Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Реактивные двигатели. Газотурбинные компрессорные двигатели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт геологии и нефтедобычи

Реферат

На тему: «Двигатели с непрерывны сгоранием топлива. Реактивные двигатели. Газотурбинные компрессорные двигатели»

Выполнила: Васнева Е.П.

Проверил: Дрогалев В.В.

2015г

План

1. Принцип работы поршневых двигателей с принудительным зажиганием

2. Принцип работы дизельных двигателей

3. Принцип работы реактивных двигателей

4. Принцип работы газотурбинных компрессорных двигателей

1. Принцип работы поршневых двигателей с принудительным зажиганием

На большинстве легковых и грузовых автомобилей, а также на некоторых самолетах установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием. По роду топлива эти двигатели разделяют на двигатели жидкого топлива и газовые, по способу заполнения цилиндра свежим зарядом -- на четырёхтактные и двухтактные.

Для превращения жидкого топлива в пары и смешения его с воздухом в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием от искры, используют процесс карбюрации, который заключается в раздроблении жидкого топлива на мелкие капли, интенсивном перемешивании с воздухом и испарении. Прибор, в котором совершается этот процесс, называют карбюратором.

На современных автомобильных и авиационных двигателях используется также непосредственный впрыск бензина с помощью форсунок.

В двигателях, оборудованных системой электронного впрыска топлива, обеспечивается более равномерное распределение топлива по цилиндрам, и вследствие этого они обладают рядом преимуществ по сравнению с карбюраторными по топливной экономичности, динамичности, токсичности отработанных газов.

Рабочий цикл четырёхтактного карбюраторного двигателя. Такт впуска обеспечивает заполнение цилиндра горючей смесью. За этот такт коленчатый вал, вращаясь по часовой стрелке, перемещает поршень 5 от ВМТ до НМТ. При этом открывается клапан, через который в цилиндр, имеющий разрежение, поступает рабочая смесь. В конце хода поршня клапан закрывается. Кулачковый вал газораспределительного механизма толкает штангу, обеспечивая согласованную работу впускных и выпускных клапанов. Воздушный фильтр очищает воздух от пыли.

С возрастанием степени сжатия смеси повышается мощность и экономичность двигателя. Но увеличение степени сжатия сверх меры приведет к преждевременному воспламенению топлива (детонации) и по этой причине -- к снижению мощности и расстройству двигателя.

Такт расширения (рабочий ход) совершается при движении поршня вниз. Перед этим, а именно в конце такта сжатия, рабочая смесь воспламеняется свечой 1, топливо быстро сгорает, вследствие чего давление газов сильно возрастает. Действуя на поршень, газы гонят его к НМТ, приводя во вращение коленчатый вал. Клапаны при этом продолжают оставаться закрытыми.

Такт выпуска. Коленчатый вал продолжая вращаться, начнет перемещать поршень вверх. Выпускной клапан открывается и продукты горения (отработавшие газы) через него выталкиваются поршнем через выпускной трубопровод в атмосферу.

Основным (базовым) компонентом топлив для автомобильных двигателей с зажиганием от искры долгое время был бензин прямой перегонки нефти. Этот продукт ввиду его низких эксплуатационных качеств повсеместно заменяется бензинами каталитического риформинга и крекинга. Кроме них в состав автомобильных бензинов включают алкилаты, продукты изомеризации легких бензиновых фракций, бензиновые фракции висбрекинга, термического крекинга и коксования, рафинаты от экстракционного выделения бензола и толуола, гидрооблагороженные пиролизные бензины, бутан, бутан-бутиленовую фракцию. Для улучшения свойств и увеличения ресурсов в состав автомобильных бензинов во всё возрастающих количествах вводят кислородсодержащие соединения -- метиловый и вторичный бутиловый спирты, метилтретичнобутиловый и метилтретичноамиловый эфиры (МТБЭ и МТАЭ).

В качестве топлива для автомобильных карбюраторных двигателей в последнее время применяют сжатый или сжиженный природный газ, сжиженную пропан-бутановую смесь.

В качестве базовых компонентов авиационных бензинов используют бензины каталитического крекинга, в некоторых случаях -- катализаты риформинга. Для улучшения эксплуатационных свойств добавляют алкилат, толуол, антидетонационные и антиокислительные присадки.

Эксплуатационные характеристики бензинов должны обеспечивать нормальную работу двигателей в различных режимах. Основными показателями качества автомобильных топлив являются детонационная стойкость, фракционный состав, химическая и физическая стабильность, содержание серы. Авиационные бензины, помимо этого, характеризуются температурой кристаллизации, содержанием смолистых веществ, теплотой сгорания. поршневой реактивный газотурбинный двигатель

В поршневых авиационных и автомобильных двигателях в качестве топлива применяются бензины, а в тракторных - керосины. Важнейшее эксплуатационное требование к этим видам моторных топлив - обеспечение нормального бездетонационного сгорания в двигателях, для которых эти топлива предназначены.

2. Принцип работы дизельных двигателей

В настоящее время на автомобильном, железнодорожном, морском транспорте, на электростанциях, в сельском хозяйстве (тракторы), в военном деле большое распространение получили двигатели Дизеля -- дизельные двигатели. Они являются разновидностью двигателей внутреннего сгорания.

В дизельных двигателях тепловая энергия преобразуется в механическую посредством передачи на поршень работы расширения газообразных продуктов сгорания топлива с участием кислорода воздуха. На коленчатом валу двигателя поступательно-вращательное движение поршня преобразуется при помощи кривошипно-шатунного механизма во вращательное. Создаваемый коленчатым валом крутящий момент совершает полезную работу, преодолевая сопротивление внешней нагрузки. Рабочий цикл складывается из процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя.

В дизельных двигателях, в отличие от карбюраторных, в камере сгорания впрыскиваемое жидкое топливо самовоспламеняется вследствие достаточно высокой температуры в конце предшествующего цикла сжатия. Дизельные двигатели классифицируют по средней скорости хода поршня. К тихоходным относятся двигатели со средней скоростью поршня менее 6,5 м/сек, к быстроходным -- более 6,5 м/сек. Мощность современных дизельных двигателей может превышать 10 000 л/с. Известны серийные судовые двигатели, у которых цилиндровая мощность достигает 2000-2500 л. с. Наименьшая встречающаяся цилиндровая мощность 2-5 л. с.

Наиболее мощные дизельные двигатели характеризуются большими габаритами и низким числом оборотов (до 100 об/мин). Маломощные двигатели наиболее высокооборотные (до 3000 об/мин). В современных дизельных двигателях степень сжатия находится в пределах 12-20. Средний расход топлива составляет 160-200 г/(л.с.ч). Дизельные двигатели отличаются высоким моторесурсом.

Дизельные топлива подразделяются в зависимости от скорости, развиваемой двигателем: для скорости с числом оборотов колеса более 1000 в минуту, то есть для быстроходных двигателей применяют керосиногазойлевые фракции, при числе оборотов колеса от 600 до 1000 в минуту применяются соляровые фракции, менее 600 оборотов коле-са в минуту применяется мазут.

К числу основных свойств, определяющих качество сгорания дизельных топлив, относятся: температура самовоспламенения и индукционный период самовоспламенения; фракционный состав; вязкость, температуры застывания и помутнения; коррозионная активность; пожароопасность; фильтруемость.

3. Принцип работы реактивных двигателей

В современной авиации на смену поршневым карбюраторным двигателям пришли реактивные двигатели, которые позволили существенно увеличить мощность и скорость, снизить вес летательных аппаратов, создать самолёты огромной грузоподъёмности и дальности.

В авиации применяют воздушно-реактивные двигатели (ВРД), в которых в качестве окислителя для топлива используется кислород набегающего потока атмосферного воздуха.

Воздушно-реактивные авиационные двигатели делятся на две большие группы: бескомпрессорные и компрессорные. В бескомпрессорных двигателях воздух, входящий в зону горения, сжимается исключительно за счет скоростного напора набегающего потока воздуха при полете. Взлет и разгон летательного аппарата с таким двигателем возможны при условии применения специальных устройств.

Современная транспортная авиация работает на газотурбинных компрессорных двигателях. Они делятся на турбореактивные (ТРД) и турбовинтовые (ТВД). Турбореактивные двигатели могут быть с осевыми и центробежными компрессорами .

Воздух из окружающего пространства, забираемый и сжимаемый до заданного давления компрессором, непрерывным потоком направляется в камеру сгорания, куда через форсунки подается распыленное топливо. Газы, представляющие собой нагретый избыточный воздух в смеси с продуктами сгорания топлива, приводят во вращение турбину, являющуюся силовым приводом компрессора, и в случае двигателя с осевым компрессором поступают в форсажную камеру. В форсажной камере дожигается дополнительно подаваемое количество топлива, что позволяет достигнуть кратковременного увеличения тяги двигателя.

Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором форсажной камеры не имеет. Из турбины газы проходят реактивное сопло, а затем, расширяясь, с большой скоростью истекают в атмосферу. Энергия рабочих газов, приобретенная в процессе сжатия воздуха и последующего подвода тепла из камер сгорания, частично затрачивается на вращение турбины и увеличение скорости струи газов, выходящих из реактивного сопла. Тяга создается за счет приращения скорости газов, истекающих из двигателя.

Разновидностью турбореактивных двигателей являются турбовинтовые двигатели (ТВД), отличающиеся тем, что кроме компрессора и обслуживающих, в том числе топливных агрегатов, турбина приводит во вращение через редуктор воздушный винт. У турбовинтового двигателя

тяга в основном создаётся воздушным винтом и лишь частично газами, истекающими через реактивное сопло в атмосферу. Тяга, создаваемая винтом, превышает в 7-10 раз тягу, создаваемую непосредственно истекающими газами.

Теоретические основы реактивной техники были заложены К.Э. Циолковским в конце XIX и им же было предложено применять в качестве топлива смесь нефтяных углеводородов с жидким кислородом. В настоящее время в качестве реактивных топлив применяются керосиновые фракции нефти, а окислителем служит кислород воздуха, что и лимитирует высоту полёта не выше 20 км.

Процесс сгорания топлива в реактивных двигателях происходит в газовоздушном потоке в камерах сгорания. Воздух в большом избытке подается компрессором, который работает от газовой турбины. Скорость потока воздуха достигает 40-60 м/сек. Часть воздуха подается в зону горения, а другая большая часть расходуется для охлаждения продуктов сгорания примерно до 900 °С перед лопатками газовой турбины. Топливо, так же как и в дизелях, впрыскивается в сжатый воздух, но поджигается электрической искрой. Особенностью рабочего процесса воздушного реактивного двигателя является непрерывность как подачи воздуха и топлива, так и сгорания топлива и образования струи горячих газов, т. е. протекание всех стадий процесса в едином потоке. Условно этот поток можно разбить на три зоны:

1) смесеобразования

2) горения

3) смешения продуктов сгорания с охлаждающим воздухом, где происходит и окончательное догорание топлива.

Продукты сгорания вместе с воздухом из зоны дожигания проходят через газовую турбину, отдавая ей часть своей кинетической энергии. Газовая турбина передает эту энергию воздушному компрессору. Затем отработанные горячие газы выбрасываются через сопло, чем и создается реактивная тяга, обеспечивающая высокие скорости полета. В современных форсированных ТРД газ после турбины попадает в форсажную камеру. В эту камеру впрыскивается дополнительное количество топлива. В результате сгорания этого добавочного топлива в выходное сопло газ поступает с более высокой температурой и с большей скоростью. Это увеличивает силу тяги. Сгорание испаренного в воздухе топлива происходит в результате распространения фронта пламени. Однако значительная часть топлива сгорает и за счёт самовоспламенения, причем чем больше эта часть, тем выше будет эффективность, т. е. полнота и скорость сгорания. Поэтому топлива с низкой температурой самовоспламенения и малым периодом задержки самовоспламенения лучше обеспечивают процесс сгорания в реактивных двигателях, чем топлива с низкими цетановыми числами.

Таким образом, в реактивных двигателях химическая энергия топлива превращается в тепловую, а затем в кинетическую энергию газов, истекающих из реактивного сопла. В современных ТВД на создание тяговой работы расходуется 15-30 % тепла, получаемого при сгорании топлива.

К реактивным топливам предъявляются следующие основные требования:

оно должно полностью испаряться, легко воспламеняться и быстро сгорать в двигателе без срыва и проскока пламени, не образуя паровых пробок в системе питания, нагара и других отложений в двигателе;

объёмная теплота сгорания его должна быть возможно высокой;

оно должно легко прокачиваться по системе питания при любой и экстремальной температуре его эксплуатации;

топливо и продукты его сгорания не должны вызывать коррозии деталей двигателя;

--оно должно быть стабильным и менее пожароопасным при хранении и применении.

4. Принцип работы газотурбинных компрессорных двигателей

Газотурбинные двигатели (ГТД) обладают рядом таких преимуществ перед поршневыми, как малые габариты и меньшая масса на единицу мощности, быстрый запуск и простота управления, малая потребность в охлаждающей воде, высокая надежность, возможность работать на дешевых нефтяных топливах, а также на топливах любого вида (газообразном, жидком и даже пылевидном твёрдом). Эти достоинства ГТД обусловили достаточно широкое их использование в различных отраслях народного хозяйства, преимущественно в энергетике (на стационарных и передвижных электрических станциях, газо- и нефтеперекачивающих станциях) и некоторых видах транспорта: речных и морских судах, железонодорожных локомотивах. Главный недостаток ГТД -- сравнительно низкий КПД: 24-27 % против 40 % у дизеля. КПД стационарных ГТД можно повысить, если использовать отработавшие газы для отопления или горячего водоснабжения.

Газотурбинные установки, как правило, работают на жидком углеводородном топливе утяжеленного фракционного состава, полученном при различных процессах переработки нефти. Применение таких дешёвых топлив позволяет снизить стоимость энергии, получаемой на ГТД, даже при повышенном расходе топлива.

К газотурбинным топливам предъявляются значительно менее жесткие требования к качеству по сравнению с реактивными топливами. Наиболее важное эксплуатационное требование к их качеству -- низкое содержание в них ванадия, натрия и калия, вызывающих коррозию домен и лопаток газовых турбин. Исследованиями было установлено, что топлива с низким содержанием коррозионно-активных металлов получаются на базе дистиллятных фракций прямой перегонки глубоко-обессоленной нефти термического и каталитического крекинга и коксования с температурой конца кипения до 480 °С.

Размещено на Allbest.ru