Принцип работы турбовоза

Сейчас на железных дорогах

По теме "турбовоз"

В библиотеке

В каталоге статей

В фильмотеке

В архиве обзора прессы

В каталоге программ

На всем сайте

Cпециальные проекты

Реклама

Партнеры и спонсоры

Что еще?

Древние машины приводились в действие мускульной силой людей и животных. Естественно, что они работали и медленно и малопродуктивно.

Первые механические двигатели, в том числе и паровые, заменяли живую силу. Понятно, что такой двигатель и работал немногим скорее, чем рабочий.

В эпоху промышленного капитализма, с ростом производительных сил понадобились быстроходные машины в производстве булавок и на орудийных заводах для расточки пушечных жерл, а такие машины потребовали и соответствующей скорости двигателя

К концу прошлого века появились центробежные насосы, центрифуги, сепараторы — машины, вращавшиеся с неслыханной скоростью. Затем были изобретены динамомашины, генераторы, вырабатывающие электрический ток. При этом оказалось, что генераторы работают нормально, делая три тысячи оборотов в минуту. Таким машинам нужны двигатели с равным числом оборотов, чтобы, не прибегая к передачам, соединять на одном валу двигатель и рабочую машину.

Паровой двигатель Уатта — самая тихоходная машина. При всём совершенстве техники скорость его едва-едва доведена до 400 оборотов в минуту. Легко видеть, как безнадёжно отстал он по быстроходности. Двигатели внутреннего сгорания оказались более проворными машинами; однако в самых совершенных авиационных моторах, в том числе и дизельных, число оборотов остаётся в пределах между одной и двумя тысячами в минуту. Надо думать, что добиться больших скоростей в двигателях с прямолинейно-возвратным движением поршней вообще невозможно без снижения срока их службы, а долговечность моторов и так невелика.

Самым простым и удобным движением является не прямолинейно-возвратное, а вращательное вокруг неподвижной оси, не изменяющей своего положения. При этом условии возможно, хотя бы только приблизительно, достигнуть того, что вследствие самого движения не будет проявляться никаких вредных сил инерции. Нужно только самым точным образом уравновесить вращающиеся части, сбалансировать их, как выражаются техники. Самое ничтожное повышение веса в какой-нибудь маленькой частичке колеса при вращении его со скоростью в несколько тысяч оборотов в минуту приведёт к развитию таких сил инерции, что не точно сбалансированное колесо разлетится на куски. Тихоходные двигатели с непосредственным вращательным движением были известны человечеству испокон веков. Такими двигателями являются водяные колёса и ветряные мельницы.

Активная турбина Лаваля

В середине прошлого века некоторым конструкторам удалось превратить водяное колесо в очень совершенный двигатель, получивший название турбины. В гидравлических установках такого рода поток воды направляется наивыгоднейшим образом в металлическое колесо с лопатками, и работа турбины совершается под полным контролем человека.

Но творческому разуму не под силу найти средство для того, чтобы заставить ветер дуть на железное колесо с необходимой силой и постоянством. Вид мельницы, окружённой возами с зерном, но стоящей неподвижно из-за безветрия, скорее внушает мысль о создании искусственного ветра, чем и может стать струя водяного пара.

Уже при пяти атмосферах первоначального давления пар вырывается из сосуда, в котором он заключён, со скоростью 500 метров в секунду, тогда как быстрота ветра даже при урагане не превышает 40 метров в секунду. Пар давлением в десять атмосфер направляется в конденсатор со скоростью вдвое большей скорости пули, выпущенной из современной винтовки. Перегретый пар обладает значительно большей стремительностью движения.

Мысль об использовании кинетической энергии пара для получения вращательного усилия возникла очень давно, — гораздо раньше того, чем были накоплены теоретические знания о свойствах пара. Любители техники строили такие машины-игрушки для собственного развлечения на много лет раньше того, как паром начали заниматься Ползунов и Уатт.

Эолипил Герона представляет собой простейшую форму реактивной паровой турбины.

Другой прибор, в котором работа производилась за счёт кинетической энергии пара, известен под названием машины Бранка, описанной в труде Джиованни Бранка, вышедшем в Риме в 1629 году. Этот прибор состоит из парового котла, крышкой которому служит бюст человека с тонкой трубкой во рту. Из этой трубки вырывающийся под давлением пар струёй направляется на лопатки горизонтального колеса с ячейками и вращает его со значительной скоростью.

Паровая турбина для прямого и обратного хода на турбовозе

Тем не менее в продолжение многих лет создания Герона и Бранка оставались только моделями и игрушками. Существовало упорное, хотя и неправильное мнение, что скорость пара не силах вызвать мощное движение колеса.

Это, наверное, единственный случай в истории техники, когда отлично выполненные и хорошо действовавшие модели увели людей в сторону от правильного пути, а не привели к нему. Впрочем, виновато здесь не только влияние установившегося мнения. Более важное значение имело то обстоятельство, что до поры до времени паровой двигатель Уатта удовлетворял потребностям промышленности, и никто не требовал лучшего. Но как только хозяйство стало ощущать нужду в быстроходном двигателе, взоры конструкторов невольно обратились к старым моделям Герона и Бранка. Добавим, что к этому времени налицо уже были и научные знания свойств пара и техническая возможность строить быстроходные машины.

Паровая турбина была создана одновременно, но независимо друг от друга в Швеции Густавом Лавалем и в Англии Чарльзом Парсонсом.

По принципу действия эти турбины были совершенно различны: Лаваль направил струю пара на колесо с лопатками и построил активную турбину; Парсонс, впуская пар в ряд лопаток особой формы, укреплённых на одном валу, заставил вал, или ротор, турбины вращаться, пользуясь реактивной силой пара, выходящего из этих лопаток, отчего турбина и получила название реактивной.

Паровые турбины имеют ряд преимуществ перед паровой машиной: большую экономичность, быстроходность, лёгкость установки. Но в них оказался и крупный недостаток, а именно: чрезвычайно большая скорость. Турбина Лаваля делала около 30 тысяч оборотов в минуту, а турбина Парсонса — 18 тысяч. Двигатели с такими скоростями не могли иметь применения нигде, и оба изобретателя начали думать, как бы снизить число оборотов.

Вслед за Лавалем и Парсонсом над усовершенствованием турбин и приспособлением их для разных целей начал работать целый ряд изобретателей.

В течение двух десятилетий паровая турбина сделала огромные успехи. Вслед за стационарными турбинами, оказавшимися очень удобными для электростанций, Парсонс начал строить судовые турбины, а Целли первым попытался установить турбину на локомотив.

Первый турбовоз Целли мощностью в тысячу лошадиных сил в течение пяти лет подвергался всякого рода испытаниям.

Скорость турбовоза — около 80 километров в час, и в отношении быстроходности он не имеет никаких преимуществ перед современными паровозами. Хотя турбина экономичнее парового двигателя, но устройство её сложнее, а применение передачи лишает машину гибкости и увеличивает количество трущихся частей, непроизводительно расходующих энергию на преодоление трения.

Кроме того, паровые турбины не имеют реверса. Поэтому на турбовозе приходится ставить две турбины: одну для переднего, а другую для заднего хода.

Однако турбовозы внесли в историю локомотивостроения существенно важное и интересное новшество: практически была доказана возможность установки безвакуумных конденсаторов на транспортной машине и открыт новый своеобразный путь к повышению экономичности паровой тяги. На очередь встал вопрос о постройке паровозов с конденсаторами для приспособления паровой тяги к работе в маловодных местностях и пустынях.

С наибольшей широтой и размахом строительство конденсационных паровозов было предпринято в Советском Союзе.

Материалы: http://www.1520mm.ru/locomotives/diesel/Gas_turbine/forebear.phtml

Самые мощные двигатели в мире машин — это турбины. Они различаются по конструкции, роду рабочего вещества и принципу работы. Что же представляют собой эти уникальные агрегаты, каковы их конструкционные особенности, способы приведения в действие и области применения?

Очень упрощенно турбину можно представить себе как колесо с лопастями, приводимое во вращение потоком пара, газа или воды.

Её далеким прообразом является Александрийский шар, о котором уже шла речь в докладе о двигателях.

По мере накопления знаний и технического опыта появлялись более совершенные модели этих устройств. Например, водяное колесо. Если расположить по его ободу лопасти или черпаки и поставить вертикально под поток льющейся воды, колесо придет во вращение. Таким образом приводились в движение жернова на водяных мельницах. На этом же принципе работают и ветряные мельницы, использующие энергию ветра.

Начиная с XVI века, создатели турбин в качестве рабочего тела стали использовать пар, выходящий из специального сопла. Всего за 2 десятка лет были запатентованы несколько сотен изобретений относящихся к паровым турбинам. Но только шведскому инженеру Густаву Лавалю удалось создать такую модель, которую можно было реально использовать в промышленности.

Струя пара, исходящая из расширяющегося сопла, оказывала давление на лопатки, закрепленные на ободе колеса. Это воздействие и приводило колесо (ротор) во вращение. Отработанный пар конденсировался, и полученная вода возвращалась в паровой котел. Такие турбины получили название активных.

В отличие от них существуют реактивные турбины, где лопасти снабжены специальными каналами. Перемещаясь в них, рабочее тело расширяется и создает реактивную силу, вращающую ротор турбины.

Газовые турбины отличаются от паровых тем, что в качестве рабочего вещества в них используется газ, образующийся при сгорании топлива. Первые патенты на них были получены лишь в начале XX века.

Турбины с любым видом рабочего вещества используются для приведения в действие все возможных машин. Для этого вал турбины соединяют с валом рабочей машины. В зависимости от назначения этой машины турбина может быть использована в различных областях народного хозяйства: энергетике, металлургии, на транспорте и т. д.

Паровые турбины вместе со вспомогательным оборудованием представляют собой паротурбинную установку. Именно они являются основным типом двигателя на современных атомных и тепловых электростанциях, на которых вырабатывается до 95% всей электроэнергии в мире.

Свежий пар приводит во вращение турбину, которая вращает ротор генератора электрического тока. А отработанный пар охлаждается и конденсируется в специальном конденсаторе. Полученный конденсат насосами перекачивается в котельный агрегат и используется для получения новой порции пара.

Подобным образом работают и гидравлические турбины, которые устанавливают на гидроэлектростанциях (ГЭС). Их обычно строят на реках, а для получения необходимого напора воды, сооружают плотины и водохранилища. Рабочее колесо турбины, взаимодействуя с водным потоком, приходит во вращение, приводя в действие генератор электрического тока.

ГЭС относятся к возобновляемым и экологичным источникам энергии, поскольку они не дают вредных выбросов в атмосферу.

В газовых турбинах рабочее вещество представляет собой газ, образующийся при сгорании самого разнообразного топлива — нефтепродуктов и даже измельченного угля. Обычно эти турбины входят в состав газотурбинных установок и газотурбинных двигателей.

Газотурбинные установки используют, в основном, для получения электроэнергии. Рабочее колесо турбины приводится во вращение потоком раскаленных газов. Это вращение передается на ротор генератора электрического тока. Вырабатываемое им электричество поставляется к потребителю. Специальное оборудование позволяет использовать отработанные горячие газы для отопления помещений и других нужд. Т.е. газотурбинная установка выполняет функции теплоэлектроцентрали.

Весьма важным аспектом применения турбин является турбонаддув. Эта функция позволяет увеличить мощность и динамичность двигателя. Она заключается в подаче воздуха в цилиндры двигателя под давлением. Для создания необходимого давления используется тепловая энергия выхлопных газов. Перед выбросом в атмосферу они попадают на турбину, приводят её во вращение. На одном валу с колесом турбины находится компрессор, который засасывает воздух из атмосферы и подает его в цилиндры двигателя.

Применение турбонаддува — эффективное средство для повышения мощности двигателя. Он с успехом применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Причём для дизелей он более эффективен, поскольку они допускают бОльшую степень сжатия.

Управление давлением нагнетаемого воздуха осуществляется с помощью специального клапана, который может стравливать избыток давления в атмосферу.

Столь эффективный метод, повышающий эффективность работы двигателя не мог пройти мимо авиации. Ещё в первой мировой войне для достижения достаточного давления в двигателях на больших высотах, где воздух разряжен, использовали турбонаддув.

В настоящее время газовые турбины используются в авиации как важнейший компонент двигателя. Так в вертолетах и турбовинтовых самолетах они используются для приведения в действие воздушного винта.

В тридцатых годах прошлого столетия одного умного английского инженера посетила мысль создать авиационный двигатель без пропеллера. Тогда многие посчитали его идею безумной. Но этот принцип и ныне используется в современных турбореактивных двигателях (ТРД.)

В газотурбинном (турбореактивном) двигателе самолета турбина приводит в действие компрессор, а оставшаяся энергия вместе с газовой струей выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Каждый вид турбин имеет свою сферу применения и свои плюсы и минусы. Максимальная мощность паровых турбин, используемых на АЭС, достигает 1700 МВт. Однако она несравненно меньше, чем мощность двигателей космических кораблей, достигающая 27 млрд. Вт.

Столь глобальное применение турбин не исключает её применение при совершении тонких медицинских манипуляций.

Так, при сверлении зубов, сверло приводится во вращение маленькой воздушной турбинкой, на которую подается струя сжатого воздуха. Эта миниатюрная деталька, вращаясь со скоростью 250 000 об/мин, сокращает время неприятной операции в несколько раз.

С развитием новых технологий и отраслей промышленности сфера применения турбин постоянно расширяется. Так появился интереснейший проект TESLA1, разработчиками которого явилась интернациональная группа конструкторов и дизайнеров.

Они предлагают встроить в автомобиль 5 турбин. Четыре — в колёса, они будут работать за счёт энергии ветра возникающего при вращении колес от двигателя. А пятое — предполагается расположить в задней части машины, где сходятся все воздушные потоки от «колесных» турбин. Эта, пятая турбина, также будет создавать дополнительную реактивную тягу.

Данный проект предполагается осуществить к 2030 году, когда будут проводиться 24 часовые гонки Ле-Мана. Что ж поживем — увидим….

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Комментариев к записи: 2

Здравствуй, Геля! Как ты уже наверно заметила меня зовут Снежана, и я четвероклассница. Я не знаю куда писать, поэтому я подумала, и решила написать сюда. Мне очень нужна информация про Нагибина. Я конечно могу посмотреть в Википедии, но там всё так скучно, мне кажется, что у тебя намного интересней. И да, это некая просьба. Пожалуйста, сделай доклад про Юрия Макаровича Нагибина! Я не заставляю тебя это делать, но если ты хочешь помочь, то пожалуйста. Снежана

Снежана, посмотри и сделай сама, ты всего лишь в четвертом классе, и я уверена у вас не очень сложный материал! Тем более делать доклады, искать и обрабатывать самой информацию — это очень полезный навык, поверь мне (если что, я учусь в девятом и на самом деле мне приходилось делать кучу докладов). Наверняка ты не будешь читать эту запись, но я попыталась…

Оставить комментарий

Меня зовут Геля. Я третьеклассница, и мне нравится учиться.

На этом сайте я собираю коллекцию докладов. Младшим школьникам они могут пригодиться.

Материалы: http://www.doklad-na-temu.ru/fizika/turbiny.htm

Турбина является одной из главных составляющих системы двигателя. За счет увеличения плотности воздуха, турбина способствует сжиганию большего количества топлива. Таким образом, сгоревшее топливо превращается в энергию, приводящуюю к ее увеличению, а также созданию большего крутящего момента.

Турбина состоит из двух главных элементов: компрессора и самой турбины. В ее корпусе находится вентилятор (по-другому крыльчатка), который раскручивает клубы выпускного газа. Круговые движения вентилятора переходят на компрессор. Таким образом в нем воздух нагнетается и направляется в двигатель.

Известно, что давление увеличивается тогда, когда в двигатель поступает больше воздуха. На самом деле давление в агрегате не может бесконечно увеличиваться. Например, когда его чересчур много, то возникает лишнее тепло, которое приводит к таким последствиям как: пульсация, обратное давление, протекание масла, низкий срок службы подшипников, потрескивания на корпусе турбины, внезапные поломки двигателя. Поэтому злоупотреблять превышением давления не стоит. Самыми оптимальными считаются такие показатели, как 8 – 14 psi.

Поломки у турбины можно с легкостью предотвратить. Обычно в этом случае устанавливается более эффективный высокопоточный компрессор и крыльчатка. Известно, что при маленьком или недостаточном давлении выпускные газы воздействуют на турбину меньше. Можно заменить турбину и компрессор на детали больших размеров, что позволит им в дальнейшем пропускать количество выхлопных газов значительно выше.

Стоит отметить, что в любом случае турбина и компрессор должны подходить по размеру.

Сегодня особой популярностью пользуются гибридные модели. В этом случае инженеры автоконцернов выбирают такую турбину, которая будет обеспечивать хорошую тягу сниза.

Известно, что турбины, производящие больше давления, отличаются повышенными качествами надежности. Например, в большинстве турбин используется упорный подшипник в 180 градусов, который находится в корпусе. Установка турбины на ВАЗ 21099, 2109, 2108. При стандартном давлении он будет работать без перебоев, но при увеличенном давлении он будет быстро изнашиваться. К примеру, подшипник в 360 градусов нормально переносит высокие показатели давления, поэтому турбина с таким типом подшипника будет более надежной.

Какие можно сделать замены?

Во-первых, можно приобрести турбину японского качества, бывшую в употреблении. Не пугайтесь, что еона уже была в использовании. На самом деле относительно турбин в этом случае ничего страшного нет. Кроме того, вы сэкономите деньги. Можно выбрать, например, IHI RHB31, Garrett T3 и т.д.

Помните, что двигатель, от которого вы приобретает турбину, должен быть аналогичным по размеру с вашим агрегатом.

Виды современных турбин

Сегодня существует множество турбин, которые имеют свои размеры и, конечно, специфические особенности. Известно, что большинство из них изготавливается из керамики. Дело в том, что она меньше по плотности, чем сталь, поэтому, в результате инерции, турбина способна раскручиваться быстрее. Сегодня часто можно встретить турбины, в основе которых лежат сплавы из никеля. Вообще изначально керамические турбины устанавливались на автомобили Nissan. Именно инженеры этого автоконцерна обнаружили положительные качества керамики. По сравнению с обычными турбинами керамические турбины были эффективнее в плане отдачи до 45%.

Все турбины, изготовленные из керамики, нуждаются в деликатном обращении, поэтому их лучше не ронять. Кроме того, на них негативно влияют части, которые поступают из выпускного коллектора.

Шариковые подшипники

Известно, что при помощи шариков уменьшается трение и, следовательно, увеличивается сила выпуска. Сегодня мир знает шариковые, роллерные турбины Garrett, которые обычно имеют по 6 болтов в корпусе. Компания Garrett является лидером среди производства таких подшипников. Известно, что свои детали она поставляет HKS.

Турбины с раздвоенным пульсом

Подобная модель имеет два раздельных пути, которые в последствие ссоединяются в одну турбину. Они ведутся к одной турбине благодаря пульсу, который образуется из выхлопных газов. Таким образом 2 цилиндра влияют друг на друга положительно в результате чего улучшается отдача. Сегодня турбины с удвоенным пульсом или с двойным входом выпускают тюнинговые автокомпании. Что такое турбина компрессора? Ярким примером такого турбодвигателя является автомобиль Toyota 3S-GTE.

Изменяющаяся геометрия

Сопло турбины представляет собой изменяющуюся геометрию. Так по кругу корпуса турбины есть лопатки, которые соединены со специальным механизмом. Он отвечает за регулирование углов. Таким образом происходят изменения раскручивания турбины из-за появления зазоров между лопатками. Поэтому подобные модели турбин нуждаются в дополнительном механизме, который будет способствовать оптимальной работе. Многие из них считаются, во-первых - дорогими, во-вторых - ненадежными.

Перепускные клапана

Перепускные клапана служат для того, чтобы пустить в обход турбин некоторые части выпускного газа. Таким образом происходит сокращение скорости вращения турбин и, следовательно, давления на коллекторе. Из-за этого турбина работает не эффективно. В этом случае газ может попасть в нее, тем самым повредить ее. С другой стороны может возникнуть эффект турбулентности, так как газ, идущий в обход и из турбины, может встретиться, что приведет к заметному понижению показателей мощности.

Обычно такие клапаны ставятся неподалеку от самой турбины. Известно, что перепускные клапаны имеют все гоночные автомобили. Главным преимуществом внешнего клапана является то, что его механизм можно с легкостью регулировать. Лучшими производителями клапанов считаются такие фирмы, как Garrett, Turbonetics и HKS.

Отношение A/R

Данное отношение нужно всегда учитывать. Оно исчисляется в качестве входа турбины по отношению к радиусу центральной части. Обычно, когда стоит больший номер, то это означает, что турбина будет раскручиваться медленнее. Перед покупкой турбины ее нужно проверить на стенде, который поможет определить ее мощность.

Материалы: http://mashintop.ru/articles.php?id=1195