- Подготовил Андреев Дмитрий,
- студент 190 ТМ группы.
- Руководитель Л.А. Плещёва,
- преподаватель
- Шадринск 2015
- тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина - любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
- Гидравлическая турбина как устройство для преобразования потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращающегося вала известна с глубокой древности. У паровой турбины история столь же долгая, ведь одна из первых конструкций известна под наименованием "турбины Герона" и датируется первым столетием до нашей эры. Однако сразу заметим - вплоть до XIX века турбины, приводимые в движение паром, являлись скорее техническими курьезами, игрушками, чем реальными промышленно применимыми устройствами.
- Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Струя пара, образующегося в котле, вырывается из трубы (сопла), давит на лопасти и раскручивает колесо. Экспериментируя с разными трубками для подачи пара, конструктор пришёл к выводу, что они должны иметь форму конуса. Так появилось применяемое до настоящего времени сопло Лаваля (патент 1889 г.). Это важное открытие изобретатель сделал, скорее, интуитивно; понадобилось ещё несколько десятков лет, чтобы теоретики доказали, что сопло именно такой формы даёт наилучший эффект.
- Заниматься турбинами начал в 1881 г., а уже спустя три года ему выдали патент на собственную конструкцию: Парсонс соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это сразу повысило интерес общества к паровым турбинам. В результате 15-летних изысканий Парсонс создал наиболее совершенную по тем временам реактивную многоступенчатую турбину. Он сделал несколько изобретений, повысивших экономичность этого устройства (доработал конструкцию уплотнений, способы крепления лопаток в колесе, систему регулирования числа оборотов).
- Создал комплексную теорию турбомашин. Он разработал оригинальную многоступенчатую турбину, которая с успехом демонстрировалась на Всемирной выставке, проходившей в столице Франции в 1900 г. Для каждой ступени турбины Рато рассчитал оптимальное падение давления, что обеспечило высокий общий коэффициент полезного действия машины.
- В его машине скорость вращения турбины была ниже, а энергия пара использовалась полнее. Поэтому турбины Кертиса отличались меньшими размерами и более надёжной конструкцией. Одна из главных областей применения паровых турбин - двигательные установки кораблей. Первое судно с паротурбинным двигателем - «Турбиния», - построенное Парсонсом в 1894 г., развивало скорость до 32 узлов (около 59 км/ч).
- Паровая турбина – первичный паровой двигатель с вращательным движением рабочего органа - ротора и непрерывным рабочим процессом; служит для преобразования тепловой энергии пара водяного в механическую работу.
- Схематический продольный разрез активной турбины с тремя ступенями давления: 1 - кольцевая камера свежего пара; 2 - сопла первой ступени; 3 - рабочие лопатки первой ступени; 4 - сопла второй ступени; 5 - рабочие лопатки второй ступени; 6 - сопла третьей ступени; 7 - рабочие лопатки третьей ступени.
- Схематический разрез небольшой реактивной турбины: 1 - кольцевая камера свежего пара; 2 - разгрузочный поршень; 3 - соединительный паропровод; 4 - барабан ротора; 5, 8 - рабочие лопатки; 6, 9 - направляющие лопатки; 7 - корпус
- Двухкорпусная паровая турбина (со снятыми крышками): 1 - корпус высокого давления; 2 - лабиринтовое уплотнение; 3 - колесо Кертиса; 4 - ротор высокого давления; 5 - соединительная муфта; 6 - ротор низкого давления; 7 - корпус низкого давления.
- Паровые машины [Электронный ресурс] - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0 (время обращения 02.09.2015)
Предмет Физика
Класс 8 а класс
Урок по теме «Паровая турбина. Газовая турбина. КПД теплового двигателя. Экологические проблемы использования тепловых машин.
Базовый учебник А.В. Перышкин Физика 8; М.: Дрофа
Цель урока:
Обучающие
обеспечить в ходе урока изучение устройства, принципа действия паровой и реактивной турбины;
сформировать у учащихся понятия КПД теплового двигателя и рассмотреть пути его повышения;
раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации
содействовать умению проводить сравнение КПД реального и идеального теплового двигателя;
показать положительную и отрицательную роль тепловых двигателей в жизни человека.
Развивающие
продолжить развитие умения анализировать, выделять главное в изучаемом материале, сравнивать, систематизировать и делать выводы;
развитие кругозора учащихся и получению ими новых естественнонаучных знаний
Воспитательные
продолжить формирование научного мировоззрения и показать, что в основе познания лежать факты, полученные из опыта, показать бесконечность процесса познания;
Тип урока: Комбинированный
Формы работы учащихся: индивидуальная и коллективная, наблюдения.
Необходимое техническое оборудование: компьютер, проектор
Структура и ход урока
1. Организационный этап.
* проверка наличия учащихся в классе;
* напоминание ТБ работы в кабинете;
* доброжелательный настрой учителя и учащихся;
* организация внимания всех учащихся;
* сообщение темы и задач урока.
2. Этап актуализации опорных знаний:
Фронтальная беседа по вопросам:
1) Какой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания?
2) Из каких основных частей состоит простейший двигатель внутреннего сгорания?
3) Какие физические явления происходят при сгорании горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания?
3. Этап изучения нового материала.
1. Постановка цели урока.
2. Изучение понятий «паровая турбина» «газовая турбина», «КПД теплового двигателя», влияние тепловых двигателей на окружающую среду
ПАРОВАЯ ТУРБИНА
«На предыдущих уроках мы познакомились с двигателем внутреннего сгорания. Сегодня познакомимся еще с одним видом двигателя, в котором пар или газ, нагретый до высокой температуры вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала»
(смотрим слайд 4 «Модель паровой турбины»)
Комментарии к демонстрации:
пар создавая давление на лопасти турбины заставляет ее вращаться вместе с валом, на котором она расположена и поднимать грузик, закрепленный на нити
(смотрим слайд 5 «Паровая турбина»)
Практическое использование этот процесс получил широкое применение в энергетической отрасли
(смотрим слайд 6 «Работа тепловой электростанции») .
Комментарии к слайду.
Принцип действия ТЭЦ:
Турбина — генератор — электрический ток
другие применения паровых турбин:
ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
Пример двигателя, в котором газ нагретый до высокой температуры вращает вал двигателя (смотрим слайд 7 «Реактивный двигатель») :
Комментарии:
При работе турбины ротор компрессора вращается и засасывает воздух через входное сопло . Воздух, пройдя через ряд лопастей компрессора, сжимается, его давление и температура повышаются. Сжатый воздух поступает в камеры сгорания . Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо (керосин, мазут). При горении топлива воздух нагревается до 1500-2200 0 С. Воздух расширяется и скорость его движения увеличивается. Движущиеся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в газовую турбину . Переходя от ступени к ступени они отдают свою кинетическую энергию лопаткам ротора турбины, при этом их температура уменьшается до 550 0 С. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется, например, для вращения винта самолета или ротора электрического генератора. Отработавший воздух вместе с продуктами сгорания при давлении, близком к атмосферному, и со скоростью более 500 м/с выбрасываются через выходное сопло в атмосферу.
Применение в авиации, энергетике и др.
КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ:
Смотрим слайд 8 «КПД тепловых двигателей»
определение КПДСмотрим слайд 9 «Значения КПД различных тепловых двигателей» -
проговариваем типы двигателей и КПД двигателей
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН
способы уменьшения вредного воздействия на окружающую среду:
смотрим интерактивную лекцию «Экологические проблемы использования тепловых машин»
Смотрим слайд 10 «Это интересно...»
Интересный факт!
Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В атмосфере Земли в настоящее время содержится около 2600 млрд. т углекислого газа (около 0,0033 %). До периода бурного развития энергетики и транспорта количество углекислого газа, поглощаемого при фотосинтезе растениями и растворяемого в океане, было равно количеству газа, выделяемого при дыхании и гниении. В последние десятилетия этот баланс все в большей степени стал нарушаться. В настоящее время за счет сжигания угля, нефти и газа в атмосферу Земли ежегодно поступает дополнительно около 20 млрд. т углекислого газа.
Смотрим слайд 11 «Экологические проблемы»
«История развития тепловых двигателей» - Двигатели внешнего сгорания 1.Паровая машина 2.Паровая и газовая турбина. Принцип работы тепловых двигателей. Тепловой двигатель состоит. Вопросы классу. Паровые турбины. Проверь диаграмму. Техническая задача. Способы ликвидации вредных воздействий тепловых двигателей. Заполни диаграмму. Двигатели внутреннего сгорания 1 Карбюраторные, дизельные 2 Реактивные.
«Тепловые насосы» - Тепловой насос сочетается практически с любой циркуляционной теплопроводной системой; НАДЕЖНОСТЬ. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников. Подготовка двойного U-образного зонда для грунтовой скважины. ООО «ПСП Энергия» ООО «Климатек» 2008 г. Отсутствуют выбросы парниковых газов в атмосферу; УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ.
«Изобретатели вечных двигателей» - Далее стекшее вниз масло снова поднимается по фитилям до верхнего сосуда. Масло, поднимающееся по фитилям 11. Магнит и желоба. Масло, поднимающееся по фитилям. 12.Установка инженера Потапова. Идея изобретателя: Идея основана на применении колеса с неуравновешенными грузами. Идея изобретателя: Гидродинамическая тепловая установка Потапова с КПД, превышающим 400%.
«Идеальный тепловой двигатель» - А) i,iv b) ii,iii c) ii,iv d) ii,iv,v e) ii,iii,v. №1: КПД идеальной тепловой машины 20%. А) 270oc B) -3oc C) -93oc D) 180oc E) -40oc. II. Определить количество теплоты отданное холодильнику, если КПД.двигателя 20%. Температура холодильника неизменна. При увеличении количества теплоты, отданного холодильнику.
«Принцип действия теплового двигателя» - Рабочее тело. Тепловые двигатели- машины, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую. Холодильник. История создания тепловых двигателей. Тепловые машины и развитие техники. КПД тепловых двигателей. Нагреватель. Пар. T2 «Тепловые двигатели физика» - КПД теплового двигателя. Содержание. Для всех других циклов. 0. Французский инженер Сади Карно в 1824 г. Чем дышат в челябинске. Машины опаснее, чем заводы. Полезная работа а. Отрицательное воздействие на окружающую среду. Учитель физики МОУ ВСОШ №2 Заикина Н.В. Тепловой двигатель. Только для цикла Карно КПД определяется выражением: Всего в теме
31 презентация «МОУ Средняя общеобразовательная школа №1 с углублённым изучением английского языка» «МОУ Средняя общеобразовательная школа №…» Реферат по теме: «Паровая турбина»
Выполнил: ученик … класса… Проверил: учитель физики … 3-Паровая турбина 3-Классификация 4-Плюсы и минусы 5-Из истории паровой турбины 6-Карл-Густав-Патрик де Лаваль 8- Чарльз Алджернон Парсонс 10- Морские котлотурбинные установки 12-Триумф паротурбинной энергетики 13-Приложение 15-Литература < Электрическая мощность системы зависит от того, на сколько велик перепад давления пара на входе и выходе турбины. Для эффективной работы пар в турбину должен подаваться с высокими давлением и температурой (42 бар/400°С или 63 бар/480°С), (советские конденсационные турбины К-800-240 номинальная мощность 800 МВт, начальное давление 240 бар, 540°С). Такие условия предъявляют повышенные требования к котельному оборудованию, что приводит к прогрессивному росту капитальных расходов и стоимости сопровождения. Преимуществом технологии является возможность использования в котле самого широкого спектра топлив, включая твердые. Однако использование тяжёлых нефтяных фракций и твердого топлива снижает экологические показатели системы, которые определяются составом отходящих из котла продуктов горения. По умолчанию, паровые турбины производят на много больше тепла, чем электричества, в результате имеют место высокие затраты на установленную мощность. Классификация
Конденсационные собственно для производства электроэнергии, вся энергия расходуется на производство электроэнергии, выход пара с турбины в конденсатор производится с минимально возможным давлением и температурой (около 0,03бар, 30°С) для повышения термического КПД. как правило имеют большую мощность (в тепловых станциях до 1200 МВт, в атомных до 1500 МВт), используется только на электростанциях. Маркируются К-800-240, где К - тип турбины (конденсационная) 800 - номинальная мощность, МВт 240 - давление свежего пара, кгс/см2 С противодавлением весь выход пара производится с большим давлением и температурой обусловленные необходимостью, применяют для теплоснабжения и производства, электрическая мощность ограничена тепловой мощностью потребителя тепла. Маркируются Р-100-130/15, где Р - тип турбины (с противодавлением) 15 - противодавление, кгс/см2 Теплофикационные и промышленные совмещают в себе два предыдущих типа: часть пара отбирается для производства или отопления, а часть доходит до конденсатора проходя полный цикл, применяются на теплоэлектроцентралях. Турбины с отопительным отбором маркируются Т-100/120-130, где Т - тип турбины (с отопительным отбором) 100 - номинальная мощность, МВт 120 - максимальная мощность, МВт 130 - давление свежего пара, кгс/см2 Турбины с производственным отбором маркируются П-25/30-90/13, где П - тип турбины (с производственным отбором) 25 - номинальная мощность, МВт 30 - максимальная мощность, МВт 90 - давление свежего пара, кгс/см2 13 - номинальное давление пара в производственном отборе, кгс/см2 Плюсы
работа паровых турбин возможна на различных видах топлива: газообразное, жидкое, твердое высокая единичная мощность свободный выбор теплоносителя широкий диапазон мощностей внушительный ресурс паровых турбин Минусы
высокая инерционность паровых установок (долгое время пуска и останова) дороговизна паровых турбин низкий объем производимого электричества, в соотношении с объемом тепловой энергии дорогостоящий ремонт паровых турбин снижение экологических показателей, в случае использования тяжелых мазутов и твердого топлива Из истории паровой турбины
Девятнадцатый век не зря называли веком пара.С изобретением паровой машины произошел настоящий переворот в промышленности, энергетике, транспорте. Появилась возможность механизировать работы, ранее требовавшие слишком много человеческих рук. Железные дороги резко расширили возможности транспортировки грузов по суше. В море вышли огромные суда, способные двигаться против ветра и гарантировавшие своевременность доставки товаров. Расширение объемов промышленного производства поставило перед энергетикой задачу всемерного повышения мощности двигателей. Однако первоначально вовсе не высокая мощность вызвала к жизни паровую турбину… Гидравлическая турбина как устройство для преобразования потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращающегося вала известна с глубокой древности. У паровой турбины история столь же долгая, ведь одна из первых конструкций известна под наименованием «турбины Герона» и датируется первым столетием до нашей эры. Однако сразу заметим - вплоть до XIX века турбины, приводимые в движение паром, являлись скорее техническими курьезами, игрушками, чем реальными промышленно применимыми устройствами. И только с началом индустриальной революции в Европе, после широкого практического внедрения паровой машины Д. Уатта, изобретатели стали присматриваться к паровой турбине, так сказать, «вплотную». Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Изготовление ее стало возможным только при достаточно высоком уровне технологии работы с металлами, поскольку потребная точность изготовления отдельных частей и прочность элементов были существенно более высокими, чем в случае паровой машины. В отличие от паровой машины, совершающей работу за счет использования потенциальной энергии пара и, в частности, его упругости, паровая турбина использует кинетическую энергию струи пара, преобразуя ее во вращательную энергию вала. Важнейшей особенностью водяного пара является высокая скорость истечения его из одной среды в другую даже при относительно небольшом перепаде давлений. Так, при давлении 5 кгс/м2 струя пара, вытекающая из сосуда в атмосферу, имеет скорость около 450 м/с. В 50-х годах прошлого века было установлено, что для эффективного использования кинетической энергии пара окружная скорость лопаток турбины на периферии должна быть не менее половины скорости обдувающей струи, следовательно, при радиусе лопаток турбины в 1 м необходимо поддерживать частоту вращения около 4300 об/мин. Техника первой половины XIX века не знала подшипников, способных длительно выдерживать такие скорости. Опираясь на собственный практический опыт, Д. Уатт считал столь высокие скорости движения элементов машины недостижимыми в принципе, и в ответ на предупреждение об угрозе, которую могла создать турбина изобретенной им паровой машине, ответил так: «О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?» Однако время шло, техника совершенствовалась, и час практического примения паровой турбины пробил. Впервые примитивные паровые турбины были использованы на лесопилках в восточной части США в 1883-1885 гг. для привода дисковых пил. Пар подводился через ось и далее, расширяясь, направлялся по трубам в радиальном направлении. Каждая из труб заканчивалась изогнутым наконечником. Таким образом, по конструкции описываемое устройство являлось весьма близким к турбине Герона, обладало крайне низким к.п.д., но более подходило для привода высокооборотных пил, нежели паровая машина с ее возвратно-поступательным движением поршня. К тому же для нагрева пара использовалось, по тогдашним понятиям, бросовое топливо - отходы лесопильного производства. Впрочем, эти первые американские паровые турбины широкого распространения не получили. Их влияние на дальнейшую историю техники практически отсутствует. Чего нельзя сказать об изобретениях шведа французского происхождения де Лаваля, имя которого сегодня известно любому двигателисту. Карл-Густав-Патрик де Лаваль
Предки де Лаваля были гугенотами, вынужденно эмигрировавшими в Швецию в конце XVI века из-за преследований на родине. Карл-Густав-Патрик («основным» считалось все же имя Густав) родился в 1845 г. и получил превосходное образование, окончив технологический институт и университет в Упсале. В 1872 г. де Лаваль стал работать в качестве инженера по химической технологии и металлургии, но вскоре заинтересовался проблемой создания эффективного сепаратора для молока. В 1878 г. ему удалось разработать удачный вариант конструкции сепаратора, получивший широкое распространение; вырученные средства Густав использовал для развертывания работ по паровой турбине. Толчок к занятию новым устройством дал именно сепаратор, поскольку он нуждался в механическом приводе, способном обеспечить частоту вращения не менее 6000 об/мин. Для того, чтобы избежать применения всякого рода мультипликаторов, де Лаваль предложил разместить барабан сепаратора на одном валу с простейшей турбиной реактивного типа. В 1883 г. на эту конструкцию был взят английский патент. Затем де Лаваль перешел к разработке одноступенчатой турбины активного типа, и уже в 1889 г. он получил патент на расширяющееся сопло (и сегодня термин «сопло Лаваля» является общеупотребительным), позволяющее уменьшить давление пара и повысить его скорость до сверхзвуковой. Вскоре после этого Густав сумел преодолеть и другие проблемы, возникавшие при изготовлении работоспособной активной турбины. Так, он предложил применить гибкий вал, диск равного сопротивления и выработал способ закрепления лопаток в диске. На международной выставке в Чикаго, проходившей в 1893 г., была представлена небольшая турбина де Лаваля мощностью 5 л.с. с частотой вращения 30 000 об/мин! Огромная скорость вращения являлась важным техническим достижением, но одновременно она стала и ахиллесовой пятой такой турбины, поскольку для практического применения она предполагала включение в состав силовой установки понижающего редуктора. В ту пору редукторы изготавливали, главным образом, одноступенчатыми, поэтому нередко диаметр большой шестерни в несколько раз превосходил размеры самой турбины. Необходимость применения громоздких зубчатых понижающих передач помешала широкому внедрению турбин де Лаваля. Самая большая одноступенчатая турбина мощностью 500 л.с. имела расход пара на уровне 6...7 кг/л.с.·ч. Интересной особенностью творчества Лаваля можно считать его «голый эмпиризм»: он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теорией гибкого вала впоследствии глубоко занимался чешский ученый А. Стодола, он же систематизировал основные вопросы расчета на прочность турбинных дисков равного сопротивления. Именно отсутствие хорошей теории не позволило де Лавалю добиться больших успехов, к тому же он был человеком увлекающимся и легко переключался с одной темы на другую. Пренебрегая финансовой стороной дела, этот талантливый экспериментатор, не успев реализовать очередное изобретение, быстро охладевал к нему, увлекшись новой идеей. Иного рода человеком был англичанин Чарльз Парсонс, сын лорда Росса.
Паровая турбина -
вид парового двигателя, в котором струя пара, действуя на лопатки ротора, вызывает его вращение. В настоящее время паровые турбины применяются вместе с котлами, работающими на органическом топливе или с ядерными реакторами на электростанциях и крупных судах и кораблях. Паровые турбины используются в качестве первичных двигателей промышленных когенерационных установок в течение многих лет. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.>