Номер 6, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

6. В чём преимущество паровой турбины над поршневым паровым двигателем?

6. Основное преимущество паровой турбины перед поршневым паровым двигателем заключается в принципиально ином способе преобразования энергии пара в механическую работу. Вместо возвратно-поступательного движения поршня в турбине используется непрерывное вращательное движение ротора, что обуславливает ряд ключевых преимуществ:

Более высокий КПД и мощность. Паровые турбины могут работать при значительно более высоких температурах и давлениях пара. Они осуществляют более полное расширение пара, что позволяет достигать КПД до 40-45% (в парогазовых установках свыше 60%), в то время как КПД поршневых паровых машин редко превышает 15-20%. Кроме того, турбины способны развивать огромные мощности (сотни мегаватт) в одном агрегате, что недостижимо для поршневых машин.

Компактность и меньший вес. При равной мощности паровая турбина значительно легче и компактнее поршневого двигателя. В ней отсутствуют массивные движущиеся части, такие как поршни, шатуны и коленчатый вал. Это критически важно для электростанций и крупных судов.

Плавность работы и высокая скорость вращения. Вращательное движение ротора турбины идеально сбалансировано, что обеспечивает плавную работу без вибраций. Это снижает износ и требования к фундаменту. Турбины могут развивать очень высокие скорости вращения (тысячи оборотов в минуту), что позволяет напрямую соединять их с электрогенераторами.

Надежность и простота обслуживания. Отсутствие трущихся поверхностей (как у поршня в цилиндре) и меньшее количество движущихся частей делают турбину более надежной и простой в обслуживании. Смазка требуется только для подшипников вала, и масло не контактирует с рабочим телом (паром), что позволяет использовать конденсат повторно без сложной очистки.

Ответ: Ключевые преимущества паровой турбины над поршневым двигателем — это более высокий КПД, большая удельная мощность (мощность на единицу массы), плавность работы, высокая скорость вращения и повышенная надежность.

7. Газовые турбины — это универсальные тепловые двигатели, которые нашли широкое применение в различных отраслях благодаря своей высокой удельной мощности, компактности и быстрому запуску. Основные сферы их применения:

Авиация. Газовые турбины являются основой практически всех современных авиационных двигателей: турбореактивных, турбовентиляторных (на большинстве пассажирских и транспортных самолетов), турбовинтовых (на региональных и грузовых самолетах) и турбовальных (на вертолетах).

Энергетика. Газотурбинные установки (ГТУ) используются для выработки электроэнергии. Они могут работать как пиковые источники, покрывая резкие скачки потребления, так и в качестве базовой нагрузки в составе высокоэффективных парогазовых установок (ПГУ). В ПГУ горячие выхлопные газы газовой турбины используются для получения пара, который вращает паровую турбину, что значительно повышает общий КПД электростанции. Также они применяются на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) для комбинированной выработки тепла и электроэнергии.

Нефтегазовая промышленность. Газовые турбины используются в качестве механического привода для компрессоров на станциях перекачки газа по магистральным газопроводам и для нагнетания газа в подземные хранилища. Также они приводят в действие насосы на нефтепроводах и служат автономными источниками энергии на буровых платформах и удаленных месторождениях.

Морской транспорт. Благодаря своей компактности и высокой мощности газовые турбины применяются в качестве главных и форсажных двигателей на военных кораблях (фрегатах, эсминцах), а также на скоростных паромах, судах на воздушной подушке и некоторых типах яхт.

Ответ: Газовые турбины применяют в авиации (в качестве реактивных двигателей), в энергетике для производства электроэнергии (на ГТУ и ПГУ), в нефтегазовой отрасли для привода насосов и компрессоров, а также на морском транспорте.

8. Газовая турбина работает по термодинамическому циклу, который в идеальном варианте описывается циклом Брайтона (также известным как цикл Джоуля). Этот цикл состоит из четырех основных процессов, через которые последовательно проходит рабочее тело (воздух, а затем продукты сгорания):

1. Адиабатическое сжатие. Атмосферный воздух засасывается в компрессор, где он сжимается без теплообмена с окружающей средой. В результате сжатия его давление и температура значительно возрастают.

2. Изобарный подвод теплоты. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, куда также подается топливо. Топливо сгорает, выделяя большое количество теплоты. Этот процесс происходит при практически постоянном давлении, но температура рабочего тела (теперь это горячие газы) резко увеличивается.

3. Адиабатическое расширение. Горячие газы высокого давления поступают на лопатки турбины и, расширяясь, заставляют ее ротор вращаться. В процессе расширения давление и температура газов падают. Часть полученной механической работы турбины (около 2/3) затрачивается на привод компрессора, а оставшаяся часть (около 1/3) является полезной работой и передается на привод электрогенератора или другого механизма.

4. Изобарный отвод теплоты. Отработавшие в турбине газы с все еще высокой температурой, но уже при давлении, близком к атмосферному, выбрасываются в окружающую среду. В реальных установках этот процесс соответствует охлаждению рабочего тела до начальной температуры.

Ответ: Газовая турбина работает по термодинамическому циклу Брайтона, который включает в себя адиабатическое сжатие, изобарный подвод теплоты, адиабатическое расширение и изобарный отвод теплоты.