Двигатель внешнего сгорания

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Паровая машина Ньюкомена - первый промышленный двигатель внешнего сгорания

Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. При этом рабочее тело , циркулирующее в двигателе, нагревается вне двигателя, и за счёт этого совершает работу. Двигатели внешнего сгорания имеют широчайшее применение в производстве электроэнергии (паровыми турбинами оборудованы как тепловые, так и атомные станции), а также в случае утилизации теплоты (двигатели Стирлинга).

История двигателей внешнего сгорания[править | править код]

Паровая машина[править | править код]

Изобретённая в XVII веке французским физиком Папеном, она представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался под давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе работала изобретённая в 1698 году паровая машина Севери для выкачивания воды из копей (не имевшая поршня)[1]. Несколько позже, в 1705 году, Томас Ньюкомен совместно со стекольщиком-лудильщиком Джоном Колли[en], тоже из Дартмута, построили паровую пароатмосферную машину, отличавшуюся от машины Севери наличием цилиндра с поршнем, и тем, что сгущение (конденсация) пара производилось обливанием цилиндра снаружи водой. Значительно усовершенствовал такую машину Джеймс Уатт в 1769 году (золотники вместо ручного переключения). Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году. Удельная мощность таких машин возросла настолько, что позволила устанавливать такие двигатели на транспорте. Так появилась железная дорога[2].

Первая паровая машина в России была пущена в ход в 1766 году (проект крепостного Ивана Ползунова). Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически.[3]. В 1769 году французом Николасом-Йозеф Кюньо была построена первая паровая телега, а в 1788 году Джон Фитч построил пароход[2]. Во всех машинах сгорание осуществлялось в топке, так что все они являлись двигателями внешнего сгорания. Однако, в настоящее время поршневые паровые машины применяются весьма редко.

Паровая турбина[править | править код]

Была впервые построена Героном в I веке до нашей эры; однако в таком виде являлась скорее курьёзом. Развитию паровых турбин препятствовало отсутствие надёжных подшипников, которые могли бы выдерживать высокие скорости вращения, а отдача турбин на малых оборотах и их эффективность (КПД) резко падал, из-за чего они не получили применения. Первую промышленную турбину, имевшую частоту вращения 30 000 об/мин, разработал Пьер Лаваль. Из-за огромной скорости вращения, она имела редуктор, в несколько раз превосходивший её по размеру[4]. Позже было отмечено, что при росте мощности (и размера колеса) расчётная скорость вращения турбины падает, так что применение её в агрегатах высокой мощности упрощается. Такие турбозубчатые агрегаты получили широкое распространение, сменив паровые машины на военных кораблях (из-за меньшей массы). Но однако, низкий КПД препятствовал их установке на транспортных судах. Тем не менее, улучшенная турбина Парсонса и теперь массово применяется в генерации электроэнергии на ТЭЦ и АЭС. При работе в узком диапазоне оборотов она может иметь достаточно высокий КПД, а при использовании в первой ступени газовых турбин - превзойти в суммарном КПД даже поршневой ДВС.

Двигатель Стирлинга[править | править код]

Изобретён в 1816 году 26-летним шотландским священником Стирлингом, руководимым богоугодными соображениями (снижение травматизма из-за меньшего давления)[5]. При материалах и технологиях того времени не мог быть эффективно реализован (уступал в мощности), и до XX века применялся мало. В настоящее время применяется для утилизации тепла; устанавливается на новейших подводных лодках, космических аппаратах.

Классификация современных двигателей внешнего сгорания[править | править код]

По типу[править | править код]

К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей

По выдаче мощности[править | править код]

Преимущества и недостатки двигателей внешнего сгорания[править | править код]

Литература[править | править код]

  • «Двигатели внешнего сгорания», Г. В. Смирнов. Новое в жизни, науке, технике: Серия: Промышленность, 1967, М. — Знание. [1]
  1. Конфедератов И. Я. История теплоэнергетики. Начальный период (17—18 вв.).. — М.-Л., 1954.
  2. 1 2 История изобретения паровых машин. autohis.ru. Дата обращения 1 августа 2020.
  3. Иван Иванович Ползунов 1728—1766. Биография изобретателя Ползунова. www.bibliotekar.ru. Дата обращения 24 января 2019.
  4. Из истории паровой турбины. РосТепло.ru. Дата обращения 1 августа 2020.
  5. Robert Stirling | Scottish inventor (англ.). Encyclopedia Britannica. Дата обращения 3 августа 2020.