Относительный внутренний кпд ступени.

Изменение режима работы ступени влияет на ее экономич­ность. Это влияние зависит от расчетных параметров ступени, т. е. отношения скоростей (и/С_ф)₀, реактивности ρ₀ и отношения давлений (ε_ст)₀, определяющих в данных условиях скорости M₁ и М₂, от подбора решеток и других геометрических и конструктивных характеристик ступени.

Если ступень проектировалась так, чтобы в расчетных условиях обеспечить максимально, возможный η_oi, то естест­венно, что изменение режима должно привести к снижению КПД. Однако по условиям технико-экономической оптимизации и унификации, требованиям малого изменения КПД в заданном диапазоне режимов ступень может проектироваться и на условия, не соответствующие наивысшему КПД. В этом случае отклонения от расчетного режима могут привести и к повыше­нию экономичности.

Представим относительный внутренний η_oi ступени через отдельные потери, отнесенные к располагаемому теплоперепаду:

Влияние отношения скоростей м/с_ф на КПД ступени

Изменение отношения скоростей u/c_ф при ε_ст = const, на­пример, при постоянном теплоперепаде и переменной частоте вращения сказывается на КПД ступени вследствие:

а) изменения потерь с выходной скоростью, вызванного изменением угла ά₂ и, следовательно, величины с₂. Если ступень спроектирована на а_2О≈90^с, то как уменьшение, так и увеличение и/С_ф примерно в равной мере скажется на ΔH_В.С. Однако часто, особенно при небольшой мощности, ступень проектируется на угол а₂₀<90°, что объясняется уменьшением оптимального отношения скоростей за счет дополнительных потерь и упрощением при этом конструкции турбины. В этом случае понижение u/с_ф скажется на ΔH_в.с больше, чем такое же увеличение u/с_ф.

Влияние отношения давлений εст на кпд ступени ηoi.

При неизменном отношении скоростей и/с_ф = const (напри­мер, при одновременном увеличении теплоперепада и частоты вращения) изменение отношения давлений в ступени ε_ст= вызывает изменение относительного внутреннего КПД ступени η_oi. Причинами этого являются:

а) изменение потерь при обтекании решеток в зависимости от чисел М₁ и М₂. Особенно ощутимо это изменение, если из докритического режим течения в одной из решеток переходит в критический, и наоборот.

При расчетных условиях критические скорости в стационар­ных паровых турбинах встречаются в ступенях низкого дав­ления, а также в регулирующих ступенях, обычно при выполнении их двухвенечными. Значительные изменения теплоперепада ступени и тем самым чисел М₁ и М₂ присущи последним ступеням турбин с противодавлением и предот-борным ступеням теплофикационных турбин, что анализируется Для детального учета влияния чисел М₁ и М₂ при изменении ε_ст (и соответственно теплоперепада Н_о) необходимо знать тип решеток и их аэродинамические характеристики

б) изменение реактивности ступени и вследствие этого перераспределение теплоперепадов между решетками, изменение угла (β₁ потерь от утечек и т. д. Как указывалось выше, влияние этого фактора практически ощутимо при больших теплоперепадах и больше в активных ступенях, нежели в ре­активных.

В различных ступенях изменение ε_ст поразному сказывается на η_oi. В первую очередь это определяется подбором решеток в ступени. В связи с этим некоторые ступени специально проектируются на повышенный по сравнению с расчетным теплоперепад.

5-12. Классификация вентиляторов, применение и способы изменения характеристик

Вентилятор - машина для подачи воздуха или другого газа при давлении не выше 12—15 кн/м² (0,12—0,15 кгс/см²). Вентиляторы служат для вентиляции зданий и рудников, для подачи воздуха в котельные и печные агрегаты и удаления из них дымовых газов, сушки материалов, охлаждения деталей машин и механизмов, создания воздушных завес, пневматического транспортирования сыпучих и волокнистых материалов, обеспечения некоторых технологических процессов, для охлаждения радиаторов, конденсаторов, подачи воздуха. Кроме промышленных вентиляторов, широкое распространение получили настольные и подвесные вентиляторы различных типов.

Вентиляторы подразделяются на типы по нескольким показателям:

Классификация по конструкции:

1) осевые;

2) центробежные (радиальные);

3) тангенциальные (диаметральные);

Классификация по условиям работы:

1) обычные (для работы в воздушной или неактивной газовой среде с температурой до 80 С);

2) термостойкие (для работы в воздушной или неактивной газовой среде с температурой свыше 80 С);

3) коррозионностойкие (для работы в коррозионной среде);

4) взрывозащищенные (для работы во взрывоопасной среде);

5)пылевые (для работы в запыленной среде с содержанием твердых частиц более 0,1 г на кубометр);

Классификация по создаваемому полному давлению:

1) низкого давления (до 1 кПа);

2) среднего давления (от 1 до 3 кПа);

3) высокого давления (от 3 до 12 кПа);

Классификация по способу установки:

1) обычные (устанавливаются на опоре - фундаменте, раме и т.п.);

2) канальные (устанавливаются в воздуховоде);

3) крышные (устанавливаются на крыше здания);

Классификация по способу соединения с электродвигателем:

1) с непосредственным соединением крыльчатки с электродвигателем;

2) с бесступенчатой передачей;

3) с клиноременной передачей;

Вентилятор приводится в действие двигателем через ремённую передачу или непосредственно с помощью упругой муфты. Колёса малых вентиляторов могут укрепляться на валу двигателя. Крупные вентиляторы имеют также регулировочные и виброизоляционные устройства.

Для классификации вентиляторов пользуются понятиями: критерий быстроходности n_y, выражающий связь между производительностью, давлением, угловой скоростью, и критерий давления Y, зависящий от формы и числа лопаток колеса. Их значения входят в маркировку вентиляторов среди центробежных В. общего назначения имеют применение Ц4-70, ЦП7-40, П8-18 и др. Буква Ц означает «центробежный», П — «пылевой», следующая цифра или число — Y, умноженное на 10, и далее — n_y. Для увеличения производительности и развиваемого давления вентиляторы соединяют соответственно параллельно и последовательно, например осевые вентиляторы для рудников и метрополитена. Совершенствование идёт по пути улучшения аэродинамической схемы и конструктивного исполнения с целью обеспечения большей экономичности и производительности в прежних габаритах.

Регулирование характеристик вентилято­ра (в процессе работы) может осуществляться:

• дросселированием;

• изменением угла установки лопаток колеса или закрылков ВНА (в дальней­шем — лопаточным аппаратом);

• частотой вращения.

Изменение аэродинамических характеристик вентилятора в остановленном положении может осуществляться изменением:

• угла установки лопаток;

• числа лопаток колеса.

5-13. Основы регулирования мощности паровых турбин

Паровые турбины работают в широком диапазоне изменения нагрузок. В то же время изменение частоты вращения вала тур­бины для электрического генератора, соединенного с турбиной, недопустимо, так как это связано с изменением частоты тока.

5-14. Классификация насосов, применение, маркировка

Центробежные насосы являются наиболее распространёнными и предназначены для подачи холодной или горячей воды, вязких или агрессивных жидкостей, сточных вод, смесей воды с грунтом, золой и шлаком, торфом, раздробленным каменным углём и т.п.

Осевые насосы предназначены для подачи больших объёмов жидкостей. Их работа обусловлена передачей той энергии, которую получает жидкость при силовом воздействии на неё поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса. Есть две основных разновидностей осевых насосов: жестколопастные с лопастями, закрепленными неподвижно на втулке рабочего колеса, называемые пропеллерными, и поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей.

Вихревые насосы обладают хорошей способностью самовсасывания, т. е. возможностью начинать действие без предварительного заполнения всасывающей трубы подаваемой средой, если она имеется в корпусе насоса. Благодаря этому они применяются для подачи легкоиспаряющихся или насыщенных газами капельных жидкостей и в комбинации с центробежными насосами. Существуют две разновидности вихревых насосов: закрытого и открытого типа.

Поршневые насосы. Действие поршневых насосов состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре насоса при соответствующем направлении движения рабочего органа — поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объёме, но в различные моменты времени.

Роторные насосы получили распространение главным образом для осуществления небольших подач жидкости. По особенностям конструкции рабочих органов роторные насосы можно подразделить на зубчатые (шестерённые), винтовые, шиберные, коловратные, аксиально- и радиально-поршневые, лабиринтные и др. Объединяющий их признак — общность принципа действия, в основном аналогичного действию поршневых насосов. Роторные насосы отличаются отсутствием всасывающего и нагнетательного клапанов, что является их большим преимуществом и упрощает конструкцию.

Группа	Общее назначение насосов	Непосредственное назначение или конструктивные особенности насоса	Марка насоса
1	Общего назначения для пресной воды и других не корродирующих черные металлы жидкостей	Центробежные консольные	К
		Консольные моноблочные	КМ
		Центробежные двухстороннего входа	Д
		Центробежные вертикальные нерегулируемые	В
		Центробежные вертикальные регулируемые	ВР
		Центробежные диагональные нерегулируемые	ДВ
		То же, регулируемые	ДПВ
		Осевые вертикальные нерегулируемые	ОВ
		Осевые вертикальные регулируемые	ОПВ
		Центробежно-вихревые	ЦВК, ЦВКС
		Многоступенчатые	ЦНС, МС
2	Скважинные	Скважинные с погружным электродвигателем	ЭЦВ
		Скважинные с электродвигателем над скважиной	А, НА, УЦТВ
3	Для энергосистем	Питательные	ПЭ, ПТ, ПТН
		Конденсаторные	КС, КсД
		Сетевые	СЭ
		Вертикальные	СДВ

5-15. Принципиальные схемы ПТУ с т урбинами разных типов

Схема с конденсационной турбиной.

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум.

Схема с теплофикационной паровой турбиной.

Т еплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин - тепло.

Схема с противодавленческой турбиной

Паровые турбины с противодавлением работают по тепловому графику. В ней весь пар из последней ступени направляется не в конденсатор как обычно, а производственному или тепловому потребителю. Таким образом главным назначением турбины типа Р является производство пара заданного давления. Противодавленческая турбина может так же иметь регулируемый отбор пара, тогда она относится к типу ТР или ПР.  

1) Удовлетворяет различные производственные потребности

2) Применяется на малых электростанциях в различных отраслях промышленности

3) компактная конструкция

4) простота и надежность

5) быстрый пуск,

6) применяется в качестве турбопривода и турбогенератора.

Турбины теплофикационные с производственным и отопительным регулируемыми отборами пара (ПТ)

Турбины с промежуточным подводом пара (турбины двух давлений)

В этих турбинах в промежуточную ступень подводится пар, имеющий достаточный потенциал (давление), отработавший где-либо в технологических процессах, т.е., пар с производства, который по каким-то причинам не может быть рационально использован на самом производстве

Турбины мятого пара

Э ти турбины применяются для использования пара низкого давления, отходящего с производства после технологических процессов, который по каким-либо причинам не может быть использован для отопительных или технологических нужд. Давление такого пара обычно несколько выше атмосферного, и он направляется в специальную конденсационную турбину, называемую турбиной мятого пара.

Газотурбинные установки

основные элементы: К – воздушный компрессор, КГ – камера горения топлива, ГТ – газовая турбина.

Кроме того, в состав газотурбинной установки входит топливный насос и пусковой мотор.

5-16. Особенности работы насосов в сети

Насос – гидравлические машины для подъема и перемещения жидкостей.

Насосная установка – это устройство, перекачивающее жидкость от источника к потребителю с помощью насоса. Она включает в себя насос, двигатель, устройство для передачи мощности от двигателя к насосу, всасывающий и напорный трубопроводы.

Насосные установки могут иметь как положительную, так и отрицательную высоту всасывания. Если указанные оси насосов расположены выше уровня воды в источнике, то высота всасывания будет положительной, если же они расположены ниже уровня воды в источнике, то высота всасывания будет отрицательной.

Существует два основных способа подключения насосов к сети: параллельная и последовательна.

Параллельной работой насосов называют подачу воды несколькими насосами в один или несколько параллельно соединенных трубопроводов. Необходимость параллельной работы насосов вызывается тем, что по графикам водопотребления требуется подавать в разные периоды года и суток расходы воды, значительно отличающиеся друг от друга. В этих случаях подачу воды насосной станцией регулируют ступенчато изменением числа параллельно работающих насосов.

расходы складываются, напор остается неизменным

Последовательной называют такую работу насосов, при которой вода от первого (по направлению движения) насоса поступает по напорному трубопроводу всасывающий патрубок второго. Последовательное соединение используют для увеличения напора воды в системе водоподачи. Обычно в пределах одной насосной станции последовательно соединяют не более двух насосов.

напоры складываются, расход остается неизменным

Имеется случай, когда последовательно соединяют два насоса с различными характеристиками. Такое соединение обычно бывает необходимо тогда, когда второй насос, создающий основную часть напора, работает с большой частотой вращения и требует создание подбора на входе в него.

Пуск центробежного насоса при опорожненном напорном трубопроводе. К такому пуску приходится прибегать при первоначальном заполнении этого трубопровода водой. В начале пуска запорная арматура на напорной линии закрыта. После того как насосный агрегат набрал номинальную частоту вращения, ее постепенно открывают таким образом, чтобы подача и мощность насоса не превысили номинальные значения. Режим открытия арматуры устанавливают на основании расчетов переходных режимов, учитывающих неустановившееся движение воды в трубопроводе.

Пуск осевого насоса. Осуществляется только при опорожненном напорном трубопроводе. В противном случае момент, развиваемый электродвигателем, оказался бы меньше момента сопротивления насоса, и ротор насосного агрегата не смог бы набрать необходимую для его нормальной работы частоту вращения. Статический напор вначале равен нулю, поэтому вода в трубопроводе начинает поступать почти одновременно с включением двигателя. При пуске осевого насоса мощность, потребляемая им, будет все время меньше номинальной. Насосы следует эксплуатировать на тех режимах, при которых значение их КПД близки к максимальным. Правильное использование их позволяет повысить экономичность и существенно сократить затраты энергии на эксплуатацию всех насосов.

5 -17. Газотурбинные установки. Схемы, циклы на тепловых диаграммах

Все большее распространение в современном транспорте получают газотурбинные двигатели. Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора, камер 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 компрессором повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора повышают давление 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, получает некоторое количество тепла и нагревается до температуры 1500 - 2200 `с. N Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается. Движущийся с огромной скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора.

5-18. Центробежные и осевые компрессоры, области применения

В центробежных и в осевых компрессорах сжатие среды достигается превращением в энергию статического давления динамической энергии, получаемой газом от вращающегося колеса. Центробежные и осевые компрессоры относятся к одному классу машин — к классу лопаточных турбокомпрессоров. По своей аэродинамической схеме центробежная машина сложнее осевой. В осевом компрессоре основное направление потоков и направление центробежных сил взаимно перпендикулярны. В центробежной машине основные направления скоростей и центробежных сил лежат в одной плоскости.

По назначению центробежные компрессоры классифицируют­ся для сжатия и транспортирования природного газа, для аг­ломерационных машин и сталеплавильных конвертеров, для коксохимического производства, для доменных печей и возду-хоразделительных установок, для холодильных машин, для наддува дизелей и газовых двигателей, на воздуходувки и др.

Осевые компр используются в Доменных и сталелитейных заводах, наддув поршневых двигателей, газотурбинных установок, авиационных реактивных двигателей и др.

Области применения центробежных, осевых, а также поршне­вых и ротационных компрессоров в координатах давление - про­изводительность, представлены на рис. 1.

рис.1 Области применения центробежных, осевых, поршне­вых и ротационных компрессоров

5-19. Турбодетандеры: область применения, классификация, работа

Назначение турбодетандера — преобразовывать часть энергии пото­ка сжатого газа в работу, снимаемую с вала детандера; при этом эн­тальпия снижается, и расширяющийся газ охлаждается. В турбодетандерах это преобразование происходит в направляющем аппарате и ра­бочем колесе.

Турбодетандеры в зависимости от способа преобразования энер­гии потока газа в работу делят на два типа:

а) активные и б) реак­тивные.

Как правило, турбодетандеры и активного, и реактивного типов выполняют радиальными с направлением потока от периферии к центру.

Газ с начальным давлением p₁, проходя через сопла направляю­щего аппарата, адиабатно расширяется до давления р_м, равного конечному давлению р₂. При этом абсолютная скорость газа увеличи­вается и на выходе из сопел превышает критическую. Каналам направляющего аппарата обычно придают форму сопел Лаваля. Критическая скорость воздуха и азота в условиях работы турбодетандера составляет примерно 180—200 м/с.

Площадь сечения каналов рабочего колеса почти неизменна. При повороте струи газа в канале движущийся газ оказывает давление на поверхности лопаток. Под воздействием вызываемых этим усилий вра­щается рабочее колесо.

Кинетическая энергия струй газа, выходящих из направляющего аппарата, на лопатках рабочего колеса при постоянном давлении преобразуется в механическую работу. На лопатках активного турбоде­тандера расширения газа практически не происходит (p₂ = p_м). От­ношение внутреннего диаметра лопаточного венца колеса к наружному μ = D₂/D₁ обычно составляет около 0,85, и длина лопаток невелика. Расширенный до давления p₂ и охлажденный газ отводится из турбо­детандера через выходной патрубок в корпусе машины. Энергия враще­ния рабочего колеса передается через редуктор на мотор-генератор.

Принципиально активные и реактивные машины отличаются вы­полнением направляющего аппарата и рабочего колеса. В активном турбодетандере каналы направляющего аппарата в соответствии с их назначением выполняют как сопла Лаваля с длинной расширяющейся частью, а длина лопаток рабочего колеса невелика, что необходимо для уменьшения потерь от трения. В реактивных турбодетандерах, наоборот, направляющие лопатки выполняют так, чтобы каналы были сравнительно короткими и суживающимися, а рабочие лопатки, обра­зующие каналы для расширения воздуха, – удлиненными, причем сами каналы хотя и расширяются в осевом направлении от периферии к центру, но площадь их сечения уменьшается, так как к центру каналы сужаются.

На выходе из сопел направляющего аппарата активного турбодетандера скорость газа превышает критическую. В горловине – наиболее узкой части сопла Лаваля скорость газа равна критической (рав­ной скорости звука в газе при данной температуре) и превысить ее не может. Поэтому объемное количество газа, проходящего через наи­более узкую часть сопла, постоянно, не зависит при данной темпера­туре от перепада давлений и определяется площадью поперечного сечения горловины. Следовательно, производительность турбодетандера при данных параметрах газа на входе определяется суммарным сече­нием горловин сопел направляющего аппарата. При выключении части сопел общее проходное сечение уменьшается, и производитель­ность детандера снижается. На этом и основано регулирование про­изводительности активного турбодетандера, для части сопел которого предусматривают возможность отключения. Часть сопел работает по­стоянно. Отношение суммарной длины дуги, на которой расположены невыключенные работающие сопла, к полной длине окружности назы­вается степенью парциальности. Изменение степени парциальности оп­ределяет диапазон регулирования производительности машины.

Турбодетандеры крупных установок низкого давления весьма надежны и просты в эксплуатации. Это обусловливается простотой конструкции турбодетандеров, отсутствием частей с возвратно-посту­пательным движением, клапанов и других узлов, необходимых в порш­невых машинах.

Основные направления использования турбодетандеров:  Криогенные гелиевые установки; Воздухоразделительные установки и ожижители азота разного давления; Ожижители воздуха; Заводы по переработке природного газа; Криогенные гелиевые установки для выработки электроэнергии мощностью до 1 МВт.

5-20. Способы изменения характеристики компрессора

В турбокомпрессо­рах используются три вида характеристик: размерные, при­веденные и безразмерные. Характеристики компрессо­ров имеют свои особенности по сравнению с характеристиками насосов и вентиляторов.

Размерные характеристики компрессоров изобража­ются в виде зависимостей степени повышения давления е или конечного давления р_к, а также КПД и мощности от объемной или массовой производительности при различных частотах вращения. На характеристиках указываются начальные параметры газа р_н и Т_н, при которых производились стендовые испытания компрессоров.

Характеристики компрессоров имеют особенности, вызван­ные сжимаемостью газа. Важнейшей особенностью характерис­тик компрессора является граница помпажа. Каждой частоте вращения соответствует определенное значение минимальной подачи, начиная с которой возникает внутренний помпаж, про­исходящий в последних ступенях. Размерные характеристики справедливы только для определенной температуры газа на всасе компрессора. В зимних условиях компрессоры могут пода­вать большие массовые расходы газа m, чем летом, при одина­ковых степенях повышения давления ε_к, так как плотность газа с понижением температуры повышается.

В практике инженерных расчетов характеристики компрессоров удобно изображать в приведенных координатах, т. е. используя так называемые приведенные характеристики.

Кроме указанных видов характеристик компрессоров приме­няются безразмерные характеристики, которые одина­ковы для геометрически подобных компрессоров, если влияние числа Re на характеристики незначительно и компрессоры по­дают одинаковый газ.

Пересчет характеристик производится при переводе компрес­сора на иные условия работы (применяется иной газ, резко из­меняется температура Т_н или давление р_н газа, либо то и другое вместе). Пересчет характеристик основан на балансе энергии.

Пересчет характеристик на другую температуру га­за на входе, в секцию ком­прессора производится при условии постоянной частоты вращения и неиз­менных свойствах газа.

В основу пересчета характеристик положено условие сохра­нения подобия треугольников скоростей в среднем сечении секции компрессора относительно входных и выходных пара­метров, при этом погрешности при пересчете минимальны.

При пересчете характеристик кроме условий геометричес­кого и кинематического подобия (равенство или подобие тре­угольников скоростей) должны выполняться и условия газоди­намического подобия. Основными параметрами газодинамичес­кого подобия являются: число Рейнольдса, показатель изоэнтропы и число Маха М =с/ , с - местная скорость газа.

В промышленной энергетике применяются компрессоры, в которых скорости газа меньше скорости звука.

Считается, что если М < 0,8, то число Маха практически не влияет на характеристики компрессора и пересчет характерис­тик компрессора можно производить по изложенному методу. В противном случае, когда М > 0,8, пересчет характеристик компрессора производит завод-изготовитель путем соответству­ющего расчета проточной части. Течение газа в каналах комп­рессора имеет турбулентный характер и не оказывает значи­тельного влияния на показатели компрессора, поэтому для про­мышленных компрессоров влиянием изменений Re пренебре­гают.

5-21. ДВС: классификация и области применения

В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т.д. Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы.

1.Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга

2. Двигатели внутреннего сгорания.

В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания. Первый (ДВС) был создан в 1860 г. французским инженером Этвеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной. В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов [3]. Быстрое распространение ДВС в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом их положительных особенностей. Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями и значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

По способу смесеобразования - двигатели с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюраторные и газовые), и двигатели с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь образуется внутри цилиндров) - дизели;

По способу осуществления рабочего цикла - четырехтактные и двухтактные;

По числу цилиндров - одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые;

По расположению цилиндров - двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд, V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 градусов двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным);

По способу охлаждения - на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением;

По виду применяемого топлива - бензиновые, дизельные, газовые и многотопливные;

По степени сжатия. В зависимости от степени сжатия различают двигатели высокого (E=12...18) и низкого (E=4...9) сжатия;

По способу наполнения цилиндра свежим зарядом:

а) двигатели без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня;

б) двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя;

По частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные;

По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и другие.

Преимущества и недостатки. Области применения.

К положительным особенностям ДВС стоит отнести: что они могут быть соединены практически с любым потребителем энергии. Это объясняется широкими возможностями получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей. Рассматриваемые двигатели успешно используются на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях и т.д., т.е. ДВС отличаются хорошей приспособляемостью к потребителю. Сравнительно невысокая начальная стоимость, компактность и малая масса ДВС позволили широко использовать их на силовых установках, находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения. Установки с ДВС обладают большой автономностью.Важным положительным качеством ДВС является возможность их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро могут принимать полную нагрузку. ДВС обладают значительным тормозным моментом, что очень важно при использовании их на транспортных установках.Положительным качеством дизелей является способность одного двигателя работать на многих топливах. Так известны конструкции автомобильных многотопливных двигателей, а также судовых двигателей большой мощности, которые работают на различных топливах – от дизельного до котельного мазута.Но наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность, высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами потребителя, токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них.

5-22. Регулирование производительности центробежных машин (дроссельное, изменение числа оборотов, направляющими аппаратами)

Поворачивая клапан, либо закрывая и открывая заслонку, можно изменить проходную площадь сечения и сопротивление, в результате чего изменяются производительность и напор нагнетателя.

Наиболее экономичным, чаще всего применяемым в АВП (аппарат на воздушной подушке) способом регулирования является изменение частоты вращения, которое основано на использовании описанных выше зависимостей.

На практике при использовании в качестве привода нагнетателя двигателя внутреннего сгорания изменение частоты вращения осуществляют повышением или понижением его мощности либо включая между двигателем или нагнетателем механическую передачу. Изменение частоты вращения менее мощных нагнетателей, приводимых в движение с помощью ременной передачи, можно осуществить, изменив диаметры шкивов.

Регулирование производительности и напора с помощью сопловых устройств экономичнее, чем регулирование дросселированием, и находит все более широкое применение.

Оно основано на придании струям воздуха предварительного вращательного движения в направлении вращения рабочего колеса с помощью соответствующей установки лопаток направляющего аппарата.

5-23. Двигатели Стирлинга, схемы и основные показатели работы

Двигатель Стирлинга - это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Работа двигателей характеризуется:

1. Высокими значениями среднего давления газа;

2. Свободным от масла рабочим пространством;

3. Отсутствием клапанного механизма;

4. Передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.

Полезная работа в рабочем цикле Стирлинга совершается, посредством сжатия рабочего тела (гелий, водород) при низкой температуре и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре.

Работа двигателя Стирлинга по замкнутому циклу определяет как его преимущества, так и недостатки. Например, поскольку рабочее газообразное тело постоянно находится в полости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник, в то время как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу, производится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по сравнению с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стирлинга требуется более развитая система охлаждения.

Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга делает его менее шумным.

В основе конструкции двигательной установки Стирлинга лежат принцип разделения горячей и холодной рабочих полостей и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной полости в другую.

Схема работы двигателя Стирлинга

Предполагается, что движения поршня и вытеснителя - прерывистые. Тогда весь цикл можно разделить на четыре стадии:

I - Поршень находится в крайнем нижнем положении, а вытеснитель - в крайнем верхнем. Весь газ - в холодной полости;

II - Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре;

III - Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую;

IV - Нагретый газ расширился. Поршень и вытеснитель находятся в своих крайних нижних положениях. В то время как поршень остается на месте, вытеснитель переталкивает газ в холодную полость. Потом цикл повторяется.

Рабочие характеристики и особенности конструкции

1 .Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10-20 МПа. Такие высокие значения давления создают специфические проблемы при проектировании двигателей. Поскольку величина давления влияет на развиваемую мощность, управление изменением давления позволяет регулировать крутящий момент двигателя.

2. КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. КПД двигателя почти не зависит от скорости двигателя при условии, что температура в трубках нагревателя не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов двигателя и температура в холодильнике не возрастает. Температуру в трубках нагревателя следует поддерживать на возможно более высоком уровне. При повышении температуры охлаждающей жидкости на один градус КПД двигателя падает на 0,5%. Вследствие непрерывного воздействия высоких температур для обеспечения длительного срока службы требуются высококачественные сплавы.

3. С увеличением рабочего объема возрастает выходная мощность двигателя при условии, что давление и температура постоянны. Не существует никакой эмпирической зависимости, связывающей рабочий объем и выходную мощность. Заданный рабочий объем обеспечивается при отношении диаметра цилиндра к ходу поршня, близком к 2, что дает оптимальное соотношение между потерями на теплопередачу и на трение в уплотнениях.

5-24. Неустойчивая работа ЦБМ. Помпаж. Основы эксплуатации

ПОМПАЖ - неустойчивая работа насоса (компрессора), характеризуемая резкими колебаниями напора и расхода перекачиваемой жидкости (газа). При помпаже появляются сильные пульсации потока, проходящего через насос (компрессор), возникают вибрации лопаток и тряска, которые могут вызвать разрушение насоса (компрессора). Помпаж зачастую связан с явлением гидроудара.

Внешне помпаж сходен как колебательное явление с резонансом механической системы. Однако между этими явления ми есть существенная разница: помпаж - автоколебание расхода, давлений, мощности при работе гидравлических и газовых систем; резонанс - колебания с возрастанием амплитуды вследствие периодического приложения внешней силы.

Выявление помпажа.

4.1. Внешне помпаж проявляется в сильном прерывистом шуме, сильных вибрациях, возможны периодические толчки, раскачка трубопроводов на свайных основаниях. По показаниям приборов помпаж выявляют по следующим признакам: 4.2. Рост температуры газа на выходе нагнетателя. 4.3. Резкие изменения показаний осевого сдвига ротора нагнетателя. 4.4. Резкие колебания температуры газа перед СТ. 4.5. Сильный рост вибрации узлов двигателя и нагнетателя. 4.6. Резкие изменения показаний перепада «масло-газ». 4.7. Изменения потребляемой мощности (определяется по показаниям ССС).

4.8.Пересечение рабочей точки границы помпажа на схеме ССС.

4.9. Изменения расхода газа через нагнетатель (определяется по показаниям ССС).

4.10. Изменение оборотов ротора нагнетателя (СТ) (определяется по показаниям ССС).

Предотвращают помпаж путём перепуска части или всего расхода газа через противопомпажный клапан, уменьшением частоты вращения ротора для предотвращения срыва потока.

5-25. Конструкции цилиндров (корпусов) турбин

5-26. Допустимая высота всасывания центробежного насоса. Кавитация

В центробежных насосах всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса с лопатками, заключенного в спиралеобразном корпусе. В результате воздействия рабочего колеса жидкость выходит из него с более высоким давлением и большей скоростью, чем при входе. Выходная скорость преобразуется в корпусе насоса в давление перед выходом жидкости из насоса.

Высота всасывания

Всасывание жидкости насосом происходит под действием разности давлений в приемной емкости и давлением на входе в насос или под действием разности напоров.

В ысота всасывания зависит от атмосферного давления, скорости движения и плотности перекачиваемой жидкости, её температуры (и соответственно – давления её паров) и гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода. При перекачивании из открытых резервуаров высота всасывания не может быть больше высоты столба перекачиваемой жидкости, соответствующего атмосферному давлению, величина которого зависит от высоты места установки насоса над уровнем моря. При перекачивании горячих жидкостей насос устанавливают ниже уровня приёмной ёмкости, чтобы обеспечить некоторый подпор со стороны всасывания, или создают избыточное давление в приёмной ёмкости. Таким же образом перекачивают высоковязкие жидкости.

Кавитация: основные понятия, причины возникновения и ее следствия

Нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром и выделившимся из жидкости газом, называется кавитацией. Кавитация возникает в области пониженного давления, где возникают растягивающие напряжения, которые приводят к разрыву жидкости и образующие полости - каверны заполняются парами жидкости и выделившимся из нее растворенным газом. Попадая в область высоких давлений паровые пузырьки (каверны) «захлопываются». Захлопывание каверн вызывает местный гидравлический удар, который может привести к разрушению (эрозии) стенок каналов.

Возникновение и развитие кавитации в жидкости связано с наличием так называемых ядер кавитации. Ядра являются слабыми точками, в которых нарушается сплошность жидкости, и возникают кавитационные явления. Если в жидкости присутствуют свободные или растворенные газовые включения, то кавитация будет протекать более интенсивно, с большим шумом и вибрациями.

Кавитация приводит к трем основным отрицательным последствиям:

К срыву подачи, напора, мощности и к.п.д.

К эрозионному износу элементов насоса: рабочего колеса, вала и т.д.

К звуковым явлениям: шуму, вибрации установки, а также к низкочастотным автоколебаниям давления в трубопроводах.

При кавитации производительность и напор насоса резко снижаются.

Для того чтобы избежать кавитации можно предпринять следующие шаги:

повысить давление во всасывающем патрубке (опустить насос, или увеличить

давление в приемном резервуаре). Производительность от этого не измениться.

Использовать насосы, имеющими меньшие числа оборотов.

Снизить расход жидкости через насос или температуру перекачиваемой жидкости, что соответствует уменьшению давления пара.

5-27. Конструкции роторов паровых турбин

На мощных турбинах и на АЭС ротор низкого давления можно изготавливать сварно-кованным.

5-28. Регулирование компрессоров в области: а) устойчивой работы, б) неустойчивой работы

Регулирование в области устойчивой работы компрессора осуществляется в основном для выполнения следующих задач: для поддержания постоянным конечного давления при переменной производительности; для поддержания постоянной производительности при переменном конечном давлении. В обоих случаях регулирование производится двумя основными способами:

1) изменением числа оборотов вала компрессора

2) дросселированием рабочего тела на входе в компрессор.

Регулирование изменением числа оборотов осуществляется главным образом тогда, когда приводом компрессора является паровая турбина.

Неустойчивая работа компрессора проявляется в виде периодических и резких пульсаций потока воздуха - колебаний давления, скорости и расхода. Средние давления, развиваемые компрессором, обычно падают, значительно возрастает температура на входе в него. Помпаж сопровождается сильными хлопками и ударами.

Предотвращают помпаж путём перепуска части или всего расхода газа через противопомпажный клапан, уменьшением частоты вращения ротора для предотвращения срыва потока.

5-29. Схема парогазотурбинной установки. Достоинства и недостатки. Тs-диаграмма

Парогазовая установка — электрогенерирующая станция, служащая для производства электроэнергии. Отличается от паросиловых и газотурбинных установок повышенным КПД.