Лабораторная работа № 2
Тема. Принцип действия автономных локомотивов.
Цель работы. Ознакомиться с принципом действия автономных локомотивов на основе структурных схем энергетической цепи.
Краткие теоретические сведения.
Для автономных локомотивов, которые не имеют подвода энергии извне, ее «источником» может быть внутренняя химическая энергия природного органического топлива, запас которого может быть размещен на самом локомотиве. Но потенциальная внутренняя энергия природного топлива, твердого, жидкого или газообразного пока практически не может быть преобразована непосредственно в механическую работу. Для преобразования внутренней химической энергии топлива в механическую работу предназначены энергетические установки автономных транспортных средств, в том числе и локомотивные энергетические установки (ЛЭУ).
Принцип действия паровоза рассмотрим на основе энергетической цепи паросиловой установки паровоза (рис. 1.), включающей в себя паровой котел – тепловой генератор (парогенератор) ТГ и поршневую паровую машину ПМ в качестве теплового двигателя, который при помощи кривошипно-шатунного механизма КШМ, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение кривошипа, приводит во вращение ведущие колесные пары К.
Рис. 1 Структурная схема энергетической цепи паровоза: ТГ - тепловой генератор (парогенератор); ТК - топка парового котла; ПК - паровой котел; ПП - пароперегреватель парового котла; ПМ - паровая машина (тепловой двигатель); КШМ - кривошипно-шатунный механизм; К - ведущие колеса паровоза; Р - сила тяги паровоза; потоки энергии и вещества: Т - топливо (из емкости в тендере паровоза - внутренняя химическая энергия); В - вода (из водяного бака в тендере); АВ - атмосферный воздух; СН - отбор пара на собственные нужды паровоза; 1 - тепловая энергия (теплоноситель - продукты сгорания топлива); 2 - тепловая энергия (теплоноситель - сжатый водяной насыщенный пар);
3 - тепловая энергия (теплоноситель - сжатый водяной перегретый пар); 4 - механическая работа возвратно-поступательного движения поршней паровой машины;
5 - механическая работа вращения кривошипов ведущих колес паровоза
В паровом котле паровоза проходят три последовательных этапа преобразования энергии, представленные в энергетической цепи тремя звеньями:
топка парового котла Т, где протекает процесс горения топлива и преобразования его внутренней химической энергии в тепловую, носителем которой служат продукты сгорания - дымовые газы;
собственно газотрубный паровой котел (его цилиндрическая часть) ПК, в котором проходит процесс теплообмена между дымовыми газами, протекающими по трубам внутри пространства котла, и водой, заполняющей внутренний объем котла (целью процесса является кипение воды и образование сжатого насыщенного пара);
пароперегреватель ПП, в котором повышаются температура и теплосодержание пара за счет вторичной теплопередачи от продуктов сгорания топлива.
Восполнение массы воды в паровом котле из запаса в водяном баке, находящемся обычно в тендере паровоза, осуществляется водяным насосом за счет использования части энергии сжатого пара β на собственные нужды паровоза СН.
Принцип действия тепловоза ясен из структурной схемы его энергетической цепи (рис. 2.). С точки зрения преобразования энергии энергетическая установка тепловоза имеет всего одно звено - сам двигатель внутреннего сгорания - тепловозный дизель Д, который совмещает функции теплового генератора и теплового двигателя. В объеме рабочего цилиндра дизеля химическая энергия топлива Т в результате реакции его горения (окисления - соединения с кислородом атмосферного воздуха АВ) преобразуется в тепловую энергию газообразных продуктов сгорания. Последняя при помощи поршня и кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую работу вращения вала двигателя.
Рис. 2. Структурная схема энергетической цепи тепловоза: Д - двигатель внутреннего сгорания (дизель); П - передача; К - ведущие колеса тепловоза; Р - сила тяги тепловоза; Р - доля мощности дизеля, отбираемая на собственные нужды локомотива. Потоки энергии и вещества: Т - топливо (из топливного бака тепловоза); АВ - атмосферный воздух; СН - отбор мощности дизеля на собственные нужды локомотива; 1 - механическая работа вращения выходного (коленчатого) вала двигателя; 2 - механическая работа вращения ведущих колес тепловоза
В схему входит и передача П, согласующая режимы работы дизеля и движения локомотива. Она преобразует вращающий момент (на валу дизеля Д), который по условию постоянства мощности дизеля должен быть неизменным при постоянной частоте вращения вала, в переменный момент на ведущих колесах К, величина которого по аналогичному условию постоянства мощности локомотива обратно пропорциональна скорости движения. Передача является обязательной частью современного тепловоза, но с преобразованиями энергии в ней связаны и неизбежные дополнительные потери.
Часть преобразуемой энергии (доля β затрачивается на собственные (внутренние) нужды (СН) тепловоза (привод вспомогательного оборудования, отопление, освещение и т.п.).
Принцип действия газотурбовоза ясен из структурной схемы его энергетической цепи (рис. 3.). Топливо (например, сжиженный природный газ) подается насосами из топливного бака в камеры сгорания 1 газовой турбины 2. В эти же камеры подается воздух, сжатый осевым компрессором 3, который в момент пуска газотурбинной установки приводится в движение от небольшого вспомогательного дизеля. В результате горения топлива образуются газы с температурой до 1800 °С. Однако надежная работа стальных лопаток газовой турбины может быть обеспечена при температуре газов не свыше 750-800 °С. Поэтому газ перед поступлением на лопатки газовой турбины 2 «разбавляется» сжатым воздухом от компрессора, на подачу и сжатие которого затрачивается до 75 % мощности газовой турбины Смесь газов с воздухом (температура 750-800 °С) поступает на лопатки турбины 2 и вращает ее ротор. От газовой турбины также приводятся в движение якорь генератора 4А и ротор осевого компрессора 3. Генератор 4А. и тяговые электродвигатели 4Б, как и на тепловозе, выполняют функции электрической передачи.
Рис. 3. Структурная схема энергетической цепи газотурбовоза:
1 - камера сгорания топлива; 2 - газовая турбина; 3 - воздушный компрессор; 4А - тяговый генератор; 4Б - тяговые электродвигатели; 5 - ведущие колесные
пары локомотива
Порядок выполнения работы.
Ознакомиться с принципом действия автономных локомотивов.
Описать принцип действия автономных локомотивов на примере структурной энергетической схемы.