Фізична основа теплового двигуна
Вчинення механічної роботи в сучасних машинах і механізмах в основному відбувається за рахунок внутрішньої енергії речовин.
Тепловий двигун - пристрій, що перетворює внутрішню енергію палива в механічну енергію
Неможливо уявити собі сучасну цивілізацію без теплових двигунів.
Механічна робота в двигуні відбувається при розширенні робочої речовини, що переміщує поршень у циліндрі. Для циклової, безперервної роботи двигуна необхідно повернення поршня в його початкове положення, тобто стиснення робочої речовини. Легко стисливим речовиною є речовина в газоподібному стані, тому в якості робочої речовини в теплових двигунах використовується газ або пару.
Роботи теплового двигуна складається з періодично повторюваних процесів розширення і стиснення газу. Стиснення газу не може бути мимовільним, воно відбувається тільки під дією зовнішньої сили, наприклад за рахунок енергії, запасеної маховиком двигуна при розширенні газу.
Повна механічна робота А складається з роботи розширення газу Арасш і роботи стиснення газу Асж, що здійснюється силами тиску газу при його стисненні. Так як при стисненні? V0) необхідно, щоб робота стиснення газу була менше роботи його розширення.
З урахуванням формули: A = p? V маємо А = (pрасш - pсж)? V.
Зміна обсягу? V газу при розширенні та стисненні має бути однаковим із-за циклічності роботи двігателяю.
Отже, тиск газу при стисненні повинно бути менше його тиску при розширенні. При одному і тому ж обсязі газу тим менше, чим нижче його температура, тому перед стисненням газ повинен бути охолоджений, тобто наведено в контакт з холодильною машиною - тілом, що має більш низьку температуру. Для отримання механічної роботи в тепловому двигуні при циклічному процесі розширення газу має відбуватися при більш високій температурі, ніж стиснення.
Необхідна умова дл циклічного одержання механічної роботи в тепловому двигуні - наявність нагрівача і холодильника.
Історія теплового двигуна
Створенню теплових машин передувало доказ існування атмосферного тиску.
РЕАКТИВНИЙ ДВИГУН
Реактивний двигун, двигун, що створює необхідну для руху силу тяги шляхом перетворення вихідної енергії в кінетичну енергію реактивного струменя робочого тіла; в результаті закінчення робочого тіла із сопла двигуна утвориться реактивна сила у вигляді реакції (віддачі) струменя, що переміщає в просторі двигун і конструктивно пов'язаний з ним апарат в сторону, протилежну закінчення струменя. У кінетичну (швидкісну) енергію реактивного струменя в Р. д. можуть перетворюватися різні види енергії (хімічна, ядерна, електрична, сонячна). Р. д. (двигун прямої реакції) поєднує в собі власне двигун з рушієм, тобто забезпечує власний рух без участі проміжних механізмів.
Для створення реактивної тяги, яка використовується Р. д., необхідні: джерело вихідної
(первинної) енергії, яка перетворюється в кінетичну енергію реактивного струменя;
робоче тіло, яке у вигляді реактивного струменя викидається з Р. д.; сам Р. д. -
перетворювач енергії. Початкова енергія запасається на борту літального або ін
апарату, оснащеного Р. д. (хімічне пальне, ядерне паливо), або (в принципі)
може надходити ззовні (енергія Сонця). Для отримання робочого тіла в Р. д. може
використовуватися речовина, відбирається з навколишнього середовища (наприклад, повітря або вода);
речовину, що знаходиться в баках апарата або безпосередньо в камері Р. д.; суміш речовин, що надходять з навколишнього середовища і запасається на борту апарата. У сучасних Р. д. в якості первинної найчастіше використовується хімічна енергія. У цьому випадку робоче тіло являє собою розпечені гази - продукти згоряння хімічного палива. При роботі Р. д. хімічна енергія яких спалює речовин перетворюється на теплову енергію продуктів згоряння, а теплова енергія гарячих газів перетворюється в механічну енергію поступального руху реактивного струменя і, отже, апарата, на якому встановлено двигун. Основною частиною будь-якого Р. д. є камера згоряння, в якій генерується робоче тіло. Кінцева частина камери, що служить для прискорення робочого тіла і отримання реактивного струменя, називається реактивним соплом.
Залежно від того, використовується чи ні при роботі Р. д. навколишнє середовище,
їх підрозділяють на 2 основних класи - повітряно-реактивні двигуни (ВРД) і
ракетні двигуни (РД). Всі ВРД - теплові двигуни, робоче тіло яких утворюється
при реакції окислення горючої речовини киснем повітря. , Який надходить з атмосфери повітря становить основну масу робочого тіла ВРД. Т. о., Апарат з ВРД несе на борту джерело енергії (пальне), а більшу частину робочого тіла черпає з навколишнього середовища. На відміну від ВРД всі компоненти робочого тіла РД перебувають на борту апарата, оснащеного РД. Відсутність рушія, що взаємодіє з навколишнім середовищем, і наявність всіх компонентів робочого тіла на борту апарата роблять РД єдино придатним для роботи в космосі. Існують також комбіновані ракетні двигуни, що представляють собою ніби поєднання обох основних типів.
Принцип реактивного руху відомий дуже давно. Родоначальником Р. д. можна вважати шар Герона. Твердопаливні ракетні двигуни - порохові ракети з'явилися в Китаї в 10 ст. н. е.. Протягом сотень років такі ракети застосовувалися спочатку на Сході, а потім у Європі як фейєрверочних, сигнальні, бойові. У 1903 К. Е. Ціолковський у роботі "Дослідження світових просторів реактивними приладами" вперше в світі висунув основні положення теорії рідинних ракетних двигунів і запропонував основні елементи пристрою РД на рідкому паливі. Перші радянські рідинні ракетні двигуни - ОРЗ, ОРЗ-1, ОРЗ-2 були спроектовані В. П. Глушко і під його керівництвом створені в 1930-31 в Газодинамічне лабораторії (ГДЛ). У 1926 Р. Годдард здійснив запуск ракети на рідкому паливі. Вперше електротермічних РД був створений і випробуваний Глушко в ГДЛ в 1929-33.
У 1939 в СРСР відбулися випробування ракет з прямоструминними повітряно-реактивними двигунами конструкції І. А. Меркулова. Перша схема турбореактивного двигуна? була запропонована російським інженером Н. Герасимовим в 1909.
У 1939 на Кіровському заводі в Ленінграді почалася споруда турбореактивних двигунів конструкції А. М. Люльки. Випробувань створеного двигуна перешкодила Велика Вітчизняна війна 1941-45. У 1941 вперше був встановлений на літак і випробуваний турбореактивний двигун конструкції Ф. Уіттла (Великобританія). Велике значення для створення Р. д. мали теоретичні роботи російських учених С. С. Нежданівською, І. В. Мещерського, М. Є. Жуковського, праці французького вченого Р. Ено-Пельтрі, німецького вченого Г. Оберта. Важливим внеском у створення ВРД була робота радянського вченого Б. С. Стечкина "Теорія повітряно-реактивного двигуна", опублікована в 1929.
Р. д. мають різне призначення та область їх застосування постійно розширюється.
Найбільш широко Р. д. використовуються на літальних апаратах різних типів.
Турбореактивними двигунами і двоконтурними турбореактивними двигунами оснащено більшість військових і цивільних літаків у всьому світі, їх застосовують на вертольотах. Ці Р. д. придатні для польотів як з дозвукові, так і з надзвукові швидкості; їх встановлюють також на літаках-снарядах, надзвукові турбогвинтові двигуни можуть використовуватися на перших щаблях повітряно-космічних літаків. Прямоточні повітряно-реактивні двигуни встановлюють на зенітних керованих ракетах, крилаті ракети, надзвукових винищувачів-перехоплювачів. Дозвукові прямоточні двигуни застосовуються на вертольотах (встановлюються на кінцях лопатей несучого гвинта). Пульсуючі повітряно-реактивні двигуни мають невелику тягу і призначаються лише для літальних апаратів з дозвуковою швидкістю. Під час 2-ї світової війни 1939-45 цими двигунами були оснащені літаки-снаряди ФАУ-1.
РД в більшості випадків використовуються на високошвидкісних літальних апаратах.
Рідинні ракетні двигуни застосовуються на ракетах-носіях космічних літальних апаратів і космічних апаратах як маршових, гальмівних і керуючих двигунів, а також на керованих балістичних ракетах. Твердопаливні ракетні двигуни використовують балістичних, зенітних, протитанкових і ін ракети військового призначення, а також на ракетах-носіях та космічних літальних апаратах. Невеликі твердопаливні двигуни застосовуються як прискорювачів при злеті літаків. Електричні ракетні двигуни та ядерні ракетні двигуни можуть використовуватися на космічних літальних апаратах.
Основні характеристики Р. д.: реактивна тяга, питома імпульс - відношення тяги двигуна до маси ракетного палива (робітника тіла), що витрачає в 1 сек, або ідентична характеристика - питома витрата палива (кількість палива, що витрачається за 1 сек на 1 н розвивається Р . д. тяги), питома маса двигуна
(маса Р. д. в робочому стані, що припадає на одиницю що розвивається їм тяги).
Для багатьох типів Р. д. важливими характеристиками є габарити і ресурс.
Тяга - сила, з якою Р. д. впливає на апарат, оснащений цим Р. д., - определяетсяпо формулою
P = mWc + Fc (pc - pn),
де m - масова витрата (витрата маси) робочого тіла за 1 сек; Wc - швидкість робочого тіла в перетині сопла; Fc - площа вихідного перерізу сопла; pc - тиск газів в перетині сопла; pn - тиск навколишнього середовища (зазвичай атмосферний тиск). Як видно з формули, тяга Р. д. залежить від тиску навколишнього середовища. Вона найбільше в просторі і найменше в найбільш щільних шарах атмосфери, тобто змінюється залежно від висоти польоту апарату, оснащеного Р. д., над рівнем моря, якщо мова йде про політ в атмосфері Землі. Питома імпульс Р. д. прямо пропорційний швидкості закінчення робочого тіла із сопла. Швидкість же закінчення збільшується із зростанням температури минає робочого тіла і зменшенням молекулярної маси палива (чим менше молекулярна маса палива, тим більше об'єм газів, що утворюються при його згорянні, і, отже, швидкість їх закінчення).
Тяга існуючих Р. д. коливається в дуже широких межах - від часток гс у електричних до сотень тс у рідинних і твердопаливних ракетних двигунів. Р. д. малої тяги застосовуються головним чином в системах стабілізації та управління літальних апаратів. У космосі, де сили тяжіння відчуваються слабо і практично немає середовища, опір якої доводилося б долати, вони можуть використовуватися і для розгону. РД з максимальною тягою необхідні для запуску ракет на великі дальність і висоту і особливо для виведення літальних апаратів у космос, тобто для розгону їх до першої космічної швидкості. Такі двигуни споживають дуже велика кількість палива; вони працюють звичайно дуже короткий час, розганяючи ракети до заданої швидкості. Максимальна тяга ВРД досягає 28 тс (1974). Ці Р. д., що використовують як основного компонента робочого тіла навколишнє повітря, значно економніше. ВРД можуть працювати безперервно протягом багатьох годин, що робить їх зручними для використання в авіації. Історію і перспективи розвитку окремих видів Р. д. і лит. див у статтях про ці двигунах.
Коефіцієнт корисної дії
Коефіцієнт корисної дії (ККД>), характеристика ефективності системи (пристрої, машини) стосовно перетворення або передачі енергії; визначається відношенням корисно використаної енергії до сумарної кількості енергії, отриманого системою; позначається зазвичай h = Wпол/Wcyм.
В електричних - відношення що здійснюється (корисної) механічної роботи до електричної енергії, яку отримують від джерела; в теплових - відношення корисної механічної роботи до витрачається кількості теплоти; в електричних трансформаторах - відношення електромагнітної енергії, яку отримують у вторинній обмотці, до енергії, яка споживається первинної обмоткою. Для обчислення різні види енергії і механічна робота виражаються в однакових одиницях на основі механічного еквівалента теплоти, та ін аналогічних співвідношень. В силу своєї спільності поняття дозволяє порівнювати і оцінювати з єдиної точки зору такі різні системи, як атомні реактори, електричні генератори і, теплоенергетичні установки, напівпровідникові прилади, біологічні об'єкти і т. д.
Через неминучих втрат енергії на тертя, на нагрівання навколишніх тіл і т. п. завжди менше одиниці. Відповідно до цього виражається в частках затрачуваної енергії, тобто у вигляді правильної дробу або у відсотках, і є безрозмірною величиною. теплових електростанцій досягає 35-40%, внутрішнього згоряння - 40-50%, динамомашини і генераторів великої потужності-95%, трансформаторів-98%. процесу фотосинтезу становить зазвичай 6-8%, у хлорели він досягає 20-25%. У теплових чинності другого початку термодинаміки має верхню межу, який визначається особливостями термодинамічного циклу (кругового процесу), який здійснює робочу речовину. Найбільшим має Карно цикл.
Розрізняють окремого елементу (ступені) машини або пристрої та, що характеризує весь ланцюг перетворень енергії в системі. першого типу відповідно до характеру перетворення енергії може бути механічним, термічним і т. д. До другого типу відносяться загальний, економічний, технічний та інші види. Загальний системи дорівнює добутку приватних, або ступенів.
У технічній літературі іноді визначають т. о., Що він може виявитися більше одиниці. Подібна ситуація виникає, якщо визначати відношенням Wпол/Wзатр, де Wпол - використовується енергія, що отримується на «виході» системи, Wзатр - не вся енергія, що надходить до системи, а лише та її частина, для отримання якої виробляються реальні витрати. Наприклад, при роботі напівпровідникових термоелектричних обігрівачів (теплових насосів) витрата електроенергії менше кількості теплоти, що виділяється термоелементів. Надлишок енергії черпається з навколишнього середовища. При цьому, хоча справжній установки менше одиниці, розглянутий
Навколишнє середовище
Теплові двигуни (у тому числі і реактивний) - необхідний атрибут сучасної цивілізації. З їхньою допомогою виробляється? 80% електроенергії. Без теплових двигунів неможливо уявити сучасний транспорт. У той же час повсюдне використання теплових двигунів пов'язане з негативним впливом на навколишнє середовище.
Спалювання палива супроводжується виділенням в атмосферу вуглекислого газу, здатного поглинати теплове інфрачервоне (ІЧ) випромінювання поверхні Землі. Зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері, збільшуючи поглинання ІЧ - випромінювання, призводить до підвищення її температури (парниковий ефект). Щорічно температура атмосфери Землі підвищується на 0,05 ° С. Цей ефект може створити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня Світового океану.
Продукти згоряння палива дуже забруднюють навколишнє середовище.
Вуглеводні, вступаючи в реакцію з озоном, що знаходяться в атмосфері, утворюють хімічні сполуки, несприятливо впливають на життєдіяльність рослин, тварин і людини.
Споживання кисню при горінні палива зменшує його вміст в атмосфері.
Для охорони навколишнього середовища широко використовує очисні споруди, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин, різко обмежують використання сполук важких металів, що додаються в паливо, розробляють
Двигуни, що використовують водень як пального (вихлопні гази складаються з нешкідливих парів води), створюють електромобілі та автомобілі, що використовують сонячну енергію.
3
