Страница 94 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Какие превращения энергии происходят в паровой турбине?

1. В паровой турбине происходит сложный процесс преобразования энергии, который можно описать как цепь последовательных превращений. Основная задача паровой турбины — преобразовать тепловую энергию водяного пара в механическую работу.

Сначала в паровом котле вода нагревается, превращаясь в пар высокой температуры и высокого давления. Этот пар обладает значительной внутренней энергией. Именно эта энергия является исходной для всего процесса.

Далее пар поступает в турбину, где проходит через специальные каналы — сопла. В соплах происходит процесс расширения пара: его давление и температура уменьшаются, но при этом резко возрастает скорость потока. На этом этапе внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения (струи).

Затем высокоскоростная струя пара воздействует на лопатки, закрепленные на вращающемся валу (роторе) турбины. Сила давления пара заставляет лопатки, а вместе с ними и весь ротор, вращаться. Таким образом, кинетическая энергия струи пара преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины. Эту механическую энергию уже можно использовать для привода различных механизмов, чаще всего — электрогенератора для производства электричества.

Обобщая, можно представить всю цепочку преобразований энергии в виде схемы:

Внутренняя (тепловая) энергия пара → Кинетическая энергия струи пара → Механическая энергия вращения ротора.

Ответ: В паровой турбине внутренняя энергия нагретого и сжатого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара, а та, в свою очередь, — в механическую энергию вращения вала турбины.

2. В чём различие в устройстве турбин и поршневых машин?

Турбины и поршневые машины являются тепловыми двигателями, преобразующими энергию рабочего тела (газа, пара или жидкости) в механическую работу, однако их устройство и принцип действия кардинально различаются.

Устройство и принцип действия турбины

Турбина — это лопаточная машина, в которой преобразование энергии происходит за счёт непрерывного потока рабочего тела. Её основными элементами являются:

Ротор — вращающаяся часть, представляющая собой вал с закреплёнными на нём дисками и рабочими лопатками.
Статор — неподвижный корпус, внутри которого находится ротор. В статоре размещаются сопловые аппараты, которые формируют и направляют поток рабочего тела на лопатки ротора.

Принцип действия турбины основан на непрерывном процессе. Рабочее тело (например, горячий пар или газ под высоким давлением) поступает в турбину и проходит через сопла статора. В соплах потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую — поток ускоряется. Затем этот высокоскоростной поток воздействует на рабочие лопатки ротора, передавая им свою энергию и заставляя ротор вращаться. Таким образом, энергия потока напрямую преобразуется во вращательное движение.

Устройство и принцип действия поршневой машины

Поршневая машина — это машина объёмного действия, в которой преобразование энергии происходит циклически. Её ключевые элементы:

Цилиндр — полость, в которой движется поршень.
Поршень — подвижная деталь, воспринимающая давление рабочего тела.
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) — состоит из шатуна и коленчатого вала и служит для преобразования одного вида движения в другой.

Принцип действия поршневой машины (например, двигателя внутреннего сгорания) основан на периодически повторяющихся циклах (тактах). В рабочем такте расширяющиеся газы давят на поршень и заставляют его двигаться внутри цилиндра. Это возвратно-поступательное движение поршня через шатун передаётся на коленчатый вал, который преобразует его во вращательное движение. Процесс является прерывистым (циклическим).

Ключевые различия

1. Тип движения рабочих органов: В турбине основной рабочий орган (ротор с лопатками) совершает исключительно вращательное движение. В поршневой машине поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое затем преобразуется во вращательное с помощью КШМ.
2. Характер рабочего процесса: В турбине рабочий процесс непрерывный — поток рабочего тела постоянно проходит через лопаточный аппарат. В поршневой машине процесс циклический (прерывистый), состоящий из отдельных тактов (например, впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск).
3. Балансировка и вибрации: Турбины, как чисто вращательные машины, хорошо уравновешены и создают минимальные вибрации. Поршневые машины из-за наличия движущихся с переменным ускорением масс (поршень, шатун) подвержены значительным инерционным силам и вибрациям.
4. Рабочие параметры: Турбины обычно работают на очень высоких скоростях вращения (тысячи и десятки тысяч об/мин) и развивают большую мощность при сравнительно компактных размерах. Поршневые машины, как правило, работают на более низких скоростях.

Ответ: Основное различие в устройстве турбин и поршневых машин заключается в способе преобразования энергии рабочего тела в механическую работу. В турбине энергия непрерывного потока жидкости или газа напрямую преобразуется во вращательное движение ротора с лопатками. В поршневой машине энергия рабочего тела, заключенного в цилиндре, сначала создает возвратно-поступательное движение поршня, и лишь затем это движение с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение вала.

3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?

2. В чём различие в устройстве турбин и поршневых машин?

Основное различие между турбинами и поршневыми машинами заключается в принципе преобразования энергии рабочего тела (пара, газа) в механическую работу и, как следствие, в их конструкции.

Поршневая машина (например, двигатель внутреннего сгорания или паровая машина) работает циклически. Давление рабочего тела толкает поршень, который совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Это движение затем преобразуется во вращательное движение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма. Основные элементы: цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал. Движение прерывистое и сопровождается значительными силами инерции и вибрациями.

Турбина — это двигатель непрерывного действия. В ней энергия непрерывного потока рабочего тела (пара, газа, воды) напрямую преобразуется во вращательное движение. Поток направляется через сопла на лопатки, закрепленные на диске ротора, и заставляет ротор вращаться. Основные элементы: ротор (вал с дисками и рабочими лопатками) и статор (неподвижный корпус с направляющими аппаратами/соплами). Движение изначально вращательное, что обеспечивает плавность работы, отсутствие вибраций, высокую частоту вращения и большую удельную мощность (мощность на единицу массы).

Таким образом, поршневая машина использует энергию расширения газа для создания возвратно-поступательного движения, а турбина — кинетическую и потенциальную энергию потока для создания непрерывного вращательного движения.

Ответ: Ключевое различие состоит в характере движения: в поршневых машинах энергия рабочего тела преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, которое затем преобразуется во вращение, в то время как в турбинах энергия потока напрямую преобразуется в непрерывное вращательное движение ротора. Это делает турбины более компактными, мощными и плавно работающими при высоких скоростях.

3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?

Паровая турбина — это тепловой двигатель, преобразующий тепловую энергию водяного пара в механическую работу вращения вала. Она состоит из двух основных частей: стационарной (статор) и вращающейся (ротор).

Основные части паровой турбины:

• Ротор — вращающаяся часть, представляющая собой вал с насаженными на него дисками.
• Рабочие лопатки — профилированные лопасти, закрепленные по окружности дисков ротора. Именно они воспринимают энергию потока пара.
• Статор (корпус) — неподвижный герметичный кожух, внутри которого вращается ротор.
• Сопловой (направляющий) аппарат — система неподвижных каналов или лопаток, закрепленных на статоре. Их задача — направить поток пара под нужным углом и с необходимой скоростью на рабочие лопатки ротора.
• Подшипники — опоры, на которых вращается ротор.
• Уплотнения — системы, предотвращающие утечку пара из корпуса турбины в местах выхода вала.

Принцип работы паровой турбины:

1. В паровом котле (например, на ТЭС или в реакторе АЭС) вода нагревается до образования пара высокой температуры и высокого давления.
2. Этот перегретый пар по паропроводам подается в турбину и поступает в сопловой аппарат.
3. В соплах потенциальная энергия пара (давление) преобразуется в кинетическую энергию — пар расширяется, его давление падает, а скорость потока резко возрастает.
4. Высокоскоростная струя пара ударяет в рабочие лопатки ротора, передавая им свою кинетическую энергию и заставляя ротор вращаться с высокой скоростью.
5. Вал ротора соединен с потребителем механической энергии, чаще всего с электрогенератором, который преобразует механическую энергию вращения в электрическую.
6. Для максимального использования энергии пара современные турбины делают многоступенчатыми. Пар последовательно проходит через несколько рядов сопловых аппаратов и рабочих лопаток, постепенно отдавая свою энергию. При этом его давление и температура падают, а объем увеличивается, поэтому размеры лопаток и корпуса на последующих ступенях увеличиваются.

Ответ: Паровая турбина состоит из неподвижного статора с соплами и вращающегося ротора с рабочими лопатками. Принцип её работы заключается в преобразовании тепловой энергии пара в кинетическую энергию струи в соплах, которая, воздействуя на лопатки, приводит ротор во вращение, создавая механическую работу.

4. Где используются паровые турбины?

Паровые турбины являются одними из самых мощных и широко распространенных тепловых двигателей. Их основное применение связано с производством электроэнергии и приводом мощных механизмов. Основные сферы использования:

• Тепловые (ТЭС) и атомные (АЭС) электростанции. Это главная область применения. Паровые турбины вращают валы электрогенераторов, вырабатывающих более 80% всей электроэнергии в мире. На ТЭС пар получают за счет сжигания ископаемого топлива (угля, газа, мазута), на АЭС — за счет тепла, выделяемого при ядерной реакции.
• Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Здесь турбины используются для комбинированного производства электроэнергии и тепла (когенерации). Часть пара после прохождения через турбину отбирается для нужд теплоснабжения (отопление городов) или для промышленных технологических процессов.
• Морской транспорт. Мощные паровые турбины применяются в качестве главных двигателей на крупных судах: атомных ледоколах, авианосцах, подводных лодках, а также на некоторых больших танкерах (особенно для перевозки сжиженного газа).
• Промышленность. Паровые турбины используются в качестве привода для мощных насосов, компрессоров и воздуходувок на металлургических, химических, нефтеперерабатывающих и целлюлозно-бумажных предприятиях.
• Солнечные тепловые электростанции. В установках концентрирующего типа солнечное излучение используется для нагрева теплоносителя, который, в свою очередь, генерирует пар для вращения турбины.

Ответ: Паровые турбины преимущественно используются на тепловых и атомных электростанциях для выработки электроэнергии, в системах централизованного теплоснабжения (ТЭЦ), в качестве двигателей на крупных морских судах и для привода мощного промышленного оборудования (насосов, компрессоров).

4. Где используются паровые турбины?

Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?

Паровая турбина — это тепловой двигатель, который преобразует потенциальную энергию сжатого и нагретого водяного пара в кинетическую энергию, а затем в механическую работу в виде вращения вала. Она состоит из двух основных частей: неподвижной (статор) и вращающейся (ротор).

Ключевые компоненты паровой турбины:

• Статор — неподвижная часть, которая включает в себя прочный герметичный корпус и закрепленные внутри него сопловые аппараты (или направляющие лопатки).
• Ротор — вращающаяся часть, представляющая собой вал, на котором установлены диски с рабочими лопатками.
• Сопла (в статоре) — это каналы специальной формы, в которых происходит расширение пара. При этом его внутренняя энергия (давление и температура) преобразуется в кинетическую энергию (высокую скорость потока).
• Рабочие лопатки (на роторе) — это изогнутые лопасти, на которые направляется поток пара из сопел. Пар, ударяясь о лопатки, передает им свою кинетическую энергию, заставляя ротор вращаться.
• Подшипники — опоры, которые поддерживают ротор и обеспечивают его свободное вращение с минимальным трением.
• Система уплотнений — предотвращает утечку пара из корпуса турбины в окружающую среду.

Принцип работы турбины следующий:

1. В паровом котле вода нагревается до кипения и превращается в пар с очень высоким давлением и температурой.
2. Этот перегретый пар по паропроводам поступает в турбину и направляется в сопла первой ступени.
3. В соплах пар расширяется, его давление падает, а скорость потока многократно возрастает.
4. Струя пара с огромной скоростью ударяет в рабочие лопатки ротора, приводя его во вращение.
5. Для эффективного использования энергии пара турбины делают многоступенчатыми. Это означает, что пар последовательно проходит через несколько рядов сопел (статор) и рабочих лопаток (ротор). На каждой ступени он расширяется, отдает часть своей энергии и движется дальше. При этом по мере расширения объем пара увеличивается, поэтому лопатки последующих ступеней делают длиннее.
6. Пройдя последнюю ступень, отработавший пар с низким давлением поступает в конденсатор, где охлаждается и превращается обратно в воду, которая затем насосом подается в котел. Этот процесс замыкает цикл.

Ответ: Паровая турбина состоит из статора (неподвижная часть с соплами) и ротора (вращающаяся часть с рабочими лопатками). Её работа основана на преобразовании тепловой энергии пара в кинетическую энергию в соплах, которая затем передается рабочим лопаткам, вызывая вращение ротора.

Где используются паровые турбины?

Паровые турбины — одни из самых мощных и распространенных тепловых двигателей. Их основная сфера применения — производство электроэнергии, но они также используются в промышленности и на транспорте.

• Электроэнергетика. Это главная область применения. Паровые турбины вращают валы электрических генераторов на:
  • Тепловых электростанциях (ТЭС), сжигающих ископаемое топливо (уголь, природный газ, мазут).
  • Атомных электростанциях (АЭС), где тепло для генерации пара получают в результате ядерной реакции.
  • Теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), которые кроме электроэнергии производят тепло (в виде горячей воды или пара) для отопления городов и технологических нужд предприятий (когенерация).
  • Геотермальных и солнечных (концентрирующего типа) электростанциях.
• Промышленность. Турбины используются как привод для различного оборудования большой мощности:
  • Центробежных насосов (например, питательных насосов на электростанциях).
  • Компрессоров и воздуходувок в металлургии, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
• Морской транспорт. Паротурбинные установки применяются в качестве силовых установок на крупных судах, требующих большой мощности и автономности:
  • Атомные подводные лодки, авианосцы и ледоколы.
  • Крупнотоннажные танкеры и газовозы (хотя сейчас их активно вытесняют дизельные двигатели).

Ответ: Паровые турбины в основном используются на электростанциях (тепловых, атомных, ТЭЦ) для выработки электроэнергии. Также они применяются в качестве привода для мощных промышленных насосов и компрессоров, и как двигатели на крупных морских судах, в частности на атомном флоте.