Машина, преобразующая теплоту в работу, называется тепловым, двигателем. Еще в прошлом веке в технике почти безраздельно господствовала паровая машина — поршневой тепловой двигатель, работавший на водяном паре. Паровые машины приводили в движение станки на фабриках и заводах, являлись основным двигателем на паровозах и пароходах, с появлением электрогенераторов служили для них приводом. Сегодня разнообразие тепловых двигателей, используемых в технике, очень велико в соответствии с функциями, которые они должны выполнять. Их можно разделить на два больших класса — стационарные и транспортные.
Современная стационарная энергетика, задачей которой является производство электроэнергии, базируется практически исключительно на установках с паровыми турбинами. В очень небольшом масштабе на так называемых пиковых электростанциях используются газовые турбины. В качестве топлива для электростанций сегодня используются все виды органического топлива (уголь, газ, мазут), ядерное топливо, а в отдельных случаях и возобновляемые источники тепла (геотермальная энергия, Солнце). Часто тепловым двигателем на электростанции называют собственно паровую турбину. Но более правильно считать тепловым двигателем всю паросиловую установку, включающую турбину лишь как один из элементов.
Паросиловая установка, упрощенная схема которой изображена на рис. 4.4, включает котел 1, паровую турбину 2, конденсатор 3 и насос 4. По такой же схеме работают и современные атомные электростанции, на которых роль котла выполняет ядерный реактор; он передает теплоту воде и пару либо непосредственно, либо через промежуточный теплоноситель. Рабочим телом в паросиловой установке обычно служит вода, хотя делаются попытки применять и другие вещества, например, низкокипящие — фреоны, аммиак, углекислоту или высококипящие — ртуть, калий. Каким бы ни было рабочее вещество, общим для всех паросиловых установок является то, что они работают по так называемому циклу Ренкина, т. е. по циклу, в котором рабочее тепло при высоких температурах является паром и в виде пара совершает работу в турбинах, а при низких температурах — жидкостью. Поскольку жидкость практически несжимаема, то насос 4, служащий для подъема давления и циркуляции рабочего тела, потребляет относительно очень мало работы, что является большим преимуществом цикла Ренкина.
Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, термический к. п. д. цикла, преобразующего теплоту в работу, тем выше, чем выше температура, при которой подводится теплота Q1, и чем ниже температура, при которой отводится теплота Q2. В современных паротурбинных установках, применяемых на электростанциях, наивысшая температура водяного пара, которую он приобретает в котле, составляет около 830 К. Эта температура существенно ниже, чем температура продуктов сгорания в топке котла. Однако дальнейшее повышение начальной температуры пара требует применения более дорогих качественных сталей, усложняет конструкцию турбины, делает всю установку более дорогой и менее надежной. Этот пример вновь иллюстрирует то положение, что любая установка должна оптимизироваться не по к. п. д., а по технико-экономическим показателям.
Рис. 4.4. Упрощенная схема паросиловой установки.
Пар, поступающий в турбину, имеет обычно высокое давление. В Советском Союзе для крупных паротурбинных установок начальное давление принимается либо 16, либо 24 МПа. В турбине пар расширяется, за счет чего паровая струя приобретает большую кинетическую энергию. Эта энергия при прохождении пара по криволинейным каналам, образованным рабочими лопатками турбины, превращается в энергию вращения ротора турбины. Пар в турбине расширяется до температуры около 300 К и давления около 4 кПа. Сама турбина является достаточно совершенной машиной. В ней превращается и повышает его давление. Сжатый воздух подается в камеру сгорания 2, куда топливным насосом 4 подается жидкое топливо (в авиационных двигателях чаще всего керосин). Продукты сгорания с высоким давлением и температурой (1100—1200 К) поступают в газовую турбину 3, где, расширяясь, совершают работу, частично затрачиваемую на привод компрессора — Lк, а частично отдаваемую во вне — L, например на вращение воздушного винта. После турбины продукты сгорания выбрасываются в атмосферу с давлением, близким к атмосферному. По той же схеме, но несколько усложненной, работают газовые турбины упомянутых выше пиковых электростанций.
Рис. 4.5. Упрощенная схема газотурбинной установки.
В турбореактивных авиационных двигателях, в отличие от турбовинтовых, работа L во вне не отдается; в турбине расширение осуществляется до некоторого промежуточного давления, с которым продукты сгорания направляются в реактивное сопло. Расширяясь в сопле до давления, близкого к атмосферному, и покидая сопло с большой скоростью, продукты сгорания создают реактивную тягу, толкающую самолет.
Термический к. п. д. простейшего цикла Брайтона определяется формулой
(4-11)
где ε — представляет собой отношение давления на выходе из компрессора к давлению на входе; k — так называемый показатель адиабаты — характеристика, зависящая от свойств рабочего газа и составляющая в случае воздуха 1,4.
В авиационных двигателях е составляет 10—12, откуда при k=1,4; ηt=49-51 %.
Автомобильные двигатели также являются тепловыми двигателями, однако поршневого типа.
