Тепловым называется двигатель, который преобразует тепловую энергию, получаемую от сгорания топлива, в механическую энергию. Тепловые двигатели разделяются на двигатели внешнего и внутреннего сгорания топлива.
В тепловом двигателе внешнего сгорания в качестве теплоносителя (рабочего тела, выполняющего непосредственную работу в машине) используется водяной пар. Водяной пар получают в котле от теплоты сжигаемого топлива в топке (или реакторе атомных электростанций). Этот пар, называемый сырым, имеющий низкую температуру, равную температуре воды котла, при соприкосновении с холодными стенками машины интенсивно охлаждается и конденсируется, теряя давление. Это состояние называется «мятием» пара. Машины, работающие на сыром паре, имеют низкий КПД. Чтобы уменьшить эффект мятия, пар нагревают в пароперегревателе до температуры 300.600"С. Такие параметры пара приемлемы для работы паровых машин — поршневых или лопаточных (турбин). Поршневые машины применяются на паровозах и пароходах. Лопаточные двигатели применяются на тепловых и атомных электростанциях в качестве двигателей турбогенераторов.
В двигателях внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя. К таким двигателям относятся поршневые двигатели, газовые турбины, реактивные и комбинированные двигатели.
Основными деталями поршневого двигателя внутреннего сгорания (рис. 6.1) являются цилиндр 2, крышка (головка) цилиндра 5, картер 1, поршень 6, шатун 7, коленчатый вал 8, клапаны впуска 3 и выпуска 4.
В процессе работы этого двигателя топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы (рабочее тело), имеющие высокую температуру, давят на поршень и перемещают его в ци-
Рис. 6.1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС): 1 — картер; 2 — цилиндр; 3 — клапан впуска; 4 — клапан выпуска; 5 — крышка цилиндра; 6 — поршень; 7 — шатун; 8 — коленчатый вал
Рис. 6.2. Газовая турбина — ДВС: 1 — топливный насос; 2 — камера сгорания; 3 — направляющий аппарат; 4 — турбина; 5 — компрессор
линдре. Поступательное движение поршня через шатун передается установленному в опорах картера коленчатому валу, который и преобразует его во вращательное движение.
В газовых турбинах (рис. 6.2) сжигание топлива производится в камере сгорания 2. Топливо в нее подается насосом 1 через форсунку. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в камеру сгорания с помощью компрессора 5, установленного на одном валу с рабочим колесом газовой турбины 4. Продукт сгорания (рабочее тело) через направляющий аппарат 3 поступает на лопатки рабочего колеса турбины 4.
Газовые турбины широко используются в качестве вспомогательных агрегатов в поршневых и реактивных двигателях, а также как самостоятельные силовые установки. В отличие от поршневых двигателей тепловой процесс в газовой турбине происходит непрерывно, реализуя значительную мощность при сравнительно небольших габаритах и массе.
В реактивном двигателе внутреннего сгорания (рис. 6.3) топливо и окислитель насосами 3 подаются из емкостей 1 и 2 в камеру сгорания 4. Продукты сгорания (рабочее тело) расширяются в сопле 5. Истечение газов из сопла в окружающую среду с большой скоростью создает реактивную силу тяги двигателя.
Особенностью реактивных двигателей является независимость силы тяги от скорости движения реактивной установки, а их мощность возрастает с увеличением скорости движения и количества поступающего воздуха в двигатель. Это свойство турбореактивных двигателей используют в авиации. Главные недостатки реактивных двигателей — их низкая экономичность и небольшой срок службы.
Рис. 6.3. Реактивный двигатель внутреннего сгорания: 1 — емкость для топлива; 2 — емкость для окислителя; 3 — насосы; 4 — камера сгорания; 5 — сопло
Рис. 6.4. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания: 1 — поршневая часть (ПЧ); 2- газовая турбина (Т); 3 — компрессор (К)
Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (рис. 6.4) со* стоит из поршневой части 1, в качестве которой используется поршневой двигатель внутреннего сгорания, газовой турбины 2 и компрессора 3. Выпускные газы из поршневого двигателя, имеющие высокую температуру и давление, отдают свою энергию лопаткам рабочего колеса газовой турбины, приводящей в действие компрессор. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. Это увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем повышения давления на впуске называется наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается, и увеличивается заряд воздуха в цилиндре. Известно, что для сжигания 1 кг жидкого топлива необходимо около 15 кг воздуха. Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь в нем, получив при этом большую мощность.
Комбинированные двигатели имеют значительный срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры, массу и высокую экономичность, благодаря чему они нашли широкое применение на железнодорожном транспорте.
Такт — это одно перемещение поршня в цилиндре от одного крайнего положения в другое.
Крайним положением поршня в цилиндре, или мертвой точкой, называется положение, при котором происходит изменение направления поступательного движения поршня в цилиндре (мертвая точка верхняя, нижняя, внутренняя, внешняя или наружная).
Рабочее тело (энергоноситель) ДВС — это теплоноситель (газ), посредством которого в двигателе совершается механическая работа. Рабочее тело образуется в результате сгорания топлива. В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции топлива должен предшествовать ряд подготовительных процессов.
⇐ | Центрирование валов механизмов | | Устройство и ремонт тепловозов | | Основные понятия и определения | ⇒