Характеристики энергетических и рабочих машин

Характеристики тепловых двигателей Паровая и газовая турбины

Первым промышленным двигателем была паровая машина. В паровой турбине используется пар высокого давления, потенциальная энергия которого превращается в механическую работу при его расширении на лопатках, закрепленных на вращающемся валу. В газовой турбине, аналогично паровой, энергия газов после сгорания топлива в камере сгорания преобразуется на лопатках. Воздух в камеру сгорания подается лопаточным компрессором. Экономичность расхода энергии газовой турбины обычно ниже ДВС, но газовая турбина получила широкое использование в авиации из-за небольшой массы и габаритных размеров при высокой мощности.

При использовании турбин на наземных транспортных машинах размеры передаточного механизма из-за высоких скоростей вращения роторов становятся неприемлемо большими. Поэтому часто идут на создание сложного МА (рис. 1.7), в котором в качестве передаточного устройства применяют электрический генератор и электродвигатель.

Рис. 1.7. Схема передачи энергии в карьерном самосвале БЕЛАЗ, газотурбовозе и тепловозе:

• 1 - тепловой двигатель; 2 — электрогенератор;
• 3 - электродвигатель; 4 — редуктор; 5 — ведущие колеса;
• 6 - объединенный регулятор скорости и нагрузки

Значительным преимуществом такой схемы передачи энергии является легкость управления МА в электрическом контуре электрогенератор — электродвигатель.

Двигатели внутреннего сгорания Из-за низкого расхода топлива получили широкое распространение ДВС, преобразующие химическую энергию топлива при сгорании его в цилиндре. Движением вверх поршня 3 кривошипно-ползунного механизма (рис. 1.8, а) производится сжатие горючей смеси или воздуха. В конце сжатия близко к верхней мертвой точке (ВМТ) поршня начинается процесс сгорания, и при движении поршня вниз осуществляется расширение (рабочий ход) с совершением полезной работы. В двухтактном ДВС полный цикл работы соответствует одному обороту кривошипа (р_||11ШИ = 2л, открытием клапанов около нижней мертвой точки (НМТ) начинается газообмен: процесс выпуска продуктов сгорания, затем процесс наполнения цилиндра. Изменение давления в цилиндре р и работа четырехтактного ДВС иллюстрированы индикаторной диаграммой p (S_ls) на рис. 1.8, б, где имеют место такты: I — сжатие; II — рабочий ход (сгорание, расширение); III — выпуск газов; IV — всасывание. Сжатие и рабочий.

Рис. 1.8. Схема дизельного ДВС (а) и индикаторная диаграмма (6):

• 1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — цилиндр; 5 — клапан; 6 — топливная форсунка; 7 — топливный насос высокого давления (ТНВД); 8 — регулятор скорости со, коленчатого вата 1;
• 9 — редуктор привода; S_B — перемещение поршня 3 р — давление в цилиндре 4; I — сжатие; II — рабочий ход; III — выпуск; IV — всасывание ход осуществляются за два хода поршня (Н = 2Ь_ол — максимальное перемещение поршня вверх и вниз). Газообмен в цилиндре 4-тактного ДВС и полный цикл работы осуществляются за два оборота коленчатого вала <�р_щ|кла = Ак с помощью кулачковых валов, связанных с коленчатым валом редуктором с передаточным числом U =2 (см. рис. 1.2 и 1.8).

Схема многоцилиндрового ДВС выбирается таким образом, чтобы обеспечить равномерное чередование рабочих циклов разных цилиндров. Диаграммы работ отдельных цилиндров накладываются друг на друга со сдвигом фаз © ⁼ Фцикла/*> определяемым числом цилиндров L Площадь внутри индикаторной диаграммы (см. рис. 1.8, б) характеризует работу за цикл. Одновременно индикаторная диаграмма относительно линии атмосферного давления является и диаграммой сил, действующих на поршень. Поскольку в такте расширения при движении поршня вниз работа сил давления в цилиндре положительна и превышает отрицательную работу при движении поршня вверх в такте сжатия, то общая сумма работ сил давления за цикл положительна и сила давления газов на поршень является движущей. Индикаторные диаграммы ДВС определяются не только числом тактов, но также типом рабочего процесса: бензиновый ДВС с искровым зажиганием рабочей смеси в цилиндре или дизельный двигатель с самовоспламенением топлива, впрыскиваемого в цилиндр форсункой в конце такта сжатия воздуха с помощью топливного насоса высокого давления (ТНВД).

Схема механизмов дизеля показана на рис. 1.8, механическая характеристика представлена на рис. 1.9. Его работу обеспечивают следующие системы:

• питания топливом низкого давления из бака;

Рис. 1.9. Механическая характеристика дизеля:

М_кр — крутящий момент; со, со_тах — текущая и максимальная скорости вращения вала.

• • питания топливом высокого давления — (ТНВД);
• • охлаждения двигателя;
• • смазки;
• • газораспределения (кулачковые распределительные валы);
• • регулятор скорости, который осуществляет изменение подачи топлива G через форсунку в зависимости от скорости вращения коленчатого вала со,;
• • турбонадува, которой часто оснащаются современные дизели; она позволяет повысить экономичность расхода энергии. Турбокомпрессор включает расположенные на одном валу газовую турбину, использующую энергию отходящих газов, и компрессор, который сжимает воздух, поступающий в цилиндр ДВС.

Преимущества дизельного ДВС:

• • автономность, так как используется энергия жидкого топлива;
• • высокая экономичность расхода топлива;

мощность.

• надежность и хорошее соотношение-.

вес В настоящее время получают распространение дизельэлектрические агрегаты (ДЭА) — комбинированные двигатели, обладающие повышенной экономичностью на неустановившихся режимах работы за счет рекуперации энергии при торможении.

Бензиновый ДВС имеет меньшие массу и стоимость по сравнению с дизелем, но экономичность его ниже. Наиболее экономичным тепловым двигателем является дизельный ДВС, максимальный КПД которого достигает 0,35. Энергетический баланс дизеля, характеризующий распределение энергии топлива, показан на рис. 1.10. Площадь круга диаграммы пропорциональна химической энергии топлива, принимаемой за 100%, а площади отдельных сегментов — долям использования этой энергии топлива.

Экономичность машин с тепловым двигателем резко падает при снижении используемой мощности в эксплуатации. КПД теплового двигателя может быть повышен за счет применения теплофикационного цикла — использования тепловой энергии отходящих газов и пара для технических нужд.