Тепловые двигатели и теплосиловые установки

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ТЕПЛОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

Тепловыми называются такие первичные двигатели (машины), в которых теплота преобразуется в механическую работу. В зависимости от способа преобразования теплоты двигатели могут быть поршневыми, роторными и реактивными.

В поршневых двигателях потенциальная энергия рабочего тела непосредственно превращается в механическую работу. Иначе говоря, рабочее тело производит давление на поршень и перемещает его, совершая работу. В зависимости от способа передачи движения поршня на вал поршневые двигатели бывают двух видов: с прямолинейным движением поршня и с вращающимися поршнями (коловратные). \/'

В двигателях с прямолинейным движением поршня (рис. 70) передача движения поршня на вал производится шатунно-кривошипным механизмом.

Под действием давления рабочего тела, находящегося в цилиндре /, поршень 2 опускается и через особое шарнирное соединение (поршневой палец) 3 и шатун 4,

передает это давление на шейку 5 кривошипа 6 коленчатого вала 7, заставляя его вращаться по часовой стрелке. Если на коленчатый вал насадить массивное колесо — маховик 8, то энергия, накопленная за ход, проделанный поршнем при его движении сверху вниз, будет достаточна для возвращения поршня в исходное, верхнее положение. Подавая каждый раз новую порцию рабочего тела в цилиндр двигателя, можно обеспечить его непрерывную работу.

Двигатели с прямолинейным движением поршня получили наибольшее распространение. Двигатели, в которых рабочим телом является пар или воздух, называются соответственно паровыми и воздушными машинами, а в которых рабочим телом является газ, получаемый в результате сгорания топлива, — двигателями внутреннего сгорания.

В поршневых двигателях с прямолинейным движением поршня возможна передача движения, не только на вал, например в поршневых паровых, пневматических и дизельных молотах и прессах. С поршнем двигателя в этих случаях непосредственно соединен или ударник молота, или платформа пресса, передающие энергию, развиваемую рабочим телом в цилиндре, непосредственно на объект воздействия — сваю, поковку и т. д.

Поршневые двигатели коловратного типа широкого распространения пока не получили, поэтому ограничимся лишь описанием их принципа действия.

В этих двигателях (рис. 71) особый поршневой барабан 1, имеющий два продольных рабочих зуба (поршня) 2, соединен с валом машины 5. Впуск свежего рабочего тела производится через патрубок 6. Давление рабочего тела на зубцы поршневого барабана вызывает его вращение. Выпуск отработавшего рабочего тела производится через отверстия 3 и патрубок 7 двумя вращающимися роликами 4, которые имеют продольные пазы и связаны с валом машины зубчатой передачей. Вал, несущий поршневой барабан, можно соединить муфтой с электрическим генератором, гребным винтом судна или другими потребителями мощности.

В тепловых двигателях роторного типа, называемых турбинами (рис. 72), процесс преобразования потенциальной энергии рабочего тела в механическую работу разделен на два последовательно протекающих процесса. Сначала потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем энергия струи в механическую работу вращения вала. Для преобразования потенциальной энергии в кинетическую служат устройства, называемые соплами /, неподвижно укрепленные в корпусе двигателя. Преобразование кинетической энергии в механическую работу происходит на лопатках рабочего колеса. Рабочее колесо выполнено в виде диска 3 с насаженными на его окружность изогнутыми лопатками 2. Вал 4 вместе с насаженным диском называется ротором. Ротор размещается в корпусе, а подшипники вала ротора вынесены за пределы корпуса. Чтобы не было утечек рабочего тела, в местах прохода вала через корпус устраиваются особые уплотнения, называемые лабиринтными

Роторные двигатели называют также лопаточ-н ы м и. В зависимости от того, что служит рабочим телом в турбине: пар, газ или воздух, их называют соответственно паровыми, газовыми или воздушными.

В реактивных двигат ел я х преобразование потенциальной энергии рабочего тела в механическую работу состоит только из одного процесса; преобразования потенциальной энергии в кинетическую.

Двигатель имеет камеру сгорания для сжигания топлива и образования газообразного рабочего тела, обладающего высокими параметрами (р и t) и сопло, в котором происходит расширение и энергия давления газов преобразуется в кинетическую энергию вытекающей струи. Вытекающая с большой скоростью с_а из сопла масса газа создает реактивную силу R, приложенную непосредственно к двигателю и перемещающую его в сторону, противоположную истечению газа. Таким образом, в реактивных двигателях механическая работа получается за счет действия на двигатель силы реакции, возникающей от движения газовой струи в специальных (реактивных) соплах.

Реактивные двигатели за последние годы получили очень широкое распространение.

Теплосиловыми установками называются промышленные предприятия, использующие для выработки механической или электрической энергии энергию органического или ядерного топлива. По виду отпускаемой энергии теплосиловые установки разделяются на силовые и смешанные.

Силовые установки вырабатывают механическую или электрическую энергию.

Смешанные установки вырабатывают электрическую или механическую энергию и, кроме того, снабжают потребителей теплом.

В силовых установках, вырабатывающих механическую энергию, тепловые двигатели служат для непосредственного привода производственных исполнительных механизмов и агрегатов, например компрессоров и воздуходувок, мощных вентиляторов и насосов, гребных винтов и трансмиссионных валов, трансмиссий тепловозов и автотракторных агрегатов. Теплосиловые установки, вырабатывающие электрическую энергию, называют тепловыми электрическими станциями (ТЭС). По характеру потребителей и району обслуживания тепловые электростанции разделяют на:

государственные районные электростанции (ГРЭС) большой мощности, работающие на общую сеть и питающие электроэнергией потребителей, расположенных иногда на большом расстоянии от электростанции;

электростанции местного значения, которые рассчитаны на обслуживание небольшого района; иногда их не присоединяют к районной электрической сети. К этой категории относятся коммунальные, промышленные и железнодорожные электростанции.

В зависимости от типа основного первичного двигателя, приводящего в движение электрический генератор, ТЭС подразделяют на локомобильные, паротурбинные, газотурбинные и дизельные. На локомобильных электростанциях в качестве первичных двигателей используют паровые машины. Локомобильные электростанции постепенно вытесняются дизельными установками. На паротурбинных электростанциях в качестве первичных двигателей применяют паровые, а на газотурбинных — газовые турбины.

В прикладной части курса «Теплотехника» вместе с тепловыми двигателями изучаются компрессоры — принадлежность большинства теплосиловых установок и оборудования многих технологических процессов. Компрессоры предназначены для сжатия воздуха, газов и паров.