Первичные двигатели

Просто о сложном. Двигатель

Все вышло из воды

Двигатель – это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механическую работу.

Двигатели разделяют на первичные и вторичные.

К первичным относятся те виды двигателей, которые преобразуют природные энергетические ресурсы в механическую работу. Это ветряное и водяное колесо, гиревой механизм, тепловые двигатели.

Вторичные – двигатели, которые преобразуют выработанную или накопленную энергию другими источниками. К ним относят электрические, пневматические и гидравлические.

Первичные двигатели, такие как парус и водяное колесо, были известны с незапамятных времен и использовались повсеместно.

До середины XVII века человек обходился первичными двигателями и довольствовался силой воды, ветра и тяжести.

Первым шагом на пути к двигателю стала пароатмосферная машина, созданная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери, которая сама по себе не могла служить механическим приводом, и к ней необходимо было водяное колесо.

В 1763 году механик Иван Ползунов по собственному проекту изготовил стационарную паровую машину, которая хоть и была далека от совершенства, но работала без сбоев.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, которая была названа универсальным паровым двигателем.

В машине был предусмотрен жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Подача пара происходила автоматически, а поршень через кривошипно-шатунную систему вращал маховик, который обеспечивал плавность хода. Такая модификация машины Севери не была привязана к водонапорной башне и могла стать самостоятельным приводом различных механизмов. Уатт создал элементы, которые в дальнейшей истории двигателестроения в той или иной вариации входили во все паровые машины, получившие широкое распространение. Их использовали как приводы станков, экипажей для перевозки людей и грузов, судов и локомотивов на железных дорогах.

Следующим шагом в двигателестроении стала паровая турбина, изобретенная в конце XIX века, которая применялась на морских судах и на электростанциях в начале XX века.

Индустрия двигателестроения не стояла на месте, и в конце XIX века на первый план вышли двигатели внутреннего сгорания.

Первым в семействе ДВС стал механизм, созданный французским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 году. Его конструкция представляла собой одноцилиндровый двухтактный газовый двигатель. Ленуар использовал принцип работы поршня двигателя Уатта, но рабочим телом служил не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

Двигатель Ленуара стал первым в истории серийно выпускавшимся ДВС.

В 1897 году инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, который был впоследствии назван его именем.

Двигатели внутреннего сгорания стали основой развития автомобильного транспорта в XX веке.

В первой половине XX века были созданы новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 1950-х и ядерные силовые установки.

В 1834 году русский ученый Борис Якоби создал первый пригодный для практического использования вторичный двигатель – электродвигатель постоянного тока.

Двигатели можно классифицировать по источнику энергии, по типам движения, по устройству, по назначению и т.д.

Отрасль двигателестроения является одной из наиболее развивающихся. В год по всему миру подается до 50 заявок на патентование в категории «Двигатели». В основном это модификации существующих механизмов с новым соотношением элементов либо с принципиальными новинками. Новые конструкции же появляются редко.

А вместо сердца – пламенный мотор

В авиации используются в основном тепловые двигатели, которые создают тягу, необходимую для поднятия летательного аппарата в воздух.

По способу создания тяги авиационные двигатели можно разделить на три группы: винтовые, реактивные и комбинированные.

Винтовые двигатели создают тягу вращением воздушного винта, а реактивные преобразуют энергию топлива в кинетическую энергию вытекающей из двигателя газовой струи, вызывающей силу реакции, непосредственно используемой в качестве движущей силы. Воздушно-реактивные двигатели используют для сгорания кислород атмосферного воздуха.

Комбинированные создают тягу, складывающуюся из силы реакции потока продуктов сгорания, вытекающих из двигателя, и тяги, создаваемой обычным или специальным воздушным винтом. Комбинированные двигатели разделяются на турбовинтовые, турбореактивные и винтовентиляторные. Также их называют газотурбинными авиадвигателями.

Такие двигатели с легкостью поднимают в небо трансатлантические лайнеры, но их мощности недостаточно для того, чтобы поднять ракету в космос.

Для ракет используют реактивные двигатели, в них для сгорания топлива используется окислитель, транспортируемый самим летательным аппаратом.

Кроме того, сила тяги реактивного двигателя не зависит от наличия окружающей среды, а также от скорости самой ракеты.

Развитие отрасли двигателестроения в России, стремящейся к независимости от импортных механизмов, началось в 1980-х гг. Такие предприятия, как УМПО, НПП «Мотор», рыбинское НПО «Сатурн», включились в мировую гонку за создание передового двигателя, который составит конкуренцию продукции таких гигантов промышленности, как Pratt & Whitney, которой комплектуют самолеты линейки Boeing и Airbus.

В результате многолетней кропотливой работы всех предприятий и НИИ отрасли, а также интеграции частного и государственного капитала был создан авиационный двигатель ПД-14. Он предназначен для новейшего российского среднемагистрального самолета МС-21, который в конце 2017 года совершил тестовый перелет с аэродрома корпорации «Иркут» на аэродром Жуковский для проведения дальнейших испытаний.

ПД-14 представляет собой турбореактивный двухконтурный двухвальный двигатель. Взлетная тяга ПД-14 может достигать 18 тонн.

Эксперты сравнивают ПД-14 с двигателями для среднемагистральных самолетов компаний Pratt & Whitney и Rolls-Royce.

На базе ПД-14 ведутся разработки вертолетного двигателя ВК-2500М. Подготовка демонстрационной модели двигателя нового поколения запланирована на 2021 год. Как и в ПД-14, в конструкции ВК-2500М будут использованы новейшие материалы, что позволит облегчить массу на 15% по сравнению с существующими аналогами без потери мощности.

Первая модификация указанного двигателя ВК-2500 активно вводится в эксплуатацию, а также выводится на международный рынок путем валидации сертификатов в странах-импортерах.

Мы наращиваем объемы производства двигателей ВК-2500 в интересах государственного заказчика, а также планируем существенно нарастить экспорт. При этом сборка ведется полностью из российских комплектующих

Анатолий Сердюков, индустриальный директор авиационного кластера Госкорпорации Ростех

В отличие от своего предшественника, новый вертолетный двигатель оснащен цифровой системой автоматического управления с современным электронным блоком автоматического регулирования и новейшими датчиками. Использование современных технологий и новейших материалов позволило обеспечить поддержание режимов в более широком диапазоне температур наружного воздуха, повысить ресурсы и показатели топливной экономичности. Такие двигатели позволят вертолетам семейства Ми-17 и аналогичным расширить потенциал своих возможностей в высокогорных районах и районах с жарким климатом.

Российское двигателестроение развивается в направлении как гражданской, так и военной авиации. В апреле 2018 года завершились работы по стендовым испытаниям опытного двигателя АЛ-41Ф-1.Данная разработка предприятия «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение» является двигателем первого этапа для истребителя пятого поколения Су-57. АЛ-41Ф-1 является авиационным турбореактивным двухконтурным двигателем с форсажной камерой и управляемым вектором тяги.

Несмотря на гонку технологий, существуют системы, проверенные временем и доказавшие свою эффективность даже спустя многие годы. Ракетные двигатели РД 107/108 на протяжении более полувека являются основой пилотируемой космонавтики в России.

Именно благодаря РД 107/108 Юрий Гагарин совершил свой легендарный полет. Двигатели РД-107 устанавливаются на блоках первой ступени, а РД-108 – второй.

РД-107/108 показали себя как одни из самых надежных и удачных двигателей, поднимающих космические корабли. Они стоят на серийном производстве и доставляют на орбиту российских космонавтов, американских астронавтов и космических туристов.

Российский ракетный двигатель уже назван рекордсменом. За 60 лет использования он не утратил своего первенства в отрасли. На основе первых двигательных систем разработано 18 модификаций.

Когда в 2011 году США прекратили использование шаттлов, единственным способом отправки космонавтов на МКС остались корабли «Союз», оснащенные двигателями РД-107/108.

Отрасль двигателестроения является одной из наиболее востребованных и перспективных как для развития промышленности страны, так и для выхода на международный рынок.

Внедрение частного капитала и интеграция научно-технической базы предприятий, занимающихся разработкой и производством двигательных систем и комплектующих, позволили создать полный производственный цикл отечественных двигателей, способных составить конкуренцию мировым аналогам.

Интеграция научно-технических достижений и новейших технологий в области двигателестроения для оперативного реагирования отрасли на запросы гражданской и военной авиации, а также космонавтики и своевременного ввода в эксплуатацию новых двигательных систем, отвечающих вызовам времени и не уступающих мировым аналогам.

Создание и поддержание научно-технической базы, способной обеспечить российскую авиационную отрасль двигательными системами отечественного производства, сокращение объемов импорта, а также вывод конкурентоспособной продукции на мировой рынок.

Двигатель

Двигатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу. Термин мотор заимствован в первой половине XIX века из немецкого языка [1] (нем. Motor — «двигатель», от лат. mōtor — «приводящий в движение») и преимущественно им называют электрические двигатели и двигатели внутреннего сгорания[2].

Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным — преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.

К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм — их приводит в действие сила гравитации (падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели — в них химическая энергия топлива или ядерная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электрические, пневматические и гидравлические двигатели.

Первичные двигатели

Первыми первичными двигателями стали парус и водяное колесо. Парусом пользуются уже более 7 тысяч лет.

Водяное колесо — норию широко применяли для оросительных систем в странах Древнего мира: Египте, Китае, Индии. Водяные и ветряные колёса широко использовались в Европе в средних веках как основная энергетическая база мануфактурного производства.

Паровые машины

В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и прочего). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива, стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, гидротурбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из парового котла в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне. Элементы, придуманные Уаттом, входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л. с.).

Двигатель Стирлинга

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

Паровая турбина

Рисунки, изображающие крыльчатое колесо, вращающееся под воздействием потока пара, известны с древних времён. Однако практические конструкции паровой турбины были созданы лишь во второй половине XIX века, благодаря развитию конструкционных материалов, позволивших достичь высоких скоростей вращения.

В 1889 году шведский инженер Карл Густав де Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло и быстроходную турбину (до 32000 об/мин), а, независимо от него, ещё в 1884 году англичанин Чарлз Алджернон Парсонс изобрёл первую пригодную для промышленного применения реактивную турбину (более тихоходную), способную вращать судовой винт. Паровые турбины стали применять на морских судах, а с начала XX века на электростанциях. В 1960-х годах их мощность превысила 1000 МВт в одном агрегате.

Двигатель внутреннего сгорания

Схема работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания

Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дени Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Этьен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе.

Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем.

В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 1970-х годах почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и прочее). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 1970-х годах превысила 600 МВт.

В первой половине XX века создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели,
а в 1950-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

Вторичные двигатели

Электродвигатели

В 1834 году русский учёный Борис Семёнович Якоби (так писалось его имя в русской транскрипции) создал первый пригодный для практического использования электродвигатель постоянного тока.

В 1888 году сербский студент и будущий великий изобретатель Никола Тесла высказал принцип построения двухфазных двигателей переменного тока, а год спустя русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский создал первый в мире 3-фазный асинхронный электродвигатель, ставший наиболее распространённой электрической машиной.

Пневмодвигатели и гидромашины

Пневмодвигатели и гидромашины, соответственно, работают от сетей (баллонов) высокого давления воздуха или жидкости преобразуя гидравлическую (пневматическую) энергию насосов. Их широко применяют в качестве исполнительных механизмов в различных устройствах и системах. Так, созданы пневмолокомотивы (особенно пригодны для работ во взрывоопасных условиях, например в шахтах, где тепловые двигатели не применимы из-за температурных условий, а электрические — из-за искр при коммутации), с помощью гидромашин осуществляется привод гусениц в некоторых типах тракторов и танков, перемещение рабочих органов бульдозеров и экскаваторов. Всё разнообразнее конструкции экологически чистых городских автомобилях на пневмоприводах, предлагаемых инженерами разных стран. Вторичные двигатели играют большую роль в технике, однако их мощность относительно невелика. Их также широко применяют и в миниатюрных и сверхминиатюрных устройствах.

Классификации

По источнику энергии

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

• электрические;
  • постоянного тока (электродвигатель постоянного тока);
  • переменного тока (синхронные и асинхронные);
• электростатические;
• химические;
• ядерные;
• гравитационные;
• пневматические;
• гидравлические;
• лазерные.

По типам движения

Получаемую энергию двигатели могут преобразовывать к следующим типам движения:

• вращательное движение твёрдых тел;
• поступательное движение твёрдых тел;
• возвратно-поступательное движение твёрдых тел;
• движение реактивной струи;
• другие виды движения.

Электродвигатели, обеспечивающие поступательное и/или возвратно-поступательное движение твёрдого тела;

• линейные;
• индукционные;
• пьезоэлектрические.

Некоторые типы электроракетных двигателей:

• ионные двигатели;
• стационарные плазменные двигатели;
• двигатели с анодным слоем;
• радиоионизационные двигатели;
• коллоидные двигатели;
• электромагнитные двигатели и др.

По устройству

Двигатели внешнего сгорания — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела:

• поршневые паровые двигатели;
• паровые турбины;
• двигатели Стирлинга;
• паровой двигатель.

Двигатели внутреннего сгорания — класс двигателей, у которых образование рабочего тела и подвод к нему тепла объединены в одном процессе и происходят в одном технологическом объеме:

• двигатели с герметично запираемыми рабочими камерами (поршневые и роторные ДВС);
• двигатели с камерами, откуда рабочее тело имеет свободный выход в атмосферу (газовые турбины).

По типу движения главного рабочего органа ДВС с запираемыми рабочими камерами делятся на ДВС с возвратно-поступательным движением (поршневые) (делятся на тронковые и крецкопфные) и ДВС с вращательным движением (роторные), которые по видам вращательного движения делятся на 7 различных типов конструкций. По типу поджига рабочей смеси ДВС с герметично запираемыми камерами делятся на двигатели с принудительным электрическим поджиганием (калильным или искровым) и двигатели с зажиганием рабочей смеси от сжатия (дизель).

По типу смесеобразования ДВС делятся на: с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с непосредственным впрыском топлива в цилиндры или впускной коллектор (инжекторные). По типу применяемого топлива различают ДВС работающие на бензине, сжиженном или сжатом природном газе, на спирте (метаноле) и пр.

Реактивные двигатели

• прямоточные реактивные (ПВРД);
• пульсирующие реактивные (ПуВРД);
• газотурбинные двигатели:
  • турбореактивные (ТРД);
  • двухконтурные (ТРДД);
  • турбовинтовые (ТВД);
  • турбовинтовентиляторные ТВВД;

Ракетные двигатели

• жидкостные ракетные двигатели;
• твердотопливные ракетные двигатели;
• ядерные ракетные двигатели;
• некоторые типы электроракетных двигателей.

По применению

В связи с принципиально различными требованиями к двигателю в зависимости от его назначения, двигатели идентичные по принципу действия, могут называться «корабельными», «авиационными», «автомобильными» и тому подобными.

Категория «Двигатели» в патентоведении одна из наиболее активно пополняемых. В год по всему миру подаётся от 20 до 50 заявок в этом классе. Часть из них отличаются принципиальной новизной, часть — новым соотношением известных элементов. Новые же по конструкции двигатели появляются очень редко.

Переносные значения

Важность, первичность двигателя в технике привела к тому, что слово «двигатель» употребляется в переносном смысле во всех сферах деятельности человека (например, в экономике общеизвестно выражение «Реклама — двигатель торговли»)

Типы двигателей

Первичные двигатели

Описание и классификация

Суть первичных сводится к тому, что необходимая энергия вырабатывается из природных источников, которые поставляются в специальное устройство, где и происходит преобразование, а, точнее, в большинстве случаев, сжигание.

Дополнительная информация! Как ясно из определения, природными источниками могут быть самые разные ресурсы, в том числе ветер, вода и пар, а также топливо.

Двигатели Стирлинга

Приблизительно через 30 лет после того, как Уайт усовершенствовал свой паровой механизм, шотландец Стирлинг разработал иную конструкцию, которая в принципе являлась устройством внешнего сгорания. Её принцип заключался в том, что нагревание и охлаждение рабочих объёмов элемента происходит в отдельных камерах. Осуществляется этот процесс через стенку, поэтому такая изолированность позволяет работать независимо от природы нагревателя и охладителя. А это, в свою очередь, способствует, чтобы использовать такие механизмы внешнего сгорания, разработанные Стирлингом в самых разных условиях эксплуатации. В том числе и в космосе.

Важно! Несмотря на то что КПД такой конструкции должен быть значительно выше, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, в реальности не удалось добиться такого эффекта. Сейчас стирлинги имеют ровно такой же уровень КПД, как и механизмы внутреннего сгорания.

Паровая турбина

Паровые турбины по своим конструктивным особенностям представляют собой крыльчатку, то есть колесо с крольчатами лопастями, которые вращаются под воздействием какой-либо среды. Несмотря на то что прототипы таких движущих элементов были предложены ещё в ранний период развития человечества, найти отражение в различных машинах и механизмах они смогли только в середине XIX века. Дело в том, что только в этот период стали интенсивно развиваться различные конструкционные материалы, которые позволили реализовать данный тип. Ведь далеко не каждый материал мог вынести интенсивную скорость вращения до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, а точнее, его первый прототип был предложен ещё Гюйгенсом в далёком XVII веке. Тогда, в качестве активизирующей силы предлагалось использовать порох. Но попытки так и остались лишь разработками. Первый, основанный на внутреннем сгорании возник в 1860 году. Его автором стал Ленуар, который в качестве топлива использовал газ.

Далее разработка продолжила совершенствоваться и через несколько десятилетий в Германии был предложен усовершенствованный четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания.

Интересно! Только в начале XX века он приобретает тот вид и конструкцию, которые взяты за основу в современных двигателях.

Паровые машины

В середине XVII века появились первые прототипы паровых машин. Они на протяжении 100 лет усовершенствовались и видоизменялись. И только когда к концу XVIII века Джеймс Уайт создал более совершённый прототип, он получил название универсального парового. Именно его изобретением является поршень двойного хода, центробежный предохранитель, а также автоматическая коробка с клапанным принципом работы, устранившие монотонную тяжёлую работу оператора, который должен был постоянно переключает рычаги для подачи воды и пара.

Плавность работы на машине Уайта обеспечивал кривошипно-шатунный механизм. Таким образом, английский механик внёс достаточно большой вклад в развитие паровых конструкций. Его полная конструкция, а также отдельные элементы в дальнейшем входили во все паровые машины.

Вторичные двигатели

Описание и классификация

К вторичному типу относятся такие, основным рабочим элементом которого является не привычный бензин или дизельное топливо, а элементы приводятся в движение при помощи электричества или сжатого воздуха.

Электродвигатели

Первый электрический появился в середине XIX века, а точнее, в 1834 году Борис Якоби предложил первую работоспособную конструкцию, которая приводилась в движение от электрических импульсов. Впоследствии его наработки были усовершенствованы талантливым сербским студентом, о котором потом услышал весь мир. Это был великий Тесла, предложивший миру принцип работы основанный на двухфазном токе.

Но и его наработки не остались на месте. Русский учёные Доливо-Добровольский пошёл ещё дальше и предложил не двухфазный принцип работы, а трёхступенчатый асинхронный прибор, который работал по трёхфазному режиму. На данный момент именно такой принцип положен в основу большинства электрических машин.

Пневмодвигатели и гидромашины

Эти два типа соответственно работают от сжатого воздуха или воды, подаваемой под давлением. Сегодня такие конструкции достаточно интенсивно применяются в самых различных механизмах и устройствах.

Дополнительная информация! Отличительная особенность такого способа функционирования двигателя заключается в его полной экологичности, так как отсутствуют различного рода выбросы.

По источнику энергии

Описание и классификация

В зависимости от этого источника энергии, который может быть использован в механизме, различают:

• Работающие от двухфазного и трёхфазного электричества.
• Работающие от электростатического поля.
• Функционирующее от ядерной реакции.
• Использующие результат химической реакции.
• Лежащие в основе действия гравитационного поля.
• Функционирующие на основе действия гидравлики или пневматики.
• Задействующие непривычную энергию лазера.

По типам движения

Описание и классификация

В зависимости от того, какое движение совершает механизм, различают:

• Поступательное.
• Вращательное.
• Возвратно-поступательное.
• Лежащее в основе движения гидроструи.
• Другие типы.

По устройству

Описание и классификация

В зависимости от того, как устроена внутренняя система двигателя, могут быть выделены:

• Конструкции с поршнями.
• Стирлинги.
• Паровые турбины или стандартные двигатели.

Реактивные двигатели

Реактивные работают по принципу выброса струи воды в сторону, противоположную движению. Именно за счёт переносимой энергии обеспечивается передвижение механизма.

Ракетные двигатели

Ракетные двигатели могут работать совершенно на разном топливе, включая ядерное, твёрдое, жидкостное и даже электрическое.

По применению

Описание и классификация

Эти механизмы различаются также по применению. Они могут приводить в движение не только транспортные средства, но и различные механизмы и устройства. На сегодня существует несколько основных видов двигателей. Каждый из них призван работать на основе того или иного вида топлива и по своему принципу.

Инжекторный

Принцип действия в инжекторном двигателе заключается в следующем — топливо подаётся при помощи мелкодисперсного расписывания в полую камеру сгорания. Благодаря такому способу подачи получается существенно сэкономить расход топлива, а также уменьшить количество выхлопных газов при движении транспортного средства.

Инжекторные двигатели подразделяются:

• Электрические – количество подаваемого топлива регулируются специальной электрической системой. Благодаря чему дозировка рассчитана настолько верно, что это позволяет существенно уменьшить количество выхлопных газов, а также максимально полно и эффективно использовать топливо.
• Механические – система регулировки интенсивности впрыска организуется при помощи специальных рычагов.

Карбюраторный

Карбюраторный тип двигателя считается устаревшим. Его основной способ функционирования заключается в том, что топливо подаётся в специальную камеру (инжектор) где происходит его смешение с воздухом, и только потом данная смесь поступает на цилиндры двигателя, где происходит поджиг при помощи искры.

Дизельный

Сразу стоит отметить, что данный тип двигателя имеет следующие преимущества:

• Больший коэффициент полезного действия.
• Меньший расход топлива.
• Незначительный выброс вредных веществ в окружающую атмосферу.

Принцип действия заключается в том, что дизель самовоспламеняется, когда он существенно сжимается под напором втягивающегося воздуха. Прямой и обратный ход поршня вызывают сначала воспламеняющийся дизель, а потом отработанные газы.

Гибридный

Этот тип является комбинированным. Его работа частично происходит под воздействием электричества, вырабатываемого аккумуляторной батареей. Частично транспорт или машина перемещается за счёт сжигания топлива.

Важно! Если говорить о преимуществах такого типа, то они несомненны – это тихоходность, уменьшенный расход топлива, высокий уровень экологичности.

Развитие отрасли позволяет сейчас всё больше и быстрее развиваться самым разным механизмам. Сегодня, благодаря движению за экологию, всё больше находят применение исключительно те типы, которые работают от электричества или функционирующие на водороде.

Двигатель первичный

Двигатель первичный – механизм, непосредственно преобразующий природные энергетические ресурсы в механическую работу. (Вторичный двигатель преобразует энергию, выработанную другими механизмами).

К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм – их приводит в действие сила гравитации (падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели – в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии.

Первыми ПД стали парус и водяное колесо. Парусом пользуются уже более 7 тысяч лет. Водяное колесо – норию – широко применяли для оросительных систем в странах Древнего мира: Египте, Китае, Индии. Водяное и ветряное колеса широко использовались в Европе средних веков как основная энергетическая база мануфактурного производства.

Краткий электронный справочник по основным нефтегазовым терминам с системой перекрестных ссылок. — М.: Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина . М.А. Мохов, Л.В. Игревский, Е.С. Новик . 2004 .

Смотреть что такое “Двигатель первичный” в других словарях:

Двигатель первичный — ♦ (ENG mover, prime) см. Перводвигатель … Вестминстерский словарь теологических терминов

первичный двигатель электроагрегата (электростанции) — первичный двигатель Двигатель внутреннего сгорания, используемый для привода генератора электроагрегата (электростанции). [ГОСТ 20375 83] 4.1.1 Первичные двигатели Первичные двигатели могут быть двух типов: двигатели с воспламенением от сжатия… … Справочник технического переводчика

первичный двигатель — Любое устройство, обеспечивающее создание механической энергии, необходимой для выполнения управляющим устройством функции передачи; таким устройством может быть электрическое управляющее устройство, электрический клапан, механизм с электрическим … Справочник технического переводчика

Первичный двигатель электроагрегата (электростанции) — 25. Первичный двигатель электроагрегата (электростанции) Первичный двигатель D. Primärmotor E. Primary engine Двигатель внутреннего сгорания, используемый для привода генератора электроагрегата (электростанции) Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Газотурбинный двигатель — с одноступенчатым радиальным компрессором, турбиной, рекуператором, и воздушными подшипниками Газотурбинный двигатель (ГТД) тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого… … Википедия

Двухконтурный турбореактивный двигатель — Газотурбинный двигатель (ГТД, ТРД) тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы… … Википедия

Турбореактивный двигатель — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей … Википедия

необратимый (первичный) бортовой источник электрической энергии — 3.13 необратимый (первичный) бортовой источник электрической энергии (onboard primary electric energy source): Система, которая хранит энергию и передает электрическую энергию необратимым путем. 1 Электрохимический генератор (топливные элементы) … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

mover, prime — Двигатель первичный … Вестминстерский словарь теологических терминов

Маслостанция — (гидравлическая насосная станция) – техническое устройство (система), преобразующее различные виды энергии в механическую энергию жидкости, и управляющее движением потока этой жидкости. Вид преобразуемой энергии (электрическая, механическая… … Википедия

8 самых известных типов двигателей в мире и их отличия

После прочтения нашего обзора вы будете понимать, как работают восемь типов двигателей в мире.

Двигатель – это агрегат, который может преобразовать одну энергию в механическую. В эту категорию входит множество видов двигателей, начиная от паровых (двигатели внешнего сгорания) и электрических и заканчивая двигателями внутреннего сгорания (бензиновые, дизельные моторы и т. д.). Мы покажем вам восемь самых известных в мире двигателей, а также просто и интуитивно понятно расскажем вам, как они работают, описав принципы их работы.

1. Оппозитный двигатель

В горизонтально противоположном двигателе (оппозитном) поршни двигаются по обеим сторонам коленчатого вала влево и вправо в горизонтальном направлении. В этом случае высота двигателя уменьшена. За счет использования оппозитного двигателя уменьшается центр тяжести транспортного средства – автомобиль движется более плавно. Крутящий момент, создаваемый поршнями с обеих сторон, компенсирует друг друга, значительно уменьшая вибрацию транспортного средства во время движения.

Также подобная конструкция позволяет сделать двигатели высокооборотистыми. Но, несмотря на высокие обороты, оппозитные моторы имеют меньше шума, чем обычные ДВС.

Двигатели с горизонтальным ходом поршней использует компания Porsche почти во всех моделях. Но, например, в Porsche Cayenne и Panamera оппозитные двигатели не применяются.

2. Рядный двигатель

В рядном двигателе все его цилиндры расположены рядом друг с другом в одной плоскости. Конструкция цилиндров и коленвала довольно-таки проста. Головка блока цилиндров имеет небольшую стоимость при изготовлении. Также рядные двигатели отличаются высокой стабильностью, характеристиками крутящего момента на низких оборотах, низким расходом топлива и компактным размером. Рядные двигатели обычно обозначаются латинской буквой «L-n», где n – количество цилиндров рядного двигателя. Современные автомобили в основном имеют двигатели с обозначением L3, L4, L5, L6.

3. Двигатель V-типа (V-образный силовой агрегат)

V-образный двигатель разделяет все цилиндры на две группы друг напротив друга под определенным углом. В итоге мотор образует плоскость под углом. Если посмотреть на этот тип двигателя со стороны, то он будет иметь V-образную форму. V-образные двигатели имеют небольшую высоту и длину. Этот тип моторов удобнее размещать в автомобиле по сравнению с обычными рядными моторами, которые по своим размерам гораздо больше.

В настоящее время во многих автомобилях среднего и люкс-класса используются V-образные двигатели. Чаще всего это 6-цилиндровые силовые агрегаты. Например, такие двигатели стоят на Volkswagen Passat, Audi A6 и Mercedes E-класса AMG.

4. Квазитурбинный двигатель

Квазидвигатель представляет собой модифицированный двигатель, основанный на роторном силовом агрегате. Если в обычном роторном двигателе задействованы три лопасти, то квазидвигатель использует цепной ротор, состоящий из четырех частей. Это беспоршневой роторный мотор с ромбовидным ротором. Преимущество двигателя: это новый тип двигателя небольшого размера, с высокой мощностью, высоким крутящим моментом, который может работать на множестве источников энергии.

В настоящий момент квазидвигатель не используется ни на одном автомобиле, поэтому невозможно проверить, подходит ли он для замены обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания или в качестве лучшей альтернативы обычным роторным моторам. Квазидвигатель все еще находится в стадии создания прототипа.

5. Роторный двигатель

Внутреннее пространство корпуса роторного двигателя всегда разделено на три рабочие камеры. Во время движения ротора объем трех рабочих камер постоянно изменяется. Двигатель также имеет четыре такта: впуск, сжатие, сгорание и выпуск последовательно завершаются в циклоидальном цилиндре.

Роторный двигатель сильно отличается от обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Себестоимость производства роторных моторов существенно больше, также как и их последующее обслуживание и ремонт. Кроме того поршневой двигатель по сравнению с роторным эффективней с точки зрения мощности, веса, выбросов и энергопотребления.

В сочетании с этим, а также в связи со странности технологий роторного двигателя, крупные автомобильные компании пришли к выводу, что использование роторных силовых агрегатов в автопромышленности бессмысленно. Так как роторные моторы не показали своих преимуществ перед обычными, у автомобильных компаний не появилось энтузиазма по их дальнейшей разработке. Только компания Mazda до сих пор тратит огромные деньги на разработку новых поколений роторных моторов.

6. Двигатель Green Steam

Green Steam – эффективный, экономичный и простой двигатель, разработанный изобретателем Робертом Грином из Лагуна Вудс, Калифорния, США. Этот мотор преобразует избыточное тепло в водяной пар, который и приводит в движение силовой агрегат. Легкий и компактный двигатель Green Steam преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное. Его основной характеристикой является гибкий вал, который передает возвратно-поступательное движение от поршней к кривошипу «Z», таким образом, совершая вращательное движение, не используя запястья, шатуны или коленчатые валы.

Этот мотор может использоваться для воздушных насосов, генераторов, водяных насосов, воздуходувок горячего воздуха, аппаратов дистилляции воды, тепловых насосов, кондиционеров, модельных самолетов и т. д.

Одним из наиболее уникальных преимуществ двигателя является его способность генерировать энергию из тепла двигателей. По существу, отработанное тепло выхлопных газов от двигателя транспортного средства может быть преобразовано в энергию, используемую для некоторых систем охлаждения и насосов транспортного средства. Этот двигатель повысит уровень эффективности любого транспортного средства или системы машины, на которой он установлен.

7. Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга относится к типам силовых агрегатов внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменении давления. Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянном сжатии рабочего цилиндра, в результате чего происходит нагревание его внутренней части, а затем охлаждение. Из-за перепада давления из цилиндра извлекается энергия, образуемая при изменении давления. Обычно в качестве рабочего тела используется водород или гелий. Но чаще в таких моторах используется воздух.

Двигатели Стирлинга отлично подходят для преобразования тепла в электроэнергию. Например, многие специалисты считают, что эти моторы подходят для солнечных электрических установок.

То есть это идеальные силовые агрегаты для преобразования солнечной энергии в электричество.

8. Радиальный двигатель (звездообразный)

Звездообразный двигатель представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором цилиндры расположены вокруг коленчатого вала. Один поршень соединен с коленвалом через главный шатун. Остальные поршни прикреплены через шатуны к кольцам главного ведущего шатуна.

Двигатель преимущественно создан для использования в самолетах. До появления реактивных двигателей в большинстве поршневых авиационных двигателей использовались подобные звездообразные конструкции силовых агрегатов. Эти моторы, как правило, устанавливались на самолеты небольшой дальности. Остальные самолетные моторы имели V-образную форму.

Некоторые современные легкие самолеты до сих пор оснащаются радиальными моторами.

Ряд компаний продолжает строить радиальные системы сегодня. Например, вот современный авиационный радиальный 9-цилиндровый двигатель Веденеев мощностью 360–450 л. с., который в настоящий момент используется на самолетах Яковлева и Сухого.

Электродвигатели

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является – электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, – датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
3. Вентильный электродвигатель постоянного тока – электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

• КДПТ – коллекторный двигатель постоянного тока
• БДПТ – бесколлекторный двигатель постоянного тока
• ЭП – электрический преобразователь
• ДПР – датчик положения ротора
• ВРД – вентильный реактивный двигатель
• АДКР – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• АДФР – асинхронный двигатель с фазным ротором
• СДОВ – синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина – вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина – вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) – векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном – номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент – момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя – это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность – физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t – время, с

Работа – скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

Для вращательного движения

,

• где – угол, рад,

,

• где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя – характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ – подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ – полезная мощность (механическая), Вт

При этом потери в электродвигатели обусловлены:
• электрическими потерями – в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями – потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями – потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями – потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

• где n – частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции – скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
• m – масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• где – угловое ускорение, с -2 [2]

,

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) – напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени – это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Параметр	АДКР	СДПМП	СДПМВ	СРД-ПМ	СДОВ
Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей
Момент к току статора
Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне	АДКР – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором СДПМП – синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов СДПМВ – синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами СРД-ПМ – синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (синхронный гибридный двигатель) СДОВ – синхронный двигатель с обмоткой возбуждения В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7]. Области применения электродвигателей Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6]. Оценка статьи: (пока оценок нет) Загрузка... Сохранить себе в: Первичные двигатели Ссылка на основную публикацию