Тепловые двигатели

Тепловым называется двигатель, который преобразует тепловую энергию, получаемую от сгорания топлива, в механическую энергию. Тепловые двигатели разделяются на двигатели внешнего и внутреннего сгорания топлива.

В тепловом двигателе внешнего сгорания в качестве теплоносителя (рабочего тела, выполняющего непосредственную работу в машине) используется водяной пар. Водяной пар получают в котле от теплоты сжигаемого топлива в топке (или реакторе атомных электростанций). Этот пар, называемый сырым, имеющий низкую температуру, равную температуре воды котла, при соприкосновении с холодными стенками машины интенсивно охлаждается и конденсируется, теряя давление. Это состояние называется «мятием» пара. Машины, работающие на сыром паре, имеют низкий КПД. Чтобы уменьшить эффект мятия, пар нагревают в пароперегревателе до температуры 300.600"С. Такие параметры пара приемлемы для работы паровых машин - поршневых или лопаточных (турбин). Поршневые машины применяются на паровозах и пароходах. Лопаточные двигатели применяются на тепловых и атомных электростанциях в качестве двигателей турбогенераторов.

В двигателях внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя. К таким двигателям относятся поршневые двигатели, газовые турбины, реактивные и комбинированные двигатели.

Основными деталями поршневого двигателя внутреннего сгорания (рис. 6.1) являются цилиндр 2, крышка (головка) цилиндра 5, картер 1, поршень 6, шатун 7, коленчатый вал 8, клапаны впуска 3 и выпуска 4.

В процессе работы этого двигателя топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы (рабочее тело), имеющие высокую температуру, давят на поршень и перемещают его в ци-

Рис. 6.1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС): 1 - картер; 2 - цилиндр; 3 - клапан впуска; 4 - клапан выпуска; 5 - крышка цилиндра; 6 - поршень; 7 - шатун; 8 - коленчатый вал
Рис. 6.2. Газовая турбина - ДВС: 1 - топливный насос; 2 - камера сгорания; 3 - направляющий аппарат; 4 - турбина; 5 - компрессор

линдре. Поступательное движение поршня через шатун передается установленному в опорах картера коленчатому валу, который и преобразует его во вращательное движение.

В газовых турбинах (рис. 6.2) сжигание топлива производится в камере сгорания 2. Топливо в нее подается насосом 1 через форсунку. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в камеру сгорания с помощью компрессора 5, установленного на одном валу с рабочим колесом газовой турбины 4. Продукт сгорания (рабочее тело) через направляющий аппарат 3 поступает на лопатки рабочего колеса турбины 4.

Газовые турбины широко используются в качестве вспомогательных агрегатов в поршневых и реактивных двигателях, а также как самостоятельные силовые установки. В отличие от поршневых двигателей тепловой процесс в газовой турбине происходит непрерывно, реализуя значительную мощность при сравнительно небольших габаритах и массе.

В реактивном двигателе внутреннего сгорания (рис. 6.3) топливо и окислитель насосами 3 подаются из емкостей 1 и 2 в камеру сгорания 4. Продукты сгорания (рабочее тело) расширяются в сопле 5. Истечение газов из сопла в окружающую среду с большой скоростью создает реактивную силу тяги двигателя.

Особенностью реактивных двигателей является независимость силы тяги от скорости движения реактивной установки, а их мощность возрастает с увеличением скорости движения и количества поступающего воздуха в двигатель. Это свойство турбореактивных двигателей используют в авиации. Главные недостатки реактивных двигателей - их низкая экономичность и небольшой срок службы.

Рис. 6.3. Реактивный двигатель внутреннего сгорания: 1 - емкость для топлива; 2 - емкость для окислителя; 3 - насосы; 4 - камера сгорания; 5 - сопло
Рис. 6.4. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания: 1 - поршневая часть (ПЧ); 2- газовая турбина (Т); 3 - компрессор (К)

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (рис. 6.4) со* стоит из поршневой части 1, в качестве которой используется поршневой двигатель внутреннего сгорания, газовой турбины 2 и компрессора 3. Выпускные газы из поршневого двигателя, имеющие высокую температуру и давление, отдают свою энергию лопаткам рабочего колеса газовой турбины, приводящей в действие компрессор. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. Это увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем повышения давления на впуске называется наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается, и увеличивается заряд воздуха в цилиндре. Известно, что для сжигания 1 кг жидкого топлива необходимо около 15 кг воздуха. Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь в нем, получив при этом большую мощность.

Комбинированные двигатели имеют значительный срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры, массу и высокую экономичность, благодаря чему они нашли широкое применение на железнодорожном транспорте.

Такт - это одно перемещение поршня в цилиндре от одного крайнего положения в другое.

Крайним положением поршня в цилиндре, или мертвой точкой, называется положение, при котором происходит изменение направления поступательного движения поршня в цилиндре (мертвая точка верхняя, нижняя, внутренняя, внешняя или наружная).

Рабочее тело (энергоноситель) ДВС - это теплоноситель (газ), посредством которого в двигателе совершается механическая работа. Рабочее тело образуется в результате сгорания топлива. В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции топлива должен предшествовать ряд подготовительных процессов.

⇐ | Центрирование валов механизмов | | Устройство и ремонт тепловозов | | Основные понятия и определения | ⇒