Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I ТЕПЛОВІ ЯВИЩА.

РОЗДІЛ 3. ТЕПЛОВА ЕНЕРГІЯ. ТЕПЛОКОРИСТУВАННЯ

§ 19. ПАРОВА ТУРБІНА. ГАЗОТУРБІННИЙ ТЕПЛОВИЙ ДВИГУН

1. Турбіни — основний рушійний елемент на сучасних теплових електростанціях. У розглянутих вище теплових машинах (паровій машині, карбюраторному і дизельному двигунах) поршень приводиться у рух за рахунок тиску на нього пальної суміші, який створюється внаслідок її згоряння і розширення. Проте є теплові двигуни іншого типу, які перетворюють теплову енергію у механічну і виконують роботу без поршня. До таких теплових двигунів відносять теплові турбіни. Турбіна - від латинського слова turbo - вихор, обертання з великою швидкістю).

Турбінами називають теплові двигуни, у яких приведення механізмів у рух здійснюється за рахунок сили струменя рідини, пари або газу. Залежно від робочого тіла розрізняють парові (пара) та газові (газ) турбіни.

Розглянемо такий дослід (рис. 80, а). У закритій посудині нагрівають воду. За рахунок енергії палива внутрішня енергія води зростає і вона кипить та випаровується. Пара, вириваючись з трубки у кришці посудини, за рахунок своєї внутрішньої енергії здійснює дію на лопатки колеса і приводить його у рух.

Цей дослід показує, як можна виконати роботу по обертанню колеса за рахунок енергії згоряння палива. Залежно від робочого тіла (пари або газу) розрізняють парові і газові турбіни. На сучасних теплових електростанціях турбіни набули широкого використання, оскільки вони є економічними і розвивають значні потужності.

Рис. 80, а. Модель дії турбіни: енергія палива перетворюється на механічний (обертальний) рух колеса

Рис. 80, б. Будова та принцип дії парової турбіни

2. Парова турбіна. Парова турбіна (рис. 80, б) складається із залізного циліндра, всередині якого знаходиться вал 5 із закріпленим на ньому масивним диском - робочим колесом 4. На колесі закріплені лопатки 2 (вони призначені для переміщення потоків пари або газу). Нагріта і стиснена пара (утворена в спеціальному паровому котлі) витікає із сопла 1, в якому вона розширюється. Під час розширення пари її об’єм збільшується, а внутрішня енергія зменшується і йде на збільшення кінетичної енергії струмини пари. Тому струмина пари з великою швидкістю вдаряється в лопатки диска турбіни, передає їм свою енергію, за рахунок чого турбіна починає обертатися.

У сучасних турбінах застосовують не один, а кілька дисків з лопатками, закріпленими на спільному валу (рис. 81, а, б). Пара послідовно проходить через лопатки всіх дисків, віддаючи кожному з них частину своєї енергії. Диски об’єднують у групи (ступені). Відпрацьована у першому ступені турбіни пара через паропровід та сопло спрямовується на лопатки дисків наступного ступеня турбіни і т. д.

Відпрацьовану на парових турбінах гарячу пароводяну суміш використовують для виконання окремих виробничих потреб, опалювання житлових приміщень, охолоджують і повертають у парові котли для утворення наступної порції робочої пари.

Рис. 81. Сучасні парові турбіни використовуються у різних галузях промисловості: у багатоступінчатих турбінах розширення пари відбувається у ряді послідовно розташованих ступенів: б) монтаж парової турбіни

3. Газотурбінний тепловий двигун. Газова турбіна працює на тому самому принципі, що й теплова, але має певні конструктивні особливості (рис. 81, а). Зокрема, газова турбіна забезпечена компресором, який слугує для підвищення тиску повітря і складається з декількох ступенів, які приводяться у рух турбіною компресора. Газотурбінний двигун - це різновид двигуна внутрішнього згоряння, у якому енергія нагрітого і стисненого повітря перетворюється на механічну роботу обертання вала, який приводить у дію певний механізм.

Як працює газотурбінний двигун? Компресор усмоктує повітря з атмосфери, стискає його і нагнітає у камеру згоряння, куди подається й паливо. За рахунок цього у камері згоряння утворюється паливна суміш, яка виділяє енергію у процесі згоряння. Далі струмина вихідних газів під великим тиском поступає на лопатки робочої турбіни і починає їх обертати. Робоча турбіна з’єднана з привідним валом, який приводить у рух певний механізм.

Частина енергії, отриманої від згоряння паливної суміші витрачається на стиснення повітря для наступної подачі у компресор, а інша йде на привідний вал (це і є корисна робота газотурбінного двигуна). Перевагою газотурбінного двигуна є те, що для нього не потрібно створювати потужних парових котлів і паропроводів, оскільки паливна суміш утворюється в самому двигуні — у камері згоряння. Крім того, гази, які відпрацювали в турбіні, випускаються в атмосферу, а, отже, не потрібні пристрої для охолодження.

Парові турбіни є незамінними тепловими двигунами на теплових електростанціях, на транспортних і технологічних машинах великої потужності (морських суднах та ін.). Сучасні багатоступінчасті турбіни розвивають потужність від 5 кВт до 100 МВт і, відповідно, мають ККД від 20% до 87%. У якості палива для парових турбін використовують вугілля та мазут.

Рис. 82. а) схема газотурбінного двигуна:

Рис. 82. Газотурбінні двигуни перевершують за своїми технічними показниками традиційні теплові двигуни, вони э високотехнологічними і надійними, а також працюють у будь-яких кліматичних умовах: а) схема газотурбінного двигуна: б) авіаційний газотурбінний двигун; в) монтаж промислової газотурбінної установки; г) газотурбінний двигун українського Науково-промислового комплексу газотурбобудування «Зоря - Машпроект» (м. Миколаїв).

Паливом для газотурбінного двигуна може бути гас, бензин, мазут, природний газ, дизельне паливо, спирт, дрібне вугілля. Газотурбінні теплові двигуни знаходять широкого застосування на морських суднах, залізничних потягах, гвинто-крилах, у танках і літаках (рис. 82, б), у різних галузях промисловості (рис. 82, в, г).

Промислові газотурбінні двигуни розвивають потужність від 2, 5 МВт до 110 МВт. їх експлуатація показала, що ККД таких двигунів при ефективному використанні теплової енергії і удосконаленні основних елементів конструкції досягає 42% - 45%.

Сьогодні газотурбінні двигуни успішно використовуються в автомобільній промисловості. Основна причина, яка стримує виготовлення автомобільних газотурбінних двигунів полягає у необхідності штучно обмежувати температуру газів, які поступають на лопатки турбіни. Це пов’язане із нездатністю матеріалів, з яких виготовляється двигун (нікель, сталь, кераміка), витримувати великі тиски і температури. Тому сьогодні зусилля інженерів спрямовані на знаходження шляхів ефективного відведення тепла від газової турбіни з подальшим його використанням.

Закінчуючи ознайомленнями з такими видами теплових двигунів, як парові і газові турбіни, слід відзначити, що без них сьогодні важко уявити майже всі галузі промисловості і народного господарства. Вони широко використовуються в енергетиці (ТЕЦ, ТЕС, ДРЕС), в металургії, у целюлозно-паперовій промисловості. Особлива їх роль у сфері житлово-комунального господарства ( ЖКГ) - у котельних, а також на підприємствах, які мають дешеву паливну сировину (відходи деревини, лузга підсолнухів). Газові турбіни застосовуються також на нафтових та газових родовищах для одержання електричної енергії та гарячої води за рахунок використання газів, які відпрацювали у турбіні.

Подумайте і дайте відповідь

1. Які теплові двигуни називають турбінами?

2. Поясніть механізм перетворення теплової енергії на механічну в паровій турбіні.

3. Що таке газотурбінний тепловий двигун?

4. Які переваги газотурбінного двигуна порівняно з паровою турбіною? Де використовують газотурбінні парові двигуни?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 19.

1. Яким видом енергії є енергія пари, яка діє на лопатки турбіни?

2. Поясніть, для чого парові (газові) турбіни виготовляють багатоступінчатими.

3. Для збільшення потужності парових турбін необхідно підвищувати температуру пари та її тиск. Яка енергії молекул пари (кінетична або потенціальна) переважно збільшується при підвищенні температури? при підвищенні тиску?

4. Чим відрізняються між собою процеси перетворення внутрішньої енергії палива на механічну енергію у поршневих та турбінних теплових двигунах?

5. У паровій турбіні для одержання пари з температурою 250 °С спалюють дизельне паливо масою 0, 35 кг. При цьому пара виконує роботу 1 кВт ∙ год. Температура холодильника 30 °С. Обчисліть ККД турбіни.

§ 19. ПАРОВА ТУРБІНА. ГАЗОТУРБІННИЙ ТЕПЛОВИЙ ДВИГУН

1. Турбіни — основний рушійний елемент на сучасних теплових електростанціях. У розглянутих вище теплових машинах (паровій машині, карбюраторному і дизельному двигунах) поршень приводиться у рух за рахунок тиску на нього пальної суміші, який створюється внаслідок її згоряння і розширення. Проте є теплові двигуни іншого типу, які перетворюють теплову енергію у механічну і виконують роботу без поршня. До таких теплових двигунів відносять теплові турбіни. Турбіна - від латинського слова turbo - вихор, обертання з великою швидкістю).

Турбінами називають теплові двигуни, у яких приведення механізмів у рух здійснюється за рахунок сили струменя рідини, пари або газу. Залежно від робочого тіла розрізняють парові (пара) та газові (газ) турбіни.

Розглянемо такий дослід (рис. 80, а). У закритій посудині нагрівають воду. За рахунок енергії палива внутрішня енергія води зростає і вона кипить та випаровується. Пара, вириваючись з трубки у кришці посудини, за рахунок своєї внутрішньої енергії здійснює дію на лопатки колеса і приводить його у рух.

Цей дослід показує, як можна виконати роботу по обертанню колеса за рахунок енергії згоряння палива. Залежно від робочого тіла (пари або газу) розрізняють парові і газові турбіни. На сучасних теплових електростанціях турбіни набули широкого використання, оскільки вони є економічними і розвивають значні потужності.

Рис. 80, а. Модель дії турбіни: енергія палива перетворюється на механічний (обертальний) рух колеса

Рис. 80, б. Будова та принцип дії парової турбіни

2. Парова турбіна. Парова турбіна (рис. 80, б) складається із залізного циліндра, всередині якого знаходиться вал 5 із закріпленим на ньому масивним диском - робочим колесом 4. На колесі закріплені лопатки 2 (вони призначені для переміщення потоків пари або газу). Нагріта і стиснена пара (утворена в спеціальному паровому котлі) витікає із сопла 1, в якому вона розширюється. Під час розширення пари її об’єм збільшується, а внутрішня енергія зменшується і йде на збільшення кінетичної енергії струмини пари. Тому струмина пари з великою швидкістю вдаряється в лопатки диска турбіни, передає їм свою енергію, за рахунок чого турбіна починає обертатися.

У сучасних турбінах застосовують не один, а кілька дисків з лопатками, закріпленими на спільному валу (рис. 81, а, б). Пара послідовно проходить через лопатки всіх дисків, віддаючи кожному з них частину своєї енергії. Диски об’єднують у групи (ступені). Відпрацьована у першому ступені турбіни пара через паропровід та сопло спрямовується на лопатки дисків наступного ступеня турбіни і т. д.

Відпрацьовану на парових турбінах гарячу пароводяну суміш використовують для виконання окремих виробничих потреб, опалювання житлових приміщень, охолоджують і повертають у парові котли для утворення наступної порції робочої пари.

Рис. 81. Сучасні парові турбіни використовуються у різних галузях промисловості: у багатоступінчатих турбінах розширення пари відбувається у ряді послідовно розташованих ступенів: б) монтаж парової турбіни

3. Газотурбінний тепловий двигун. Газова турбіна працює на тому самому принципі, що й теплова, але має певні конструктивні особливості (рис. 81, а). Зокрема, газова турбіна забезпечена компресором, який слугує для підвищення тиску повітря і складається з декількох ступенів, які приводяться у рух турбіною компресора. Газотурбінний двигун - це різновид двигуна внутрішнього згоряння, у якому енергія нагрітого і стисненого повітря перетворюється на механічну роботу обертання вала, який приводить у дію певний механізм.

Як працює газотурбінний двигун? Компресор усмоктує повітря з атмосфери, стискає його і нагнітає у камеру згоряння, куди подається й паливо. За рахунок цього у камері згоряння утворюється паливна суміш, яка виділяє енергію у процесі згоряння. Далі струмина вихідних газів під великим тиском поступає на лопатки робочої турбіни і починає їх обертати. Робоча турбіна з’єднана з привідним валом, який приводить у рух певний механізм.

Частина енергії, отриманої від згоряння паливної суміші витрачається на стиснення повітря для наступної подачі у компресор, а інша йде на привідний вал (це і є корисна робота газотурбінного двигуна). Перевагою газотурбінного двигуна є те, що для нього не потрібно створювати потужних парових котлів і паропроводів, оскільки паливна суміш утворюється в самому двигуні — у камері згоряння. Крім того, гази, які відпрацювали в турбіні, випускаються в атмосферу, а, отже, не потрібні пристрої для охолодження.

Парові турбіни є незамінними тепловими двигунами на теплових електростанціях, на транспортних і технологічних машинах великої потужності (морських суднах та ін.). Сучасні багатоступінчасті турбіни розвивають потужність від 5 кВт до 100 МВт і, відповідно, мають ККД від 20% до 87%. У якості палива для парових турбін використовують вугілля та мазут.

Рис. 82. а) схема газотурбінного двигуна:

Рис. 82. Газотурбінні двигуни перевершують за своїми технічними показниками традиційні теплові двигуни, вони э високотехнологічними і надійними, а також працюють у будь-яких кліматичних умовах: а) схема газотурбінного двигуна: б) авіаційний газотурбінний двигун; в) монтаж промислової газотурбінної установки; г) газотурбінний двигун українського Науково-промислового комплексу газотурбобудування «Зоря - Машпроект» (м. Миколаїв).

Паливом для газотурбінного двигуна може бути гас, бензин, мазут, природний газ, дизельне паливо, спирт, дрібне вугілля. Газотурбінні теплові двигуни знаходять широкого застосування на морських суднах, залізничних потягах, гвинто-крилах, у танках і літаках (рис. 82, б), у різних галузях промисловості (рис. 82, в, г).

Промислові газотурбінні двигуни розвивають потужність від 2, 5 МВт до 110 МВт. їх експлуатація показала, що ККД таких двигунів при ефективному використанні теплової енергії і удосконаленні основних елементів конструкції досягає 42% - 45%.

Сьогодні газотурбінні двигуни успішно використовуються в автомобільній промисловості. Основна причина, яка стримує виготовлення автомобільних газотурбінних двигунів полягає у необхідності штучно обмежувати температуру газів, які поступають на лопатки турбіни. Це пов’язане із нездатністю матеріалів, з яких виготовляється двигун (нікель, сталь, кераміка), витримувати великі тиски і температури. Тому сьогодні зусилля інженерів спрямовані на знаходження шляхів ефективного відведення тепла від газової турбіни з подальшим його використанням.

Закінчуючи ознайомленнями з такими видами теплових двигунів, як парові і газові турбіни, слід відзначити, що без них сьогодні важко уявити майже всі галузі промисловості і народного господарства. Вони широко використовуються в енергетиці (ТЕЦ, ТЕС, ДРЕС), в металургії, у целюлозно-паперовій промисловості. Особлива їх роль у сфері житлово-комунального господарства ( ЖКГ) - у котельних, а також на підприємствах, які мають дешеву паливну сировину (відходи деревини, лузга підсолнухів). Газові турбіни застосовуються також на нафтових та газових родовищах для одержання електричної енергії та гарячої води за рахунок використання газів, які відпрацювали у турбіні.

Подумайте і дайте відповідь

1. Які теплові двигуни називають турбінами?

2. Поясніть механізм перетворення теплової енергії на механічну в паровій турбіні.

3. Що таке газотурбінний тепловий двигун?

4. Які переваги газотурбінного двигуна порівняно з паровою турбіною? Де використовують газотурбінні парові двигуни?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 19.

1. Яким видом енергії є енергія пари, яка діє на лопатки турбіни?

2. Поясніть, для чого парові (газові) турбіни виготовляють багатоступінчатими.

3. Для збільшення потужності парових турбін необхідно підвищувати температуру пари та її тиск. Яка енергії молекул пари (кінетична або потенціальна) переважно збільшується при підвищенні температури? при підвищенні тиску?

4. Чим відрізняються між собою процеси перетворення внутрішньої енергії палива на механічну енергію у поршневих та турбінних теплових двигунах?

5. У паровій турбіні для одержання пари з температурою 250 °С спалюють дизельне паливо масою 0, 35 кг. При цьому пара виконує роботу 1 кВт ∙ год. Температура холодильника 30 °С. Обчисліть ККД турбіни.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити