книги из ГПНТБ / Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие

И.Н. Нигматулин,

П.Н. Шляхин,

В.А. Ценев

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Под редакцией проф.

И. Н. Нигматулина

Допущено Министерством высшего и среднего

специального образования СССР

в качестве учебного пособия для студентов специальности

«Промышленная теплоэнергетика» высших учебных заведений

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974

6 П2.23. Н 60

УДК 621.165+621.438+621.43(075)

Нигматулин И. Н. и др.

Н 6 0 Тепловые двигатели. Под ред. И. Н. Нигматулина. Учеб. пособие для втузов. М. «Высш. школа», 1974.

375 с. с ил.

Перед назв. авт.: И. Н. Нигматулин, П . Н . Шляхин, В. А. Ценев.

В книге рассмотрены вопросы теории тепловых процессов паровых, газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания, общие принципиальные схемы тепло­ силовых установок, конструкции паровых, газовых турбин, двигателей внутрен­ него сгорания различных типов, а также некоторых вспомогательных агрегатов тепловых двигателей.

Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся но специ­ альности «Промышленная теплоэнергетика». Может быть полезно инженерно-техни­ ческим работникам, обслуживающим энергетические установки.

4 ±

»цбя.'.о.о«* Э*>С j

Ч И Т А

Рецензенты:

докт. техн. наук проф. Петров Я . П . Кафедра двигателей внутреннего сгорания и кафедра турбостроения МВТУ. Кафедра теплосиловых установок МИИТ

(£) Издательство «Высшая школа», 1974

В В Е Д Е Н И Е

Машины, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу, называются двигателями. Машины, преобразующие теплоту в механическую работу, называются тепловыми двигателями. Тепло для двигателей в настоящее время получается из органических топлив при химической реакции и из ядерного топлива — при ядерной реак­ ции. К органическим топливам, применяемым в теплоэнергетических промышленных установках, относятся каменный уголь, антрацит, бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесина, нефть, нефтяной (про­ мысловый) газ, природный газ и различные продукты, получаемые в результате их переработки. Ядерным топливом могут быть изотопы урана и плутония. Сырьевой базой ядерного топлива являются уран и торий. Ядерная реакция деления с выделением энергии в форме тепла

для взрыва (водородная бомба), и в настоящее время еще не найден способ осуществления управляемой термоядерной реакции.

В промышленности электрическая энергия из тепловой получает­ ся путем промежуточного преобразования ее в механическую работу. Современная техника не позволяет пока создавать более или менее мощные установки для получения электричества непосредственно из

боту было бы крупным шагом вперед. Тогда отпала бы надобность в тепловых электростанциях, а также во многих других случаях необ­ ходимость установки тепловых двигателей, которые имеют относитель­ но низкий к. п. д., весьма сложны и требуют довольно квалифициро­ ванного ухода при эксплуатации.

В последнее время ведутся большие работы по созданию генерато­ ров для непосредственного превращения теплоты в электричество. В Советском Союзе создана экспериментальная энергетическая установка полупромышленного типа с магнитогидродинамическим (МГД) ге­ нератором мощностью 25000 кВт. Но все установки, превращающие теплоту непосредственно в электричество, пока могут работать или только кратковременно, или при крайне малых мощностях, или при низких к. п. д.

Поэтому в тепловой электростанции или в любых других областях техники, где используется теплота для приведения в движение мощ-

4

ных агрегатов, нельзя обойтись без тепловых двигателей. Тепловые двигатели, являющиеся неотъемлемой частью всей тепловой энергети­ ки, в настоящее время очень широко применяются во многих областях народного хозяйства.

Процесс сгорания топлива и выделения тепла может происходить внутри самого двигателя и вне его, в другом агрегате. Продукты сгора­ ния топлива как носители тепла в одних случаях при превращении тепла в работу непосредственно являются рабочим телом в двигате­ лях, а в других случаях передают сЕое тепло другому веществу (воде), и тогда уже другое промежуточное вещество (пар) является рабочим телом в тепловом двигателе. Таким образом, в первом случае рабочий процесс в двигателе осуществляется без промежуточного теплоноси­ теля, а во втором — с промежуточным теплоносителем.

Способы превращения тепла в механическую работу разнообразны. Наиболее распространены следующие пять типов тепловых двигателей: 1) паровые машины; 2) паровые турбины; 3) двигатели внутреннего сгорания; 4) газовые турбины; 5) реактивные двигатели (турбореак­ тивные и ракетные).

Применяемый в конкретных условиях тип двигателя определяет­ ся потребностями народного хозяйства, необходимой мощностью, наличными видами топлива, эксплуатационными требованиями к дви­ гателю и т. д.

Первыми из тепловых двигателей получили промышленное разви­ тие поршневые пароЕые машины; уже в X V I I I столетии они стали ши­ роко распространяться. Паровая машина более ста лет господство­ вала на железнодорожном транспорте, и паровоз являлся основным видом локомотива. Но с течением времени поршневые паровые маши­ ны стали вытесняться другими, более совершенными типами двигате­ лей и теперь применяются в очень небольшом количестве. За последние 10 15 лет паровая машина утратила свое положение и на железно­ дорожном транспорте, где паровоз успешно заменен более эконо­ мичными типами силовых установок, главным образом тепловоза­ ми и электровозами.

Вкрупных тепловых электростанциях и мощных промышленных теплоэнергетических установках наиболее экономичными остаются паросиловые установки с паровыми турбинами. Почти все крупные тепловые электростанции, а также и атомные электростанции снаб­ жены паротурбинными установками.

Втранспортных установках (автомобили, мотоциклы, тракторы, тепловозы, морские и речные суда) и во всех других случаях, когда требуются компактные силовые установки малой и средней мощности, наиболее подходящими в настоящее время признаны двигатели внутрен­ него сгорания (ДВС). Для малых и средних мощностей (1-М00С0 кВт) среди всех тепловых энергетических установок самыми универсаль­ ными являются поршневые ДВС. Поэтому они широко применяют­ ся в различных областях народного хозяйства.

Газовые турбины как самостоятельные силовые агрегаты, кроме авиации (турбореактивные двигатели), распространены пока еще мень­ ше, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания; газовые

5

Раздел первый ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ

Глава 1-1.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О Т У Р Б И Н А Х

§ 1-1. Паровые турбины. Краткая история их развития

Паровая турбина является двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь преобразуется в механическую энергию вращения вала. Вал турбины непосредственно или при помощи зубчатой передачи соединяется с рабочей машиной. Наиболее широкое применение паро­ вая турбина находит в энергетике, являясь приводом электрического генератора переменного тока. Преобразование потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения вала турбины осуществляет­ ся различными способами. В зависимости от характера преобразо­ вания потенциальной энергии пара в кинетическую энергию струи различаются активные, реактивные и комбинированные турбины (ак­ тивно-реактивные).

Простейшая одноступенчатая турбина состоит из следующих ос­ новных частей (рис. 1-1): сопла 4, вала 1 и диска 2 с рабочими лопат­ ками 3, расположенными на нем, выхлопного патрубка 6. Вал / вмес­ те с насаженным диском 2 составляет важнейшую часть турбины и носит название ротора. Ротор заключен в корпусе турбины 5. Шейки вала лежат в опорных подшипниках (опорные подшипники на рисун­ ке не показаны).

Пар от начального р0 до конечного р2 давления расширяется в од­ ном сопле или группе сопел, закрепленных в корпусе перед рабочими лопатками вращающегося диска. Понижение давления пара в соплах сопровождается уменьшением его энтальпии i, т. е. в соплах срабаты­ вается тепловая энергия, которая превращается в кинетическую энер­ гию паровой струи. В процессе расширения пара в соплах скорость его возрастает от начальной величины с0 до с4 за соплами. В каналах рабочих лопаток происходит понижение скорости от ci до с2, т. е. понижается кинетическая энергия пара, приобретенная им в соплах за счет расширения. Кинетическая энергия струи пара, воздействуя на рабочие лопатки, совершает механическую работу на валу ротора турбины.

Турбины, в которых весь процесс расширения пара происходит только в неподвижных каналах (соплах), а кинетическая энергия пара превращается в механическую работу на рабочих лопатках (без расширения в них пара), называют активными. Мелкие одноступенча­ тые активные турбины строились и строятся на значительные числа оборотов п.

Мощность одноступенчатых активных паровых турбин даже при окружной скорости, достигающей 350 м/с, не превышает 500 -f-

7

-f- 800 кВт. Небольшая мощность в одном агрегате, малая экономич­ ность таких турбин и в ряде случаев необходимость установки редук­ тора ограничивают область применения одноступенчатых активных паровых турбин.

По иному принципу работает паровая турбина, представленная на рис. 1-2. Свежий пар к лопаткам турбины поступает из кольцевой камеры для свежего пара 10. В непод­ вижной части корпуса 4 и па подвижной части барабана 7 (ротора) закреплены направляющие и рабочие лопатки, обра­ зующие каналы для прохода пара. Из камеры 10 пар, протекая через межлопа­ точные каналы, поступает в выпускной

патрубок / и далее в конденсатор. По пути движения из камеры 10 к патрубку / пар постепенно расширяется от давления р0ДО /^-Рас­ ширение пара и понижение теплосодержания происходит во всех меж­ лопаточных каналах как подвижных, так и неподвижных лопаток. Сначала свежий пар из камеры 10 поступает в каналы первого ряда направляющих лопаток 5, закрепленных в корпусе 4. Из каналов неподвижных (направляющих) лопаток первого ряда пар поступает в каналы первого ряда вращающихся (рабочих) лопаток 6, закреплен­ ных на вращающемся барабане 7. Из каналов рабочих лопаток первого ряда пар поступает в каналы неподвижных лопаток второго ряда 2,

8

проходя последовательно через каналы всех рядов направляющих и рабочих лопаток 3. Пар, покидающий последний ряд П О Д Е И Ж Н Ы Х лопа­ ток турбины, называется отработавшим. Паропровод 8 соединяет камеру за разгрузочным поршнем 9 с выхлопной частью /; по нему удаляется пар из передней части турбины.

Два смежных ряда лопаток, закрепленных соответственно в кор­ пусе и на роторе, образуют так называемую ступень. Турбину, имею­ щую несколько последовательно расположенных рядов направляю­ щих лопаток и соответственно такое же количество рядов рабочих лопаток, называют многоступенчатой. Все ступени турбины составляют ее проточную часть. В рассмотренной турбине в отличие от предыдущей расширение пара происходит как в каналах между направляющими, так и в каналах между рабочими лопатками. Такие турбины называют­ ся реактивными.

Кривая ро— рг показывает изменение давления пара, ломаная пунктирная линия характеризует изменение абсолютной скорости по ступеням турбины. Скорость ct возрастает за счет понижения эн­ тальпии i на направляющих лопатках. Работа на валу турбины соз­ дается за счет изменения энтальпии, в каналах направляющих и ра­ бочих лопаток. Верхняя кривая изображает изменение энтальпии по ступеням турбины; энтальпия непрерывно понижается как в каналах направляющих, так и в каналах рабочих лопаток.

Промышленная конструкция турбины, работающей по такому принципу, вперЕые была предложена в 1884 г. английским инженером Пгрсоксом. Дальнейшее развитие принципа работы активной турбины (Лаваля) привело к появлению в 1ВС0 г. многоступенчатой активной пароЕой турбины, идея создания которой заключалась в том, что для расширения пара использовалась уже не одна группа сопел, а нес­ колько последовательно расположенных групп, образующих вместе с рабочими лопатками несколько ступеней турбины. Пар расширялся в соплах каждой ступени, а на рабочих лопатках кинетическая энер­ гия пара только преобразовывалась в механическую работу.

Схема такой турбины представлена на рис. 1-3. На валу 8 турбины насажены три диска с закрепленными на них рабочими лопатками Зяб. Между каждой парой соседних дисков с рабочими лопатками находятся неподвижные перегородки, называемые диафрагмами 7.

разование кинетической энергии пара в механическую работу, пере­ даваемую на вал турбины. В последующих ступенях турбины проис­ ходит совершенно аналогичный процесс преобразования потенциальной энергии пара в кинетическую, а последней — в работу на валу. На всех ступенях турбины давление понижается от р0 до р2-

9