Тепловые двигатели и их применение
Двигатель Дизеля. Как повысить к.п.д. двигателя
внутреннего сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надо
употреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшим
объемами цилиндра, см. рис.). При большом сжатии горючая смесь сильнее
нагревается и получается более высокая температура во время горения смеси.
Однако в двигателях автомобильного типа нельзя употреблять сжатие более 8—9-кратного.
При большей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение второго такта
настолько, что воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует.
Это затруднение обойдено в двигателе, сконструированном
в конце XIX века Р. Дизелем (двигатель Дизеля или просто дизель).
Устройство дизеля схематически показано на рисунке 10. В дизеле подвергается
сжатию не горючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное,
причем получается нагревание воздуха до 500 - 600°С. Когда сжатие
заканчивается, в цилиндр впрыскивается жидкое топливо. Делается это при помощи
особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором. В некоторых типах дизелей компрессор отсутствует и
впрыскивание топлива производится насосом, дающим очень большое давление. Зажигание
разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокой температуры,
получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих
устройств. Во время горения нефти, продолжающегося значительно дольше, чем горение смеси бензин — воздух в автомобильном
двигателе, поршень движется вниз и производит работу. Затем производится выбрасывание
отработанных газов.
Дизель оказался более
экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь
значительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теплоходах),
тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим
преимуществом дизеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах
топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в
особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес
двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.
|
|
Рис.10. Схема двигателя Дизеля
|
|
Реактивные
двигатели
Реактивный двигатель - двигатель, создающий
необходимую для движения силу тяги путем преобразования исходной энергии в
кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В результате истечения рабочего
тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи)
струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним
аппарат в сторону, противоположную истечению струи.
В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в
реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии
(химическая, ядерная, электрическая, солнечная).
Для создания реактивной тяги, используемой реактивным
двигателем, необходимы:
· источник исходной (первичной) энергии, которая
превращается в кинетическую энергию реактивной струи;
· рабочее тело, которое в виде реактивной струи
выбрасывается из реактивного двигателя;
· сам реактивный двигатель - преобразователь
энергии.
Исходная энергия запасается на борту летательного или
другого аппарата, оснащенного реактивным двигателем (химическое горючее,
ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для
получения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться вещество,
отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество,
находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактивного
двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту
аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной чаще всего
используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой
раскаленные газы - продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного
двигателя химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию
продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую
энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата,
на котором установлен двигатель. Основной частью любого реактивного двигателя
является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть
камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи,
называется реактивным соплом.
В зависимости от того, используется или нет при работе
реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса - воздушно-реактивные
двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Наиболее
широко реактивные двигатели используются на летательных аппаратах различных
типов.
Воздушно-реактивные двигатели. Все
ВРД - тепловые двигатели, рабочее тело которых образуется при реакции окисления
горючего вещества кислородом воздуха. Поступающий из атмосферы воздух составляет
основную массу рабочего тела ВРД. Таким образом, аппарат с ВРД несет на борту
источник энергии (горючее), а большую часть рабочего тела черпает из окружающей
среды.
ВРД подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные.
Бескомпрессорные ВРД отличаются тем, что необходимая подача сжатого
воздуха для эффективного сжигания топлива осуществляется без применения компрессора;
сжатие воздуха происходит во входном устройстве за счет скоростного напора
набегающего потока. Они делятся на прямоточные и пульсирующие.
Прямоточные ВРД для повышения давления воздуха в камере сгорания
используют только скоростной напор встречного потока. Присущие им положительные
особенности: простота конструкции, легкость, а также возрастание реактивной
тяги пропорционально квадрату скорости полета. Поэтому они особенно выгодны при
больших сверхзвуковых скоростях полета. Недостаток – ничтожная тяга при малой
скорости полета, поэтому прямоточные ВРД могут применяться на самолетах только
в сочетании с другими двигателями, обеспечивающими необходимую тягу при взлете
и на малых скоростях полета. Прямоточные ВРД устанавливают на зенитных
управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых
истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на
вертолетах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта).
Пульсирующий ВРД отличается от прямоточного тем, что воздух
поступает в камеру сгорания не непрерывно, а периодически, импульсами. Давление
в камере повышается за счет сгорания топлива. Пульсирующий ВРД может развивать
необходимую тягу и при малых скоростях полета. Конструкция его проста. Основной
недостаток – большой расход топлива. Пульсирующие ВРД имеют небольшую тягу и
предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью.
Компрессорные ВРД имеют центробежный или осевой компрессор,
приводимый в действие газовой турбиной или авиационным поршневым двигателем, и
соответственно подразделяются на турбокомпрессорные (или турбореактивные)
и мотокомпрессорные.
Турбокомпрессорные (или турбореактивные) ВРД получили наиболее
широкое распространение. Этими двигателями оснащено большинство военных и
гражданских самолетов, их применяют на вертолетах. Они пригодны для полетов как
с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на
самолетах-снарядах. Сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут
использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолетов.
Рис.11. Схема устройства турбореактивного
двигателя
|
|
На рисунке 11 показана схема
устройства одного из типов реактивных двигателей, устанавливаемых на
самолетах. Двигатель заключен в цилиндрический корпус, открытый спереди
(воздухоприемное отверстие) и сзади (выходное сопло).
Воздух входит в переднее
отверстие (это показано стрелками) и попадает в компрессор, состоящий из ряда лопаток,
укрепленных на вращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси
двигателя, уплотняя его при этом. После компрессора воздух поступает в камеру,
в которую впрыскивается горючее. Получается горючая смесь, которая воспламеняется,
образуя газы высокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному
соплу, по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую компрессор, а затем
вырываются через сопло из заднего отверстия двигателя. Газы, покидающие
двигатель и получающие огромную скорость в направлении назад, действуют на
самолет с силой реакции, направленной вперед. Эта сила и приводит в движение
самолет.
Тяга турбореактивных
двигателей с высотой и скоростью полета уменьшается, экономичность увеличивается.
Для облегчения взлета самолета с таким двигателем иногда используют
двигатели-ускорители. Также тяга турбореактивного двигателя может быть увеличена
путем дополнительного сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между
турбиной и реактивным соплом.
Однако такие двигатели не всегда выгодны
экономически. В этом случае для огромных транспортных самолетов лучше
использовать турбовинтовые двигатели (ТВД). Последние снабжены винтом (или
винтами) на валу двигателя впереди компрессора. Для этого нужно удлинить вал,
соединяющий турбину с компрессором, добавить редуктор, который снизит частоту
вращения винта (иначе воздушный поток станет срываться с лопастей и пропеллер в
основном будет вращаться вхолостую). Сила тяги складывается из тяги, возникающей
как сила реакции при истечении газов из сопла, и из тяги винта (винтов),
вращаемого специальной газовой турбиной или той же, которая вращает компрессор.
При малой скорости полета основная доля тяги получается от работы винтов, на
большой скорости – за счет силы реакции.
Ракетные двигатели. В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела ракетного
двигателя (РД) находятся на борту аппарата, оснащенного им.
РД в большинстве случаев используются на высокоскоростных
летательных аппаратах. Ракетный двигатель обладает многими примечательными
особенностями, но главная из них заключается в следующем. Ракете для движения
не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в результате
взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета
может двигаться в безвоздушном пространстве.
РД подразделяются на двигатели, работающие на жидком
топливе (горючее и окислитель), - жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), на
двигатели, работающие на твердом топливе, - пороховые реактивные двигатели
(ПРД), разновидностью которых являются твердотопливные ракетные двигатели
(РДТТ), и на двигатели, работающие на гибридном ракетном топливе (ГРД).
В стадии исследования, разработки и частичного применения находятся
ракетные двигатели:
·
ядерные (собственно ядерные, термоядерные,
радиоизотопные). Тяга двигателей создается за счет энергии, выделяющейся в
результате реакции деления ядер тяжелых элементов (собственно ядерный), реакции
управляемого синтеза ядер легких элементов (термоядерный) или в результате
радиоактивного распада изотопов (радиоизотопный);
·
электрические (электромагнитные или плазменные, электростатические,
электротермические). Для создания тяги с помощью рабочего тела используется
электрическая энергия бортовой энергоустановки летательного аппарата;
·
газоаккумуляторные (сублимационные и др.). Тяга двигателя
создается истечением газов или других продуктов через реактивное сопло за счет
потенциальной энергии самих продуктов, принудительно созданной до полета летательного
аппарата;
·
фотонные. Тяга двигателя создается направленным
истечением квантов электромагнитного излучения – фотонов. Фотонный двигатель
имеет предельно возможный удельный импульс, так как скорость истечения фотонов равна
скорости света;
·
комбинированные.
По назначению и характеру использования в
ракетно-космической технике ракетные двигатели подразделяются на основные
(маршевые, стартовые) и вспомогательные (рулевые, корректирующие,
микроракетные, тормозные и др.).
Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических
летательных аппаратов и космических аппаратах в качестве маршевых, тормозных и
управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. ЖРД как основной
самолетный двигатель почти не применяется из-за большого расхода топлива.
ЖРД состоит из одной или нескольких камер сгорания с
индивидуальным или общим реактивными соплами, системы подачи компонентов
ракетного топлива, органов регулирования и вспомогательных агрегатов.
ЖРД подразделяются:
·
по типу используемого
ракетного топлива –
однокомпонентные, двухкомпонентные (горючее и окислитель) и многокомпонентные;
·
по системе подачи
топлива – вытеснительные (путем
наддува баков, в которых содержится топливо, воздухом, газообразным азотом или
продуктами сгорания самих компонентов топлива) и турбонасосные (в составе
газовой турбины и топливных насосов на общем валу);
·
по схеме использования
топлива – с дожиганием и без
дожигания генераторного газа.
В качестве жидкого ракетного топлива используются:
·
в качестве горючего
– легковоспламеняющиеся и, как правило, токсичные вещества углеводородного состава
(спирты, типа керосин, жидкий водород) и азотоводородного состава (амины,
гидразин, несимметричный диметилгидразин (так называемый, гептил), аммиак и др.);
·
в качестве окислителя
– высокоагрессивные и токсичные вещества (жидкий кислород, четырехокись азота и
др.).
Твердотопливные ракетные двигатели используются в баллистических, зенитных,
противотанковых и других ракетах военного назначения, а также на ракетах-носителях
и космических летательных аппаратах. Небольшие твердотопливные двигатели
применяются также в качестве ускорителей при взлете самолетов.
РДТТ состоит из корпуса (камеры сгорания), в котором
размещен весь запас ракетного топлива в виде заряда, реактивного сопла,
воспламенительного устройства, а также может содержать устройство для регулирования
тяги по величине и направлению и устройство «отсечки» тяги (выключения
двигателя).
Твердое ракетное топливо содержит окислитель и горючее
в твердой фазе. По сравнению с жидким ракетным топливом имеет преимущества:
возможность длительного хранения ракеты в снаряженном состоянии и высокую
плотность. Основные недостатки: трудность управления процессом сгорания и относительно
невысокая теплота сгорания.
Термомагнитные двигатели и
тепловые двигатели с внешним подводом теплоты
По данным Агентства экономических новостей, наиболее
перспективными разработками в настоящее время являются термомагнитный
двигатель и тепловой двигатель с внешним подводом теплоты.
Термомагнитный двигатель выгодно отличается
простой конструкцией, в котором тепловая энергия горячих газов, получаемых от
сгорания топлива, переходит в механическую энергию за счет фазового перехода
материала ротора из магнитного состояния в немагнитное и обратно. Двигатель
может иметь коэффициент полезного действия выше, чем у двигателей внутреннего
сгорания и для своей работы может даже использовать низкотемпературные газы
(порядка 100 град. С), которые другие двигатели не могут использовать совсем
или использовать с меньшей эффективностью.
Используя горячие газы, полученные сжиганием жидкого или газообразного
топлива, предложенный двигатель может заменять двигатели внутреннего сгорания.
Однако новый двигатель гораздо проще по конструкции и работает без шума, что
является его большим достоинством.
Новый двигатель может также работать, используя горячие газы,
являющиеся отходами при работе различных высокотемпературных агрегатов:
металлургических печей, котельных установок и т.п.
Двигатель с внешним подводом теплоты предназначен для утилизации тепловой энергии
горячих газов, являющихся отходами различных производств и процессов. Извлеченное
тепло двигатель превращает в механическую работу, которая с помощью электрогенератора
может быть превращена в электроэнергию. В современном производстве тепловых
отходов в виде газов горячих очень много. Это горячие газы, выходящие из
металлургических печей, котельных установок разного рода, газы в трубах систем
отопления.
Наиболее перспективным применением двигателя является использование его
в частных домах в районах с холодным климатом (Север и Сибирь Российской Федерации,
Аляска, Канадский Север, Скандинавия). В этом случае тепло отходящих газов
системы отопления будет использовано для обеспечения дома электроэнергией.
Двигатель также может приводить в движение насос для подачи в дом воды из реки.
Влияние тепловых двигателей на окружающую среду
Тепловые двигатели (в том числе и реактивный) –
необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около
80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить современный
транспорт. В тоже время повсеместное использование тепловых двигателей связано
с отрицательным воздействием на окружающую среду.
Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу
углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное (ИК) излучение
поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере, увеличивая
поглощение ИК – излучения, приводит к повышению ее температуры («парниковый эффект»).
Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05ºС. Этот эффект
может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня
Мирового океана.
Продукты сгорания топлива существенно загрязняют
окружающую среду.
Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся
в атмосфере, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на
жизнедеятельность растений, животных и человека.
Потребление кислорода при горении топлива уменьшает
его содержание в атмосфере.
Для охраны окружающей среды широко использует очистные
сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, резко
ограничивают использование соединений тяжелых металлов, добавляемых в топливо,
разрабатывают двигатели, использующие водород в качестве горючего (выхлопные
газы состоят из безвредных паров воды), создают электромобили и автомобили,
использующие солнечную энергию.
[1] Ф. Энгельс говорит, что «паровая машина была
первым действительно интернациональным открытием» (К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч.—
2-е изд., т. 14, с. 570). Энгельс упоминает Папина (француза), Лейбница (немца),
Сэвери и Ньюкомена (англичан), а также Уатта (англичанина), придавшего «паровой
машине в принципе ее современный вид». Энгельсу в то время не были известны
материалы о русском горном инженере, работавшем на Урале и в Сибири, И. И.
Ползунове (1728—1766), на 21 год раньше Уатта разработавшем проект паровой
машины.
Страницы: 1, 2
|