Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Активные турбины


Турбины, в которых весь располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах между рабочими лопатками расширения не происходит (давление рабочего тела не меняется), называются активными или турбинами равного давления. В простейшей активной турбине рабочее тело поступает в сопло 1 (или группу сопл), разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки 2 (рис. 20.2). Усилия, вызванные поворотом струи в каналах рабочих лопаток (см. рис. 20.1, в), вращают диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем рабочими лопатками и валом называется ротором. Один ряд сопл и один диск с рабочими лопатками составляют ступень. На лопатках рабочего колеса кинетическая энергия потока преобразуется в работу. Движущийся поток действует на рабочие лопатки с силой Р. Проекция этой силы на ось машины Р2 (осевая сила) воспринимается упорными  подшипниками, предотвращающими смещение ротора вдоль оси, а проекция на направление окружной скорости Ри (окружная сила) вызывает вращение ротора. Неравновесные процессы Вследствие необратимости термодинамических процессов все процессы в изолированной системе протекают лишь одном направлении — приближения системы к состоянию теплового равновесия. Будучи выведена из состояния равновесия, система переходит новое состояние равновесия спустя некоторое время релаксации. Оно зависит от температуры, давления, плотности системы, а также характера взаимодействия между частицами. Переход равновесному представляет собой необратимый процесс, поскольку вероятность самопроизвольного перехода равновесной неравновесное ничтожно мала.

Одноступенчатая активная турбина была построена Лавалем в 1883 г. (рис. 20.3). Пар поступает в одно или несколько сопл 4, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки 5. Отработанный пар удаляется через выхлопной патрубок 8. Ротор турбины, состоящий из диска 3, закрепленных на нем лопаток и вала 1 заключен в корпус 6. В месте прохода вала через корпус установлены переднее 2 и заднее 7 лабиринтовые уплотнения, предотвращающие утечки пара. Так как весь располагаемый теплоперепад срабатывается в одной ступени, то скорости потока в соплах оказываются большими. При расширении, например, перегретого  пара, имеющего параметры 1 МПа и 500 °С, до давления К) кПа теплоперепад округленно равен 980 кДж/кг, что соответствует скорости потока 1400 м/с. При таких скоростях потока неизбежны большие потери и, самое главное, недопустимые по условиям прочности  лопаток окружные скорости в них. Поэтому одноступенчатые турбины Лаваля имеют ограниченную мощность (до 1 МВт) и низкий КПД. Все крупные турбины делают многоступенчатыми.

На рис. 20.4 показана схема активной многоступенчатой турбины, которая включает несколько последовательно расположенных по ходу пара ступеней, сидящих на одном валу. Ступени  отделены друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла. В таких турбинах давление падает при проходе пара через сопла и остается постоянным на рабочих лопатках. 

Реактивные турбины


Первая модель двигателя, использующего реактивную силу, была построена Героном Александрийским за 120 лет до н. э. (рис.). При истечении пара из сопл здесь возникают реактивные силы, вращающие систему против часовой стрелки. Ступень турбины, по модели Герона, представляла бы собой вращающийся диск с соплами, к которым необходимо организовать непрерывный подвох рабочего тела. Ввиду сложности конструирования таких ступеней, а тем более многоступенчатых турбин, чисто реактивные турбины не создавались. Реактивный принцип нашел широкое применение лишь в реактивных двигателях летательных аппаратов (ракет, самолетов и др.).

Задача 12. Определить удельные теплоемкости ср, сv, для смеси 1 кг азота и 1 кг гелия.

Дано:

m1= 1 кг

М1= 28 кг/кмоль

i1 = 5

m2 = 1 кг

М2= 4 кг/кмоль газа.

i2 = 3

Решение:

Удельной теплоемкостью какого – либо газа называется величина, равная количеству теплоты, которое нужно сообщить единице массы тела, чтобы повысить его температуру на 1 градус. При этом величина теплоемкости зависит от условий, при которых

ср - ?

сv - ?

происходит нагревание. Если нагревание происходит при постоянном объеме, то: , где , т.е. все сообщаемое количество теплоты идет на изменение внутренней энергии системы. Изменение внутренней энергии смеси газа определяется формулой:, где i1 и i2 – число степеней свободы первого и второго газов.

Окончательно получим: . (1)

Если нагревание происходит при постоянном давлении, то

  , (2)

где , т.е. сообщаемое газу количество теплоты идет не только на изменение внутренней энергии, но и на работу по расширению газа. Работа при изобарическом расширении для каждого газа равна:  ; , поэтому:

.

Подставляя это значение в уравнение (2), получим:

.

Произведем вычисления:

Ответ: .

Внутренняя энергия. Механическая энергия: " потенциальная (определяется взаимным положением взаимодействующих тел) " кинетическая (определяется движением тела) Потенциальная и кинетическая энергия могут превращаться друг в друга. Энергию движения и взаимодействия частиц, составляющих тело, называют внутренней энергией тела. Внутренняя энергия тела не зависит от механического движения тела (как целого) и от положения этого тела относительно других тел.
На главную