Модуль 8. Двигатели внутреннего сгорания.

Классификация турбин

Мощность и КПД турбины

 

Работа турбины как теплового двигателя характеризуется внутренней (индикаторной) мощностью, развиваемой лопатками, и эффективной (на валу) мощностью.

Эффективная мощность N_e меньше внутренней N_i, на значение механических потерь (в подшипниках, на привод вспомогательных механизмов и т. д.). Внутренняя мощность N_i меньше мощности N_0, которую развивала бы идеальная турбина, на значение внутренних потерь (от трения и завихрения в каналах от перетечек пара в зазорах помимо сопл и т.д.).

Внутренний относительный КПД учи­тывает внутренние потери турбины и оп­ределяется отношением

η_0i= N_i / N₀ (118)

 

Механические потери оцениваются меха­ническим КПД:

η_мех= N_е / N_i (119)

 

Для большинства современных турбин η_0i=0,7÷0,88; η_ме =0,99÷0,995.

 

Турбины паровые стационарные для привода турбогенераторов (ГОСТ 3618 - 82) выпускаются мощностью от 2,5 до 1600МВт на параметры свежего пара р₀ = 3,4÷23,5 МПа и t₀ = 435÷565 ^oС.

Турбины изготовляются следующих типов: конденсационные (К), конденса­ционные с отопительным (теплофикаци­онным) отбором пара с давлением отбо­ра 0,18 МПа (Т), с производственным отбором пара для промышленного по­требления (П), с двумя регулируемыми отборами пара (ПТ), с противодавлени­ем (Р), с производственным отбором и противодавлением (ПР) и теплофика­ционные с противодавлением и отопи­тельным отбором пара (ТР). В обозначе­нии после буквы (тип турбины) приво­дится ее номинальная мощность в МВт, а затем номинальное давление пара (пе­ред стопорным клапаном турбины) в кгс/см². Для турбин П и ПТ в обозна­чении давления под чертой отмечается номинальное давление производственно­го отбора или противодавления турбины в кгс/см².

 

 

Вопросы для самопроверки

1. Что из себя представляет турбомашина или турбина?

2. Принцип действия активной турбины с тремя ступенями давления?

3. Для чего предназначены турборасширительные машины?

 

Лекция 13. Общие сведения и классификация двигателей внутреннего сгорания. Смесеобразование в ДВС. Применяемые топлива.

Общие сведения и классификация двигателей внутреннего сгорания

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называется тепловая машина, в рабочем цилиндре которой происходит сжигание топлива и преобра­зование теплоты в работу.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания по сравнению с любым другим тепловым двигателем является наиболее экономичным. Малая металлоемкость, надежность, быстрота запуска и относи­тельная долговечность позволили этому типу машины занять ведущее место, пре­жде всего на транспорте. Стационарные двигатели применяются на электростан­циях для привода насосных установок, на нефти- и газоперекачивающих и буро­вых установках, в сельском хозяйстве и т. п. Кроме того, они работают на ме­таллургических заводах, используя в ка­честве топлива доменный и генераторный газы. Мобильные (передвижные) двига­тели устанавливаются на автомобилях, тракторах, самолетах, судах, локомоти­вах и других передвижных установках. ДВС особенно незаменимы в местах, не охваченных сетью районных электростанций: леспромхозах, геологоразведоч­ных партиях и др.

Мощность существующих стационар­ных двигателей составляет от 20 до 3500 кВт (имеются единичные агрегаты мощностью 20 МВт), а общая мощность поршневых двигателей в настоящее вре­мя значительно превышает мощность всех электростанций.

Принципиальная схема ДВС пред­ставлена на рис. 40. Основным элемен­том любого поршневого двигателя явля­ется цилиндр 4 споршнем 5, соединен­ным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем ра­боты. Цилиндр (или блок цилиндров) монтируется на верхней части карте­ра 1 и сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпуск­ной 3 клапаны и электрическая свеча за­жигания (в карбюраторном и газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждаю­щая жидкость. В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7 которого подвижно соединен с шатуном 6. Верх­няя головка шатуна сочленена с порш­нем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре.

Рис. 40. Принципиальная схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

 

Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива (топливные насо­сы, смесительные устройства, фильтры, топливные баки, регулятор), смазки (масляные насосы, фильтры, масляные баки, масленки), охлаждения (водяные насосы, водяные баки, радиаторы) и другие устройства, необходимые для его обслуживания. Вспомогательные ме­ханизмы приводятся в движение от ко­ленчатого вала.

Крайние положения поршня называ­ют верхней мертвой точкой (ВМТ) и ни­жней мертвой точкой (НМТ). Ход по­ршня от ВМТ до НМТ называют тактом. Объем, описываемый поршнем за один ход, является рабочим объемом цилинд­ра, V_n = nD²S/4 (D — диаметр цилинд­ра, S — ход поршня).

Сумму рабочих объемов всех цилиндров двигателя в литрах называют литра­жом двигателя.

Анализ рабочего цикла в ДВС обыч­но производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изо­бражена зависимость давления в цилин­дре от объема, занятого газом, или поло­жения поршня. При работе ДВС индика­торная диаграмма записывается при­соединенным к нему специальным при­бором — индикатором.

Различают два типа поршневых ДВС - четырехтактные и двухтактные. У четырехтактного двигателя, индикаторная диаграмма ко­торого изображена на рис. 41, а, от­дельным процессам соответствуют: 0 -1 - всасывание топливной) смеси (1-й такт); 1-2 — сжатие смеси (2-й такт); 2-3 — сгорание +3-4 — расширение продуктов сгорания +4-5— выхлоп (3-й такт); 5-0 — выталкивание продуктов сгорания, (4-й такт).

Из всех четырех тактов, составляю­щих цикл, только в третьем получается полезная paбoта, в остальных трех так­тах работа затрачивается.

У двухтактного двигателя отдельным процессам соответствуют (рис. 41, б): 0-1 — продувка и введение новой порции смеси + 1-2 — сжатие (1-й такт); 2-3 — сгорание +3-4 — расширение +4-0 — выхлоп (2-й такт). В двухтактном двига­теле очистку цилиндра от остаточных газов и наполнение его свежим зарядом выполняют продувочным воздухом через шлицы, открываемые поршнем.

 

Рис. 41. Индикаторная диаграмма четырех­тактного (а) и двухтактного (б) двигателей: А — выпускное окно; Б — продувочное окно

 

Двигатели с «мгновенным сгоранием» топлива (карбюра­торные и газовые). Первый газовый дви­гатель был построен Отто (1876 г.), а первый карбюраторный двигатель был создан моряком русского флота О. С. Костовичем (1879 г.). В цилиндр такого двигателя всасывается готовая горючая смесь, которая в нужный момент под­жигается от внешнего источника (элек­трической искры высокого напряжения, раскаленного шара). Время сгорания го­товой смеси очень мало, в связи с чем допустимо считать, что процесс сгорания осуществляется при (почти) постоянном объеме.

Двигатели со сгоранием топлива при (почти) посто­янном давлении (компрессорные дизели). Создание такого двигателя свя­зано с именем Р. Дизеля (1898 г.). В ци­линдре двигателя сжимается чистый воз­дух. В конце сжатия в цилиндр впрыски­вается топливо, которое в процессе смешения с горячим воздухом воспла­меняется и сгорает при р = const. Для распыла топлива, подаваемого в ци­линдр, используют воздух, сжатый в компрессоре до давления, в 1,2—2 раза превышающего давление в цилиндре (отсюда и произошло название «ком­прессорные дизели»). Такие двигатели имеют ряд конструк­тивных недостатков (наличие компрессо­ра для распыла топлива, сложное устройство форсунок и др.) и в настоя­щее время не строятся.

Двигатели со смешанным сгоранием топлива (беском­прессорные дизели). В цилинд­ре этого двигателя тоже сжимается чистый воздух, а жидкое топливо, сжа­тое насосом до давлений около 30— 40 МПа, подается в форсунку, через ко­торую оно в мелкораспыленном виде раз­брызгивается в цилиндр в конце тактасжатия. Топливо, попадая в воздух, нагретый в процессе сжатия до температуры, пре­вышающей температуру воспламенения, сгорает по мере ввода его в цилиндр сначала (почти) при V=const, а затем при (почти) р = const.

Все типы двигателей могут выпол­няться как четырехтактными, так и двух­тактными.