Номер 4, страница 231 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. Двигатели. Классификации двигателей. Двигатели внешнего сгорания: паровая машина, паровая турбина, двигатель Стирлинга. Двигатели внутреннего сгорания: поршневой двигатель, карбюраторный двигатель, дизельный двигатель. Газотурбинный двигатель. Турбореактивный двигатель. Турбовинтовой двигатель. Реактивные двигатели.

Двигатели. Классификации двигателей.

Двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механическую работу, создавая силу тяги или вращающий момент. Существует множество способов классификации двигателей.
Основной классификацией для тепловых двигателей, которые преобразуют тепловую энергию в механическую, является разделение по месту сжигания топлива:
• Двигатели внешнего сгорания — в этих двигателях процесс сгорания топлива происходит вне рабочего цилиндра или турбины. Тепло, выделяемое при сгорании, передается рабочему телу (например, воде, воздуху, гелию) через стенку теплообменника (например, паровой котел). Рабочее тело, нагреваясь и расширяясь, совершает механическую работу.
• Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — в этих двигателях топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (например, в цилиндре поршневого двигателя или камере сгорания газовой турбины). Образующиеся в результате сгорания горячие газы высокого давления сами являются рабочим телом и, расширяясь, приводят в движение части механизма (поршень или ротор турбины).
Двигатели также можно классифицировать по другим признакам:
По типу преобразования энергии: поршневые (преобразуют поступательное движение поршня во вращательное), турбинные (используют кинетическую энергию потока газа или жидкости для вращения ротора), реактивные (создают тягу за счет отбрасывания массы).
По типу рабочего цикла: двигатели, работающие по циклу Отто, Дизеля, Брайтона, Стирлинга, Ренкина и т.д.
По виду используемого топлива: бензиновые, дизельные, газовые, многотопливные.

Ответ: Двигатель — это устройство для преобразования энергии в механическую работу. Тепловые двигатели классифицируются в первую очередь на двигатели внешнего и внутреннего сгорания, в зависимости от того, где происходит сжигание топлива — снаружи или внутри рабочей камеры.

Двигатели внешнего сгорания: паровая машина, паровая турбина, двигатель Стирлинга.

Это двигатели, у которых источник тепла отделен от рабочего тела, совершающего работу. Это позволяет использовать практически любой источник тепла — от сжигания угля и дров до солнечной энергии и ядерных реакций.

Паровая машина — исторически один из первых тепловых двигателей, поршневой двигатель внешнего сгорания. Принцип работы: в отдельном котле сжигается топливо, нагревая воду до образования пара высокого давления. Этот пар подается в цилиндр, где, расширяясь, толкает поршень. Поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращение вала. Паровые машины имеют низкий КПД и громоздки, поэтому сегодня используются редко, в основном как музейные экспонаты или в некоторых специфических применениях.

Паровая турбина — это роторный двигатель внешнего сгорания. Как и в паровой машине, пар генерируется в отдельном котле. Однако здесь пар не толкает поршень, а под высоким давлением направляется через сопла на лопатки, закрепленные на дисках ротора, заставляя его вращаться с высокой скоростью. Паровые турбины значительно эффективнее, мощнее и компактнее поршневых паровых машин. Они являются основой современной тепловой и атомной энергетики (приводят в движение электрогенераторы) и применяются для привода крупных морских судов.

Двигатель Стирлинга — поршневой или мембранный двигатель внешнего сгорания, работающий по замкнутому термодинамическому циклу. Рабочее тело (обычно газ: воздух, гелий или водород) находится в герметичном объеме и циклически перемещается между горячей и холодной частями двигателя, поочередно нагреваясь и охлаждаясь. Изменение давления газа приводит в движение рабочий поршень. Важной частью является регенератор — теплообменник, который накапливает и отдает тепло, значительно повышая КПД. Двигатели Стирлинга могут работать от любого источника тепла, они очень тихие и экологичные, но сложны в конструкции и материалоемки, что ограничивает их широкое применение.

Ответ: Двигатели внешнего сгорания, такие как паровая машина, паровая турбина и двигатель Стирлинга, используют тепло от внешнего источника для нагрева рабочего тела (пара или газа), которое, расширяясь, совершает механическую работу.

Двигатели внутреннего сгорания: поршневой двигатель, карбюраторный двигатель, дизельный двигатель.

Это класс двигателей, в которых сгорание топлива происходит непосредственно внутри рабочей камеры. Продукты сгорания, расширяясь, создают давление и совершают работу.

Поршневой двигатель — наиболее распространенный тип ДВС. Его основной принцип — преобразование энергии расширяющихся газов в механическую работу посредством поршня, движущегося внутри цилиндра. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Карбюраторные и дизельные двигатели являются разновидностями поршневых ДВС.

Карбюраторный двигатель (или бензиновый двигатель с искровым зажиганием) — поршневой ДВС, работающий по циклу Отто. В нем горючая смесь (пары бензина и воздух) готовится заранее (исторически — в карбюраторе, сейчас — с помощью системы впрыска), поступает в цилиндр, сжимается поршнем и в нужный момент поджигается электрической искрой от свечи зажигания. Происходит быстрое сгорание (взрыв), и расширяющиеся газы толкают поршень. Эти двигатели характеризуются высокой удельной мощностью и относительно небольшим весом. Применяются в легковых автомобилях, мотоциклах, легкой авиации.

Дизельный двигатель — поршневой ДВС, работающий по циклу Дизеля. Его ключевое отличие от карбюраторного — способ воспламенения топлива. В цилиндры засасывается и сильно сжимается (в 16-25 раз) чистый воздух. В результате сильного сжатия воздух нагревается до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива (700-900 °C). В конце такта сжатия в камеру сгорания через форсунку впрыскивается дизельное топливо, которое самовоспламеняется от контакта с горячим воздухом. Дизельные двигатели более экономичны и имеют больший крутящий момент на низких оборотах по сравнению с бензиновыми, но они тяжелее и сложнее в производстве. Применяются на грузовом транспорте, автобусах, локомотивах, судах и в стационарных установках.

Ответ: Двигатели внутреннего сгорания (поршневой, карбюраторный, дизельный) преобразуют химическую энергию топлива в механическую работу путем его сжигания внутри цилиндров, где давление расширяющихся газов толкает поршни. Они различаются, в основном, способом приготовления и воспламенения топливно-воздушной смеси.

Газотурбинный двигатель (ГТД).

Газотурбинный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания непрерывного действия. В отличие от поршневых ДВС, где рабочие процессы (впуск, сжатие, сгорание, выпуск) происходят последовательно в одном и том же месте (цилиндре), в ГТД эти процессы происходят одновременно и непрерывно, но в разных частях двигателя.
Основные компоненты ГТД:
1. Компрессор: засасывает и сжимает атмосферный воздух.
2. Камера сгорания: в сжатый воздух непрерывно впрыскивается и сгорает топливо.
3. Турбина: раскаленные газы высокого давления из камеры сгорания устремляются на лопатки турбины, заставляя ее ротор вращаться с огромной скоростью.
Часть мощности, вырабатываемой турбиной, расходуется на привод компрессора (они находятся на одном валу). Оставшаяся избыточная мощность является полезной работой двигателя и может использоваться для привода электрогенератора, винта корабля или самолета, колес танка или для создания реактивной тяги. ГТД обладают очень высокой удельной мощностью (мощность на единицу массы), компактностью и надежностью. Основные области применения — авиация (в виде турбореактивных и турбовинтовых двигателей), энергетика (газотурбинные электростанции), морской транспорт, газоперекачивающие станции.

Ответ: Газотурбинный двигатель — это роторный двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия сжатого и нагретого в результате сжигания топлива газа преобразуется во вращательную работу вала турбины. Его работа основана на непрерывных процессах сжатия воздуха, сжигания топлива и расширения газов в турбине.

Турбореактивный двигатель (ТРД).

Турбореактивный двигатель — это газотурбинный двигатель, предназначенный для создания реактивной тяги и приведения в движение летательных аппаратов. Он является простейшим по конструкции из воздушно-реактивных двигателей. Принцип его работы полностью основан на работе ГТД, но с одной особенностью: вся полезная работа направлена на создание реактивной струи.
Воздух, поступающий в двигатель, сжимается компрессором, затем в камере сгорания смешивается с топливом и поджигается. Образовавшиеся горячие газы устремляются на турбину. В ТРД турбина сконструирована так, чтобы отобрать у газового потока ровно столько энергии, сколько необходимо для привода компрессора и вспомогательных агрегатов. Оставшаяся значительная энергия газового потока используется для его ускорения в выходном устройстве — реактивном сопле. Истекая из сопла с огромной скоростью, газовая струя, в соответствии с третьим законом Ньютона, создает силу тяги, толкающую самолет вперед. ТРД наиболее эффективны на больших высотах и высоких, в том числе сверхзвуковых, скоростях полета. Из-за высокого уровня шума и большого расхода топлива на малых скоростях они практически вытеснены из гражданской авиации более совершенными двухконтурными двигателями.

Ответ: Турбореактивный двигатель — это тип реактивного двигателя, представляющий собой газовую турбину, мощность которой используется для создания высокоскоростной реактивной струи, толкающей летательный аппарат. Турбина отбирает от потока газов лишь ту энергию, что нужна для привода компрессора.

Турбовинтовой двигатель (ТВД).

Турбовинтовой двигатель — это разновидность газотурбинного двигателя, в которой основная часть (до 90%) мощности турбины используется не для создания реактивной струи, а для вращения воздушного винта.
Конструктивно ТВД состоит из тех же основных элементов, что и ТРД: компрессор, камера сгорания и турбина. Однако турбина здесь имеет большее число ступеней и спроектирована так, чтобы отобрать из потока горячих газов максимальное количество энергии. Эта энергия через редуктор (понижающий частоту вращения) передается на вал большого воздушного винта. Именно воздушный винт, отбрасывая большую массу воздуха с относительно небольшой скоростью, создает основную тягу. Небольшая оставшаяся тяга (около 10%) создается за счет выхлопной струи газов.
ТВД обладают очень высоким КПД и экономичностью на дозвуковых скоростях полета (до 700-800 км/ч). Они значительно экономичнее турбореактивных двигателей на этих режимах. Поэтому они широко применяются на самолетах региональных и военно-транспортных авиалиний, где не требуется высокая скорость, но важна топливная эффективность и возможность работы с коротких взлетно-посадочных полос.

Ответ: Турбовинтовой двигатель — это газотурбинный двигатель, у которого основная часть энергии турбины через редуктор передается на вращение воздушного винта, создающего большую часть тяги. Этот тип двигателя очень эффективен на дозвуковых скоростях.

Реактивные двигатели.

Реактивный двигатель — это двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги (реактивную тягу) путем преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию отбрасываемой им реактивной струи рабочего тела. Работа двигателя основана на третьем законе Ньютона: всякое действие порождает равное и противоположно направленное противодействие. Отбрасывая массу рабочего тела в одном направлении, двигатель испытывает силу тяги в противоположном.
Реактивные двигатели делятся на два больших класса:
1. Воздушно-реактивные двигатели (ВРД): используют для работы кислород из окружающего атмосферного воздуха в качестве окислителя для топлива. Рабочим телом является смесь продуктов сгорания с атмосферным воздухом. К этому классу относятся турбореактивные (ТРД), турбовинтовые (ТВД), двухконтурные турбореактивные (ТРДД, самый распространенный тип в современной авиации), прямоточные (ПВРД) и гиперзвуковые (ГПВРД) двигатели. Они могут работать только в пределах атмосферы.
2. Ракетные двигатели (РД): не используют окружающую среду. Все компоненты топлива (и горючее, и окислитель) находятся на борту летательного аппарата. Это позволяет им работать в безвоздушном пространстве (космосе). Рабочим телом являются только продукты сгорания топлива. Делятся на жидкостные (ЖРД), твердотопливные (РДТТ) и другие.
Таким образом, все рассмотренные выше авиационные двигатели (ТРД, ТВД, ГТД в авиационном применении) являются разновидностями реактивных двигателей, а именно — воздушно-реактивными.

Ответ: Реактивные двигатели создают тягу за счет отбрасывания массы рабочего тела в соответствии с третьим законом Ньютона. Они делятся на воздушно-реактивные, использующие атмосферный кислород (например, турбореактивный), и ракетные, которые несут весь запас компонентов топлива с собой и могут работать в космосе.