Двигатели внутреннего сгорания
Поиски изобретателей по возможному увеличению КПД паросиловых установок привели к созданию нового дешевого и экономичного двигателя - "машины без котла".
Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.
Отсюда и происхождение названия - "двигатель внутреннего сгорания".
Ускоренной разработке такого двигателя способствовало и то, что к началу XIX века была разработана технология производства газового горючего, а позднее и индукционная катушка, позволявшая зажигать горючую смесь в полости цилиндра искровым разрядом.
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским инженером Этьеном Лену аром [1], но эта машина была еще весьма несовершенной. Низкая экономичность была следствием нерационального цикла. При всасывании горючей смеси (светильного газа с воздухом) до половины хода поршня расширение ограничивалось второй половиной хода и было всего двухкратным.
В 1862 году французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Но сам Бо де Роша не запатентовал своего предложения и не делал попыток его реализации. Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 году первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22 %, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.
Развитие нефтяной промышленности в конце XIX века дало новые виды топлива - керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно-бензиновую смесь называют горючей смесью.
Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин топливо сжигается для нагрева газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с нагреванием воздуха происходит частичное изменение его состава: вместо молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более 3/4 воздуха, испытывает лишь нагревание.
Расширение производства двигателей внутреннего сгорания вызвало их специализацию по областям применения: в качестве судовых, стационарных, газогенераторных, позднее автомобильных и авиационных.
Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей был запатентован в Германии Г.Даймлером в 1885 году для применения в автомобиле. В XX веке бензиновый двигатель стал применяться в авиации.
Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину КПД, является степень сжатия горючей смеси. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и многие грузовые автомобили.
Особая линия в развитии двигателей внутреннего сгорания связана с работами немецкого инженера Рудольфа Дизеля, получившего патент в 1892 году на двигатель нового типа [2]. Предложение Дизеля сводилось к высокому сжатию рабочего тела в полости двигателя для повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего.
Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончанию процесса сжатия в цилиндр впрыскивается горючее. Для его зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени адиабатического сжатия воздуха его температура повышается до 600 - 700 градусов Цельсия. Горючее, впрыскиваемое с помощью топливного насоса через форсунку, воспламеняется при соприкосновении с раскаленным воздухом.
Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп. После демонстрации на Парижской выставке 1900 года двигателя Дизеля начинается дизелестроение. Сам Дизель до конца своей жизни (1913 год) вынужден был защищать свои патентные права, так как горение топлива при постоянном давлении (правда без высокого сжатия) патентовалось рядом изобретателей в разных странах.
Двигатели Дизеля внедрялись в России при очень благоприятных условиях. В частности, керосин в качестве топлива был заменен сырой нефтью. Особенно много было сделано в области конструирования судовых дизельных двигателей. Первым дизельным судном в мире явился нефтевоз "Вандал" (1903 год). В 1904 году был спущен на воду второй, улучшенный вариант судна под названием "Сармат" с двумя двигателями по 180 л.с, их частота вращения достигала 240 об/мин. В 1908 году была построена подводная лодка "Минога", имевшая реверсивный двигатель. Первое буксирное судно "Мысль" (1907 год) получило быстро привившийся термин - теплоход [1].
Более высокий коэффициент полезного действия дизельных двигателей обусловлен тем, что вследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения смеси у них выше, чем у карбюраторных двигателей. Этим обеспечивается более полное сгорание дизельного топлива. Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на судах речного и морского транспорта, тепловозах.
Паровая турбина
Создание паровой турбины стимулировалось в промышленности применением рабочих машин, имеющих высокую скорость вращения: дисковых пил, центрифуг, вентиляторов, центробежных насосов, сепараторов, электрических генераторов. Электрические генераторы в конечном итоге явились самыми главными их потребителями.
Описание принципа действия паровой турбины можно найти в глубокой древности. Еще до н.э. Герон Александрийский сконструировал прибор, названный им "эолипилом". Под действием реакции струи пара шар вращался вокруг оси. В XVII веке итальянец Дж.Бранка предлагал активную паровую турбину для привода пестов.
До 80 годов XIX века применение паровых турбин носило единичный характер. В 30 годах XIX в г.Сиракузах (США) было построено несколько турбин для привода центробежных пил. Турбины представляли собой модификацию "эолипила" Герона. Громадный удельный расход пара в них компенсировался использованием в качестве горючего отходов лесопильного производства. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Густавом Лавалем в 1889 году. В дальнейшем Лаваль создал активную одновенечную турбину, то есть турбину с одним рабочим колесом, которое вращалось со скоростью 30000 об/мин [1].
В 1900 году на Всемирной выставке в Париже французским профессором Огюстом Рато была представлена разработка многоступенчатой паровой турбины мощностью 1000 л.с. Затем автор подверг эту турбину технической доработке и создал осевой турбокомпрессор - воздуходувку.
В 1903 году швейцарский инженер Генрих Цели усовершенствовал турбину Рато, упростив и удешевив ее. Разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости ввел в 1896 году американский инженер Чарльз Кертис.
В дореволюционной России первые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом. С началом внедрения паровых турбин на судах военно-морского флота на Балтийском заводе в Петербурге был специально оборудован турбинный цех.
Для работы паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до температуры более 500°С и при высоком давлении выпускается из котла через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может достигать 1000 м/сек. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию.
Для производства пара, способного крутить турбину, необходим котел (или место, где его можно получить). Помимо дороговизны и сложности в эксплуатации, котлы первой половины XIX века были взрывоопасны. Частые взрывы нередко сопровождались человеческими жертвами. Развитие котлостроения неразрывно связано с использованием и применением именно паровых турбин. В конечном итоге проблема парообразования была решена к началу XX века.
Современные паровые турбины обладают высоким КПД преобразования кинетической энергии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%. Поэтому электрические генераторы практически всех тепловых и атомных электростанций мира, дающие более 80% всей вырабатываемой электроэнергии, приводятся в действие паровыми турбинами. Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не превышает 580°С , а температура пара на выходе из турбины обычно 30°С; поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой машины равно 65 %, а реальное значение КПД паротурбинных конденсационных электростанций составляет лишь около 40 % [2]. Мощность современных энергоблоков котел - турбина - генератор достигает 1,2 млн кВт.
Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, отбираемое от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышленного теплоснабжения.
Коэффициент полезного действия использования топлива в такой электростанции (ТЭЦ) повышается до 60 - 70 %.
Газовая турбина
Стремление избавиться от котла направило изобретателей на использование воздуха в качестве рабочего тела теплосиловых установок, получивших название "калорических". Примером таких установок является установка шведского инженера Д.Эриксона (середина XIX века), работавшая на одном из заводов в Нью-Йорке. Калорическими двигателями было оборудовано морское судно "Эриксон". Подобный двигатель использовался на заводе Нобиля в Петербурге.
Первая попытка реализации газовой турбины была сделана инженером-механиком русского флота П.Д.Кузьминым в 1897 году [1]. Смерть изобретателя в 1900 году не позволила ему привести свое изобретение к законченному виду и преодолеть трудности, среди которых основной было отсутствие жароупорных сплавов. Только с 30-х годов XX века появилась реальная возможность сооружения экономически выгодных газовых турбин.
Воздушный котел и газовая турбина современного двигателя соответствуют по выполняемым ими функциям цилиндру калорического двигателя с расположенной под ним топкой. В современной газовой турбине используются и теплообменник и компрессор. Несмотря на тождество принципиальных схем, вытекающих из тождества принятых циклов, между калорическими двигателями и газовыми турбинами лежит длительный путь исторического развития, разработки эффективных циклов газового двигателя, исследования и обобщения условий теплообмена, осуществление перехода от поршневых конструкций к роторным, освоение технологии получения жаропрочных сталей, достижение высокого КПД турбокомпрессоров.
Что касается теоретических проблем, то до конца XIX века развитие теплоэнергетики характеризуется значительными успехами в исследовании свойств водяного пара и газов. Среди обобщающих теоретических работ следует отметить труды французских ученых Ж.Б.Фурье ("Аналитическая теория тепла ", 1822 год) и С.Карно ("Размышление о движущей силе огня", 1824 год).
Конструктивно газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата.
При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5-7 раз.
Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до температуры 200° С и более. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо - керосин, мазут.
При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до температур 1500°С - 2000°С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается.
Движущийся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется для вращения.
Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникающая при этом, может быть использована для движения любого вида транспорта.