Паровая машина Уатта сыграла значительную роль в истории человечества, т.к. она сумела произвести промышленный переворот, т.е. переход от ручного производства к машинному.
История промышленной паровой турбины началась с изобретения шведским инженером Карлом - Густавом - Патриком де Лавалем …сепаратора для молока. Сконструированный аппарат требовал для себя привода с большим числом оборотов. Изобретатель знал, что ни паровая машина, ни ДВС того времени не могли развить нужное число оборотов. Но он также знал о турбине Герона, и применил его изобретение для своего сепаратора: через две изогнутые трубки выходил пар, и они начинали двигаться, вращая всю конструкцию.
Вскоре Лаваль отошёл от реактивного принципа, и построил турбину по активному. Рабочее колесо этой турбины имело по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкало 4 сопла, из которых со скоростью свыше 1 км/с выходил пар, передавая свою кинетическую энергию турбине, заставляя её вращаться с огромной скоростью. Эта турбина имела мощность 5 лс и развивала 30000 оборотов в минуту, что делало её непригодной для привода рабочих машин (станков и пр). Но после упорной работы Лаваль стал строить турбины мощностью 500 лс при 10000 оборотов в минуту; чтобы ещё снизить число оборотов, Лаваль применял редуктор.
Но и после появления этих турбин новый двигатель не мог конкурировать с паровой машиной: одноступенчатая турбина Лаваля с редуктором была дорога, громоздка и имела не очень высокий КПД.
Значительно больших успехов в конструировании паровых турбин добились изобретатели других стран.
Основной ошибкой Лаваля было применение только одной ступени, что и вызывало указанные недостатки. Французский инженер Огюст Рато предложил активную турбину с несколькими ступенями, рассчитанную на 1000 лс. Главным новшеством было то, что Рато заставил пар расширятся постепенно, для чего в перегородках между колёсами турбины были проделаны сопла, причём в первой перегородке сопла менее широкие, чем во второй, а те, в свою очередь, менее широкие, чем в третей и так далее, что позволяло использовать всю кинетическую энергию пара, так как он расширялся и терял давление постепенно, увеличивая свою скорость.
Активную турбину несколько другой конструкции построил американский инженер Чарльз Кертис. Он предложил на одном рабочем колесе помещать несколько рядов лопаток, между которыми конструктор расположил неподвижные, связанные со стенками корпуса турбины направляющие каналы. Таким образом, струя пара встречается с первым рядом лопаток, но не успев передать всю энергию колесу и значительно снизить свою скорость, струя попадает в неподвижные каналы, которые направляют пар на второй ряд рабочих лопаток. Отдав часть энергии первому ряду, другую часть струя пара отдаёт второму и так далее. В результате пар передаёт турбине Кертиса ту же энергию, что и турбине с одним рядом лопаток, но при меньшей скорости вращения. Эта турбина имеет один недостаток - низкий КПД.
Не был забыт и реактивный принцип. Англичанин Чарльз Парсон вошёл в историю техники как создатель промышленной турбины реактивного типа. Свою первую турбину, используя реактивный принцип, Парсон построил в 1884 - 1885 годах. В этой конструкции использовался и активный принцип. Это была многоступенчатая турбина. Пар в этой турбине, проходя между неподвижными лопатками направляющего аппарата, образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость. Но, кроме расширения в направляющих аппаратах, Парсон ввёл расширение и в каналах лопаток рабочего колеса, следовательно, проходя по рабочим лопаткам, пар продолжает расширяться. Таким образом, вдоль лопаток пар движется в конце с большей скоростью, чем в начале. Когда пар покидает рабочие лопатки с повышенной скоростью, он как бы дополнительно отталкивается от их вогнутых поверхностей, создавая реактивное действие на рабочие лопатки, сообщающее им дополнительную скорость, а, следовательно, и дополнительную энергию.
История ДВС началась, как уже было сказано, с пороховой модели Папена, но бурное развитие и конструирование этого типа тепловых двигателей началось в XIX веке.
Всё началось с открытия в 1799 году Филиппом Лебоном светильного газа. Он же высказал идею о создании двигателя, работавшего на этом газе. Но в 1804 году Лебон погиб, не успев воплотить в жизнь свою идею. Честь создания газового ДВС принадлежит бельгийцу Жану Этьену Ленуару, который он построил в 1860 году. По устройству и внешнему виду двигатель напоминал паровую машину. Его КПД едва достигал 4%, он потреблял гигантские количества смазки и газа, но всё же был дешевле паровой машины. Разбогатев, Ленуар перестал работать над двигателем, вследствие чего тот был вытеснен другими моделями двигателей - уже на жидком топливе.
Первый бензиновый двигатель предложил немецкий изобретатель Август Отто. Сначала он работал над газовым двигателем, но больший коммерческий успех ему принёс двигатель на жидком топливе с четырёхтактным рабочим циклом. Во время первого такта происходило всасывание горючей смеси, во время второго - сжатие, во время третьего горючая смесь поджигалась и происходило расширение образовавшихся газов, четвёртым тактом был выпуск отработанных газов. Устройство и принцип работы этого двигателя показаны на правом рисунке. Очень важное значение имел такт сжатия, которого не было в двигателе Ленуара. Благодаря счастливой случайности Отто понял, что, чем сильнее сжата горючая смесь перед поджогом, тем большую работу могут совершить образовавшиеся газы.
Вскоре обнаружилось, что четырёхтактный цикл был предложен гораздо раньше французом Бо де Роша, и монополия Отто на четырёхтактный рабочий цикл была снята.
В 1878 году англичанин Дуглас Клерк предложил ДВС с двухтактным циклом (на левом рисунке). Во время первого такта происходило сжатие горючей смеси, во время второго - рабочий ход, а в промежутке между 2 и 1 тактами происходила продувка и заполнение цилиндра рабочей смесью.
В целом, двухтактный двигатель оказался мощнее и проще по устройству, чем четырёхтактный, но…он был не экономичен - часть топлива улетала в трубу в прямом смысле. Двухтактный цикл нашёл применение в дизель - моторах и в двигателях малой мощности.
Конструкция и принцип действия 4-хтактного двигателя изображены на левом рисунке, 2-хтактного - на левом.
Знал ли парижский книгоиздатель Башелье, что отпечатав и выставив в витрине своего магазина в 1824 году тоненькую брошюрку, что ей суждено положить начало новой науке и взбудоражить умы многих учёных и инженеров того времени. Название книги удивляло и озадачивало: "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Автором её был молодой инженер Сади Карно.
В своей книги Карно излагал принципы, по которым мог бы работать идеальная тепловая машина, указывая также на недостатки существующих тепловых двигателей. Графики, описывающие работу этой идеальной машины, показаны на рисунке. Графиком 1-2 является изотермическое расширение, графиком 2-3 - адиабатическое расширение, графиком 3-4 - изотермическое сжатие, графиком 4-1 - адиабатическое сжатие. Механическая работа, совершаемая рабочим телом, численно равна площади фигуры, ограниченной кривыми 1-2-3 и осью абсцисс, а площадь фигуры, заключённой между кривыми 1-4-3 и осью абсцисс численно равна работе, затраченной на сжатие газа. Была выведена формула КПД для этого цикла: КПД равен разности единицы и отношения температур охладителя и нагревателя. Он не зависит от вида рабочего тела (газ или пар), а является только функцией от температуры. КПД будет тем выше, чем выше температура нагревателя и чем ниже - охладителя. КПД цикла Карно самый высокий из КПД всех тепловых двигателей. Цикл Карно не противоречил основным законам термодинамики, однако, практически он был неосуществим, так как изотермический процесс является идеальным, практически невозможным.
Итак, положив начало новой науке - термодинамике, Карно продолжил свои работы в этой области. Но дальнейшая судьба его была трагична: в 1832 году, полный энергии и творческих сил, Сади Карно скончался из-за тяжёлой болезни - холеры. Все бумаги и труды больного были сожжены, кроме некоторых отрывочных записей.
В 1893 году на весь мир прогремела брошюра, принадлежащая перу немецкого инженера Рудольфа Дизеля, с кричащим, сенсационным названием: "Теория и конструкция теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели".
Что же предлагал в своей брошюре Дизель? Он предлагал построить двигатель, который мог бы работать по циклу Карно. Однако уже после постройки первых моделей двигателя Дизель отошёл от многих предложений Карно и своих первоначальных замыслов, например, Дизель предлагал сжимать воздух до 250 атмосфер (огромное давление!), но в первом опытном двигателе давление дошло только до 34 атмосфер. Дизель также предлагал использовать в качестве топлива угольную пыль, но ему пришлось заменить её парами бензина, из-за чего при первом пуске двигателя в нём произошёл такой взрыв, что сам изобретатель и его помощники чудом остались живы.
После первых двух моделей Дизель построил третью, на которую уже можно было что - либо нагружать. Её конструкция и принцип действия показаны на рисунке. Двигатели Дизеля работали на керосине, и их КПД был выше, чем у обычных ДВС. Работа дизель - мотора проходила по циклу, изображённому на рисунке на стр.12, и как можно заметить, сильно отличавшемуся от цикла, предложенного Карно.
Впоследствии, дизель-мотор постепенно совершенствовался, в том числе и русскими инженерами; было установлено, что двигатель может работать и в два такта. После усовершенствований двигатель стал очень распространённым.
Дальнейшая же судьба самого Дизеля загадочна. В 1913 году он отплыл на пароходе "Дрезден" из Антверпена в Англию. Однако в английский порт Харви пароход пришёл без Дизеля. Но, несмотря на это, дизели продолжили победное шествие: во время Великой Отечественной войны русские танки Т-34 с дизельным двигателем были быстрее, маневреннее немецких танков с бензиновым двигателем.
Газовая турбина была двигателем, совмещавшим в себе полезные свойства паровых турбин (передача энергии к вращающемуся валу непосредственно, без использования сложных механических передач) и ДВС (отсутствие парового котла и всего его сложного хозяйства).
Устройство газовой турбины показано на рисунке. Двигатель состоит из компрессора, подогревателя, камеры сгорания и собственно самой турбины. В компрессоре, по устройству не отличающемся от турбины, происходит сжатие окислителя (воздуха), в подогревателе - подогревание окислителя, в камере сгорания - смешивание его с топливом и сгорание. В турбине проходит передача энергии газов лопаткам рабочих колёс. Сама турбина устроена также, как и паровая: имеется и направляющий аппарат, и рабочие колёса с лопатками. Газовая турбина является сложным двигателем, при постройке которого не обойтись без сложных расчётов. Но она, а точнее её "гибрид" с реактивными двигателями - турбореактивный двигатель - открыл для современной авиации скорости, превышающие скорость звука. Газотурбинный двигатель также применяется на ТЭС, где есть дешёвое жидкое или газообразное топливо, но есть недостаток воды, из-за чего нельзя применить паровую турбину.
Реактивные двигатели имеют довольно длинную историю. Первые упоминания о китайских огненных стрелах относятся к 1232 году, т.е. почти 800 лет назад. Но этот ещё примитивное оружие служило больше для устрашения противника и в качестве зажигательного средства. С появлением огнестрельного оружия ракеты были забыты на 6 веков. Лишь в 1804 году английский офицер Уильям Конгрев усовершенствовал ракеты и наладил их массовое производство. В 1807 году английскими ракетами был сожжён Копенгаген - по городу было выпущено более 25 тысяч ракет! Но с появлением нарезного оружия реактивный двигатель получил отставку на столетие. Возрождение ракет к жизни связано с работой русского учёного К. Циолковского "Исследование космических пространств реактивными приборами". В этой работе была представлена конструкция космического аппарата с принципиально новым по конструкции реактивным двигателем - на жидком топливе. В 1914 году американцу Роберту Годдарду был выдан патент на конструкцию многоступенчатой ракеты. В 30 - е годы работы по совершенствованию ракет и реактивных двигателей шли уже в нескольких странах. Самых ощутимых результатов достигли немецкие исследователи под руководством Вернера фон Брауна и Клауса Риделя. Созданная в немецком ракетном центре Пенемюнде баллистическая ракета "Фау - 2" была вершиной ракетостроения на протяжении полутора десятка лет.
Циолковский не рекомендовал применять твёрдое топливо в ракетах, в частности порох, так как он обладает низкой удельной теплотой сгорания. Но всё же реактивные двигатели на твёрдом топливе были первой вехой в эпохе ракетостроения. Русский революционер Кибальчич, находясь в Петропавловской крепости после покушения на Александра II, предложил проект ракеты с пороховым реактивным двигателем.
Но позже было доказано, что жидкотопливные реактивные двигатели более совершенны, более мощны и, следовательно, более перспективны.
Простейшим типом реактивного двигателя на жидком топливе является прямоточный двигатель (на верхнем рисунке). Принцип работы прост: кислород воздуха, попав в камеру сгорания через входное устройство, смешавшись с топливом, окисляет его, а раскалённые газы, вылетая из сопла, толкают двигатель вперёд. По конструкции двигатель ничем не отличается от трубы аэродинамической формы с отверстиями для впрыска топлива и поджога горючей смеси. Такая примитивность и обусловливает недостатки этого двигателя: он имеет низкий КПД, а для его запуска необходим разгонный двигатель.
Прямоточный двигатель после добавления нескольких деталей превращается в пульсирующий - реактивный двигатель, сделанный по формуле "Дёшево и сердито". Он представляет собой трубу аэродинамической формы, разделённую двумя перегородками с клапанами на 3 отсека: входное устройство, камеру сгорания, сопло (нижний рисунок).
Принцип работы достаточно прост: при пуске топливо смешивается с находящимся в камере сгорания воздухом и поджигается. Клапаны в левой перегородке закрыты, в правой - открываются, и через них в сопло попадают раскалённые продукты горения: двигатель получает толчок вперёд. Давление в камере сгорания оказывается ниже атмосферного, вследствие чего правые клапаны закрываются, левые - открываются, и в камеру сгорания засасывается следующая порция окислителя - в данном случае воздуха. В ходе работы двигатель движется толчками, как бы "пульсирует". Двигатель этой конструкции устанавливался на немецких самолётах-снарядах "Фау-1".
Первый генератор электрического тока изобрёл сам открыватель закона электромагнитной индукции - Майкл Фарадей. Это было ещё весьма примитивное устройство - медный диск вращался в магнитном поле, вследствие чего в нём создавалась ЭДС[3] (между центром и краями диска).
Генератор электрического тока был создан и изобретателем электродвигателя - Б.С. Якоби в 1842 году. Он предназначался для приведения в действие взрывателей пороховых мин и имел "карманный" размер (приводился вручную). По причине секретности работ с минами генератор Якоби не имел широкой известности.
Первые генераторы электрического тока, нашедшие хоть какое - то применение, использовали закон Фарадея без каких - либо собственных усовершенствований в их конструкции. Например, в динамо - машине Пиксии мимо катушек перемещались тяжёлые постоянные магниты. Большую работу в этой области электротехники проделал немецкий изобретатель Сименс. Однако первым, кто создал электрогенератор, получивший широкое распространение, был изобретатель (бывший столяр) Грамм.
Сначала все генераторы вырабатывали постоянный ток, но с открытием полезных свойств переменного тока (возможность трансформации и, как следствие, передачи на дальние расстояния) широко стали распространяться генераторы переменного тока, а вместе с ними - строительство электростанций, электрификация промышленности, транспорта и быта людей.
Генератор переменного тока.
Генераторы переменного тока получили широкое распространение из-за вышеупомянутых свойств переменного тока.
Устройство простейшего генератора переменного тока показано на рисунке: рамка вращается в магнитном поле, создаваемая ЭДС отводится с помощью контактных колец.
ЭДС создаётся за счёт изменения магнитного потока через рамку; мгновенное значение напряжения индукции равно: u = NBSw sin wt, где N - количество витков в рамке, В - индукция магнитного поля, S - площадь рамки, w - угловая скорость вращения, t - время. Максимальное значение (амплитуда) напряжения индукции равно: U = NBSw.
Сила тока, вырабатываемого в этом генераторе, изменяется по закону синуса и меняет свой знак дважды за период. Такой ток называется переменным.
Для создания магнитного поля применяются электромагниты, питающиеся от самого генератора. В мощных генераторах вращаются не обмотки, в которых индуцируется напряжение, а электромагниты.
Генератор постоянного тока.
Генератор постоянного тока основан почти на том же принципе, что и генератор переменного тока, только вместо контактных колец применяются насколько изолированных друг от друга полуколец (коммутаторов), предназначенных для переключения при изменении полярности напряжения ротора. При этом возникает постоянное пульсирующее напряжение, величина которого колеблется по синусоидальному закону. Пульсации можно уменьшить, применяя барабанный якорь, состоящий из большого числа смещённых относительно друг друга обмоток, соединенных с соответствующими сегментами коллектора (коммутатора). Для возбуждения электромагнитов применяется ток, индуцированный в якоре (принцип Сименса). Запуск обеспечивается только за счёт остаточного магнетизма.
Электродвигатели имеют в общих чертах то же устройство, что и генераторы, но основаны на обратном принципе действия. Приложенное к обмотке якоря напряжение вызывает ток, который в свою очередь создаёт магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем возбуждения. При этом возникает сила, вращающая ротор.
Вращающий момент М равен: M=NIBS sin wt, где N - число витков обмотки якоря, I - ток, текущий в якоре, B - магнитная индукция, S - площадь витка, w - угловая скорость вращения, t - время, отсчитываемое от момента, когда обмотка занимала положение, перпендикулярное направлению магнитного поля.
Электродвигатели бывают переменного и постоянного тока.
К электродвигателям переменного тока относят: синхронные (аналогичны генератору переменного тока, частота переменного напряжения определяет скорость вращения данного электродвигателя, при запуске необходимо сообщать от внешнего источника необходимую скорость вращения, при увеличении нагрузки происходит остановка двигателя) и асинхронные (аналогичны генератору постоянного тока и могут работать как от переменного, так и от постоянного тока, скорость вращения не зависит от частоты переменного тока).
Страницы: 1, 2, 3, 4
