Паровая турбина. КПД теплового двигателя
1. Введение в принцип работы паровой турбины
Сегодня мы познакомимся с устройством паровой турбины и научимся вычислять коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.
На прошлом занятии мы рассматривали устройство, особенности и принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания является видом теплового двигателя, который получил основное применение на транспорте. Другим важным видом теплового двигателя является паровая турбина. Преимуществом паровой турбины над двигателем внутреннего сгорания является то, что в ней нет цилиндров, шатуна, коленчатого вала, а вся работа совершается паром непосредственно при движении вала, на котором укреплены лопатки турбины. Таким образом, в паровой турбине меньше узлов, в которых могут происходить потери полезной работы.
На прошлом уроке мы познакомились с изобретением древнего ученого Герона Александрийского (рис. 1), которое называется Эолипил (рис. 2). Принцип работы устройства, которое скорее было игрушкой, нежели полезным рабочим прибором, основывался на вращении сферического элемента, из которого выходил горячий пар, образованный разогретой водой. Это примитивное устройство уже можно считать первым прообразом паровой турбины.
Рис. 1. Герон Александрийский
Рис. 2. Эолипил
2. Устройство и принцип работы паровой турбины
Рассмотрим устройство основных элементов турбины (рис. 3): на вал насажен диск, на котором расположено множество лопастей, изогнутых под определенным углом, напротив лопастей располагаются сопла, из которых поступает пар и заставляет вращаться турбину. Пар может разгонять вал турбины до 30 000 оборотов в минуту, при этом мощность наилучших образцов паровых турбин (рис. 4), изготовленных на сегодняшний день, может достигать 1 500 000 кВт.
Рис. 3. Устройство паровой турбины
Рис. 4.
3. Коэффициент полезного действия (КПД)
Главной характеристикой любого технического устройства и тепловой машины в частности является коэффициент полезного действия, который сокращенно в виде аббревиатуры называют КПД.
Определение. Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии.
Обозначение КПД: 
«эта».
Единицы измерения КПД: чаще всего в %, но иногда измеряют и просто числом, в виде так называемой доли, например, 50% = 0,5. КПД является безразмерной величиной.
Коэффициент полезного действия является наиболее важной для любых технических устройств величиной, т. к. позволяет оценивать эффективность работы механизма, а следовательно, целесообразность и даже область его использования.
4. Устройство тепловой машины
Рассмотрим принципиальное устройство любого теплового двигателя (машины): он состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Под термином «холодильник» подразумевается окружающая среда, которая забирает остатки тепла у тепловой машины, а не сам бытовой прибор под одноименным названием. Нагреватель – это элемент, передающий тепло, например, сгораемое топливо. В результате сгорания топлива образуется рабочее тело, в любом тепловом двигателе в качестве рабочего тела выступает газ, например, пар, как в случае с паровой турбиной. Именно в нагретом состоянии газ и совершает работу, а остаток тепла передается холодильнику.
5. КПД тепловой машины
Ознакомимся со схемой и физическим принципом работы тепловой машины (рис. 5). От нагревателя тепло (
) передается рабочему телу (Р. Т.), т. е. газу, который образовался в результате сгорания топлива, рабочее тело совершает работу (
), остатки неизрасходованного на полезную работу тепла (
) передаются холодильнику.
Рис. 5. Схема тепловой машины
Формула для вычисления КПД тепловой машины:
Где 
.
Обозначения:
полезная работа, которую совершает рабочее тело, Дж;
количество теплоты, которое передал рабочему телу нагреватель, Дж;
количество теплоты, которое рабочее тело передало холодильнику, Дж.
Замечание. Коэффициент полезного действия не может быть равен и не может превышать 100 процентов. Этот факт легко увидеть из второй формулы для КПД, в которой числитель меньше знаменателя. Таким образом, КПД всегда меньше 100% или меньше 1, если его выражать в долях.
6. История развития и современные проблемы производства тепловых двигателей
Первые тепловые двигатели имели очень низкий КПД, например, первый паровоз (рис. 6), который был создан в начале XIX века, имел коэффициент полезного действия около 3%, а последние паровозы (рис. 7), которые ходили по железным дорогам в прошлом веке, имели КПД повыше – около 7–9%.
Рис. 6. Первый паровоз
Рис. 7. Один из последних паровозов.
Тем не менее, даже при таких низких значениях КПД данные транспортные средства очень активно эксплуатировались, т. к. более совершенных агрегатов на то время попросту не было. На сегодняшний день КПД тепловых двигателей, конечно, гораздо выше, например, дизельный двигатель (рис. 8) может иметь КПД до 40%, что является очень неплохим показателем. Паровая турбина (рис. 9) может достигать еще более оптимального значения КПД в 60%, на сегодняшний день это наилучший показатель среди всех видов тепловых двигателей.
Рис. 8. Дизельный двигатель
Рис. 9. Современная паровая турбина
В конце занятия следует отметить очень важную тенденцию в развитии современного двигателестроения. Как мы видели, основные принципы работы тепловых двигателей уже давно открыты и получены эффективные технологии их изготовления, но возникает проблема экологичности их использования. Поскольку все тепловые двигатели потребляют топливо, то от них неизбежно возникают вредные выбросы в окружающую среду. Так вот одной из основных задач науки и техники в этой области является минимизация нанесения вреда окружающему нас миру от продуктов деятельности подобных устройств.
Тепловые двигатели на сегодняшний день уже являются объектами прошлого, и на первый план выходят двигатели иного принципа работы, о них мы поговорим в будущем.
На следующем уроке мы займемся решением задач по теме «КПД».