§ 28. Паровые и газовые турбины. Турбореактивные двигатели и реактивные двигатели ракет

Определения и обозначения

Турбина — двигатель, в котором поток пара или газа вращает рабочее колесо с лопатками. Поток передаёт лопаткам энергию, поэтому колесо и соединённый с ним вал начинают вращаться. Турбина нужна там, где требуется получить вращение для генератора или другой машины.

Паровая турбина — турбина, приводимая в движение струёй пара, образованного при нагревании воды. Пар под давлением направляют на лопатки, и его энергия превращается во вращение колеса. Такая турбина может приводить генераторы на электростанциях.

Газовая турбина — двигатель, в котором горячие газы после сгорания топлива вращают турбинное колесо. Для получения этих газов топливо сжигают в воздухе, а поток направляют на лопатки. Газовая турбина позволяет получать вращение без отдельного парового котла.

Турбореактивный двигатель и реактивный двигатель ракеты создают тягу выбросом газов; первый использует атмосферный воздух, а второй несёт запас окислителя. Окислитель — вещество, которое обеспечивает сгорание топлива. Различие важно, чтобы понять, почему самолётному двигателю нужен воздух вокруг, а ракетный может работать в космосе.

Как это устроено

Энергия топлива сначала становится внутренней энергией рабочего тела — пара или горячих газов. При сгорании топлива или нагревании воды частицы получают больше энергии, а поток приобретает способность совершать работу. Когда поток действует на лопатки, часть его энергии переходит в механическую энергию вращения турбины.

В паровой турбине воду нагревают в котле, получая пар под давлением. Сопла направляют пар на лопатки: струя воздействует на них, потому что меняет направление и скорость при прохождении через колесо. Колесо вращает вал, а вал передаёт механическую энергию генератору или другой машине.

В газовой турбине компрессор сначала сжимает воздух, чтобы в заданном объёме оказалось больше воздуха и кислорода для горения. В камере сгорания к нему подают топливо, которое воспламеняется и нагревает газовую смесь. Расширяющиеся горячие газы проходят через лопатки турбинного колеса и вращают его; часть вращения может приводить компрессор.

Турбореактивный двигатель устроен так, чтобы не только вращать вал, но и разгонять струю газов назад. Компрессор сжимает воздух, топливо сгорает в камере, а горячие газы вращают турбину, соединённую с компрессором. После турбины газы всё ещё обладают энергией и выходят через сопло с большой скоростью, создавая тягу вперёд.

Ракетный двигатель не может полагаться на атмосферный кислород, поэтому запас окислителя находится на борту вместе с топливом. При их взаимодействии образуются горячие продукты сгорания, которые расширяются и выходят через сопло назад. Из-за выброса газов ракета получает импульс в противоположную сторону, поэтому двигатель работает и там, где нет воздуха.

Сравнение турбинных и реактивных двигателей

Таблица помогает сравнить не только рабочие тела, но и результат работы двигателя: вращение вала или тягу. Чтобы отличить газовую турбину от турбореактивного двигателя, смотрите на назначение и наличие сопла, создающего скоростную струю. Указание «обычно» учитывает, что конкретные установки могут сочетать несколько способов использования энергии.

Разбор задач

Задача 1. КПД паровой турбины

Паровая турбина получила от пара 2,4 МДж энергии и совершила полезную работу 0,72 МДж. Нужно найти коэффициент полезного действия — долю затраченной энергии, превратившуюся в полезную работу. КПД выражают в процентах, поэтому отношение умножают на 100%.

1. Запишем формулу: η = Aполезн / Eзатрач · 100%. Здесь Aполезн = 0,72 МДж, а Eзатрач = 2,4 МДж.
2. Подставим значения: η = 0,72 / 2,4 · 100% = 0,3 · 100% = 30%. Единицы энергии сокращаются, потому что и работа, и энергия указаны в мегаджоулях.
3. Проверим смысл: полезная работа меньше полученной энергии, поэтому КПД должен быть меньше 100%. Результат этому условию соответствует.

Ответ: КПД турбины равен 30%.

Задача 2. Средняя мощность турбины

За 10 с через турбину проходит 50 кг газа, причём каждый килограмм передаёт лопаткам 120 кДж энергии. Требуется определить среднюю мощность. Сначала нужно найти всю переданную энергию, а затем разделить её на время.

1. Найдём энергию одного потока: A = 50 кг · 120 кДж/кг = 6000 кДж. Килограммы сокращаются, остаются единицы энергии.
2. Переведём энергию в джоули: 6000 кДж = 6 000 000 Дж. Используем формулу мощности P = A / t и подставим время 10 с.
3. Получим P = 6 000 000 Дж / 10 с = 600 000 Вт. Это также 600 кВт, поскольку 1 кВт = 1000 Вт.

Ответ: средняя мощность турбины равна 600 кВт.

Задача 3. Сила тяги ракеты

Двигатель выбрасывает 4 кг газов каждую секунду со скоростью 900 м/с относительно ракеты. Нужно оценить тягу, пренебрегая другими силами. За каждую секунду газ получает импульс, направленный назад, а двигатель — равное по модулю изменение импульса в противоположную сторону.

1. Определим массу газов за секунду: ṁ = 4 кг/с. Для постоянной скорости выброса сила тяги приблизительно равна произведению ṁ на скорость газов относительно ракеты.
2. Подставим данные: F = ṁv = 4 кг/с · 900 м/с = 3600 кг·м/с². Единица кг·м/с² равна ньютону.
3. Направление силы двигателя противоположно направлению выброса газов. Поэтому ракета получает тягу вперёд, а струя направлена назад.

Ответ: сила тяги составляет примерно 3600 Н.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что турбина сама создаёт энергию. Её колесо только получает энергию от потока и преобразует её во вращение; путаница возникает, когда результат работы принимают за источник энергии. Проверка: проследите, откуда поступили нагрев и рабочее тело, — без них турбина вращаться не будет.

Ошибка: считать газовую турбину и турбореактивный двигатель одним и тем же устройством. В обоих есть горячие газы и турбинные лопатки, поэтому их легко спутать, но газовая турбина прежде всего отдаёт вращение вала, а турбореактивный двигатель создаёт тягу струёй. Проверяйте, какой полезный результат указан: вращение машины или движение аппарата.

Ошибка: утверждать, что ракетному двигателю необходим атмосферный кислород. Это предположение переносят с обычного горения, но ракета берёт окислитель с собой. Для проверки спросите себя, откуда в двигателе берутся оба участника реакции: топливо и окислитель.

Ошибка: направлять реактивную силу туда же, куда выбрасываются газы. Такое направление кажется естественным, если следить только за струёй, но импульс двигателя противоположен импульсу выбрасываемого вещества. Проверьте ответ по закону сохранения импульса: газы летят назад, а ракета получает движение вперёд.

Связь с другими темами

Для понимания работы турбин нужны знания о внутренней энергии, тепловых двигателях, сохранении энергии, работе и мощности. Сжатие и расширение рабочего тела связывают тему с давлением газа. Реактивное движение объясняется законом сохранения импульса, а примеры применения ведут к изучению авиации, космонавтики, энергетики и электростанций.

Что запомнить

• Турбина преобразует энергию движущегося пара или газа в энергию вращения.
• В паровой турбине рабочим телом служит пар, полученный в котле.
• В газовой турбине горячие газы образуются при сгорании топлива в сжатом воздухе.
• Турбореактивный двигатель использует атмосферный воздух и создаёт тягу скоростной струёй газов.
• Ракетный двигатель несёт не только топливо, но и окислитель.
• Реактивная тяга возникает при выбросе газов в сторону, противоположную движению.
• Эффективность двигателя характеризуется коэффициентом полезного действия.