В цилиндре дизельного двигателя происходит четыре процесса: впуск чистого воздуха, сжатие чистого воздуха, расширение газов после впрыскивания через специальные форсунки топлива и его сгорания (рабочий ход), выпуск отработавших газов.
Рис. 4.Схема устройства и рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизельного двигателя:
а — впуск чистого воздуха, б — сжатие, в — расширение (рабочий ход), г — выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал, 2 — шатун, 3 — поршень, 4 — выпускной клапан, 5 — форсунка, 6 — впускной клапан, 7 — воздухоочиститель, 8 — цилиндр, 9 — маховик
1. Процесс впуска (на рабочей диаграмме, представленной на рис. 5, линия 0–1). Поршень движется от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан открывается. Вследствие разрежения, создающегося над поршнем, воздух заполняет цилиндр.
2. Процесс сжатия (адиабата 1–2 на рис. 5). Поршень движется от НМТ к ВМТ, сжимая воздух в цилиндре. Оба клапана при этом закрыты. В результате быстрого сильного сжатия температура воздуха внутри цилиндра возрастает до 600 °C, а давление повышается до (35–40)∙105 Па.
В конце сжатия при положении поршня, близком к ВМТ, через форсунку в цилиндр под давлением (120–200)∙105 Па впрыскивается мелко распыленное жидкое топливо. Смешиваясь с сильно нагретым воздухом, топливо сначала нагревается, а потом самовоспламеняется (изобара 2–3 на рис. 5).
3. Процесс расширения (рабочий ход). На рис. 5 этому процессу соответствует адиабата 3–4. Во время рабочего хода поршень движется от ВМТ к НМТ.
Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты. В самом начале рабочего хода поршня впрыскивание топлива и его сгорание в цилиндре еще продолжаются. Температура газов, образовавшихся во время сгорания топлива, возрастает до 1800–2000 °C, а их давление — до (55–65)∙105 Па. Это давление передается поршнем через шатун коленчатому валу, заставляя его вращаться и производить работу. При движении поршня от ВМТ к НМТ газы в цилиндре расширяются, в результате чего к концу хода поршня давление их снижается до (4–5)∙105 Па, а температура — до 900—1100 °C.
Рис. 5.Рабочая диаграмма цикла дизеля
4. Процесс выпуска. Выпускной клапан открывается. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Выталкивание этих газов происходит сначала под действием их остаточного давления, а затем поднимающимся поршнем. К концу хода поршня выпускной клапан закрывается. Давление в цилиндре составляет (1,1–1,2)∙105 Па, а температура 600–700 °C. В дальнейшем процесс повторяется.
Если в паровой машине разность температур нагревателя и холодильника составляет 500 К, в карбюраторных — 1000 К, то в дизелях она значительно больше: 1800–2000 К.
Отсюда понятно, почему КПД дизеля значительно выше, чем у других тепловых двигателей, (во всех случаях за температуру холодильника принимается температура атмосферы).
ЧТО ТАКОЕ СОВРЕМЕННАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА?
Прошло более двух тысячелетий после Герона Александрийского (предложившего, как нам известно, идею использования энергии пара в турбине), прежде чем в конце XIX в. его идея получила признание и применение.
Турбины получили широкое распространение, например, на электростанциях, для работы которых необходим двигатель с большим числом оборотов и большой мощности. В настоящее время экономичные паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания вытеснили паровые машины отовсюду. Достаточно сказать, что в 60-е годы нашего столетия более 80 % всей электроэнергии, вырабатываемой в стране, давали паротурбинные станции. И хотя в целях экономии природных источников получения теплоты (угля, нефти, газа) удельный вес паротурбинных установок в общем балансе должен сокращаться за счет гидростанций, паровые турбины все же будут иметь большое значение в народном хозяйстве. Простейшая турбина (рис. 6) состоит из закрепленного на валу 1 рабочего колеса 4 с лопатками 5, расположенными по окружности колеса (барабана).
Рис. 6.Модель простейшей одноступенчатой турбины
Пар при температуре 600–650 °C с давлением до 3∙107 Па (в современных турбинах) поступает на лопатки через специальные каналы — сопла 2, назначение которых состоит в получении струи с надлежащей по модулю и направлению скоростью. В сопле пар расширяется и часть его внутренней энергии преобразуется в кинетическую. В результате изменения направления движения пара в лопатках турбины (при неизменном давлении пара) рабочее колесо начинает вращаться, приводя в действие электрический генератор, воздуходувку, компрессор или какое-либо другое устройство.
Необходимость производства турбин большой мощности привела к созданию многоступенчатых турбин. В этом случае на валу турбины насажено несколько дисков с закрепленными на их ободах рабочими лопатками. Каждая соседняя пара дисков разделена неподвижными дисками-диафрагмами, в которых закреплены направляющие лопатки, служащие соплами для рабочих лопаток. Диафрагма и следующий за ней диск с рабочими лопатками образуют ступень паровой турбины.
КАК РАБОТАЕТ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА?
Рассмотрим вкратце работу, например, трехступенчатой паровой турбины (рис. 7).
Рис. 7.Схема устройства многоступенчатой турбины (сверху показан график изменения скорости и давлений пара в турбине)
Пар высокого давления поступает в кольцевую камеру А и через сопла, расположенные по ее окружности, — в каналы между рабочими лопатками первого диска, а затем последовательно проходит через сопла и каналы рабочих лопаток последующих ступеней турбины.
Отработанный пар через камеру В направляется в конденсатор. Проходя через сопла первой ступени, пар расширяется, его скорость увеличивается. Внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую. При движении пара между рабочими лопатками расширения пара не происходит, так как лопатки имеют такую форму и так расположены, что сечения криволинейных каналов между ними одинаковы по всей длине. Следовательно, давление пара при входе в канал и при выходе из него не меняется. Так как кинетическая энергия струи пара уменьшается (за счет механической работы вращения дисков), скорость движения пара в межлопаточном канале падает. Такой же процесс повторяется в последующих ступенях турбины.
Чем больше разность давлений пара по обе стороны сопла, тем выше скорость выхода пара из этих сопл, а значит, тем больше сила давления пара на рабочие лопатки. Поэтому к соплам подводят перегретый пар, обладающий большим запасом внутренней энергии. Графический процесс расширения пара представлен в виде диаграммы в верхней части рис. 8.
Рис. 8.Современная паровая турбина
Поскольку по мере движения пара через турбину его объем постепенно увеличивается, размеры рабочих лопаток и сопл в каждой из последующих ступеней (а их в современных турбинах насчитывается до 30) делают большими, чем в предыдущей.
На рис. 8 представлен внешний вид современной паровой турбины (некоторые части турбины для наглядности представлены в разрезе). По трубе пар поступает в цилиндр 6, приводит во вращение ротор высокого давления 5. Отсюда пар по перепускной трубе 4 направляется в цилиндр низкого давления 3, где отдает еще часть своей энергии дискам турбины и после этого выходит из турбины по трубе 1. За турбиной установлен электрический генератор 2. Вал турбины соединен с ротором генератора.
КАКОВО ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА В ОБЛАСТИ ТУРБОСТРОЕНИЯ?
Это прежде всего увеличение единичных мощностей агрегатов. Если в 70-х годах типовые блоки тепловых электростанций имели мощность 200 и 300 МВт, то в 80-х годах осуществляется переход на блоки в 500 и 800 МВт, т. е. мощность турбоагрегатов будет составлять 1200 МВт и более.
Применение энергоблока большой мощности экономически значительно выгоднее применения нескольких менее мощных агрегатов. При этом экономятся сырье, материалы, затраты на строительство зданий и т. д. Так, энергоблок мощностью 300 МВт при работе экономит до 20 % топлива по сравнению с тремя турбинами по 100 МВт и требует для своего изготовления на 30 % меньше металла.
В общем случае стоимость турбины, например, в 200 МВт всего лишь на 15–20 % выше стоимости турбины в 100 МВт, тогда как их мощности отличаются в два раза.
Экономия энергетических ресурсов в турбостроении также чрезвычайно важна, ибо турбина в 300 МВт (считающаяся в настоящее время турбиной небольшой мощности) потребляет в час до 900 т пара. А сколько же тогда должна потреблять пара турбина в 1200 МВт? И сколько каменного угля, нефти и газа надо сжечь для получения такого количества пара?
ЧЕМ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ПАРОВОЙ?
Почти одновременно с паровой турбиной появились первые газовые турбины, которые более просты по своей схеме, более компактны по сравнению с паротурбинной установкой.
Газовая турбина работает по тому же принципу, что и паровая, но рабочей средой в ней служит не пар, а продукты сгорания какого-либо топлива (жидкого или твердого).
В паротурбинной установке почти вся мощность турбины является полезной и передается какому-либо приемнику, тогда как в газотурбинной установке при температуре на входе 550–600 °C около 75 % мощности расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и только 25 % может быть передано потребителю (электрогенератору или другому приемнику).
Пока не было жаропрочных сталей и не было конструкций компрессоров, обладающих высоким КПД, построить мощную и экономичную газовую турбину не было возможности, хотя еще в 1897 г. русский инженер П. Д. Кузьминский спроектировал и затем изготовил газовую турбину, работающую на керосине. Эта турбина работала по принципу, применяемому в газовых турбинах и в настоящее время, — при постоянном давлении в камере сгорания.