Тепловые двигатели и их применение

IV акт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

Из етырех тактов двигателя (т. е. за два оборота коленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установ­ленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

Добавим, что необходимой  частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При  чрезмерном перегревании цилиндров  наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей  смеси и детонация (взрыв горючей  смеси вместо сгорания, имеющего место  при нормальной работе). Детонация  не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно действует  на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту  воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в  радиаторе. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В радиаторе вода охлаждается  потоком воздуха, засасываемого  при движении вентилятором.

Двигатель внутреннего  сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются:

а) он требует жидкого  топлива высокого качества;

б) невозможность  получить при его помощи малую  частоту вращения (при малом числе  оборотов, например, не работает карбюратор).

Так как температура  газов, получающихся при сгорании смеси  внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего  сгорания может быть значительно  выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30%.

Рис.9. Примерный энергетический баланс

автомобильного двигателя  внутреннего сгорания

Двигатель Дизеля. Как  повысить к.п.д. двигателя внутреннего  сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надо употреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра, см. рис.). При большом сжатии горючая смесь сильнее нагревается и получается более высокая температура во время горения смеси. Однако в двигателях автомобильного типа нельзя употреблять сжатие более 8—9-кратного. При большей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение второго такта настолько, что воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует.

Это затруднение  обойдено в двигателе, сконструированном  в конце XIX века Р. Ди­зелем (двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля схематически по­казано на рисунке 10. В дизеле подвергается сжатию не горючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500 - 600°С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр впрыскивается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором. В некоторых типах дизелей компрессор отсутствует и впрыскивание топлива производится насосом, дающим очень большое давление. Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегося значительно дольше, чем горение смеси бензин — воздух в автомобильном двигателе, поршень движется вниз и производит работу. Затем производится выбрасывание отработанных газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем  бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может  иметь значительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теп­лоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом дизеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.   

Реактивные двигатели

Реактивный двигатель - двигатель, создающий необходимую  для движения силу тяги путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный  с ним аппарат в сторону, противоположную  истечению струи.

В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться  различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).

Для создания реактивной тяги, используемой реактивным двигателем, необходимы:

·      источник исходной (первичной) энергии, которая  превращается в кинетическую энергию  реактивной струи;

·      рабочее  тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из реактивного  двигателя;

·      сам  реактивный двигатель - преобразователь  энергии.

Исходная энергия  запасается на борту летательного или  другого аппарата, оснащенного реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное  топливо), или (в принципе) может поступать  извне (энергия Солнца). Для получения  рабочего тела в реактивном двигателе  может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся  в баках аппарата или непосредственно  в камере реактивного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскаленные газы - продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сгорающих веществ  преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель. Основной частью любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется реактивным соплом.

В зависимости от того, используется или нет при  работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса - воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Наиболее широко реактивные двигатели используются на летательных аппаратах различных  типов.

 Воздушно-реактивные  двигатели. Все ВРД - тепловые  двигатели, рабочее тело которых  образуется при реакции окисления  горючего вещества кислородом  воздуха. Поступающий из атмосферы  воздух составляет основную массу  рабочего тела ВРД. Таким образом,  аппарат с ВРД несет на борту  источник энергии (горючее), а  большую часть рабочего тела  черпает из окружающей среды.

ВРД подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные.

Бескомпрессорные ВРД отличаются тем, что необходимая подача сжатого воздуха для эффективного сжигания топлива осуществляется без применения компрессора; сжатие воздуха происходит во входном устройстве за счет скоростного напора набегающего потока. Они делятся на прямоточные и пульсирующие.

Прямоточные ВРД  для повышения давления воздуха  в камере сгорания используют только скоростной напор встречного потока. Присущие им положительные особенности: простота конструкции, легкость, а также  возрастание реактивной тяги пропорционально  квадрату скорости полета. Поэтому  они особенно выгодны при больших  сверхзвуковых скоростях полета. Недостаток – ничтожная тяга при  малой скорости полета, поэтому прямоточные  ВРД могут применяться на самолетах  только в сочетании с другими  двигателями, обеспечивающими необходимую  тягу при взлете и на малых скоростях  полета. Прямоточные ВРД устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолетах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта).

Пульсирующий ВРД  отличается от прямоточного тем, что  воздух поступает в камеру сгорания не непрерывно, а периодически, импульсами. Давление в камере повышается за счет сгорания топлива. Пульсирующий ВРД может развивать необходимую тягу и при малых скоростях полета. Конструкция его проста. Основной недостаток – большой расход топлива. Пульсирующие ВРД имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью.

Компрессорные ВРД  имеют центробежный или осевой компрессор, приводимый в действие газовой турбиной или авиационным поршневым двигателем, и соответственно подразделяются на турбокомпрессорные (или турбореактивные) и мотокомпрессорные.

Турбокомпрессорные (или турбореактивные) ВРД получили наиболее широкое распространение. Этими двигателями оснащено большинство  военных и гражданских самолетов, их применяют на вертолетах. Они  пригодны для полетов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолетах-снарядах. Сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолетов.

На рисунке 11 показана схема устройства одного из типов  реактивных двигателей, устанавливаемых  на самолетах. Двигатель заключен в  цилиндрический корпус, открытый спереди (воздухоприемное отверстие) и сзади (выходное сопло).

Воздух входит в  переднее отверстие (это показано стрелками) и попадает в компрессор, состоящий  из ряда лопаток, укрепленных на вращающихся  колесах. Компрессор гонит воздух вдоль  оси двигателя, уплотняя его при  этом. После компрессора воздух поступает  в камеру, в которую впрыскивается  горючее. Получается горючая смесь, которая воспламеняется, образуя  газы высокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному  соплу, по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую компрессор, а затем вырываются через сопло  из заднего отверстия двигателя. Газы, покидающие двигатель и получающие огромную скорость в направлении  назад, действуют на самолет с  силой реакции, направленной вперед. Эта сила и приводит в движение самолет.

Тяга турбореактивных  двигателей с высотой и скоростью  полета уменьшается, экономичность  увеличивается. Для облегчения взлета самолета с таким двигателем иногда используют двигатели-ускорители. Также  тяга турбореактивного двигателя может  быть увеличена путем дополнительного  сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом.

Однако такие двигатели  не всегда выгодны экономически. В  этом случае для огромных транспортных самолетов лучше использовать турбовинтовые  двигатели (ТВД). Последние снабжены винтом (или винтами) на валу двигателя впереди компрессора. Для этого нужно удлинить вал, соединяющий турбину с компрессором, добавить редуктор, который снизит частоту вращения винта (иначе воздушный поток станет срываться с лопастей и пропеллер в основном будет вращаться вхолостую). Сила тяги складывается из тяги, возникающей как сила реакции при истечении газов из сопла, и из тяги винта (винтов), вращаемого специальной газовой турбиной или той же, которая вращает компрессор. При малой скорости полета основная доля тяги получается от работы винтов, на большой скорости – за счет силы реакции.

Ракетные двигатели. В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела ракетного двигателя (РД)  находятся на борту аппарата, оснащенного им.

РД в большинстве  случаев используются на высокоскоростных летательных аппаратах. Ракетный двигатель  обладает многими примечательными  особенностями, но главная из них  заключается в следующем. Ракете для движения не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета может двигаться  в безвоздушном пространстве.

РД подразделяются на двигатели, работающие на жидком топливе (горючее и окислитель), - жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), на двигатели, работающие на твердом топливе, - пороховые  реактивные двигатели (ПРД), разновидностью которых являются твердотопливные  ракетные двигатели (РДТТ), и на двигатели, работающие на гибридном ракетном топливе (ГРД).

 В стадии исследования, разработки и частичного применения  находятся ракетные двигатели:

·        ядерные (собственно ядерные, термоядерные, радиоизотопные). Тяга двигателей создается  за счет энергии, выделяющейся в результате реакции деления ядер тяжелых  элементов (собственно ядерный), реакции  управляемого синтеза ядер легких элементов (термоядерный) или в результате радиоактивного распада изотопов (радиоизотопный);

·        электрические (электромагнитные или  плазменные, электростатические, электротермические). Для создания тяги с помощью рабочего тела используется электрическая энергия  бортовой энергоустановки летательного аппарата;

·        газоаккумуляторные (сублимационные и  др.). Тяга двигателя создается истечением газов или других продуктов через  реактивное сопло за счет потенциальной  энергии самих продуктов, принудительно  созданной до полета летательного аппарата;