец, побив рекорд ракеты Стэнли, который стоял более 100 лет. В 1990-х годах подразделение Volkswagen R & D под названием Enginion заявило, что оно построило паровой двигатель, который был сопоставим по эффективности с ДВС, но с меньшими выбросами. В последние годы Cyclone Technologies утверждает, что она разработала паровой двигатель, который в два раза эффективнее, чем ДВС. На сегодняшний день, однако, ни один двигатель не нашел свой путь в коммерческом автомобиле.

Двигаясь вперед, маловероятно, что паровые машины когда-либо сядут с двигателя внутреннего сгорания, хотя бы из-за огромного импульса Big Oil. Однако однажды, когда мы наконец решим серьезно взглянуть на будущее личного транспорта, возможно, тихая, зеленая, скользящая грация энергии пара получит второй шанс.

Генри Форд и его вклад в усовершенствование двигателей

В истории автомобилестроения и дальнейшей разработки моторов обычно выделяют деятельность в этом отношении американского конструктора Генри Форда. Именно он, как считается, начал массовый промышленный выпуск автомобилей. Он занимался дальнейшим конструированием двигателей, повышая его технологические характеристики.

Его фирма, учрежденная в 1903 году, сконструировала и выпускала разные модели моторов, в том числе для грузовых автомобилей восьмицилиндровый двигатель. Компания Форда, организовав широкий выпуск автомобилей, имела достаточно массовый трудовой коллектив, разрабатывала двигатели разных типов для разных машин и даже в периоды, отмечаемые в сфере экономики определенным спадом, продолжала активно вести производство и дальнейшие конструкторские исследования.

Генри Форд – отец автоиндустрии

Важный вклад в развитие ДВС внес Генри Форд. В 1903 году он организовал компанию «Форд». При этом знаменитый бизнесмен не только начал разрабатывать новое поколение двигателей, но и предоставил много рабочих мест.

В 1903 году Селден подал против Форда иск. Суть его претензий заключалась в воровстве его конструкции двигателя. Судебный процесс продолжался 8 лет. В результате суд решил, что права истца не нарушаются, а Форд пользуется своей конструкцией мотора.

Когда началась Первая мировая война, Форд стал заниматься разработкой первого тяжелого двигателя, который предназначался для грузовых авто. В период Второй мировой войны его устройство начали устанавливать на грузовые самолеты.

Создание ДВС стало настоящим прорывом в науке. При этом вклад в конструирование и совершенствование этой разработки внесло много известных ученых.

Четыре такта успеха

Настоящий прорыв в создании ДВС Отто совершил в 1876 г. В новом двигателе Отто вернулся к горизонтальной конструкции. Для увеличения мощности ДВС Отто решил перед воспламенением сжать топливную смесь, а для этого цикл работы ДВС пришлось увеличить до 4 тактов — 4 ходов поршня, и этот двигатель стал называться четырёхтактным ДВС.

Мощный четырёхтактный ДВС Отто вытеснил все предыдущие модели ДВС — его схема стала образцом для создания всех последующих ДВС вплоть до нашего времени и открыла возможность применения ДВС на транспорте.

Четырёхтактный цикл работы ДВС Отто 1876 г. I такт. Впуск топлива: поршень (1) идёт вперёд (первый ход), создавая низкое давление в цилиндре. Вращение главного вала (2) через червячную передачу (3) передаётся вспомогательному валу (4), управляющему газораспределительными клапанами. В I такте вал открывает впускной клапан (5), и горючая смесь из топливного бака (6) поступает в цилиндр (7). Клапан закрывается. II такт. Сжатие смеси: поршень идёт назад (второй ход) и сжимает топливную смесь. При запуске ДВС первый и второй ходы поршня осуществлялись вручную, затем это происходило автоматически — инерция маховика (8) поддерживала вращение главного вала. III такт. Расширение смеси (рабочий ход): вспомогательный вал кратковременно открывает клапан (9), подающий порцию смеси в газовую горелку (10), где она воспламеняется (11) и, поступая в цилиндр, воспламеняет в нём основную порцию горючего. Газы в цилиндре расширяются и выталкивают поршень вперёд (третий ход). На этом такте поршень производит полезную работу: через шток (12) передаёт толчок кривошипно — шатунному механизму (13), раскручивающему маховик. IV такт. Выпуск отработанных газов: через выпускной клапан (14) отработавшие газы, быстро сжимающиеся благодаря рубашке охлаждения (15) в корпусе цилиндра, удаляются из цилиндра. Создаётся разряжение (низкое давление), и поршень идёт назад (четвёртый ход).

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

Основная статья: Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

— двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внёс советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Турбонагнетание

Этот раздел должен быть полностью переписан. На странице обсуждения могут быть пояснения.

Наиболее распространённым типом комбинированных двигателей является поршневой с турбонагнетателем. Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова «турбина» (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет нагнетать воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем воздуха (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.

На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.

Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, поскольку тому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.

Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры или при использованием турбины с изменяемой геометрией, в автоспорте также применяется принудительный разгон турбины с помощью системы рекуперации энергии). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом).

Как работает паровой двигатель

Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.

Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.

Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.

Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Детали парового двигателя

Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины.

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них — наиболее очевидных.

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями).

Взрыв парового котла паровоза

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую.

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.

Паровой двигатель Ивана Ползунова

Подробности

Просмотров: 618

Иван Иванович Ползунов (1728-66) — русский теплотехник, создатель первой в России паросиловой установки.
Родился в семье солдата из крестьян г. Туринска. Ппосле окончания горнозаводской школы в Екатеринбурге был “механическим учеником” у главного механика уральских заводов, самостоятельно познакомился с трудами М.В. Ломоносова, изучил устройство паро-насосных установок, штудировал книги по металлургии и минералогии.
В 1763году И.И. Ползунов разработал проект первого парового двигателя непрерывного действия — «огненного» двигателя мощностью 1,8 л.с. (1,3 квт) — первого в мире двухцилиндрового двигателя с объединением работы цилиндров на один общий вал, т.е. двигателя, универсального по своему техническому применению.
Впервые в мире машина работала без какого-либо использования гидравлической энергии (без использования энергии воды), что было огромным шагом вперед по сравнению с существовавшими тогда паровыми машинами, не способными обходиться без вспомогательного гидравлического привода.

Однако это была всё ещё пароатмосферная машина, то есть пар использовался только для подъема поршня, который опускался под влиянием атмосферного давления. Машина эта могла быть использована для любых работ.

В 1764 году Ползунов начал постройку огромной, высотой с трёхэтажный дом, рабочий машины для обслуживания воздуходувки на десять плавильных печей.

Сохранившиеся рабочие чертежи и документы говорят об устройстве и работе этой паровой машины. Двигатель Ползунова — двухцилиндровый, непрерывного действия, мог подавать дутье в печи, откачивать воду.

Непрерывность действия достигалась тем, что в машине как бы по очереди работали два цилиндра. Когда один находился на холостом ходу, у другого был ход рабочий. Вода разогревалась в котле, склёпанном из медных листов. Пар поступал через специальные распределительные устройства в два вертикальных трёхметровых цилиндра, поршни которых действовали на коромысла.

Эти коромысла были связаны с мехами для поддува рудоплавильных печей, а так же с водяными насосами — распределителями и другим дополнительным оборудованием, необходимом для питания котла и для поддержания непрерывного действия машины.

Проект паровой машины был представлен в царскую Канцелярию в Петербург, о нем было доложено императрице Екатерине Второй. Она распорядилась произвести И.И.Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика», наградить 400 рублями и, по возможности, направить на учебу в Петербург. Модель этой машины была взята в Кунсткамеру.
К маю 1766 года строительство было закончено. Но незадолго до пуска машины, изобретатель умер от чахотки.
Машина начала работать уже без него.

В течении 43 дней она исправно работала. Однако, возникавшие при испытаниях недочеты некому было исправлять, и машина, наконец-таки, встала из-за течи котла. Равнодушное начальство не позаботилось о починке машины.
В дальнейшем по предписанию управителей алтайских заводов ползуновская машина была разобрана и заменена на обычный гидравлический привод. Со временем фабрика, где работала машина, была разрушена. Оставшиеся развалины сохранили народное название «Ползуновское пепелище».
Русский крепостной механик Ивана Иванович Ползунов создал паровую машину, причем, в отличие от Ватта, делая ее с нуля и не имея перед глазами работающих образцов.

Следующая страница «Паровые автомобили. Паровые дилижансы »

Назад в раздел «Паровые двигатели и их применение»

Паровая машина

Первыми были сконструированы паровые поршневые двигатели (или паровые машины). Позднее на их основе были созданы паровые турбины.

Рабочим телом в этих двигателях обычно является водяной пар (возможны пары других веществ). Поршневые двигатели сейчас применяют редко, на железнодорожном и водном транспорте.

Паровые турбины используются на больших электростанциях и кораблях.

Паровой двигатель кроме основных элементов теплового двигателя имеет несколько вспомогательных устройств. Вся совокупность компонент парового двигателя называется паросиловой станцией. В паровом двигателе осуществляет циркуляцию вода. Она становится паром в котле, выполняет работу в турбине, снова становится водой в барабане. Затем она отправляется при помощи насоса через сборный бак в котел. Оборот воды в паросиловой станции изображен на схеме рис.1

Рисунок 1. Паровой двигатель. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В схеме, изображенной на рис.1 нагреватель – это котел, а холодильник – конденсатор, который охлаждается проточной водой. Поскольку в установке циркулирует одна и также вода, то накипи практически не образуется. Накипь влияет на КПД котла, уменьшая его.

Паровой котел — это топка и собственно котел. Топливо сжигают в топке. Сам котел составлен из барабана и труб, которые через свои стенки передают теплоту газов, нагретых при сгорании топлива, воде. Вода нагревается и превращается в пар. Энергия топочных газов не полностью передается воле, ее часть рассеивается. Потери энергии происходят и при неполном сгорании топлива.

Далее по паропроводу пар попадет в турбину. Турбина — это стальной цилиндр с валом внутри него. На валу укреплены рабочие колеса с изогнутыми лопатками. Между рабочими колесами имеются направляющие лопатки. Пар заставляет рабочее колесо вращаться, попадая на рабочие лопатки. В турбине пар увеличивает свой объем, при этом его температура уменьшается.

Турбина способна совершать вращение только в одном направлении, скорость ее вращение изменяется не очень сильно. Это удобно для вращения электрогенераторов.

КПД паросиловой станции может достигать 27%. Часть потерь энергии вызвана несовершенством конструкции и потерями, которые происходят при охлаждении пара водой в конденсаторе.

Теория дает следующий вывод, что КПД тепловой машины не может быть больше, чем:

$\eta =\frac{T_1-T_2}{T_1}\left(1\right),$

где $T_1$ — температура нагревателя; $T_2$ — температура холодильника.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

• По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые. Дизельные — потребляют исключительно солярку.
• Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника — бензинового двигателя.
• В числе минусов дизеля — в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
• Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Выбор электрогенератора

При использовании ППМ для привода электрогенератора в составе агрегата в настоящее время существует три способа получения электроэнергии необходимого качества. Все три способа требуют регулирования паровой машины таким образом, что при изменении нагрузки на неё частота вращения агрегата находилась в заданных пределах.

Первый – это использование генераторов постоянного тока с регулированием частоты вращения агрегата в некотором, довольно широком диапазоне. Полученная электроэнергия может использоваться непосредственно в том виде, в каком она получена, либо преобразуется с помощью частотного преобразователя в одно- или трёхфазный переменный электрический ток необходимой частоты.

Второй – использование генераторов переменного тока с регулированием частоты вращения агрегата в некотором диапазоне. Полученный переменный ток может быть выпрямлен, а затем преобразуется с помощью частотного преобразователя (ЧРП) в одно- или трёхфазный переменный электрический ток необходимой частоты.

Третий – использование генераторов переменного тока с точным регулированием частоты вращения агрегата, когда на зажимах генератора получается электрическая энергия необходимого качества.

Следует помнить, что применение ЧРП значительно, в 2-3 раза, повышает стоимость агрегата именно за счёт стоимости ЧРП. Вместе с тем агрегаты, в которых используются частотники, имеют более простую, не требующую высокой точности систему управления частотой вращения.

Для регулирования частоты вращения машины при изменении нагрузки на неё используются несколько методов.

Качественный – предполагает изменение давления пара перед цилиндрами. Этот способ регулирования с помощью дросселя наименее экономичный, хотя и наиболее простой.

Количественный – изменение величины отсечки, т.е. изменение величины угла поворота коленчатого вала, во время которого происходит впуск пара в цилиндры. Необходимо иметь возможность изменять отсечку в пределах от 10° до 180° угла поворота коленчатого вала после ВМТ. Такой широкий диапазон регулирования не позволяет использовать технические решения, которые применяются в настоящее время в ДВС с изменяющимися фазами газораспределения.

Следует обратить внимание на то, что с увеличением величины отсечки мощность машины растёт медленнее, чем расход пара. Это значит, что машины с малой величиной отсечки экономичнее, чем машины с большой (0,32 и выше) величиной отсечки

Однако у машин с маленькой величиной отсечки возникают проблемы с регулированием частоты вращения в режиме частичных нагрузок.

Это заставляет использовать для впуска пара в ППМ золотниковое парораспределение. При этом золотники могут быть использованы только на впуск пара, а выпуск пара будет осуществляться через клапаны. Возможно использование золотников как на впуск, так и на выпуск пара. В обоих случаях требуется использование отдельных механизмов, управляющих впуском и выпуском пара. В машинах с золотниковым парораспределением следует использовать двухконтурную систему смазки машины. Это вызвано тем, что в механизме парораспределения возможна конденсация пара и попадание конденсата в систему смазки. Потому необходимо разделить системы смазки коленчатого вала и механизма парораспределения.

Количественный метод регулирования наиболее точный, но и наиболее сложный. При частоте вращения машины выше 250 об./мин. этот метод реализуется с помощью двух последовательно расположенных золотников во впускных каналах каждого цилиндра.

Существует и комбинированный метод регулирования, называемый регулированием изменением противодавления. Он сочетает достаточную точность регулирования и невысокую сложность.