Беседы о физике и технике - [3]

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.