Система дистанційного навчання НУ «ЗАПОРІЗЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Метою викладання навчальної дисципліни «Вступ до будівельної справи»  є введення студентів в коло питань, пов’язаних з їх майбутньою професією, навчити їх орієнтуватися в комплексі задач, притаманних сучасній інженерній справі, дати загальне уявлення про будівництво як важливу галузь економіки України та спрямувати увагу майбутніх фахівців на системний зв’язок наукових дисциплін в формуванні інженера-будівельника.

Ректорська контрольна робота (РКР) з дисципліни «Технології програмування» розроблена викладачами кафедри ІТЕЗ для бакалаврів спеціальності 151 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології» освітньої програми «Автоматизація, мехатроніка та робототехніка». Вона дає можливість перевірити знання, уміння та навички студентів випускних курсів з зазначеної дисципліни і оцінити рівень підготовки випускників та її якість.

Ректорська контрольна робота (РКР) з дисципліни «Фізичні основи електронних приладів» розроблена викладачами кафедри ІТЕЗ для бакалаврів спеціальності 172 «Телекомунікації та радіотехніка» освітньої програми «Радіоелектронні апарати та засоби». Вона дає можливість перевірити знання, уміння та навички студентів випускних курсів з зазначеної дисципліни і оцінити рівень підготовки випускників та її якість.

Предметом вивчення  навчальної дисципліни є методики проведення наукових досліджень та математичні методи, що застосовуються при їх проведенні.

  Метою викладання навчальної дисципліни “Методологія наукових досліджень” є оволодіння теоретичними основами та практичними методиками наукових досліджень, набуття практичних навичок у проведенні інноваційних робіт, прогнозуванні, обробки експериментальних даних.

 Основними завданнями вивчення дисципліни “Методологія наукових досліджень” є формування розуміння ролі досліджень у справі підвищення якості автоматизованих мехатронних та робототехнічних систем, знання методів та методик їх проведення, оволодіння математичним інструментарієм обробки результатів досліджень.

На вивчення навчальної дисципліни відводиться 120 годин 4 кредитів ЄКТС.

Мета викладання дисципліни  формування  у студентів загальних та фахових компетентностей, необхідних для  професійної діяльності, поглиблення їх теоретичної бази та вироблення навичок письмового перекладу текстів машинобудівної галузі з подальшим перекладацьким аналізом і редагуванням. Ця мета досягається шляхом поетапного рішення задач з формування, закріплення й розвитку окремих вмінь та навичок з урахуванням особливостей другої іноземної мови (мовна компетенція рівня В-2).

Дисципліна «Техніка письмового перекладу текстів машинобудівної галузі» має за мету також формування знань та вмінь, пов’язаних як з власне перекладацькою діяльністю, так і з супровідними професійними навичками: роботою зі словниками та довідковою літературою, оформленням документації у відповідності з вимогами замовника, принципами організації праці та поведінки перекладача, професійною етикою, професійною та загальнокультурною самоосвітою перекладача.

Програма вивчення навчальної дисципліни «АВТОМАТИЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД» складена відповідно до освітньо-професійної програми підготовки БАКАЛАВР спеціальності 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка, освітня програма (спеціалізація) Електромеханічні системи автоматизації та електропривод
Предметом вивчення  навчальної дисципліни є типові структури електроприводів, схем і пристрої напівпровідникових перетворювачів електричної енергії, систем електроприводів, у т.ч. з мікропроцесорним керуванням.
Міждисциплінарні зв’язки:
до дисциплін, які необхідні для вивчення дисципліни АВТОМАТИЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД відносяться ВИЩА МАТЕМАТИКА, ФІЗИКА, ТОЕ, ПРИКЛАДНА МЕХАНІКА, ОМЕВ, ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ, ТАК.  У свою чергу, знання матеріалу дисципліни ОСНОВИ ЕЛЕКТРОПРИВОДА є базою при вивченні більшості фахових дисциплін бакалаврату та подальшої підготовки вищих ОКР.
Програма навчальної дисципліни складається з таких змістових модулів:
1. Загальна характеристика АЕП, основи механіки електропривода;
2. Механічні характеристики і режими роботи електродвигунів у основних схемах увімкнення;
3. Регулювання координат електроприводу;
4. Перехідні процеси у електроприводі;
5. Вибір потужності двигунів та її розрахунок;
6. Автоматичне керування електроприводами.

ПРОГРАМА АТЕСТАЦІЙНОГО ІСПИТУ

СПЕЦІАЛЬНІСТЬ 053 «ПСИХОЛОГІЯ»

Атестаційний іспит є однією з форм державної атестації магістрів зі спе-ціальності 053 «Психологія». Програма атестаційного іспиту складається з наступних розділів - «Теоретико-методологічні проблеми сучасної психології», «Кризова психологія». Програма відображає основні вимоги до знань і вмінь фахівців, що встановлені освітнім стандартом підготовки магістрів зі спеціальності 053 «Психологія».

Для оцінки знань здобувачів на державному іспиті фаховою атестаційною комісією розроблені тестові завдання, які дозволяють встановити рівень сформованості компетентностей, необхідних для засвоєння змісту навчання за спеціальністю 053 «Психологія» ступеня «магістр».

Фаховий іспит проводиться дистанційно із використанням інформаційного сервісу «Система дистанційного навчання» НУ «Запорізька політехніка». При проведенні в дистанційному форматі обов'язковою є процедура візуальної ідентифікації вступника, здійснюється відеофіксація іспиту.

При підготовці завдань атестаційна комісія виділила такі основні розділи з переліком тем:

1. Теоретико-методологічні проблеми сучасної психології:

-      Теорія та методологія в науці.

-      Наука та наукове знання.

-      Специфіка методології в психології.

-      Основні теоретичні підходи в психології.

-      Парадигми та дихотомії в психології

-      Конкретно науковий рівень методології в психології.

-      Принципи наукової психології.

-      Категорія відображення в психології.

-      Категорія діяльності в психології.

-      Мотивація як базова категорія психології.

-      Проблема особистості в психології.

-      Спілкування яка базова категорія в психології.

-      Закони та проблеми в психології.

-      Співвідношення соціологічного та психологічного в соціальній психології.

2. Кризова психологія:

-       Поняття "життєва криза".

-      Нормативна (нормальна) криза: характеристика, приклади.

-      Ненормативна криза: характеристика, приклади.

-      Термінальні (невідворотні) кризи.

-      Кризи самореалізації.

-      Розподіл криз за діяльнісним критерієм.

-      Типи ставлення до кризової ситуації.

-      Причини ненормативних криз.

-      Конструктивні та деструктивні способи виходу з кризи.

-      Стадії життєвої кризи людини.

-      Кризове консультування: характеристика та специфіка.

-      Психологічна інтервенція (поняття, сутність, види, методи).

-      Психологічна травма.

Список рекомендованої літератури

1.              Булах І.С. Психологія життєвих криз особистості. Курс лекцій : навчальний посібник: Національний педагогічний університет імені М.П. Драгоманова. Вінниця, ТОВ «Нілан-ЛТД», 2015.110 с.

2.              Бушуєва Т.В. Основи наукових психологічних досліджень. Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. Ніжин: Видавець ПП Лисенко М.М., Київ:, 2017. 244 с.

3.              Гапон Н. П. Теоретико-методологічні проблеми психології: навч. посібник. Львів : ЛНУ імені Івана Франка, 2021. 180 с.

4.              Калюжна Є.М. Теоретико-методологічні проблеми психології: навчальний посібник. Київ: ІПК ДСЗУ, 2019. 136 с.

5.              Кризові стани в сучасних умовах: діагностика, корекція та профілактика : навч. посіб. / під ред. Л. М. Юр'євої. Київ : Галерея Принт, 2017. 174 с. URL: http://files.znu.edu.ua/files/Bibliobooks/Inshi71/0051492.pdf.

6.              Особистість у кризових ситуаціях: огляд сучасних психодіагностичних методик : навч. посіб. / авт. кол.: Н. О. Євдокимова, В. Л. Зливков, С. О. Лукомська, О. В. Федан. Миколаїв : Іліон, 2016. 342 с.

7.              Рибалка В.В. Методологічні проблеми наукової психології: посібник. Київ: Талком, 2017. 245 с.

8.              Сватенкова Т.І., Тимошенко О.А. Методологічні та теоретичні проблеми психології: навч. посіб. Ніжин: НДУ ім. М. Гоголя, 2018.143 с.

9.              Теоретико-методологічні проблеми психології: лекційний курс та інструктивно-методичні матеріали: навчально-методичний посібник для здобувачів другого (магістерського) рівня спеціальності 053 «Психологія» / укладачі О.Г. Солодухова, О.А. Резнікова. Слов’янськ: ДВНЗ ДДПУ, 2016. 138 с.

10.          Ушакова І.М. Теоретико-методологічні проблеми психології: курс лекцій. Харків: НУЦЗУ, 2016. 191 с.

11.          Черезова І.О. Психологія життєвих криз особистості : навчальний посібник [для студентів вищих навчальних закладів]. Бердянськ, БДПУ, 2016. 193 с.

Для студентів груп ІФз-213, ІФз-213сп, ІФз-513, ІФз-513сп

Мета навчальної дисципліни 

Надання здобувачам вищої освіти цілісної та логічно-послідовної системи теоретичних знань з договірного права, положень норм Конституції та законів України у галузі договірного права, що регламентує порядок укладання, виконання та припинення господарських договорів різних видів, вироблення вміння тлумачити та правильно застосовувати правові норми в професійній діяльності, а також формування у них високого рівня правової свідомості та правової культури.

Завдання навчальної дисципліни 

- розвинення правового мислення здобувачів вищої освіти, оволодіння ними систематизованими теоретичними знаннями з договірного права України;

- вміння самостійно готувати та аналізувати зміст різних видів договорів і правильно їх застосовувати в конкретних ситуаціях господарської діяльності;

- вміння грамотно оцінювати юридичні факти та вільно орієнтуватися в сучасному  правовому полі України;

- вміння застосовувати відповідні правові норми щодо притягнення до юридичної відповідальності суб'єктів договірних відносин за порушення умов договору;

- формування правової свідомості та культури, відповідальності за результати прийнятих управлінських рішень.

Загальні компетентності

ЗК 5. Здатність діяти на основі етичних міркувань (мотивів).

ЗК 6. Здатність генерувати нові ідеї (креативність).

ЗК 7. Здатність до абстрактного мислення, аналізу та синтезу.

Очікуванні програмні результати навчання: 

6. Мати навички прийняття, обґрунтування та забезпечення реалізації управлінських рішень в непередбачуваних умовах, враховуючи вимоги чинного законодавства, етичні міркування та соціальну відповідальність.

7. Організовувати та здійснювати ефективні комунікації всередині колективу, з представниками різних професійних груп та в міжнародному контексті.

Тема: Дослідження та випробування ТС Мз-313м - Михайло Сидоренко

Время: 21 окт. 2023 08:30 AM Киев

Войти Zoom Конференция

https://us05web.zoom.us/j/86885416502?pwd=xayRHsiIxbrP1mayaJqneQmCaez1en.1

Идентификатор конференции: 868 8541 6502

Код доступа: 9FvSdf

Метою вивчення навчальної дисципліни «Експериментальної психології» є ознайомлення студентів із теоретичними основами експериментальної психології. Студенти мають виявити уміння здійснювати психологічне експериментальне дослідження, опираючись на основні і додаткові методи дослідження, оволодіти плануванням експерименту, кваліфікованою інтерпретацією їх результатів у конкретних дослідницьких завданнях, засвоїти правила оформлення дослідницьких звітів.

Мета та завдання навчальної дисципліни

Надання здобувачам вищої освіти цілісної та логічно-послідовної системи наукових знань щодо придбання, використання (споживання) товарів і послуг, про положення чинного законодавства України у сфері захисту прав споживачів, що регулює відносини між споживачами товарів, робіт і послуг та виробниками і продавцями товарів, виконавцями робіт і надавачами послуг різних форм власності, а також формування у них високого рівня правової свідомості і правової культури та готовність брати відповідальність за результати прийнятих управлінських рішень.

Завдання навчальної дисципліни

- розвинення правового мислення здобувачів вищої освіти, оволодіння ними систематизованими теоретичними знаннями у сфері захисту прав споживачів;

- вміння самостійно аналізувати національне законодавство у сфері захисту прав споживачів і застосовувати в професійній діяльності;

- вміння грамотно оцінювати юридичні факти та вільно орієнтуватися в сучасному правовому полі України;

- вміння застосовувати відповідні правові норми щодо притягнення до юридичної відповідальності суб’єктів господарювання за порушення законодавства про захист прав споживачів;

- виховання високого рівня правової свідомості, поважного ставлення до Конституції та законів України;

- формування правової культури та відповідальності за результати прийнятих управлінських рішень.

Загальні компетентності

ЗК 5. Здатність діяти на основі етичних міркувань (мотивів).

ЗК 6. Здатність генерувати нові ідеї (креативність).

ЗК 7. Здатність до абстрактного мислення, аналізу та синтезу.

Очікуванні програмні результати навчання: 

6. Мати навички прийняття, обґрунтування та забезпечення реалізації управлінських рішень в непередбачуваних умовах, враховуючи вимоги чинного законодавства, етичні міркування та соціальну відповідальність.

7. Організовувати та здійснювати ефективні комунікації всередині колективу, з представниками різних професійних груп та в міжнародному контексті.

Знання англійської мови – один з факторів вдалого працевлаштування спеціалістів сфери готельно-ресторанної справи, це запорука кар’єрного зросту та можливостей, адже плідне спілкування з іноземними клієнтами ресторанних та готельних закладів є шляхом розвитку економічних процесів. Навчальна дисципліна «Іноземна мова в галузі» має на меті формування у студентів навичок та компетенцій:

ЗК 3 – Здатність вчитися і оволодівати сучасними знаннями.

ЗК 5 – Здатність працювати в команді

ЗК 7 – Цінування та повага різноманітності та мультикультурності.

ЗК 10 – Здатність застосовувати знання у практичних ситуаціях.

ЗК 11 – Здатність спілкуватися іноземною мовою.

Cпеціальні компетенції:

СК 4 – Здатність формувати та реалізовувати ефективні зовнішні та внутрішні комунікації на підприємствах сфери гостинності, навички взаємодії

СК 15 – Здатність до співпраці з іноземними партнерами та клієнтами, забезпечувати їх безпеку, впроваджувати інноваційні проекти в бізнес

Pезультати навчання:

ПРН 3 – Вільно спілкуватися з професійних питань державною та іноземною мовами усно і письмово

РПН 8 – Застосовувати навички продуктивного спілкування зі споживачами готельних та ресторанних послуг

ПРН –16 Виконувати самостійно завдання, розв’язувати задачі і проблеми, застосовувати їх в різних професійних ситуаціях та відповідати за результати своєї діяльності.

ПРН 17 – Аргументовано відстоювати свої погляди у розв’язанні професійних завдань при організації ефективних комунікацій зі споживачами та суб’єктами готельного та ресторанного бізнесу.

ПРН 19 – Діяти у відповідності з принципами соціальної відповідальності та громадянської свідомості

ПРН 20 – Розуміти вимоги до професійної діяльності у сфері готельно-ресторанної справи, зумовлені необхідністю забезпечення сталого розвитку України, її зміцнення як демократичної, соціальної, правової держави

ПРН 24 – Розробляти проекти підприємств санаторно-курортних, готельно-ресторанних закладів з удосконалення асортименту і якості послуг у відповідності запитам споживачів з урахуванням задач і проблем розвитку індустрії гостинності в межах певного регіону, в тому числі і з іноземними партнерами та клієнтами.

4. Мета та завдання вивчення навчальної дисципліни

Мета формування і розвиток у студентів знань і практичних навичок, спрямованих на професійне спілкування іноземною мовою (англійською) в готельно-ресторанній галузі, збагачення мовного і культурного світогляду майбутнього фахівця. Формування і розвиток лінгвістичних знань готельно-ресторанної сфери включає надання екстралінгвістичної інформації, тобто ознайомлення студентів із історичною, країнознавчою, побутовою, та культурологічною тематикою.

Завдання: засвоєння фонетичного, лексичного і граматичного матеріалу, термінології в межах тем галузі готельно-ресторанного бізнесу; оволодіння вмінням функціонально застосовувати іноземну мову в ситуаціях професійного спілкування; формування навичок усного та письмового мовлення іноземною мовою за професійно-орієнтованими темами галузі.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

 Національний  університет «Запорізька політехніка»

       Кафедра        Автомобілі, теплові двигуни та гібрідні енергетичні установки.

“ЗАТВЕРДЖУЮ”

Декан ____________Кузькін О.Ф.

“______”_______________2024 року

 Конспект лекцій з  НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

« Історія створення теплових двигунів та енергетичних установок»

Спеціальність 133 Галузеве машинобудування___________     

(шифр і назва спеціальності)

спеціалізація  Двигуни внутрішнього згорання_

(назва спеціальності)

            спеціальність __133 Галузеве машинобудування         

                                                                          (код і найменування спеціальності)

   галузь знань __13 Механічна інженерія

(код і найменування галузі)

   ступінь вищої освіти _ Перший (бакалаврський) рівень

(назва ступеня вищої освіти)

2024 рік

для студентів спеціальністі 133 «Галузеве машинобудування» (спеціальністю «Двигуни внутрішнього згорання»). – 14 серпня 2024 року. – 101 с.

Розробники: (вказати авторів, їхні посади, наукові ступені та вчені звання)

Слинько Віра Василівна, старший викладач кафедри «АТД та ГЕУ».

 погоджений:

В.О.Завідувач кафедри     « АТД та ГЕУ»                                          О.М.Артюх  

 (і’мя прізвище                                                                на якій виконується освітній компонент _______________               2024__

Гарант освітньої програми                                                 доц. Євсєєва Н .О.    ________________     (і’мя  прізвище)    

______________2024__

Схвалено науково-методичною комісією ____________________________ факультету «Транспортний»

(найменування  факультету)

Протокол від  «____» ________________20______ року № ___

Голова науково-методичної комісії                              Кузькін О.Ф.  ________________ (і’мя прізвище)

_______________2024__

2024 рік

Конспект лекцій з дисципліни « Історія створення теплових двигунів та гібрідних установок»

Змістовий модуль 1. Історія створення та розвитку

теплових та електричних двигунів.

Тема 1. Вступ. Вступ. Галузі використання двигунів. Основні напрямки розвитку двигунів, як джерел енергії. Основні поняття, пов’язані з роботою теплових двигунів.

ДВЗ – це двигун. Усі двигуни перетворюють якусь енергію на роботу. Двигуни бувають різні - електричні, гідравлічні, теплові тощо, залежно від того, який вид енергії вони перетворюють на роботу. ДВЗ, двигун внутрішнього згоряння, це тепловий двигун, у якому в роботу перетворюється теплота палива, що згорає у робочій камері.

І газотурбінний двигун літака, і реактивний двигун ракети, і поршневий двигун автомобіля – це все ДВЗ. Але зазвичай під ДВЗ розуміють саме поршневий двигун. У поршневому ДВЗ сила тиску газів, що виникає під час згоряння палива в робочій камері, впливає на поршень, який здійснює зворотно-поступальний рух у циліндрі двигуна.

Але це дуже спрощений погляд на ДВЗ. Насправді в ДВЗ зосереджені найскладніші фізичні явища, розумінню яких присвятили себе багато видатних учених.

Щоб ДВЗ працював, у його циліндрі, змінюючи один одного, відбуваються такі процеси, як подача повітря, упорскування і розпилення палива, його змішання з повітрям, займання суміші, що утворилася, поширення полум'я, видалення відпрацьованих газів. На кожен процес відводиться кілька тисячних часток секунди. Додайте до цього процеси, які протікають у системах ДВЗ: теплообмін, перебіг газів та рідин, тертя та знос, хімічні процеси нейтралізації відпрацьованих газів, механічні та теплові навантаження. Це далеко не повний список.

І кожен із процесів має бути організований найкращим чином. Адже з якості процесів, що протікають в ДВЗ, складається якість двигуна в цілому - його потужність, економічність, шумність, токсичність, надійність, вартість, вага і розміри.

Жодна сфера діяльності незрівнянна з поршневими ДВЗ за масштабами, кількістю людей, зайнятих у розробці, виробництві та експлуатації.

           У розвинених країнах діяльність чверті цивільного населення прямо чи опосередковано пов'язані з поршневим двигунобудуванням. Двигунобудування, як виключно наукомістка область, визначає та стимулює розвиток науки та освіти.   Загальна потужність поршневих двигунів внутрішнього згоряння становить 80-85% потужності всіх енергоустановок світової енергетики. На автомобільному, залізничному, водному транспорті, сільському господарстві, будівництві, засобах малої механізації, інших областей, поршневий ДВЗ як джерело енергії немає альтернативи. Світове   виробництво тільки автомобільних двигунів безперервно збільшується, перевищивши 90 мільйонів одиниць на рік. Кількість малорозмірних двигунів, що виробляються у світі, також перевищує десятки мільйонів на рік. Навіть в авіації поршневі двигуни домінують за сумарною потужністю, кількістю моделей та модифікацій та кількістю встановлених на літаки двигунів. У світі експлуатується кілька сотень тисяч літаків із поршневими ДВЗ (бізнес-класу, спортивних, безпілотних тощо). У США частку поршневих двигунів припадає близько 70% потужності всіх двигунів, встановлених на цивільних літальних апаратах.

ДВЗ невичерпний. Ще не одне покоління вчених та конструкторів досліджуватиме та вдосконалюватиме його. Ще дуже довго ДВЗ даватиме роботу тим, хто його виробляє, експлуатує, обслуговує та продає. Чому? Тому що людям завжди будуть потрібні машини, які здійснюють за них механічну роботу. ДВЗ добре виконує цю функцію.

    Чи довго? Наука та техніка розвиваються стрімко. Але в результаті їхнього розвитку альтернатив ДВЗ не виникло, а тільки зріс ступінь його досконалості.

 ДВЗ «ховали» неодноразово. У різний час на зміну йому пророкували електродвигуни на акумуляторах, паливні елементи на водні та багато іншого. ДВЗ незмінно перемагав у конкурентній боротьбі. І навіть проблема вичерпання запасів нафти та газу – це не проблема ДВЗ.

 Існує необмежене джерело палива для ДВЗ. Це мільярди тонн рослинної маси Землі, і навіть відходи діяльності. З них можна виробляти спирти та гази, при переході на які ДВЗ тільки виграє, стане більш економічним, надійним, дешевим і практично нешкідливим для природи.

Сутність поняття енергії, енергетики її роль у розвитку суспільства

Енергія є основою життя на Землі. Рослини поглинають сонячну енергію в процесі фотосинтезу; тварини споживають цю енергію непрямим шляхом, поїдаючи рослини та інших тварин. Людина споживає сонячну енергію різними шляхами, в тому числі і з їжею. Ще в давнину людина навчилася переробляти енергію Сонця шляхом спалювання біологічної матерії (наприклад, деревини або гною). І в даний час мільйони людей використовують ці важливі джерела енергії для приготування їжі або обігріву житла – перших життєвих потреб людини.

Що ж таке «енергія»?  Цей термін походить від грецького ενεργός, що в перекладі означає «діяльний». Отже, енергія  пов’язана з дією, зі здатністю тіла виконувати роботу та/або отримувати теплоту.

Трохи складніше визначення енергії прийняте у світі науки: «це загальна кількісна міра різних форм руху матерії». Але не тільки рух породжує енергію: вона існує в безлічі форм. В ході хімічної реакції вивільняється хімічна енергія, а при розпаді атомів  –  ядерна. Є й інші форми енергії – електрична, гравітаційна, сонячна тощо. Так за законом перетворення та збереження енергії: енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може лише переходити з одної форми в іншу.                        2

Цілі епохи в історії людства називали «на честь» використовуваної форми енергії. Так час парових двигунів (від другої половини 18-го століття до кінця 19-го століття) називали «століттям пари». А 20-те століття називали «століттям електрики», а також «століттям атома».

Енергія – це абстрактне поняття, яке запроваджене фізиками, щоб описувати єдиними термінами явища, пов’язані з теплотою і роботою. Це виявилося дуже зручно, і тепер енергія є фундаментальним поняттям не тільки природних наук, а й усіх сфер життя.

Виробництвом, перетворенням і використанням різних форм енергії займається галузь народного господарства, яку називають енергетикою. Відповідно, галузь енергетики, в якій одержання, перетворення, транспортування і використання теплової енергії відбуваються за рахунок спалювання органічного палива, називають теплоенергетикою. Гідроенергетика займається перетворенням гідроенергії на електричну енергію. Відкриття способів використання енергії атомного ядра створило нову галузь енергетики – атомну або ядерну енергетику. Питаннями використання енергії вітру займається вітроенергетика, а енергетичні технології, що базуються на використанні енергії Сонця, належать до геліоенергетики.

Сьогодні, без сумніву, основною економічною проблемою у світі є енергетична криза. Соціально-економічний розвиток кожної країни, зокрема України, залежить від теперішнього і майбутнього стану її енергетики.

Електроенергетика є найважливішою галуззю економіки будь-якої країни, оскільки її продукція (електрична енергія) відноситься до універсального виду енергії. Її легко можна передавати на значні відстані, ділити на велику кількість споживачів. Без електричної енергії неможливо здійснити багато технологічні процеси, як неможливо уявити наше  повсякденне життя без опалення, освітлення, охолодження, транспорту, телевізора, холодильника, пральної машини, пилососа, праски, використання сучасних засобів зв'язку (телефон, телеграф, телефакс, ЕОМ), які також споживають електроенергію.

Однією зі специфічних особливостей електроенергетики є те, що її продукція на відміну від інших галузей промисловості не може накопичуватися в запас на складі для подальшого споживання. У кожен момент часу її виробництво має відповідати її споживанню.

Класифікація енергоресурсів

Різноманіття форм існування енергії та властивість їхнього взаємоперетворення дозволяє використовувати для виробництва і споживання енергії різні енергоресурси.

За останні 200 років відбулися закономірні зміни у системі джерел енергії у розвинених країнах. Доки одні спалювали ліси, другі навчилися видобувати і використовувати викопне вугілля. Треті у боротьбі за ринок енергопослуг освоїли нафту, четверті – спорудили гідроелектростанції. З середини XX ст. розпочалося використання ядерної енергії.

Цікава обставина: Північна півкуля значно багатша на викопне паливо, ніж Південна (там і досі не знайдено жодного великого нафтового родовища). Причиною є те, що в момент накопичення органіки у прадавніх болотах тропіки розташовувалися в Європі, Сибіру, США і Канаді, їм і належить левова частка вугілля, нафти і газу.

Енергетичні ресурси (джерела енергії) – це речовини, в яких зосереджено енергію, придатну для практичного використання.

Енергоресурси поділяють на первинні (ПЕР) і вторинні (ВЕР).

Первинні енергоресурси – це природні ресурси, які не піддавали переробці і перетворенню: сира нафта, природний газ, вугілля, горючі сланці, вітер тощо.

 Вторинні енергоресурси є побічними продуктами діяльності людини: це відхідні гази, конденсат, гаряча вода, доменний та коксівний гази, газметан дегазації вугільних родовищ тощо.

Протягом ХХ століття основним джерелом теплоти було органічне паливо. Д. І. Менделєєв визначив паливо як «горючу речовину, яку навмисно спалюють для одержання теплоти».

 Паливо буває тверде, рідке і газоподібне. Зазвичай паливом називають ті речовини, які дають вагому кількість теплоти: дерево, вугілля (є кілька його різновидів), природний газ та продукти нафтопереробки.

Головні напрямки розвитку ДВЗ.

ДВЗ широко застосовуються у всіх галузях народного господарства і ще довгий час будуть залишатись основним джерелом механічної енергії різноманітних енергетичних установок. Тому подальше вдосконалення конструкцій ДВЗ, спрямоване на покращення їх різноманітних параметрів, є важливою інженерною задачею. ДВЗ є частковим випадком теплових двигунів.

Класична конструкція ДВЗ автотракторного типу — циклічний тепловий двигун, що, як відомо, є одним з його недоліків. Разом з тим, саме циклічний принцип здійснення робочого процесу дозволяє реалізувати в ДВЗ можливість застосування високих температур і тисків робочих газів, що навіть до теперішнього часу не реалізовані в інших типах теплових двигунів.

Використання ж робочого тіла з високими температурою і тиском зумовлює і достатньо високу економічність цих двигунів. Розвиток конструкцій ДВЗ на сучасному етапі відбувається в умовах поступового зменшення світових запасів нафти та впровадження жорсткіших і жорсткіших вимог до екологічних показників двигунів: токсичності, рівню шуму, вібраціям. Це зумовлює виникнення ускладнень при вирішенні задач, спрямованих на покращення технічних характеристик ДВЗ. Не дивлячись на те, що вже багато зроблено для підвищення індикаторного ККД ДВЗ, вони мають ще великі резерви, що криються в організації більш швидкого і повного згоряння, а також, в основному, за рахунок зменшення втрат теплоти. Особливо ефективним є зменшення втрат теплоти підчас згоряння та на початку розширення. У зв’язку з цим отримують розповсюдження теплоізолюючі покриття поверхонь деталей камери згоряння. За звичай, у ДВЗ до 30% теплоти, що вводиться з паливом, відводиться у довкілля. Використання навіть частини цієї теплоти для здійснення роботи може суттєво покращити показники економічності ДВЗ. Тому є цілком актуальним створення адіабатного двигуна, тобто такого, що не мав би теплообміну з навколишнім середовищем через систему охолодження.

Із збільшенням питомої потужності ДВЗ зростає циклова подача палива і розширюється діапазон її зміни при переході з режиму холостого ходу до режиму повної потужності, що ускладнює організацію процесу паливоподачі карбюратором і звичайною форсункою. Тому широко проводяться пошукові роботи по покращенню цього процесу і створенню досконаліших систем паливоподачі.

Найбільш перспективним напрямком підвищення економічності ДВЗ є створення двигуна, що міг би працювати на збіднених сумішах. Однак це, в свою чергу, призводить до зменшення швидкостей перебігу реакцій, а отже, й до зменшення швидкостей тепловиділення, що збільшує втрати теплоти.

Тому для уникнення таких явищ процеси згоряння намагаються інтенсифікувати за рахунок розшарування суміші, або ж створенням інтенсивної дрібномасштабної турбулентної пульсації в заряді. Крім того, широкого розповсюдження набувають  системи впорскування палива з електронним управлінням. Такі системи, залежно від способу впорскування, дають чітке зменшення витрати палива на 5¸10%, у порівнянні із звичайними системами (карбюраторами і механічним регулюванням впорскування дизпалива). В свою чергу, такі системи дають змогу забезпечити прийнятний рівень токсичності відпрацьованих газів, спростити системи подальшої нейтралізації їх шкідливих компонентів.

Для покращення економічності ДВЗ автотракторного типу в умовах експлуатації все ширше набуває розповсюдження метод відключення частини циліндрів. А для зменшення механічних втрат, все більше уваги приділяється вдосконаленню конструкції допоміжних приладів і агрегатів, вимиканню їх з роботи на окремих режимах. Наприклад, на окремих режимах роботи двигуна можна вимикати водяний насос і вентилятор.

Одним із важливих напрямків розвитку конструкцій ДВЗ є розширення асортименту палив для них. Тому інтенсивно ведуться роботи по використанню палив широкого фракційного складу, важких нафтопродуктів. В свою чергу, для збільшення виходу світлих моторних палив, зростає і глибина переробки нафти. Широко проводяться роботи по заміні традиційних палив нафтового походження альтернативними: метиловим і етиловим спиртами; природним і супутнім газами; оліями (льоновою, ріпаковою); біогазом; воднем.

Дослідження роботи ДВЗ на спиртових і сумішевих (до 15%) паливах виявили ряд проблем, пов’язаних із фізико-хімічними властивостями цих палив, а також намітили шляхи їх вирішення. Одним із перспективних напрямків розвитку ДВЗ є застосування синтетичних палив.

Уже існують технології, що дозволяють у промислових масштабах виробляти бензини і дизпаливо з природного газу та спиртів. Крім того, введення до складу молекул цих палив кисню, або модифікаторів на основі оксидів деяких металів, дасть змогу суттєво покращити енергетичні і екологічні показники ДВЗ.

До перспективних видів палива все частіше відносять водень. Застосування водню в якості палива для ДВЗ дозволило б отримати практично необмежене джерело енергії. Організація робочого процесу в ДВЗ при роботі на водні не викликає особливих складнощів. Основні ж — пов’язані лише з отриманням і зберіганням водню. Так, зокрема, для отримання водню в кількості, що еквівалентна одній тепловій одиниці, витрачається приблизно три теплових одиниці. Зберігання водню в стисненому стані вимагає застосування балонів великих об’ємів і маси. Це являється неприйнятним для транспортних ДВЗ. Застосування ж спеціальних резервуарів для утримання водню у зрідженому стані — посудин Дюара — стримується їх високою складністю та вартістю системи в цілому. Проводяться широкі дослідження по застосуванню конверсії палива у спеціальних регенераторах. Застосування конверсійних регенераторів дозволяє покращити економічність та токсичність ДВЗ, розширити асортимент палив, що можуть застосовуватись. Під час конверсії в регенераторі, паливо перетворюється на синтезгаз, склад якого залежить від прийнятої схеми конверсії.

З(три ) горючих компонентів до його складу входять наступні: 50¸60% Н2 (водород) , до 22% СО (углекислій газ), і невелика кількість вуглеводнів, типу СН4(метан ) і С2Н4(етилен ). Синтез-газ подається в камеру згоряння двигунів. Це покращує якість сумішоутворення і ефективність процесу згоряння, що, в свою чергу, призводить до покращення економічності. В карбюраторних двигунах додавання синтез-газу дозволяє працювати їм з коефіцієнтами надлишку повітря до a=2,5¸3. Поряд із вдосконаленням ДВЗ класичної схеми широко проводяться дослідницькі роботи по створенню двигунів інших схем і типів: газотурбінних, роторних, парових, Стірлінга, комбінованих.

Тема 2. Перші парові установки. Винаходи Герона з Александрії. Історія зародження парових машин. Перші промислові парові машини. Універсальна парова машина Джеймса Уатта. Двигун Стірлінга.

Герон Олександрійський (ін.-грец. Ἥρων ὁ Ἀλεξανδρεύς) - грецький математик і механік.

Час життя віднесено до другої половини I століття н. е. на тій підставі, що він наводить як приклад місячне затемнення 13 березня 62 р. н. е. Подробиці його життя невідомі.

Герона відносять до найбільших інженерів за історію людства. Він першим винайшов автоматичні двері, автоматичний театр ляльок, автомат для продажу, скорострільний арбалет, що самозаряджається, парову турбіну, автоматичні декорації, прилад для вимірювання протяжності доріг (давній одометр) та ін. Першим почав створювати програмовані пристрої: вал зі штирьками з намотаною на нього мотузкою .[3]

Займався геометрією, механікою, гідростатикою, оптикою. Основні твори: «Метрика», «Пневматика», «Автоматопоетика», «Механіка» (твір зберігся повністю в арабському перекладі), «Катоптрика» (наука про дзеркала; збереглася тільки в латинському перекладі) та ін. Герона «Про діоптр», у якому викладено правила земельної зйомки, фактично засновані на використанні прямокутних координат. Герон використав досягнення своїх попередників: Евкліда, Архімеда, Стратона з Лампсака.

Багато його книг безповоротно втрачені (свитки містилися в Олександрійській бібліотеці). Одна з копій його книг, зроблена XVI столітті, міститься в Оксфордському Університеті.

У середні віки багато хто з його винаходів був відкинутий, забутий або не представляв практичного інтересу.

Накопичення нових практичних знань у XVI–XVII століттях викликало нечувані злети людської думки. Водяні та вітряні колеса обертають верстати, приводять в рух ковальські міхи, допомагають металургам піднімати руду із шахт; тобто там, де руки людини не можуть впоратися з важкою роботою, на допомогу їм приходить енергія води і вітру. Основні досягнення техніки того часу завдячують не стільки вченим і науці, скільки клопіткій праці майстерних винахідників. Досягнення в техніці гірничої справи, у видобутку різноманітних руд і корисних копалин були особливо великі. Потрібно було підняти видобуту руду або вугілля із шахти, весь час відкачувати ґрунтові води, що заливали розробку, постійно подавати в шахту повітря і ще безліч найрізноманітніших трудомістких робіт було потрібно для того, щоб не зупинявся  видобуток. Таким чином, промисловість, що розвивалася, владно вимагала все більше і більше енергії, а її могли надати у ті часи в основному водяні колеса. Їх вже навчилися будувати достатньо потужними. У зв'язку із зростанням потужності коліс все ширше став застосовуватися метал для валів і деяких інших деталей. У Франції на річці Сені у 1682 р. майстром Р. Салемом під керівництвом А. де Віля була споруджена найбільша для того часу установка, що складалася з 13 коліс діаметром 8 м. Вона служила для приводу більше 200 насосів, які подавали воду на висоту понад 160 м і забезпечували водою фонтани у Версалі та Марлі. На перших бавовняних фабриках застосовувався гідравлічний двигун. Машини прядильні Аркрайта із самого початку приводилися в рух водою. Проте водяні колеса можливо було встановлювати лише на річці, бажано повноводній і швидкій. І якщо текстильну або металообробну фабрику ще можна було побудувати на березі ріки, то поклади руди або вугільні пласти потрібно було розробляти тільки в місцях залягання. А для відкачування підземних вод, що заливають шахту, і піднімання видобутої руди або вугілля на поверхню теж була потрібна енергія. Тому на шахтах, віддалених від річок, доводилося використовувати тільки силу тварин.

Власник однієї англійської шахти у 1702 році для приведення в дію насосів, які відкачували воду із шахти, був вимушений тримати 500 коней, що було дуже невигідно.

Вугільні шахти в Англії з пристроями на паровій тязі (біля 1790 р.)

Промисловості, що розвивалася, були потрібні потужні двигуни нового типу, які дозволяли б створювати виробництво в будь-якому місці. Першим поштовхом до створення нових двигунів, здатних працювати в будь-якому місці незалежно від того, чи є поряд річка чи ні, стала саме потреба в насосах і підйомниках в металургії і гірничій справі.

Здатність пари виконувати механічну роботу давно була відома людині. Перші сліди дійсно розумного застосування пари в механіці згадуються у 1545 р. в Іспанії, коли флотський капітан Бласко де Ґарай сконструював машину, за допомогою якої приводив в рух бічні гребні колеса корабля і яка за наказом Карла V вперше була випробувана в Барселонській гавані при перевезенні 4000 центнерів вантажу кораблем на три морські милі за дві години. Винахідник був винагороджений, але сама машина залишилася без застосування і була забута.

Наприкінці XVII століття в країнах з найбільш розвинутим мануфактурним виробництвом зароджуються елементи нової машинної техніки з використанням властивостей і сили водяної пари.

Ранні спроби створення теплового двигуна були пов'язані з необхідністю відкачування води із шахт, де видобувалося паливо. У 1698 році англієць Томас Севері, колишній рудокоп, а потім капітан торгового флоту, вперше запропонував відкачувати воду за допомогою парового водопідйомника. Патент, отриманий Севері, свідчив: «Цей новий винахід з підйому води і одержання руху для всіх видів виробництва за допомо гою рушійної сили вогню має велике значен ня для осушення рудників, водопостачання міст і виробництва рушійної сили для фабрик всіх видів, які не можуть використовувати водяну силу або постійну роботу вітру». Водопідйомник Севері працював за принципом засмоктування води за рахунок атмосферного тиску в камеру, де створювалося розрідження при конденсації пари холодною водою. Парові машини Севері були надто неекономічними і незручними в експлуатації, їх не можна було пристосувати для приведення в дію верстатів, вони споживали величезну кількість палива, коефіцієнт корисної дії їх не був вищим 0,3%. Однак потреба у відкачуванні води з шахт була настільки велика, що навіть ці громіздкі парові машини типу насосу набули певного поширення.

Томас Ньюкомен (1663–1729) – англійський винахідник, коваль за професією. Спільно із лудильником Дж. Коулі побудував паровий насос, досліди з вдосконалення якого продовжувалися близько 10 років, поки той не почав справно працювати. Парова машина Ньюкомена не була універсальним двигуном. Заслуга Ньюкомена в тому, що він одним із перших реалізував ідею використання пари для отримання механічної роботи. Його ім'я носить Товариство істориків техніки Великобританії. У 1711 році Ньюкомен, Коулі та Севері створили «Компанію власників прав на винахід установки для підйому води за допомогою вогню». Поки ці винахідники були власниками патенту на «використання сили вогню», вся їх робота з виготовлення парових машин здійснювалася в найсуворішому секреті. Швед Трівальд, що займався наладкою машин Ньюкомена, писав: «... винахідники Ньюкомен і Коулі були вельми підозріливі та обережні в тому, щоб зберегти за собою і своїми дітьми таємницю спорудження і застосування свого винаходу. Іспанський посланник при англійському дворі, який приїхав із Лондона з великим почтом іноземців подивитися на новий винахід, не був навіть допущений в приміщення, в якому знаходилися машини». Але у 20-ті роки XVIII століття дія патенту закінчилася і виготовленням водопідіймальних установок зайнялися багато інженерів. З'явилася література, в якій описувалися ці установки.
Процес розповсюдження універсальних парових машин в Англії до початку XIX ст. підтверджує величезне значення нового винаходу. Якщо за десятиліття з 1775 до 1785 рр. було побудовано 66 машин подвійної дії загальною потужністю 1288 к.с., то з 1785 до 1795 рр. було створено вже 144 машини подвійної дії загальною потужністю 2009 к.с., а за наступне п'ятиліття – з 1795 до 1800 рр. – 79 машин загальною потужністю 1296 к.с.

Мал. 4.1. Парова водопідіймальна установка Ньюкомена – Коулі

Фактично застосування в промисловості парової машини почалося із 1710 року, коли англійські робітники Ньюкомен і Коулі вперше побудували парову машину, яка приводила в дію насос, встановлений в шахті для викачування з неї води.

Однак машина Ньюкомена не була паровою машиною в сучасному розумінні цього слова, оскільки рушійною силою в ній, як і раніше, була не водяна пара, а атмосферний тиск повітря. Тому цю машину називали «атмосферною». Хоча в машині водяна пара служила, як і в машині Севері, в основному для створення розрідження в циліндрі, тут вже був запропонований рухомий поршень – головна деталь сучасної парової машини.

На мал. 4.1 показаний паровий водопідйомник Ньюкомена–Коулі. При опусканні насосної штанги 1 і ваги 2 поршень 4 підіймався, і в циліндр 5 через відкритий кран 7 із котла 8 надходила пара, тиск якої трохи перевищував атмосферний. Пара служила для часткового підйому поршня в циліндрі, відкритому зверху, але головна її роль полягала у створенні в ньому розрідження. З цією метою, коли поршень машини досягав свого верхнього положення, кран 7 закривався, і з місткості 3 через кран 6 в циліндр впорскувалася холодна вода. Водяна пара швидко конденсувалася, і атмосферний тиск повертав поршень в низ циліндра, виконуючи підйом насосної штанги. Із циліндра випускався конденсат трубкою 9, поршень знову підіймався завдяки подачі пари, і описаний вище процес повторювався. Машина Ньюкомена – це двигун періодичної дії.

Парова машина Ньюкомена була більш досконалою за машину Севері, більш простою в експлуатації, більш економічною та продуктивною. Однак машини перших випусків працювали дуже неекономічно, для створення потужності в одну кінську силу за годину спалювалося до 25 кг кам'яного вугілля, тобто коефіцієнт корисної дії становив близько 0,5%. Введення автоматичного розподілу потоків пари і води спростило обслуговування машини, час ходу поршня знизився до 12–16 хвилин, що зменшило габарити машини і здешевило конструкцію. Незважаючи на високу витрату палива, такого виду машини швидко набули великого поширення. Вже у двадцяті роки XVIII століття ці машини працювали не тільки в Англії, але і в багатьох країнах Європи – в Австрії, Бельгії, Франції, Угорщині, Швеції, застосовувалися майже століття в кам'яновугільній промисловості та для подачі води в міста. Про поширеність машин Ньюкомена свідчить той факт, що остання в Англії машина такого типу була демонтована тільки у 1934 році.

Машини Ньюкомена, чудово працюючи як водопідіймальні пристрої, ніяк не могли задовольнити виниклу настійну потребу в універсальному двигуні. Вони тільки підготували ґрунт для створення універсальних парових двигунів безперервної дії.

Іван Іванович Ползунов (1728–1766) – талановитий винахідник, який народився в сім'ї солдата. У 1742 р. механіку заводу Микиті Бахареву були потрібні кмітливі учні. Вибір впав на чотирнадцятирічних І. Ползунова і С. Черемісінова, які ще вчилися в Арифметичній школі. Теоретичне навчання у школі поступилося місцем практичному ознайомленню з роботою найсучасніших машин і установок. У 1748 р. Ползунов був переведений для роботи на Коливано-Воскресенських заводах. Після самостійного вивчення книг з металургії і мінералогії в квітні 1763 року Ползуновим був запропонований проект абсолютно оригінальної парової машини, яка відрізнялася від всіх відомих на той час машин тим, що була призначена для приведення в дію повітродувних міхів і була агрегатом безперервної дії. У своїй доповідній записці про «вогнедіючу машину» від 26 квітня 1763 р. Ползунов, за власними його словами, хотів «...сложением огненной машины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять». І далі він писав: « Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большо го познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести». Надалі винахідник мріяв пристосувати машину і для інших потреб.

На початковому етапі розвитку парових машин необхідно виділити «вогненну машину» гірничого майстра Ползунова. Двигун призначався для приведення в дію механізмів однієї з плавильних печей заводу.

Мал. 4.2. Схема теплового двигуна І.І. Ползунова (за проектом 1763 р.)За проектом Ползунова (мал. 4.2) пара з котла (1) подавалася в один, скажімо, лівий циліндр (2), де піднімала поршень (3) до крайнього верхнього положення. Потім із резервуару в циліндр впорскувався струмінь холодної води (4), що спричиняло конденсацію пари. У результаті тиску атмосфери на поршень він опускався, тоді як в правому циліндрі в результаті тиску пари поршень підіймався. Водопаророзподілення в машині Ползунова здійснювалося спеціальним автоматичним пристроєм (5). Безперервне робоче зусилля від поршнів машини передавалося на шків (6), насаджений на вал, з якого рух передавався водопаророзподільному пристрою, живильному насосу, а також робочому валу, від якого приводилися в рух повітродувні міхи.

Двигун Ползунова відносився до типу «атмосферних», але в ньому винахідник вперше ввів підсумовування роботи двох циліндрів з поршнями на один загальний вал, чим забезпечив більш рівномірний хід двигуна. Коли один з циліндрів знаходився на холостому ходу, в іншого був хід робочий. Двигун мав автоматичне паророзподілення і вперше не був безпосередньо пов'язаний з робочою машиною. І.І. Ползунов створював свою машину в надзвичайно скрутних умовах, своїми руками, не маючи необхідних засобів і спеціальних верстатів. У його розпорядженні не було умілих майстрів: керівництво заводу відрядило до Ползунова чотирьох учнів і виділило двох відставних робітників. Сокира та інші нехитрі інструменти, що застосовувалися при виготовленні звичайних тоді машин, тут були мало придатні. Ползунову довелося самостійно конструювати і споруджувати нове устаткування для свого винаходу. Будівництво великої машини, висотою близько 11 метрів, відразу з листа, не випробуваної навіть на моделі, без фахівців, потребувало величезної напруги сил. Машина була побудована, але 27 травня 1766 року І. І. Ползунов помер від швидкоплинних сухот, не доживши тижня до випробувань «великої машини». Сама ж машина, випробувана учнями Ползунова, яка не тільки окупила себе, але й принесла прибуток, пропрацювала 2 місяці, подальшого удосконалення не отримала і після поломки була покинута і забута. Після двигуна Ползунова пройшло півстоліття, перш ніж  почали застосовувати

парові машини.

Джеймс Уатт (1736–1819)
(з картини художника Карла фон Бреда, 1792)Джеймс Уатт – англійський винахідник, творець універсальної парової машини, член Лондонського королівського товариства – народився у місті Грінок у Шотландії. З 1757 року працював механіком в університеті в Глазго, де познайомився з властивостями водяної пари і провів дослідження залежності температури насиченої пари від тиску. У 1763–1764 рр., налагоджуючи модель парової машини Ньюкомена, запропонував скоротити витрату пари відділенням конденсатора пари від циліндра. З того часу починаються його роботи з удосконалення парових машин, дослідження властивостей пари, спорудження нових машин і т.п., які продовжувалися все його життя. На пам'ятнику Уатту у Вестмінстерському абатстві висічено напис: «... застосувавши до удосконалення парової машини силу творчого генія, розширив продуктивність своєї країни, збільшив владу людини над природою і зайняв видатне місце серед людей науки, які найбільш прославилися, та істинних добродійників людства». У пошуках засобів для спорудження свого двигуна Уатт став мріяти про вигідну роботу за межами Англії. На початку 70-х років він заявив друзям, що «йому набридла вітчизна», і серйозно повів розмови про переїзд до Росії. Російський уряд запропонував англійському інженеру «заняття, згідне з його смаком і пізнаннями» і з щорічною платнею в 1000 фунтів стерлінгів. Від'їзду Уатта до Росії перешкодив контракт, який він уклав у 1772 р. з капіталістом Болтоном, власником машинобудівного підприємства в м. Сохо поблизу Бірмінгема. Болтон давно знав про винахід нової, «вогненної», машини, але коливався субсидувати її спорудження, сумніваючись в практичній цінності машини. Укласти договір з Уаттом він поквапився лише тоді, коли виникла реальна загроза від'їзду винахідника до Росії. Договір, який з'єднав Уатта з Болтоном, виявився вельми дієвим. Болтон показав себе розумною і далекоглядною людиною. Він не поскупився на витрати на спорудження машини. Болтон зрозумів, що геній Уатта, звільнений від дріб'язкової, виснажливої турботи про шматок хліба, розвернеться на повну потужність і збагатить заповзятливого капіталіста. Крім того, сам Болтон був значним інженером-механіком. Технічні ідеї Уатта захопили і його. Завод в Сохо славився першокласним на ті часи устаткуванням, мав кваліфіковані робочі кадри. Тому Уатт із захопленням прийняв пропозицію Болтона налагодити на заводі виробництво парових машин нової конструкції. З початку 70-х років і до кінця свого життя Уатт залишався головним механіком заводу. На заводі в Сохо в кінці 1774 р. була побудована перша машина подвійної дії.

Машина Ньюкомена була сильно вдосконалена за століття свого існування, але залишалася «атмосферною» і не відповідала потребам техніки мануфактурного виробництва, яка швидко розвивалася і вимагала організації обертального руху з великою швидкістю.

Пошуки багатьох винахідників були направлені на досягнення поставленої мети. Тільки в одній Англії за останню чверть ХVIII століття було видано понад десяток патентів на універсальні двигуни самих різних систем. Однак тільки Джеймсу Уатту вдалося запропонувати промисловості універсальну парову машину.

Уатт почав свою роботу над паровою машиною майже одночасно з Ползуновим, але в різних умовах. В Англії в цей час бурхливо розвивалася промисловість. Уатт активно був підтриманий Болтоном, власником декількох заводів в Англії, який став згодом його компаньйоном, парламентом, мав можливість використовувати висококваліфіковані інженерні кадри. У 1769 році Уатт запатентував паровий двигун з окремим конденсатором, а потім – застосування в двигуні надмірного тиску пари, що значно знижувало витрати палива. Уатт став по справедливості творцем парової поршневої машини.

На мал. 4.3, а наведена схема однієї з перших парових машин Уатта, а на мал. 4.3, б – її загальний вигляд. Паровий котел 1 з поршневим циліндром 3 пов'язаний паропроводом 2, яким пара періодично впускається у верхню над поршнем 4 і в нижню під поршнем порожнини циліндра. Ці порожнини з'єднані з конденсатором трубою 5, де відпрацьована пара конденсується холодною водою і створюється розрідження. Машина має балансир 6, який зв'язує за допомогою шатуна 7 поршень з мотилем валу, на кінці якого насаджений маховик 8.

Мал. 4.3, а. Універсальний паровий двигун УаттаУ машині вперше застосований принцип подвійної дії пари, який полягає в тому, що свіжа пара впускається в циліндр машини по черзі в камери з обох боків поршня. Запровадження Уаттом принципу розширення пари полягало в тому, що свіжа пара впускалася в циліндр тільки на частини ходу поршня, потім пара відсікалася, а подальший рух поршня здійснювався за рахунок розширення пари і падіння його тиску.

Таким чином, в машині Уатта вирішальною рушійною силою став не атмосферний тиск, а пружність пари підвищеного тиску, що приводить в рух поршень. Новий принцип роботи пари вимагав повної зміни в будові машини, особливо циліндра і паророзподілення. Для усунення конденсації пари в циліндрі Уатт вперше ввів парову сорочку циліндра, за допомогою якої він став обігрівати його робочі стінки парою, а зовнішню сторону парової сорочки заізолював. Оскільки Уатт для створення рівномірного обертального руху не міг в своїй машині застосувати шатунно-кривошипний механізм (на таку передачу був узятий охоронний патент французьким винахідником Пікаром), то у 1781 р. він узяв патент на п'ять способів перетворення коливального руху в безперервно-обертальний. Спочатку для цієї мети він застосовував планетарне, або сонячне, колесо. Нарешті, Уатт ввів відцентровий регулятор швидкості для зміни кількості подачі пари в циліндр машини при зміні кількості обертів. Таким чином, Уатт в своїй паровій машині заклав основні принципи будови і роботи сучасної парової машини.

Мал. 4.3, б. Парова машина Уатта (загальний вигляд)

 Мал. 4.5. Локомотив Паффі Біллі, побудований у 1814 р. для перевезення вугілля рейками

Парові машини Уатта працювали на насиченій парі низького тиску 0,2–0,3 МПа, при невеликій кількості обертів за хвилину. Парові машини, змінені таким чином, дали чудові результати, знизивши у декілька разів витрату вугілля на к.с./год (кінську силу за годину) в порівнянні з машинами Ньюкомена, і витіснили водяне колесо з гірничорудної промисловості. У середині 80-х років XVIII ст. конструкція парової машини була остаточно розроблена, і парова машина подвійної дії стала універсальним тепловим двигуном, який набув широкого застосування майже у всіх галузях господарства багатьох країн. У XIX столітті поширення набувають шахтні підйомні паросилові установки, паросилові повітродувки, прокатні паросилові установки, парові молоти, парові насоси і т.п.

Подальше збільшення к.к.д. паросилової установки було досягнуте сучасником Уатта Артуром Вольфом в Англії шляхом введення багатократного розширення пари послідовно в 2, 3 і навіть у 4 прийоми, при цьому пара переходила з одного циліндра машини в інший.

Відмова від балансера і використання багатократного розширення пари привели до створення нових конструктивних форм машин. Двигуни двократного розширення почали оформлюватися у вигляді двох циліндрів – циліндра високого тиску (ЦВТ) і циліндра низького тиску (ЦНТ), куди надходила відпрацьована пара після ЦВТ. Циліндри розташовувалися або горизонтально (компаунд-машина, мал. 4.4, а), або послідовно, коли обидва поршні посаджено на загальний шток (тандем-машина, мал. 4.4, б).

Великого значення для підвищення к.к.д. парових машин набуло використання в середині XIX століття перегрітої пари з температурою до 350 °C, що дозволило знизити витрату палива до 4,5 кг на 1 к.с./год. Застосування перегрітої пари було вперше запропоновано французьким вченим Ґ.А. Ґірном.

Мал. 4.4. Схема розташування циліндрів і валу компаунд машини (а) и тандем машини (б)

Високий тиск пари для парових машин вперше застосував Олівер Еванс в Америці. Це привело до зниження витрати палива ще до 3 кг на 1 к.с./год. Пізніше конструктори паровозів почали застосовувати багатоциліндрові парові машини, пару надмірного тиску, пристрій для реверсування.

Джордж Стефенсон (1781–1848) народився в робочій сім'ї, працював на вугільних копальнях Ньюкасла, де працювали також його батько і дід. Він багато займався самоосвітою, вивчав фізику, механіку та інші науки, цікавився винахідницькою діяльністю. Видатні здібності Стефенсона привели його на посаду механіка, а у 1823 р. він був призначений головним інженером компанії з будівництва першої залізниці загального користування Стоктон–Дарлінґтон; це відкрило перед ним великі можливості конструкторської, винахідницької роботи. 

 Мал. 4.6. Зовнішній вигляд паровозів, що використовували для приводу парову машину:
а – паровоз Стефенсона «Ракета»; б – локомотив Стефенсона на рейковій дорозі;

 Перші паровози були побудовані механіками і винахідниками Черепановими – Юхимом Олексійовичем (батьком, 1774–1842) і Мироном Юхимовичем (сином, 1803–1849), що працювали на Нижньотагільських заводах і були кріпосними заводчиків Демідових. Черепанови шляхом самоосвіти стали освіченими людьми, вони відвідували заводи Англії і Швеції. За винахідницьку діяльність Мирону Черепанову і його дружині у 1833 р. була дана вільна. Юхиму Черепанову і його дружині вільна була дана у 1836 р. Черепанови створили близько 20 різних парових машин, що працювали на Нижньотагільських заводах.

 Мал. 4.6. Зовнішній вигляд паровозів, що використовували для приводу парову машину:
в – модель паровоза Черепанових; г – Тагільська залізна дорога з паровозом Черепанових

У XVIII ст. виникло цілком зрозуміле прагнення використовувати парову машину на наземному і водному транспорті. У розвитку парових машин самостійний напрям становили локомотиви – пересувні паросилові установки. Перша установка такого типу була розроблена англійським будівельником Джоном Смітом. Фактично розвиток парового транспорту почався з установки в жаротрубних котлах димогарних труб, що значно підвищило їх паропродуктивність.

Було зроблено чимало спроб розробки парових локомотивів – паровозів, були побудовані діючі моделі (мал. 4.5, 4.6). З них виділяється побудований талановитим англійським винахідником Джорджем Стефенсоном у 1825 р. паровоз «Ракета» (див. мал. 4.6, а, б).

«Ракета» була не першим паровозом, сконструйованим і збудованим Стефенсоном, але цей перевершував інші за багатьма показниками і був визнаний кращим локомотивом на спеціальній виставці в Рейхіллі й рекомендований для нової залізниці Ліверпуль–Манчестер, яка стала у той час зразковою. У 1823 р. Стефенсон організував перший паровозобудівний завод в м. Ньюкаслі. У 1829 році в Англії був організований конкурс на кращий паровоз, переможцем якого була визнана машина Дж. Стефенсона. Його паровоз «Ракета»), розроблений на основі димогарного котла, при масі потягу 17 т розвивав швидкість 21 км/год. Пізніше швидкість «Ракети» була збільшена до 45 км/год.

Залізниці почали відігравати у XVIII ст. величезну роль.

У 1834 році батько і син Черепанови побудували перший паровоз (мал. 4.6, в), що перевозив вантаж масою 3,5 т зі швидкістю 15 км/год. Наступні їх паровози перевозили вантаж масою 17 т.

Перше парове судно «Клермонт» винахідника Фултона на Гудзоні (17.08.1807)

Спроби використати парову машину у водному транспорті робилися з початку XVIII ст. Відомо, наприклад, що французький фізик Д.Папен (1647–1714) побудував човен, що приводився в рух паровою машиною. Правда, успіхів в цій справі Папен не досяг.

Задачу вирішив американський винахідник Роберт Фултон (1765–1815), який народився в м. Літл-Брітон (тепер м. Фултон) в штаті Пенсільванія. Цікаво відзначити, що перші великі успіхи в створенні парових машин для промисловості, залізничного і водного транспорту випадали на долю талановитих людей, які оволоділи знаннями шляхом самоосвіти. У цьому відношенні не був винятком і Фултон, що став згодом інженером-механіком. Фултон, який походив з небагатої сім'ї, спочатку багато займався самоосвітою. Він жив в Англії, де займався будівництвом гідротехнічних споруд і вирішенням ряду інших технічних задач. Знаходячись у Франції (в Парижі), він побудував підводний човен «Наутілус» і парове судно, яке було випробуване на річці Сені. Але все це було тільки початком.

Справжній успіх прийшов до Фултона у 1807 р.: повернувшись до Америки, він побудував колісний пароплав «Клермонт» вантажопідйомністю 15 т, що приводився в рух за допомогою парової машини потужністю 20 к.с., який в серпні 1807 р. виконав перший рейс від Нью-Йорка до Олбані довжиною близько 280 км.

Подальший розвиток пароплавства, як річкового, так і морського, пішов досить швидко. Цьому сприяв перехід від дерев'яних до сталевих конструкцій суден, зростання потужності та швидкохідності парових машин, введення гребного гвинта і низка інших чинників.

З винаходом парової машини людина навчилася перетворювати в рух, в роботу енергію, сконцентровану в паливі. Парова машина – один з дуже небагатьох в історії винаходів, який різко змінив картину світу, революціонізував промисловість, транспорт, дав імпульс новому зльоту наукового знання. Вона була універсальним двигуном промисловості й транспорту протягом всього XIX століття, але її можливості вже не відповідали вимогам до двигунів, які виникли у зв'язку з будівництвом електростанцій і застосуванням механізмів з високими швидкостями наприкінці XIX століття.
Мал. 4.7. Парова турбіна Д. Бранка: 1 – паровий котел; 2 – довга труба (сопло); 3 – колесо машини; 4 – вал колеса; 5 – система зубчатих передач; 6 – товчільний механізм

На технічну арену як новий тепловий двигун замість тихохідної парової машини виходить швидкохідна турбіна з більш високим к.к.д.

Роберт Стірлінг і його двигун

Стирлинг родился в Клог Фарме недалеко від Метвена, Шотландія. Він був  третьою дитиною у семьі, а всего дітей было вісімь. Від батька  він унаслідував інтерес до конструювання техніки, але вивчав богословіе и став священником Шотландской Церкви в містечку Лайф Кирк в 1816 році.

У 1819 році Стірлінг одружився з Джиною Ренкін. У них було семеро дітей, двоє з них: Патрік Стірлінг і Джеймс Стірлінг стали інженерами з паровозобудування.

Стірлінг помер в Галстоні, Шотландія в 1878 році.

Стірлінг був дуже стурбований травматизмом робітників, що працюють в його приході з паровими двигунами. Ці двигуни часто вибухали через низьку якість металу, з якого вони виготовлялися. Більш міцного матеріалу в ті роки не існувало. Стірлінг вирішив удосконалити конструкцію теплового двигуна зробивши його більш безпечним.

Стірлінг придумав пристрій, який він назвав «економ тепла» (зараз такий пристрій називають регенератором або теплообмінником). Цей пристрій служить для підвищення теплової ефективності різних процесів. Стірлінг отримав патент на двигун з «економом тепла» в 1816 році. Двигун Стірлінга не може вибухнути, тому що працює при більш низькому тиску, ніж парова машина, і не може заподіяти опіки паром. У 1818 він побудував  перший практичний варіант свого двигуна і використовував його в насосі для відкачування води з кар'єру.

Теоретичних основ роботи двигуна Стірлінга - цикл Стірлінга - не існувало до тих пір, поки не з'явилися роботи Саді Карно. Карно розробив і опублікував в 1825 році загальну теорію роботи теплових двигунів - Цикл Карно, з якої цикл Стірлінга будується аналогічним чином.

Надалі Стірлінг разом зі своїм братом Джеймсом отримав ще кілька патентів на удосконалення повітряного двигуна. А в 1840 році Джеймс побудував великий повітряний двигун для приводу всіх механізмів у своїй ливарній компанії.

Тема 3. Короткі історичні зведення про створення

парових і газових турбін, реактивних двигунів

Парова турбіна Лаваля. Газові турбіни. Реактивні

двигуни. Конструктивні особливості парових і газових

турбін а також реактивних двигунів.

З винаходом парової машини людина навчилася перетворювати в рух, в роботу енергію, сконцентровану в паливі. Парова машина – один з дуже небагатьох в історії винаходів, який різко змінив картину світу, революціонізував промисловість, транспорт, дав імпульс новому зльоту наукового знання. Вона була універсальним двигуном промисловості й транспорту протягом всього XIX століття, але її можливості вже не відповідали вимогам до двигунів, які виникли у зв'язку з будівництвом електростанцій і застосуванням механізмів з високими швидкостями наприкінці XIX століття.
На технічну арену як новий тепловий двигун замість тихохідної парової машини виходить швидкохідна турбіна з більш високим к.к.д.

Еволюція парових турбін та їх основні типи

Парова турбіна – основний силовий технологічний вузол електричної станції, в якому внутрішня енергія пари, запасена при його генеруванні, перетворюється в механічну енергію обертання ротора. На відміну від парової машини, яка здійснює безпосереднє перетворення внутрішньої енергії пари в роботу рухомого поршня з використанням сил пружності пари, парова турбіна за допомогою соплових лопаток спочатку перетворює внутрішню енергію пари в кінетичну енергію потоку робочого тіла, а потім вже останню – в механічну енергію ротора,що обертається. Термін «турбіна» походить від французького слова «turbine», яке виникло із латинського «turbo» – вихор, обертання з великою швидкістю, вперше використаного Героном Олександрійським при описі принципу руху «еоліпіла».

Створення парової турбіни вимагало глибокого знання фізичних властивостей пари і законів її витоку. Необхідно було закінчити формулювання законів термодинаміки і знайти нові інженерні рішення для здійснення роботи з використанням теплових властивостей води і водяної пари. Виготовлення турбіни стало можливим при достатньо високому рівні розвитку технологій роботи з металами, оскільки необхідна точність отримання окремих частин і міцність елементів повинні були бути суттєво більш високими, ніж у випадку парової машини.

Словацький інженер і вчений-теплотехнік Аурель Стодола відмітив цілий ряд переваг парової турбіни перед двигунами внутрішнього згорання і паровими машинами. До цих переваг відносяться: мале число рухомих деталей, відсутність будь-яких контактних ущільнень і складностей, пов’язаних із забезпеченням їх надійної роботи (системи змащування, проблеми, пов’язані зі стиранням, і т.д.), малий об’єм виробничих приміщень, необхідних для розміщення обладнання, переваги в регулюванні, відносно малі витрати на ремонт. Сьогодні стала очевидною ще одна безперечна перевага – величезна, сягаюча сьогодні півтора мільйона кіловат, одинична потужність, яка просто недосяжна ні в двигунах внутрішнього згорання, ні в парових машинах.

Патент на перший паротурбінний двигун отримав американський морський інженер, адмірал Бенжамін Франклін Ізервуд (1822–1915) в 1857 році. Після виконаних в 1870 році інженерних розробок декілька таких паротурбінних установок на базі одноступеневої турбіни були розміщені на воєнних фрегатах і дозволили забезпечити їх відносно велику швидкість (до 33 км/год). Але ці ПТУ(паро турбіні установки  ) виявились надто складними в виготовленні й не більш ефективними (к.к.д. 6–8%), ніж парові машини. У 1883–1885 роках вперше примітивні парові турбіни були використані й на лісопильнях в східній частині США для приводу дискових пил.

Аурель Стодола (1859–1942) в 1887 році закінчив Будапештський політехнічний інститут, в 1881 році – Вищу технічну школу в Цюріху. З 1892 по 1929 рр. – професор кафедри машинобудування в цьому навчальному закладі. Його основні роботи присвячені автоматичному регулюванню, конструюванню і розрахункам на міцність деталей парових і газових турбін. Дуже цікаву характеристику дав А. Стодолі Альберт Ейнштейн: «Якби Стодола народився в епоху Ренесанса, він був би великим художником або скульптором, тому що головною властивістю його особистості є сила фантазії й творчості. У ХІХ столітті схожі натури частіше всього звертались до техніки. Тут, у техніці, знайшла своє вираження наукова сила століття, тут пристрасна жага прекрасного знаходила шляхи відтворення, перевершуючи все, що могла б запропонувати людина, не знайома з цією областю. Могутній порив Стодоли не остигав впродовж багатьох років викладацької діяльності й перейшов до учнів – їх очі світяться, коли мова заходить про вчителя. Друга сильна сторона Стодоли – невгамовна цікавість й рідкісна ясність наукового мислення».

Створення сучасних парових турбін пов’язано з іменами видатних інженерів ХІХ століття: шведом Г. Лавалем і англійцем Ч. Парсонсом.

Головна заслуга Лаваля полягає в тому, що він зумів створити основні елементи турбіни, довести їх до ідеальності та з’єднати в працездатну конструкцію, яка в багатьох відношеннях на десятиліття випереджала свій час. Якщо порівняти сучасну одноступеневу активну турбіну з її прабабусею, створеною Лавалем (мал. 3.2), то вразить їх схожість. Виходить, що за більш ніж 100-літній період удосконалення в одній із найдинамічніших областей техніки форми сопел, лопаток, диску турбіни зазнали загалом незначних змін. Це, мабуть, безпрецедентний випадок в історії техніки. Причому схожість не тільки зовнішня. Порівняно мало покращились й характеристики турбіни. Наприклад, Лаваль довів колову швидкість турбіни майже до 400 м/с. Сучасні активні турбіни рідко працюють при більш високих швидкостях, але ж колова швидкість – показник, пов'язаний з міцністю конструкції.
Мал. 3.2. Схема одноступеневої активної турбіни Лаваля: 1 – вал; 2 – диск; 3 – робочі лопатки; 4 – соплова решітка; 5 – корпус; 6–випускний патрубок

Карл Густав Патрік де Лаваль
Цікавою особливістю творчості Лаваля (1845–1913) можна вважати його «голий емпіризм»: він створював цілком дієздатні конструкції, теорію яких пізніше розробляли інші. Так, теорією гнучкого валу згодом глибоко займався словацький вчений А. Стодола. Він же систематизував основні питання розрахунку на міцність турбінних дисків рівного опору. Саме відсутність хорошої теорії парових турбін не дозволила Лавалю досягти великих успіхів, до того ж він був людиною захопливою і легко переключався з однієї теми на іншу. Зневажаючи фінансовою стороною справи, цей талановитий експериментатор, не встигнувши реалізувати черговий винахід, швидко холонув до нього, захопившись новою ідеєю.

Іншого роду людиною був англійський інженер Чарльз Алджернон Парсонс (1854–1931). В його багатоступеневій реактивній турбіні (мал. 3.3) розширення пари відбувалось в декількох ступенях соплових (нерухомих) і робочих (обертових) решіток. Завдяки цьому стала можлива робота машини зі значно меншими, ніж в турбіні Лаваля, швидкостями пари на виході із соплових решіток і з меншими коловими швидкостями робочих лопаток.

Ця турбіна призначалась для роботи разом з електричним генератором. Таким чином, вже з першого кроку Парсонс правильно передбачив одну із найбільш перспективних областей застосування парових турбін і в подальшому йому не довелось вишукувати споживачів для свого винаходу. З метою врівноваження осьового зусилля пара підводилась до середньої частини валу турбіни, а потім протікала до його кінців. Перша парова турбіна Парсонса мала потужність всього 6 к. с. (близько 4,4 кВт) й була піддана різним випробуванням. Основні труднощі становили розробка раціональної конструкції лопаток і способів їх кріплення в роторі, а також забезпечення ущільнень. Вже у конструкції 1887 року Парсонс застосував лабіринтові ущільнення, що дозволило перейти до турбін з однонаправленим потоком пари. До 1889 року число побудованих турбін перевищило 300 одиниць і застосовувались вони переважно для приводу електричних генераторів. У турбіні, виготовленій у 1896 році, потужність досягла вже 400 кВт, а питома витрата пари доходила до 9,2 кг/кВт.

Енергетичне турбобудування розвивалось переважно в напрямку застосування пари високого тиску. Для електростанції у Мангеймі завод «Броун–Бовері» виготовив турбіну потужністю 7000 кВт при тиску пари 15,7 МПа й температурі 430°С. У паровій турбіні, побудованій для електростанції в Лангербрюгге, параметри пари були вибрані ще більш високими: тиск 22 МПа і температура 450°С. Мал. 3.3. Перша багатоступенева реактивна турбіна Ч. ПарсонсаУ США фірма GE («Дженерал електрик») у Скенектеді, обмеживши тиск 84 ат (8,2 МПа), стала енергійно нарощувати потужність одиничної установки. На початку ХХ століття були розроблені й виготовлені турбіни потужністю 500, 1000, 2500 і 10000 кВт. Спочатку ці турбіни виготовлялись у вертикальному виконанні. Але досвід експлуатації змусив фірму відмовитись від вертикальної і перейти до горизонтальної компоновки турбіни. Довгий час фірма випускала турбіни для роботи в конденсаційному режимі потужністю до 14000 кВт, а з протитиском – до 8000 кВт.

Чарльз Алджернон Парсонс
Завдяки роботам Чарльза Парсонса і його співробітників Англія по використанню парових турбін виявилась попереду всієї планети: якщо в інших країнах до парових турбін тільки приглядались, то в Об’єднаному Королівстві загальна потужність всіх побудованих в 1896 році парових турбін перевищила 40000 к. с. (29420 кВт). У 1899 році було вирішено застосувати на споруджуваній Ельберфельдській електростанції (Німеччина) дві турбіни Парсонса по 1000 кВт. Результати досліджень турбін, опубліковані в 1900 році, свідчили про безспірні переваги застосованих установок в порівнянні з традиційними «паровиками». Скоро одна із кращих на той час електротехнічних фірм «Броун–Бовері» в Бадені (Швейцарія) купила ліцензію на виробництво турбін Парсонса. Далі пропозиції про купівлю ліцензій наростали як снігова грудка: окрім німців, цікавість до турбін виявили італійці та американці (а саме компанія «Вестінгауз»). Турбіни почали виготовляти в Швейцарії, Франції, Австро-Угорщині. Якщо у 1903 році найбільша потужність турбіни складала 6500 кВт, то у 1909 році з’явились агрегати потужністю 10000 кВт, у 1915 році – 20000 кВт, а у 1917 році – 30000 кВт. У компанії «батьків-засновників» турбобудування з’явились імена француза О.Рато і американця Ч. Кертіса. Але Парсонс увійшов в історію техніки турбобудування як зірка першої величини: крім суто «турбінних» проблем, він взяв на себе (й успішно вирішив) ще й задачу впровадження нового двигуна на флоті.

  Друга північноамериканська енергомашинобудівна фірма «Вестінгауз» («Westinghoyse») у 20-ті роки ХХ століття також приступила до випуску парових турбін одиничною потужністю 30, 45 і 60 тис. кВт.

На початку тридцятих років ХХ століття в США стали до ладу великі енергетичні паротурбінні установки одиничною потужністю 160 і навіть 208 МВт.(Мега ват  ) Європейці обмежились суттєво меншими значеннями одиничної потужності промислових парових турбін. Однією із найбільших вважалась установка в Вітковицях (Чехія), обладнана двома турбінами потужністю 30 і 18 МВт (Мега ват) Частота обертання цих агрегатів була вибрана рівною 3000 об/хв, що обумовлювалось прийнятою в Європі частотою змінного струму (50 Гц). Слід відмітити, що у США парові турбіни мали частоту обертання 1800 або 3600 об/хв у зв’язку з «американською» частотою змінного струму, рівною 60 Гц.-( герц)

Жирицький Георгій Сергійович (1893–1966) – відомий вчений-турбініст, який не тільки створив фундаментальні основи інженерного навчання по турбомашинах, але й підготував багатьох інженерів, молодих вчених і викладачів. У 1911 році із золотою медаллю закінчив Київську першу гімназію, а у 1915 році – механічний факультет Київського політехнічного інституту. Г.С. Жирицький у 1918 році стає викладачем Київського політехнічного інституту і поєднує роботу інженера з навчальною діяльністю. Вже у 1925 році його затверджують у званні професора по курсу парових двигунів. Виходить з друку монографія Жирицького «Парові машини», що витримала п’ять видань. У 1926 році його призначають деканом механічного факультету й завідуючим кафедрою парових машин Київського політехнічного інституту. У 1929 році завідує кафедрою парових турбін у Вищому технічному училищі імені М. Е. Баумана, видає двохтомний підручник з парових турбін із систематичним викладенням теорії і конструкції парових турбін. Під його керівництвом в 1930–1932 рр. організована кафедра парових турбін і створений теплоенергетичний факультет в енергетичному інституті. У 1947 році Георгій Сергійович створює й беззмінно очолює до 1965 року кафедру лопаткових машин в авіаційному інституті.

В Європі на початку минулого століття паротурбобудівництвом займались фірми Лаваля (Швеція), «Броун–Бовері компанії»  (Швейцарія), AEG (Берлін, Німеччина), «Бергман» (Берлін, Німеччина), «Ешер-Віс» (Цюріх, Швейцарія), «Рато» (Франція), «Шкода» (Чехія), «Парсонс» (Англія), «Метрополітен–Вікерс» (Англія), пізніше фірми СЕМ і «GEC–Альстом» (Франція). У даний час в світі паротурбобудуванням займаються широковідомі японські фірми «Міцубісі», «Тошиба», «Хітачі», китайські фірми в Харбіні й Нанкіні, німецька фірма «Сіменс» й французька фірма «Альстом».

Шубенко-Шубін Леонід Олександрович (1907–1994) – відомий інженер, викладач, вчений-теплоенергетик, академік НАН України, засновник наукової школи з вирішення питань оптимізації процесів і конструкцій турбомашин, ініціатор створення Центрального конструкторсько-дослідницького бюро при Харківському турбінному заводі, керівник створення унікальних вітчизняних турбоагрегатів. Він виконав глибоку теоретичну проробку питань створення потужних парових, газових і спеціальних турбін, автор більше 200 друкованих наукових праць.

У 1934 році в Україні вступив до ладу Харківській турбогенераторний завод (ХТГЗ, а у даний час – ВАТ «Турбоатом») і почав виготовляти перші українські турбіни потужністю 50 і 100 МВт при частоті 1500 об/хв на параметри пари 2,85 МПа і 400°С.

Саме у цей період почався випуск турбін потужністю 50 тис. кВт – тихохідних у Харкові, швидкохідних у Петербурзі. У 1940 році ПМЗ і ХТГЗ приступили до виготовлення парових турбін потужністю 100 тис. кВт. Досвід експлуатації тихохідного агрегату ХТГЗ виявився позитивним. Загальне число годин наробітку на турбіні АК-100-29 перевищило розраховане у декілька разів.

Великим є внесок у створення і розвиток теорії турбомашин, у розробку й реалізацію проектів стаціонарних парових і газових турбоустановок видатних вченихтурбіністів Кириллова І.І., Уварова В.В. (див. підрозділ 3.6), Жирицького Г.С., Дейча М.Є., Арсенєва В.Г., Щегляєва А.В., Шубенко-Шубіна Л.А., Шнеє Я.І., Косяка Ю.Ф. та інших. Добре відомі роботи закордонних вчених Б. Еккерта, К. Баммерта, У. Хауторна, Дж. Хорлокка, В. Траупеля, Ву Чунг-Хуа й інших.

З 1946 року заводи почали випускати турбіни високого тиску на параметри пари 8,8 МПа, 500°С потужністю 25, 50 і 100 МВт при частоті 3000 об/хв. У 1952 році випускали турбіни потужністю 150 МВт на початкові параметри пари 16,6 МПа, 550°С з проміжним перегрівом до 520°С, яка у той час була найбільш потужним в Європі одновальним агрегатом.

У 1958 році випущені головні зразки турбін  типу К-200-130 і ХТГЗ типу К-150130 потужністю 200 і 150 МВт на параметри пари 12,8 МПа, 565°С, а у 1960 році – головні зразки турбін ПМЗ і ХТГЗ типу К-300-240 потужністю 300 МВт з початковими надкритичними параметрами пари 23,5 МПа, 560°С і проміжним перегрівом до 565°С.

У 1965 році на ПМЗ випущена двовальна турбіна потужністю 800 МВт, а на ХТГЗ – одновальна турбіна потужністю 500 МВт на параметри пари 23,5 МПа і 540°С з проміжним перегрівом до 540°С. Починаючи з 1969 року ПМЗ виробляє одновальні турбіни типу К-800-240 потужністю 800 МВт на ті ж параметри пари.

З 1970 року турбомоторний завод випускає теплофікаційні турбіни типу Т-250-240 потужністю 250 МВт на надкритичні параметри пари 23,5 МПа, 540°С з проміжним перегрівом до 540°С, яким немає рівних у світовому турбобудуванні.

У 1978 році ПМЗ виготовив унікальну одновальну турбіну типу К-1200-240 потужністю 1200 МВт при частоті 3000 об/хв на початкові параметри пари 23,5 МПа, 540°С з проміжним перегрівом до 540°С, яка при відключенні підігрівачів високого тиску розрахована на підвищення потужності до 1400 МВт і є найкрупнішою одновальною турбіною у світі.

Розрізняють такі основні типи турбін:

• у залежності від числа ступенів – одноступеневі (одна або декілька ступенів швидкості) й багатоступеневі;

• у залежності від числа корпусів – однокорпусні, двокорпусні (ЦВТ і ЦНТ) і багатокорпусні (ЦСВТ, ЦВТ, ЦСТ, ЦНТ), одновальні та багатовальні;

• у залежності від напрямку потоку пари – осьові, або аксіальні, турбіни, в яких пара рухається вздовж осі турбіни, і радіальні турбіни, де пара рухається перпендикулярно осі турбіни;

• за принципом дії пари – активні турбіни (в яких потенціальна енергія пари перетворюється в кінетичну тільки в нерухомих направляючих решітках, а в робочих решітках кінетична енергія пари перетворюється в механічну роботу) і реактивні турбіни (в яких розширення пари відбувається і в направляючих, і в робочих решітках кожного ступеня приблизно в однаковій степені);

• у залежності від характеру теплового процесу – конденсаційні парові турбіни, в яких вся витрата свіжої пари, за винятком відборів на регенерацію, протікаючи через проточну частину і розширюючись в ній до тиску, меншого атмосферного, надходить в конденсатор, де теплота відпрацьованої пари віддається охолоджуючій воді і корисно не використовується, і турбіни з протитиском, в яких відпрацьована пара направляється до теплових споживачів, що використовують теплоту для опалювальних або виробничих цілей; конденсаційні турбіни з регульованим відбором пари, в яких частина пари відбирається із проміжного ступеня і відводиться до теплового споживача при автоматично підтримуваному постійному тиску, а решта кількості пари продовжує працювати в наступних ступенях і направляється в конденсатор, і, нарешті, турбіни з регульованим відбором пари і протитиском, в яких частина пари відбирається при постійному тиску із проміжного ступеня, а інша частина проходить через наступні ступені й відводиться до теплового споживача при більш низькому тиску;

• за параметрами свіжої пари – турбіни середнього тиску (3,43 МПа, 435°С), турбіни підвищеного тиску (8,8 МПа, 535°С), турбіни високого тиску (12,75 МПа, 565°С) і турбіни надкритичних параметрів (23,55 МПа, 560°С);

• за використанням у промисловості – турбіни стаціонарного типу з постійним числом обертів ротора (для роботи на електричних станціях) і змінним числом обертів ротора (для приводу насосів, компресорів), а також турбіни нестаціонарного типу із змінним числом обертів ротора (судові й транспортні).

У позначенні турбін перша літера характеризує тип турбіни: К – конденсаційна, Т – конденсаційна з теплофікаційним відбором пари, П – з виробничим відбором пари для промислового споживача, ПТ – з виробничим і теплофікаційним регульованими відборами пари, Р – з протитиском, ПР – з виробничим відбором і протитиском.

Друга група (цифри) у позначенні вказує потужність турбіни, МВт (якщо дріб, то в чисельнику номінальна, а в знаменнику – максимальна потужність).

Третя група (цифри) в позначенні вказує початковий тиск пари перед стопорним клапаном турбіни, ата (кгс/см²) або МПа. Під рисою для турбін типів П, ПТ, Р і ПР вказується номінальний тиск виробничого відбору або протитиск, ата (кгс/см²) або МПа. Під номінальною потужністю розуміється найбільша потужність, яку турбіна повинна розвивати тривалий час при номінальних значеннях всіх інших основних параметрів, а максимальна потужність – це найбільша потужність, яку турбіна повинна тривало розвивати при відсутності відборів пари для зовнішніх споживачів теплоти.

Основні характеристики і параметри сучасних турбін перегрітої пари, встановлених на ТЕС в Україні Затверджені ГОСТом.

Машинний зал АЕС з паровими турбінами потужністю 500 МВт

Тема 4. Перші конструкції ДВЗ, Двигун Ленуара. Поршневі двигуни зовнішнього згоряння. Двигуни Николаса Отто. Конструктивні особливості перших двигунів внутрішнього згоряння.

Історія винайдення двигуна внутрішнього згорання

Ще в 17 столітті голландський фізик Крістіан Хагенс (Christian Huygens) почав експерименти з двигунами внутрішнього згоряння, а в 1680 році був розроблений теоретичний двигун, паливом для якого служив чорний порох. Проте до втілення в життя ідеї автора так і не дійшло.

Першим, кому вдалося створити перший в світі діючий двигун внутрішнього згоряння був  Нісефор Ньєпс (Nisefor Neps). Він народився в старовинній дворянській родині. Так само, як і старший брат Клод, він вчився в коледжі батьків-ораторіанців. Зрозуміло, що природничо-наукової освіти він там не отримав. Але й гуманітарні дисципліни він вчив, мабуть, погано, тому що завалив випускний іспит. У 23 роки він зібрався вивчати юриспруденцію, але через рік, в 1789 році спалахнула Велика французька революція. Брати Ньєпси незабаром стали офіцерами революційної армії. Віддавши справі цивільних свобод три роки, вони вийшли у відставку і оселилися в своєму маєтку. З цього часу вони присвятили себе винахідництву. Французька республіка вкрай потребувала джерел сировини та енергії. Уряд, на підтримку патріотизму, призначив великі нагороди за вирішення важливих для країни питань. Так, наприклад, величезна сума була обіцяна за вирощування рослини марени, з якої добували барвник – індиго. Брати вирощували марену, але премія їм, на жаль, не дісталася. Вони винайшли водопідйомну машину для Версаля, але Наполеон віддав замовлення великим промисловцям. Такими ж, невтішними з фінансів, стали винайдені ними способи одержання волокон і крохмалю з місцевих рослин.

Брати не впадали у відчай. У 1806 році вони представили в Національний інститут (так називалася тоді французька Академія наук) доповідь про нову машину, яка «за силою була б порівнянна з паровою, але споживала б менше палива». Брати назвали її «піреолофор». З грецької це можна перекласти як «ваблена вогненним вітром». Працювала вона на вугільному пилу, а не на бензині чи газі. Зрозуміло, що тоді не було ні газової, ні нафтопереробної промисловості. Зауважимо також, що перший двигун Дизеля теж працював на вугільному пилу, інтерес до якого як до палива відродився знову в другій половині 20 століття.

Отже, про піреолофор. Цей винахід викликав великий інтерес.

 Двом комісарам було доручено розібратися у винаході. Одним з комісарів був       Лазар Карно. Карно дав позитивний відгук, який навіть потрапив у газети. Хоча у двигуна був ряд недоробок, чимало з них не можна було усунути на той час через відсутність необхідних технологій: підпал пилу, наприклад, здійснювався при атмосферному тиску, розподіл палива всередині камери був нерівномірним, та й прилягання поршня до стінок циліндра вимагало вдосконалення . У ті часи поршень парової машини вважався підігнаним до стінок циліндра, якщо між ними насилу проходила монета (!).

Брати побудували двигун і оснастили ним в 1806 році триметровий човен, вагою 450 кг. Човен плавав вгору по річці Сені зі швидкістю вдвічі більшою від швидкості течії. Врахуйте, що свою першу невдалу спробу спуску пароплава Фултон здійснив в 1803 році, а знаменитий «Клермонт» почав плавання на рік пізніше човна Ньєпсів, в 1807 р. Брати-винахідники шукали можливості заручитися чиєюсь фінансовою підтримкою, і прийняли рішення домагатися аудієнції у Наполеона. Вони готували для демонстрації невелике судно з двоциліндровим двигуном. Але на дворі був уже 1811 рік, і Наполеон не приїхав до Ліона, де повинні були бути випробування, оскільки він готувався до походу на Росію. Ну, а після російської кампанії імператору вже було не до двигунів.

Пізніше Нісефор Ньєпс вичитав в працях хіміка Лавуазьє, що нафтові «летючі масла» дають з повітрям вибухонебезпечні суміші, і відразу оцінив цей факт. Але у Франції закінчувалася дія патенту на піреолофор (двигун), і в 1817 році старший брат Клод їде в Англію, в надії продати патент там. Розлучившись з Нісефором, Клод продовжує працювати над піреолофором самостійно, і веде свою винахідницьку думку в якусь іншу сторону. У яку – Нісефору важко зрозуміти: боячись розголошення секретів, брат нічого відкрито не розповідає в своїх листах, а лише просить без кінця грошей і обіцяє, що ось-ось буде результат. І вже пізніше Нісефор з листів дізнається, що Клод б’ється над двигуном, який не споживає пального, тобто над вічним двигуном!

Однак повернемося до Лазара Карно? У нього був син – лейтенант Головного штабу Саді Карно, який в 1824 році видає в 200 примірниках роботу, що згодом увіковічнила його ім'я. Це «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу». У цій книжці він заклав основи термодинаміки – теорії для розробки двигунів внутрішнього згоряння. У книзі згадувалася машина Ньєпсів, яка, можливо, і наштовхнула Саді Карно на роздуми про двигуни майбутнього – всі двигуни внутрішнього згоряння: і газові, і карбюраторні, і дизельні. Він також пропонує подальше вдосконалення двигуна, починаючи від стиснення повітря в циліндрі і т.д.

Нісефор Ньєпс нікому не зумів продати свій двигун для комерційного виробництва, а до втілення фотографічного процесу в остаточному вигляді просто не дожив.

Пройде ще чверть століття, перш ніж англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) і німецький фізик Рудольф Клаузіус відродять ідеї Карно і зроблять термодинаміку наукою. Про Ньєпса взагалі ніхто не згадає. А наступний двигун внутрішнього згоряння з’явиться лише в 1858 році у бельгійського інженера Жан Жосеф Етьєн Ленуара (Jean Joseph ?tienne Lenoir). Двотактовий електричний карбюраторний двигун, двигун з іскровим запалюванням, паливом для якого служив кам’яновугільний газ, стане першим комерційно успішним двигуном такого роду. Перший двигун пропрацював лише кілька секунд через відсутність маслосистеми і системи охолодження, які були успішно застосовані на наступних зразках. У 1863 році Ленуар поліпшив конструкцію свого двигуна, використавши замість газового палива, гас. На ньому триколісний прототип сучасних машин проїхав історичні 50 миль.

Двигун Ленуара не був позбавлений недоліків, його ККД сягав лише 5%, він не дуже ефективно витрачав паливо і мастильні матеріали, занадто сильно нагрівався і т.д. і т.п., але це був перший, після довгих років забуття, комерційно успішний проект створення нового двигуна для потреб промисловості.

У 1862 році французький вчений Альфонс Бру де Рохас (Alphonse Beau de Rochas) запропонував і запатентував перший у світі чотирициліндровий двигун. Але до його створення, а тим більше комерційного виробництва справа так і не дійшла.

1864 рік – австрійський інженер Зігфрід Маркус (Siegfried Marcus) створив перший  у світі одноциліндровий карбюраторний двигун, що працював від згоряння сирої нафти. Кілька років по тому цей же вчений сконструював транспортний засіб, що пересувався зі швидкістю 10 миль на годину.

1873 рік – Джордж Брайтон (George Brayton) запропонував нову конструкцію 2-х циліндрового карбюраторного гасового двигуна, який згодом став бензиновим. Це була перша безпечна модель, правда занадто масивна і повільна для комерційного використання.

1876 ??рік – Ніколас Отто (Nikolaus August Otto), через 14 років після теоретичного обґрунтування роботи 4-х циліндрового двигуна Рохаса, створив робочу модель, відому, як «цикл Отто», цикл із запалюванням від іскрового розряду. Двигун внутрішнього згоряння Отто мав вертикальний циліндр, обертовий вал, з валом була з’єднана спеціальна рейка. Вал піднімав поршень, за рахунок чого утворювалося розрідження, завдяки якому всмоктувалася паливно-повітряна суміш, яка згодом запалювалася. У двигуні не використовувалося електричне запалювання, інженери не володіли достатнім рівнем знань в електротехніці, суміш запалювали відкритим полум’ям через спеціальний отвір. Після вибуху суміші зростав тиск, під дією якого поршень піднімався (спочатку під дією газу, а потім за інерцією) і спеціальний механізм від’єднував рейку від валу, знову створювалося розрідження, паливо засмоктувалася в камеру згоряння, і процес повторювався. ККД цього двигуна перевищував 15%, що було значно вище, ніж ККД будь-якої парової машини того часу. Вдала конструкція, висока економічність, а так само постійна робота над будовою агрегату (саме Отто в 1877 році запатентував новий вид двигуна внутрішнього згоряння з чотиритактним циклом, який лежить в основі більшості сучасних двигунів внутрішнього згоряння) дозволило зайняти значну частку ринку приводів для різних пристроїв і механізмів.

Ніколас Отто народився 14 червня 1832 року в Хользаузені (Holzhausen), Німеччина. Одним з перших його занять була торгівля чаєм, кавою і цукром. Незабаром, піддавшись останніми науковими віянням (роботи Ленуара з газовими двотактними двигунами) він захопився вивченням роботи чотиритактних двигунів, а потім і їх проектуванням. Після зустрічі з Євгеном Лангеном (Eugen Langen), людиною, яка добре розумівся в техніці, а заодно була власником цукрового заводу, Отто вирішує залишити торгівлю і удвох з напарником відкриває першу в світі фабрику з виробництва двигунів «NA Otto & Cie». У 1867 році пара отримує золоту медаль на Паризькій виставці за газовий двигун.

1883 рік – французький інженер Едуард Деламар-Деботвіль (Edouard Delamare-Debouteville) конструює одноциліндровий чотирьохтактовий двигун, паливом в якому служив газ. І хоча до практичного втілення ідей справа так і не дійшла, принаймні на папері Деламар-Деботвіль випередив Готліба Даймлера (Gottlieb Daimler) і Карла Бенца (Karl Benz).

1885 рік – Готліб Даймлер (Gottlieb Daimler) створив те, що сьогодні називають прототипом сучасного газового двигуна – пристрій з вертикально розташованими циліндрами і карбюратором. Для цих цілей Даймлер спільно зі своїм другом Вільгельмом Майбахом (Wilgelm Mabah) придбали майстерню біля міста Штутгарт. Двигун створювався для того, щоб він міг рухати екіпаж, тому вимоги до нього, були досить значними. Двигун внутрішнього згоряння повинен був бути компактним, володіти достатньою потужністю і не вимагати газогенератора. "Reitwagen" – так назвали перший двоколісний транспортний засіб винахідники. Рік по тому на світ з’явився і перший прототип 4-х колісного авто. Майбах розробив ефективний карбюратор, який забезпечував ефективне випаровування палива.

 У той же час угорець Банкі запатентував пристрій карбюратора з жиклером. На відміну від попередників у новому карбюраторі пропонувалося не випаровувати, а розпорошувати паливо, яке випаровувалося безпосередньо в циліндрі двигуна. Так само карбюратор дозував паливо і повітря і рівномірно змішував їх у потрібній пропорції.

Готліб Даймлер народився в 1834 році в Шомфорді (Schomdorf), Німеччина. З самого початку своєї інженерної кар’єри він був переконаний, що паровий двигун застарів і потребує якнайшвидшої заміни. Газові двигуни – ось в чому бачив перспективу розвитку Даймлер. Йому довелося обійти безліч порогів фірм, які не хотіли ризикувати і вкладати гроші в поки ще невідомий їм продукт. Майбах, перша людина, яка зрозуміла його і згодом стала другом і партнером.

У 1872 році Даймлер спільно з Ніколасом Отто збирає всіх найкращих фахівців, з якими йому доводилося працювати на чолі з Майбахом. Завдання було сформульовано таким чином: створити працездатний і ефективний газовий двигун. І вже через два роки ця задача була виконана, а виробництво двигунів поставлено на потік. Два двигуна в день – величезна швидкість за тодішніми мірками. Але тут позиції Даймлера і Отто на подальший розвиток фірми починають розходитися. Перший вважає, що необхідно удосконалити конструкцію і провести ряд досліджень, другий говорить про необхідність збільшити виробництво вже сконструйованих двигунів. На ґрунті цих протиріч Даймлер залишає компанію, слідом за ним йде і Майбах.

У 1889 році вони організовують фірму «Daimler Motoren Gesellschaft», з конвеєра якоїо сходить перший автомобіль. А дванадцять років потому Майбах збирає перший автомобіль Мерседес, названий іменем його дочки, який згодом стане легендою.

29 січня 1886 року Карл Бенц запатентував конструкцію першого в світі триколісного газового автомобіля з електричним запалюванням, диференціалом і водяним охолодженням. Енергія до коліс підводилася за допомогою спеціального шківа і ременя, приєднаного до передавального вала. У 1891 році ним же була побудована чотириколісна машина. Саме Карл Бенц був першим, кому вдалося поєднати воєдино шасі і двигун.

Карл Фрідріх Бенц (Karl Friedrich Benz) народився в 1844 році в містечку Баден Мельбург (Baden Muehlburg), Німеччина, в родині машиніста локомотива. Закінчив середню школу, а пізніше Політехнічний Університет Карлсруе. У 1871 році організував свою першу компанію з партнером Августом Ріттером (August Ritter) - "Iron Foundry and Machine Shop", що постачала будівельні матеріали.

Вивчення двигунів внутрішнього згоряння, як вважав Бенц, повинно було принести йому додаткове джерело доходу. І в 1883 році він організував «Benz & Company», компанію, яка виробляла двигуни промислового призначення в місті Мангейм, Німеччина. Спочатку компанія випускала двигуни за патентом Ніколаса Отто, але вже в 1885 році Бенцом була розроблена власна конструкція двигуна внутрішнього згоряння.

Уже в 1893 році автомобілі Бенца стають першими в світі дешевими транспортними засобами масового виробництва. У 1903 році Фірма «Benz & Company» злилася з фірмою Даймлера, утворивши «Daimler-Benz», а пізніше «Mercedes-Benz», а сам Бенц став членом наглядової ради, поки не помер в 1929 році.

1889 рік – Даймлер удосконалив свій чотирьохтактовий двигун, запропонувавши V-подібне розташування циліндрів і використання клапанів, які набагато збільшили питому потужність двигуна на одиницю маси.

Таким був шлях розвитку двигунів внутрішнього згоряння, що принесли в наше життя комфорт і швидкість переміщення.

Тема 5. Подальший розвиток ДВЗ Подальше удосконалення чотиритактних двигунів.  Конструктивні особливості перших двигунів внутрішнього згоряння

Теплові двигуни, в циліндрах яких одночасно проходять процеси згоряння палива, виділення теплоти і перетворення її частини в механічну роботу, називаються двигунами внутрішнього згоряння.

Відмова від котла, найбільш дорогої і громіздкої частини паросилової установки, дозволила створити дешевий і економічний двигун внутрішнього згоряння, який

 згодом став основним двигуном транспортних засобів.

Розвиток цих двигунів почався з 1860 року, коли французький механік Ленуар вперше побудував невеликий двотактний газовий двигун. Двигун працював без стиснення суміші світильного газу з повітрям. Запалювання робочої суміші відбувалося за допомогою електричної іскри. К.к.д. такого двигуна коливався від 3 до 5% і був нижчим к.к.д. поршневих парових машин того часу, що було наслідком нераціонального циклу, запропонованого винахідником. Однак цей винахід зіграв велику роль у справі створення двигунів внутрішнього згоряння.

Подальший розвиток двигунів внутрішнього згоряння пішов шляхом удосконалення запропонованої конструкції без зміни робочого циклу. На мал. 4.10 представлений такий тип двигуна.

І лише німецькому техніку Ніколаусу Авґусту Отто (1832–1891) з Кельна у 1887 році в співдружності з інженером Е. Ланґеном вдалося побудувати чотиритактний горизонтальний одноциліндровий газовий двигун потужністю 4 к.с. зі стисненням робочої суміші. Двигун працював за принципом, запропонованим французьким інженером Боде-Роша. К.к.д. їх двигунів досягав вже 7–18%, тобто був вищим к.к.д. парових машин того часу. Створений двигун можна вважати прототипом сучасних двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на газоподібному і рідкому паливі.

На мал. 4.11 представлена індикаторна діаграма роботи чотиритактного двигуна в координатах Р (тиск) – V (повний об'єм циліндра). При першому такті ходу поршня відбувається процес всмоктування в циліндр робочої суміші (лінія 1–2 на індикаторній діаграмі).

 Мал. 4.10. Атмосферний двигун Отто і Ланґен(1865–1866 рр.) (а) та індикаторна діаграма (б)Мал. 4.11. Двигун Отто. Індикаторна діаграма

Один з перших найвдаліших бензинових двигунів для автомобільної промисловості був запатентований Г. Даймлером в Німеччині у 1885 році.

При зворотному ході поршня (другий такт) впускний клапан закривається і в циліндрі протікає процес стиснення робочої суміші (лінія 2–3), при цьому температура і тиск суміші підвищуються. На початку третього ходу поршня відбувається швидке запалювання робочої суміші від іскри, а температура і тиск різко збільшуються (лінія 3–4). Потім відбувається розширення робочих газів (лінія 4–5), тобто виконується корисна робота. При крайньому положенні поршня в третьому такті процес розширення закінчується і відкривається випускний клапан, через який при четвертому ході поршня викидаються відпрацьовані гази (лінія 6–1, яка проходить дещо вище атмосферної лінії).

Спорудження двигуна почалося на заводі Дейті. Надалі на заводі конструкція двигуна була значно вдосконалена. Незабаром двигуни Отто–Дейті завдяки компактності, економічності та надійності в роботі набули загального визнання і почали випускатися іншими заводами.

До того часу треба віднести появу двотактних двигунів, які за принципом дії мало чим відрізняються від чотиритактних двигунів Отто. У двотактному двигуні посеред циліндра розташовані впускні й продувні отвори (клапани), відкриття і закриття яких здійснюється поршнем. Під час першого ходу поршня в циліндрі протікають процеси запалювання і розширення робочої суміші, в кінці ходу поршня відкриваються отвори циліндра і починаються процеси випуску відпрацьованих газів і продування циліндра повітрям або горючою сумішшю. Ці процеси продовжуються при зворотному ході поршня, другому такті, доки поршень не перекриє отвору і не почнеться процес стиснення свіжого повітря або горючої суміші залежно від типу двигуна.

Двотактні двигуни мають більш рівномірний хід, удвічі менший об'єм циліндра, дешевші й набули широкого застосування в автомобільній промисловості, витіснивши чотиритактні.

 Рудольф Дизель (1858–1913) – німецький інженер, творець двигуна внутрішнього згоряння із запалюванням від стиснення. У 1878 році він закінчив Вищу політехнічну школу в Мюнхені. У патентах 1892 і 1893 рр. Дизель висунув ідею створення двигуна внутрішнього згоряння, що працює за циклом, близьким до ідеального, в якому найвища температура досягалася стисненням чистого повітря. У 1913 році для ведення переговорів Дизель, узявши із собою найцінніші документи з виготовлення двигуна, відплив до Англії. Але до Англії він не дістався, а безслідно зник з корабля за невідомих обставин.

Всі розглянуті вище двигуни, що працюють на рідкому паливі, – автомобільні, відносяться до двигунів швидкого згоряння, в яких процеси запалювання і горіння протікають настільки швидко, що поршень не встигає здійснити навіть невелике переміщення.

У таких двигунів к.к.д. дуже залежить від ступеня стиснення, тому вони працюють із граничним тиском стиснення, при якому температура робочої суміші близька до температури її самозаймання. Проте двигуни швидкого згоряння, що працюють на рідкому паливі (нафті, гасі, бензині), не допускають високих ступенів стиснення (3, 5, 6), оскільки температура запалювання цих палив порівняно низька (350–415 °С), що і обумовлює невеликий к.к.д. двигуна.
Мал. 4.12. Індикаторна діаграма дизеля

Підвищення к.к.д. двигунів, що працюють на рідкому паливі, було досягнуте завдяки введенню в техніку робочого процесу з поступовим згорянням палива. Процес поступового згоряння палива був запропонований у 1872 році американцем Брайтоном. Після цього були спроби створити такий двигун Ґарґреавесом, Капітеном та іншими. Проте їх двигуни були ненадійними в роботі. Слава створення двигуна з поступовим згорянням палива належить Р. Дизелю.

Пропозиція Дизеля зводилася до високого стиснення повітря в порожнині двигуна для підвищення його температури вище за температуру запалювання пального. Будучи поданим в порожнину двигуна в кінці ходу стиснення, пальне запалюється від нагрітого повітря і, нагнітаючись поступово, здійснює процес підведення тепла без зміни температури у відповідності до циклу Карно. Випробування дослідного зразка у 1896 році принесло успіх, а у 1897 році Дизель побудував на Ауґсбурзькому машинобудівному заводі перший промисловий чотиритактний одноциліндровий двигун з поступовим згорянням палива, який працював на гасі, потужністю 20 к.с. Двигун такого типу надалі отримав назву дизель. Він відрізнявся високим к.к.д., але працював на дорогому гасі, мав ряд конструктивних дефектів. Після деяких удосконалень, внесених у 1898–1899 рр., двигун став надійно працювати на дешевому паливі – нафті – й набув великого поширення в промисловості та на транспорті.

Робочий процес двигуна поступового згоряння (див. індикаторну діаграму, мал. 4.12) відрізняється від робочого процесу двигуна швидкого згоряння (див. мал. 4.11) такими особливостями:

1. У робочому циліндрі дизеля при другому такті – стисненні – стискується не робоча суміш, а повітря (лінія 2–3) до тиску 3,2– 3,4 МПа. При цьому температура повітря в кінці стиснення досягає 500–600°C, тобто температури запалювання рідкого палива, яке вводиться в циліндр.

2. Внаслідок високої температури стисненого повітря відбувається самозаймання палива, яке вводиться, і не потрібен запалювальний пристрій.

3. У третьому такті паливо вводиться в циліндр не відразу, а поступово, внаслідок чого воно згоряє при постійному тиску на деякій частині ходу поршня (лінія 3–4), а потім відбувається подальше розширення газів, що утворилися (лінія 4–5).

4. Розпилення палива здійснюється форсункою за допомогою стисненого повітря. Для отримання стисненого повітря застосовується компресор з тиском 5–6 МПа двотриступеневого стиснення з проміжним охолоджуванням повітря.

Робочі процеси в першому і четвертому тактах дизеля подібні процесам, що протікають в двигунах швидкого згоряння (лінії 1–2 і 6–1).

Найвідповідальнішою частиною двигуна є компресор, який приводиться в дію від самого дизеля.

Спочатку всі дизелі працювали за розглянутим вище чотиритактним робочим процесом, але потім став застосовуватися двотактний робочий процес як більш економічний. Цьому сприяло введення в техніку принципу безповітряного розпилення палива, тобто безкомпресорних дизелів.

Справжня перевага дизелів полягала не у відмінності їх робочого процесу, а в можливості отримати високі ступені стиснення, нездійснені в двигунах швидкого згоряння через низьку температуру самозаймання рідких сортів палива. Робочий процес в дизелях здійснюється при ступені стиснення 14–16 проти 5–6 в двигунах швидкого згоряння, що підвищило к.к.д. компресорних дизелів до 28–32%, безкомпресорних – до 30–34%.

Перший у світі міський автобус з двигуном внутрішнього згоряння вийшов на лінію 12 квітня 1903 року в Лондоні. Його попередником можна вважати автобус з паровим двигуном, який курсував протягом чотирьох місяців 1831 року між англійськими містами Ґлостером і Челтенхемом.
(Наука и жизнь, 1984, № 5). 

Після демонстрації на Паризькій виставці 1900 року вдосконаленого двигуна Дизеля, де він отримав високу оцінку, почався процес бурхливого дизелебудування.

Великий внесок в удосконалення дизельних двигунів зробили Украінські винахідники.

Тема 6. Історія створення ДВЗ з самозапалюванням. Історія створення ДВЗ із самозапалюванням від стиску (дизелів). Вдосконалення дизелів.

Бензиновий двигун

Працездатний бензиновий двигун з'явився лише через 10 років. Винахідником його був німецький інженер Готтліб Даймлер. Багато  років він працював у фірмі Отто і був членом її правління. На початку 1880-х років він запропонував шефу проєкт компактного бензинового двигуна, який можна було б використовувати на транспорті. Отто поставився до пропозиції Даймлера холодно. Тоді Г. Даймлер разом з другом Вільгельмом Майбахом прийняв сміливе рішення: 1882 року вони пішли з фірми Отто, придбали невелику майстерню поблизу Штутгарта і почали працювати над своїм проєктом.

Проблема, що стояла перед Даймлером і Майбахом, була не з легких: вони вирішили створити двигун, який не вимагав би газогенератора, був би дуже легким і компактним, але при цьому достатньо потужним, щоб рухати екіпаж. Збільшення потужності Даймлер розраховував отримати за рахунок збільшення частоти обертання валу, але для цього необхідно було забезпечити необхідну частоту запалення суміші. 1883 року створено перший жаровий бензиновий двигун з запалюванням від розпеченої трубочки, що вставляється в циліндр. Перша модель бензинового двигуна призначалася для промислової стаціонарної установки^[3].

Процес випаровування рідкого палива в перших бензинових двигунах залишав бажати кращого. Тому справжню революцію у двигунобудуванні спричинило винайдення карбюратора. Творцем його вважають угорського інженера Доната Банкі. 1883 року він отримав патент на карбюратор з жиклером, який став прообразом усіх сучасних карбюраторів. На відміну від своїх попередників, Банкі запропонував не випаровувати бензин, а дрібно розпорошувати його в повітрі. Це забезпечувало його рівномірний розподіл по циліндру, а саме випаровування відбувалося вже в циліндрі під дією тепла стиснення. Для забезпечення розпилення всмоктування бензину відбувалося потоком повітря через дозувальний жиклер, а сталість складу суміші досягалася завдяки підтримці постійного рівня бензину в карбюраторі. Жиклер виконувався у вигляді одного або декількох отворів у трубці, розташованій перпендикулярно до потоку повітря. Для підтримки напору передбачався маленький бачок з поплавком, який підтримував рівень на заданій висоті, так що кількість всмоктуваного бензину була пропорційна кількості повітря, що поступає.

Перші двигуни внутрішнього згоряння були одноциліндровими, і, для того, щоб збільшити потужність двигуна, зазвичай збільшували об'єм циліндра. Потім з цією метою почали збільшувати число циліндрів. У кінці XIX століття з'явилися двоциліндрові двигуни, а від початку XX століття стали поширюватися чотирициліндрові.

1884 року^[4] Огнеслав Костович^[ru]  побудував перший бензиновий карбюраторний двигун. Двигун Костовича був опозитним, з горизонтальним розміщенням спрямованих зустрічно циліндрів^[5]. У ньому вперше в світі застосовано електричне запалювання^[6]. Він був 4-тактним, 8-циліндровим, з водяним охолодженням. Потужність двигуна становила 80 к. с. за маси двигуна 240 кг^[7], що істотно перевищувало показники двигуна Г. Даймлера, який виник на рік пізніше. Однак, заявку на свій двигун Костович подав лише 14 травня 1888 року^[8], а патент отримав у 1892 році, тобто пізніше, ніж Г. Даймлер і В. Майбах, які розробляли карбюраторний двигун паралельно і незалежно від О. Костовича.

Мотоцикл Даймлера з ДВЗ 1885 року

1885 року Г. Даймлер і В. Майбах розробили легкий бензиновий карбюраторний двигун. Даймлер і Майбах використовували його того ж року для створення першого мотоцикла, а 1886 року — на першому автомобілі.

Двигун Дизеля і Трінклера

Німецький інженер Рудольф Дизель, спираючись на багаті вугільні ресурси Німеччини (через відсутність в останній родовищ нафти) 1897 року запропонував двигун із займанням від стиснення, який працював на вугільному пилі. Однак, такий двигун зважаючи на швидке абразивне зношування поршневої групи, низьку швидкість і повноту згоряння вугілля не набув поширення. Однак, ім'я Дизеля стало загальним для всіх моторів із запалюванням від стиснення.

На заводі «Людвіг Нобель» Еммануїла Нобеля^[ru] в Петербурзі в 1898—1899 Густав Трінклер^[ru] удосконалив цей двигун, використавши безкомпресорне розпилення палива, що дозволило застосувати як паливо нафту. Як наслідок, безкомпресорний двигун внутрішнього згоряння високого стиску із самозайманням став найекономічнішим стаціонарним тепловим двигуном. 1899 року на заводі «Людвіг Нобель» побудували перший дизель і розгорнули масове виробництво дизелів. Цей перший дизель мав потужність 20 к. с., один циліндр діаметром 260 мм, хід поршня 410 мм і частоту обертання 180 об/хв . В Європі дизельний двигун, удосконалений Г. Трінклером, отримав назву,  «Трінклер-мотор». На всесвітній виставці в Парижі 1900 року двигун Дизеля одержав головний приз. 1902 року Коломенський завод купив у Е. Нобеля ліцензію на виробництво дизелів і незабаром налагодив масове виробництво.

1908 року головний інженер Коломенського заводу Корейво^[ru] будує і патентує у Франції двотактний дизель з протилежно-рухомими поршнями і двома колінвалами. Дизелі Корейво стали використовуватися на теплоходах Коломенського заводу. Випускали їх і на заводах Нобелів.

1896 року Чарлз В. Гарт^[en] і Чарлз Парр^[en] розробили двоциліндровий бензиновий двигун. 1903 року їхня фірма побудувала 15 тракторів. Їхній шеститонний  є найстарішим трактором з двигуном внутрішнього згоряння в Сполучених Штатах і зберігається в Смітсонівському Національному музеї американської історії у Вашингтоні, округ Колумбія. Бензиновий двоциліндровий двигун мав дуже ненадійну систему запалювання і потужність 30 к. с. на холостому ходу і 18 к. с. під навантаженням^[9].

Ден Елбон з його прототипом сільськогосподарського трактора Ivel

Першим практично придатним трактором із двигуном внутрішнього згоряння був американський триколісний трактор lvel Дена Елбона 1902 року. Було побудовано близько 500 таких легких і потужних машин.

Двигун, використаний братами Райт 1910 року

1903 році відбувся політ першого літака братів Орвіла і Вілбура Райтів. Двигун літака виготовив механік Чарлі Тейлор^[en]. Основні частини двигуна зробили з алюмінію. Двигун Райт-Тейлора був примітивним варіантом бензинового інжекторного двигуна.

На першому в світі теплоході — нафтоналивній баржі «Вандал», побудованій 1903 році, для «Товариства братів Нобель»,і було встановлено три чотиритактних двигуни Дизеля потужністю по 120 к. с. кожен. 1904 році побудовано теплохід «Сармат».

1924 році за проєктом Якова Гаккеля^[ru]   створено тепловоз Ю^Э2 (Щ^ЭЛ1) .

Практично одночасно в Німеччині  в 1924 році на заводі Есслінґен^[de] (колишній Кесслер) поблизу Штутгарта побудовано тепловоз Ээл2 (спочатку Юэ001).

ДИЗЕЛЕБУДУВАННЯ В УКРАЇНІ

 Спосіб роботи чотиритактного двигуна із запаленням палива від стиску Рудольф Дизель обґрунтував і практично реалізував у 1892–1896 р.р. . У наступні роки на ім'я винахідника двигун із запаленням від стиску отримав найменування – дизель.

 Р. Дизель спочатку передбачав здійснювати процес згоряння палива при постійній температурі, а як паливо використовувати вугільний пил. При перших спробах практичного створення двигуна винахідник змушений був відмовитися від цих ідей, як нереальних, і в якості моторного палива запропонував використовувати рідке паливо (гас), а його подачу в камеру згоряння і розпилювання здійснювати стисненим повітрям. Багато фахівців висловлювали сумніви щодо можливості практичної реалізації ідеї Р. Дизеля. Але, завдяки його організаторським здібностям, цілеспрямованості та завзятості, підтримці робітників та майстрів, у 1897 р. на Аугсбурзькому машинобудівному заводі було збудовано перший двигун із запаленням палива. До 1899 на Аугсбурзькому машинобудівному заводі було випущено вже 14 двигунів загальною потужністю 500 к.с., а в 1900 на Всесвітній виставці в Парижі було представлено кілька дизелів потужністю від 10 до 60 к.с. Ефективність використання теплоти згоряння палива в цих двигунах була приблизно в півтора рази вище в порівнянні з кращими газовими двигунами, що випускаються в той час. Більш високий коефіцієнт корисної дії двигунів із запаленням палива від стиснення, можливість використання як моторного палива нафти та продуктів її переробки визначили величезний до них інтерес промислових кіл, високий попит підприємств багатьох країн Європи, Америки на право їх виробництва. Тільки протягом першого року передачі підприємствам права використання його патентів Р. Дизель заробив близько 3 млн. марок золотом . Особливий інтерес представляли двигуни Р. Дизеля для відносно невеликих промислових підприємств , що має значні ресурси нафти. Новим двигуном, що працює на гасі, зацікавився підприємець Еммануїл Людвігович Нобель, який займався  видобутком нафти, виробництвом та збутом гасу в  Європі. Він побачив реальну можливість розширення ринку збуту гасу. У 1897 р. розпочалися переговори щодо продажу ліцензії. Р. Дизель цілком обґрунтовано висловив сумнів щодо можливостей підприємств  виготовити деталі двигуна підвищеної точності. Багатомісячні переговори про передачу права виробництва двигуна із запаленням палива від стиснення механічному заводу Людвіга Нобеля  завершилися підписанням у лютому 1898 договору. Договором передбачалося також заснування в Нюрнберзі товариства двигунів Дизеля для підтримки зв'язку з підприємствами Німеччини, що випускають дизелі, якому були передані креслення дизеля потужністю 20 к.с. Вартість ліцензії становила близько півмільйона золотих рублів. Перед інженерами заводу Еге. Нобель поставив завдання: відмовитися від простого копіювання двигуна, розробленого Р. Дизелем, а, зберігаючи основну ідею нового типу двигуна (займання палива від стискування), розробити досконаліший двигун, у якому як паливо використовувалася б сиру нафту. У двигуні конструктори відмовилися від крейцкопфа, що значно зменшило висоту двигуна. У грудні 1899 р. під керівництвом інженера Г.Ф. Деппа успішно було проведено випробування першого дизеля потужністю 2,5 л.  Випробування повністю підтвердили можливість використання у двигунах Р. Дизеля як паливо сирої нафти. Питома ефективна витрата нафти за повної потужності не перевищувала 0,24кг/е.л.с.ч.

(На 1 годину виконаноі роботи) Перші дизелі були поставлені на гарматний завод, потім на насосну станцію в Баку для перекачування гасу (1900-1901 рр.). У стислий термін були розроблені дизелі потужністю 50 і 75 к.с. Дещо пізніше було освоєно виробництво дизелів на Коломенському заводі (1907 р.), Харківському паровозобудівному. заводі (ХПЗ), на якому за ліцензією заводу в Саарбрюкен ще в 1909 р. було розпочато підготовку виробництва газових і нафтових двигунів, а з 1911 р. і дизелів. У 1913 р. за ліцензією було випущено перші 9 дизелів сумарною потужністю 690 к.с., а 1915 р. освоєно випуск стаціонарних і суднових дизелів потужністю 800–1000 к.с. Безпосередню участь у розробці та організації виробництва на ХПЗ двигунів внутрішнього згоряння брав Василь Трохимович Цвєтков, який закінчив у 1911 році Харківський технологічний інститут (ХТІ) за спеціальністю «інженер-механік з теплових двигунів». З завершенням будівництва цеху для виробництва двигунів було призначено помічником. начальника цеха. С 1920 г. В.Т. Цветков виконував  обовязки помічника технічного директора та начальника машинобудівного відділу заводу, а у 1927–1931 роки – технічного директора заводу. Успішну діяльність керівника однієї з найбільших машинобудівних заводів В.Т. Цвєтков поєднував з не менш успішною науковою та педагогічною діяльністю. У 1921 р. В.Т. Цвєтков був призначений завідувачем кафедри теплових двигунів ХТІ за сумісництвом. З 1930 р. по 1953 р. – незмінний керівник кафедри «Двигуни внутрішнього згоряння» у Харківському політехнічному інституті. При цьому, професор В.Т.Цвєтков у 1930 р. організував та очолив за сумісництвом кафедру авіаційних двигунів

. Під його керівництвом було освоєно виробництво стаціонарних дизелів, газових двигунів 3500 к.с. для металургійних підприємств, двотактних стаціонарних та суднових дизелів, завершено розроблення (1933 р.) першого стаціонарного та суднового безкомпресорного  дизеля Д-40 потужністю 470 к.с. з питомою ефективною витратою палива 0,175 кг/е.л.с.ч(На 1 годину виконаноі роботи). Підсумки своєї діяльності як інженер-конструктор, організатор виробництва дизелів на ХПЗ В.Т. Цвєтков узагальнив у монографіях, підручниках та навчальних посібниках: «Теорія двотактних двигунів» (1922); «Двигуни внутрішнього згоряння. Дизелі» (1926 р.); «Завдання та розрахунки з двигунів внутрішнього згоряння» (1932 р.); «Теорія та конструкція авіаційних двигунів» (1940 р.); «Двигуни внутрішнього згоряння» (1953). Випускники кафедри, яку очолював В.Т. Цвєтковим багато в чому визначили успіхи вітчизняного дизелебудування в наступні роки. 1931 року був призначений начальником дизельного відділу заводу випускник кафедри Костянтин Федорович Челпан, начальником дизельного конструкторського бюро – його однокурсник Яків Юхимович Віхман. Перед колективом інженерів-двигуністів було поставлено надзавдання – у стислий термін на базі досвіду створення авіаційних двигунів створити танковий швидкохідний дизель. З цим завданням колектив успішно впорався і 28 квітня 1933 перший досвідчений зразок танкового дизеля БД-2 (В-2) був запущений. У листопаді 1933 дизель В-2 був встановлений на досвідченому танку. Активну участь у доведенні дизеля В-2 брав І.Я. Трашутін, який повернувся 1934 р. на завод після стажування в США. Успішне вирішення такої складної на той час технічного завдання зумовлено кількома чинниками.

 По-перше, високою кваліфікацією колективу інженерів, що склався.

 По-друге, директивними урядовими рішеннями (1930-1931 рр.) про необхідність використання дизелів на танках, різних транспортних засобах та тракторах.

 По-третє, завдяки накопиченому досвіду створення на ХПЗ двигунів різних типів, творчому узагальненню досвіду створення безкомпресорних дизелів Д-40 та БД-14, авіаційних дизелів у центральному інституті авіаційних моторів (керівник розробок А.Д. Чаромський) та українському науково-дослідному авіадизелі керівник розробок Я.М. Майер.

 По-четверте, чітким формулюванням вимог, що висуваються до двигуна перспективного середнього танка.

 Досвід широкомасштабного практичного використання дизелів В-2 на середньому танку Т-34, найкращому за тактико-технічними даними танку у Другій світовій війні, повністю підтвердив правильність прийнятих технічних рішень щодо дизеля.

На заводі транспортного машинобудування (колишньому ХПЗ) розробки танкових дизелів відновилися лише у п'ятдесятих роках.

           Під керівництвом професора О.Д. Чаромського почалися розробки двотактного танкового дизеля з поршнями, що протилежно рухаються (5ДТ, а потім 5ДТФ, 6ТД) літровою потужністю понад 50 к.с./л. Високий рівень форсування дизеля за потужністю дозволив у 1,5–2 рази зменшити обсяг моторно-трансмісійного відділення, а невелика висота дизеля (581 мм) – суттєво зменшити висоту танка. У повоєнні роки на заводі транспортного машинобудування було освоєно виробництво чотиритактних дизелів і двотактних тепловозних, суднових і стаціонарних дизелів з поршнями типу Д100, що протилежно рухаються, потужністю 1200-3000 к.с. Особливо слід відзначити спільні успішні розробки колективів конструкторів відділу 60Д заводу та кафедри двигунів внутрішнього згоряння Харківського політехнічного інституту чотиритактних дизелів Д-70 із високим газотурбінним наддувом та з силовою газовою турбіною. Науковим керівником розробок був видатний вчений у галузі теплових двигунів професор Микола Матвійович Глаголєв. У післяреволюційні роки розпочалося виробництво дизелів та на інших заводах України. З 1933 р. розпочав виробництво безкомпресорних двотактних дизелів потужністю 6 та 15 к.с. завод «Червоний прогрес» (м. Токмак, з 1935 р. завод ім. С.М. Кірова), розроблених у Всесоюзному  науково-дослідному дизельному інституті, і з 1944г. - Дизеля 4Ч13/18. У 1953 р. завод припиняє випуск дизелів 2Ч13/18 та 4Ч13/18 і ставить на виробництво дизель 6Ч12/14 (К-180), на базі якого випускає дизель-генератори постійного та змінного струму, головні суднові дизелі. З 1965 року завод освоює виробництво дизелів із камерою згоряння у поршні 4Ч10,5/13.

         У 1949 р. Харківський тракторний завод освоїв виробництво тракторних передкамерних дизелів 4Ч12,5/12,5 (Д-54) потужністю 54 к.с., що відрізнялися високою надійністю та моторесурсом.

         На Першотравневому машинобудівному заводі («Первомайськдизельмаш») виробництво дизелів почалося 1956 р. із постановкою на виробництво головних суднових дизелів 6ЧРП25/34 потужністю 300 к.с. До 1963 за рахунок використання газотурбінного наддуву потужність дизеля була збільшена до 450 к.с.

           Масове виробництво дизелів було освоєно у Харкові на моторобудівному заводі «Серп і Молот» (з 1958 р.) та заводі тракторних дизелів (з 1973 р.). До 1974 р. моторобудівний завод "Серп і Молот" щорічно випускав понад 190 тис. дизелів більш ніж 100 модифікацій різного призначення. Однак чинних  потужностей моторобудівного заводу «Серп і Молот» задоволення попиту на тракторні і комбайнові дизелі було недостатньо і на початку сімдесятих років будується завод тракторних і комбайнових дизелів 6ЧН13/11,5 з виробничими потужностями близько 130 тис. дизелів на рік.

            Високий виробничий та науковий потенціал дизелебудівної галузі України був підтверджений нещодавнім успішним міжнародним контрактом з продажу танків Пакистану, при цьому наявність у танку силової дизельної установки стала вирішальним фактором при виборі замовником танка саме українського виробництва. На жаль, внаслідок недалекоглядної економічної політики наприкінці 80-х – на початку 90-х років, переорієнтацією на розширення імпорту зарубіжної техніки, у тому числі й тракторних дизелів, унікальні за масштабами виробництва дизелебудівні заводи, як і сотні інших машинобудівних заводів України, були приречені. . В умовах ринкової економіки закордонні виробники товарів об'єктивно зацікавлені у розширенні ринку збуту та усуненні потенційних підприємств-конкурентів. Щодо ситуації, що склалася в Україні відродження машинобудівного виробництва, у тому числі виробництва різних транспортних засобів, тракторобудування та моторобудування залежатиме, насамперед, від організації ефективного використання технічного інтелекту.

країни. При цьому, безумовно, слід керуватися загальноприйнятим для промислово розвинених країн принципом про те, що моторобудування взагалі та дизелебудування, зокрема, є ключовим елементом енергетичної безпеки країни.

С.А. Альохін, канд. техн. наук, А.В. Грицюк, д-р техн. наук Випередили час. Життєвий цикл виробу він складається з низки стадій, на яких ідея трансформується в нову техніку, здатну задовольнити вимоги її споживачів.

           Першою стадією життєвого циклу науково-технічного виробу є НДР (науково-дослідна робота), яка проводиться після отримання технічного завдання;

 другою стадією - ДКР (дослідно-конструкторська робота), коли розробляється конструкторська документація;

 третьої – підготовка та початок виробництва;

четвертої – виробництво розробленого виробу відповідно до сформованих замовлень;

наступна та основна стадія життєвого циклу полягає в експлуатації виробу. Тривалість життєвого циклу у період науково-технічного прогресу визначається фізичним і моральним термінами старіння техніки незалежно від часу, витраченого виконання і організацію робіт на стадіях життєвого циклу. Не винятком є ​​двигуни внутрішнього згоряння. Життєвий цикл сучасного двигуна становить близько 25 років, протягом яких конструкція двигуна може бути модернізована відповідно до нових вимог до її техніко-економічних і, перш за все, екологічних показників [1]. Тоді виникає питання: як могли випередити час, переступити рубіж тисячоліть та забезпечити такий тривалий основний життєвий цикл танкові двигуни В-2 та 5ТД? Чому і сьогодні, як і раніше, продовжує слугувати "дідусь" В-2, а сучасне "серце" української бронетанкової техніки є глибокою модернізацією дизеля 5ТД? Генеральний конструктор із створення двигунів для бронетанкової техніки проф. Рязанцев Н.К. якось відзначив   "... створення танкового двигуна - дуже складний, трудомісткий і дорогий процес" [2]. Безперечно, проблематика, трудомісткість та вартість такого виробу має бути підкріплена збільшеною тривалістю експлуатації. Але є й інша причина, і не зайве ще раз перегортати сторінки історії, пожвавивши деякі з ще не розкритих моментів створення вітчизняних танкових дизелів. Обидва дизелі (В-2 і 5ТД) є досягненням конструкторської думки фахівців СКБ з танкових дизелів дизельного відділу ХПЗ, згодом послідовно перетвореного на відділ "400" ХПЗ; Державний дизелебудівний завод 18-го ГУ Наркомавіапрому (НКАП); Державний Союзний завод №75 НКАП; відділ "1600" заводу №75; відділ 60Б Харківського заводу транспортного машинобудування; відділ "63" та цех "370" заводу ім. В.А. Малишева; ХКБД ПЗ "Завод імені Малишева"; Казенне підприємство "Харківське конструкторське бюро з двигунобудування" (КП ХКБД). Оскільки спеціалізований конструкторський відділ із тепловозних дизелів також створено на основі дизельного (раніше теплових двигунів) відділу ХПЗ, обґрунтованим виглядає рішення вважати датою народження КП ХКБД травень 1931 року,

коли, у очолюваному К.Ф. Чолпаном дизельному відділі ХПЗ було сформовано новий колектив – конструкторську групу під керівництвом випускника кафедри ДВС Харківського політехнічного інституту Якова Юхимовича Віхмана. Групі було поставлено завдання  у лютому 1931 року, розробити швидкохідний транспортний дизель. До групи входили А.К. Башкін, І.С. Бер, С.Ф. Горбатюк, Г.Д. Паріївський, С.М. Соколов та інші співробітники. У липні 1931 року ХПЗ ім. Комінтерну отримало урядове завдання Управління механізації та моторизації РСЧА (з 1934 року – Автобронетанкове управління) на проектування 12-циліндрового V-подібного 4-х тактного швидкохідного дизеля потужністю 295 кВт (400 к.с.). Головним ідеологом цього двигуна був професор А.Д. Чаромський - засновник відділу нафтових двигунів, створеного в 1930 році в Центральному інституті авіаційного моторобудування (ЦІАМ) та розробник конструкції перших авіаційних дизелів АН-1 та АД-1. Основні конструктивні рішення дизеля, що отримав назву БД-2 (швидкохідний дизель другий), були закладені конструкторською групою Я.Є. Вихмана, куди згодом влилися фахівці Чупахин Т.П., Поддубный М.П. та інші

          Перші зразки дизеля БД-2 були вже зібрані у 1934 році (рис. 1). Мал. 1. Дизель БД-2, первісток танкового дизелебудування [4] На думку Олексія Дмитровича Чаромського саме поєднання досвіду створення дизелів ЦИАМ групою, очолюваної Т.П. Чупахіним, і ХПЗ групою, очолюваної Я.Є. Вихманом стало вирішальною умовою успішного доведення наступної модифікації БД-2, що став "легендарним" дизеля В-2. Саме Чупахіну Т.П. у критичний період становлення дизеля В-2 і судилося очолити Управління головного конструктора. А вже після Великої Вітчизняної війни на заводі імені Малишева з'явився професор Чаромський А.Д. Основні особливості конструкції дизеля В-2, як і АН-1, полягали в наступному: Vподібне розташування циліндрів, з силовими несучими шпильками, розрахованими на високі тиски згоряння в циліндрах, лита алюмінієва 4-х клапанна головка, безпосереднє впорскування палива, центральне розташування паливної форсунки, 12-плунжерний паливний насос в одному агрегаті, камера згоряння поршні. Мал. 2. Дизель В-2 [4] Вже передвоєнний період з урахуванням В-2 розроблялися досвідчені модифікації з наддувом. Ці конструктивні рішення не втратили актуальності до нашого часу, знайшовши втілення у конструкції сучасного дизеля В-92С2 танка Т-90 , Дизель В-92С2 Переконливою цьому плані є таблиця, у якій порівнюються технічні характеристики дизелів БД-2 і В-92С2.

            Технічні характеристики першого та сучасного дизелів серії В-2 Марка дизеля Параметри БД-2 В-92С2 Розмірність D/S, мм 150/180 150/180 Число циліндрів 12 12        Робочий об'єм, л 38,17 38,17 Номінальна потужність, кВт л.с.) 295 (400) 735 (1000) Номінальна частота обертання, мін-1 1700 2000 Питома витрата палива, г/кВтч г/(е.л.с.ч) 245 (180) 212 (156) Габарити, мм: довжина ширина висота 1625 836 1018 1466 896 902

          Тісна співдружність та повне порозуміння керівників конструкторських колективів дизелістів та танкістів А.Д. Чаромського та А.А. Морозова стало головною рушійною силою прогресу танкового двигунобудування в 1950 - 1960 роках. В результаті, вперше у світовому танкобудуванні було здійснено надзвичайно щільне компонування моторно-трансмісійного відділення танка з поперечним розташуванням дизеля та двостороннім відбором потужності від випускного колінчастого валу на бортові коробки передач. У червні 1955 року було затверджено технічний проект двигуна 5ТД та організовано спеціалізоване КБ з танкового двигунобудування - відділ 60Б, головним конструктором якого і був призначений доктор технічних наук, професор А.Д. Чаромський.

         Випередити час  танковому дизелю 5ТД другого покоління допомогли такі конструкторські рішення:

• двотактний цикл з найбільш ефективною системою газообміну - прямоточно-щілинною продуванням із поршнями, що зустрічно рухаються;

 • горизонтальне розташування циліндрів;

 • двосторонній відбір потужності від випускного колінчастого валу;

 • силова схема з несучими сталевими анкерними зв'язками і розвантаженим від зусиль, що розтягують, блоком, відлитим з алюмінієвого сплаву;

• мінімальна тепловіддача у воду та масло, обумовлена ​​мінімальним охолоджуваним об'ємом камери згоряння та жаростійкими сталевими накладками складових поршнів з нерозрізним жаровим кільцем;

 • система наддуву з комбінованим зв'язком компресора, газової турбіни та колінчастого валу, що забезпечила хорошу ємність і пускові властивості.

            Макет дизеля 5ТД першого представника другого покоління танкових дизелів «Народивши дитину», необхідно її ще й виховати. Тому становлення сімейства танкових дизелів серії ТД є наслідком творчого єднання двох визнаних творців вітчизняних двигунів для бронетанкової техніки – А.Д. Чаромського та Н.К. Рязанцева. Саме Н.К. Рязанцев позначив межу форсування двотактних дизелів другого покоління і під керівництвом почалася розробка танкового дизеля третього покоління.

       Під керівництвом Генерального конструктора Н.К. Рязанцева, головного архітектора І.А. Краюшкіна та керівника теми А.В. Борисенко взяли активну творчу участь та зробили величезний практичний внесок у створення танкового двигуна третього покоління конструктори В.В. Рогів, Ю.П. Долгополов, В.Л. Цукор, В.І. Фальков, Б.С. Сотніков, А.М. Шульга, С.М. Валюшко, А.П. Гріненко та інші фахівці КП ХКБД.

          Після першого пуску черговий і, на жаль, останньої дослідної конструкції нового танкового дизеля, розробленого під керівництвом Н.К. Рязанцева. Саме цього двигуна Генеральний конструктор визначав долю танкового дизеля третього покоління. Усього було виготовлено два дослідні зразки цього двигуна. Подальші роботи були припинені через відсутність державного замовлення. Разом з тим, створений доробок є підтвердженням того, що навіть у умовах конструкторське бюро зберігає традиції та науковий потенціал, здатне до подальшого ривку у створенні дизелів, що випереджають час.

 Список литературы: 1. Конструювання двигунів внутрішнього згоряння: Підручник для вузів/Н.Д. Чайнов, Н.А. Іващенко, О.М. Краснокутський, Л.Л. М'яків; під. ред. Н.Д. Чайнова. - М.: Машинобудування, 2008. - 496 с. 2. Рязанцев Н.К. Мотори та долі. Про час і себе: Спогади Генерального конструктора зі створення двигунів для бронетанкової техніки / Н.К. Рязанців. – Харків: ХНАДУ, 2009. – 272 с. 3. Чаромський А.Д. У витоків радянського швидкохідного дизелебудування: Технічні записки/А.Д. Чаромський. – На правах рукопису, 1977. – 89 с. 4. Зубов Є.А. Двигуни танків/Е.А. Зубів; за ред. А.І. Пугачова. - М.: НТЦ "Інформтехніка", 1991. - 112 с.

Змістовий модуль 2. Принцип дії та особливості конструкції сучасних енергетичних установок.

Тема 7 . Типи та принципи роботи поршневих  двигунів.   

Поршневий двигун внутрішнього згоряння сьогодні є найпоширенішим тепловим двигуном. Він використовується для приводу засобів наземного, повітряного і водного транспорту, військової, сільськогосподарської та будівельної техніки, електрогенераторів, компресорів, водяних насосів, помп, моторизованого інструменту (бензорізок, газонокосарок, бензопилок) та інших машин, як мобільних, так і стаціонарних, і виробляється у світі щорічно в кількості декількох десятків мільйонів одиниць.

Потужність поршневих двигунів внутрішнього згоряння може бути від декількох ват (двигуни авіа-, мото- та судномоделей) до 75 000 кВт у дизельних суднових двигунів. Спільними ознаками для двигунів внутрішнього згорання є:

- конструкція кривошипно-шатунового механізму - тронькова (бічне            зусилля від шатуна сприймається поршнем);

- рід вживаного палива - рідке (бензин, дизельне);

- напрямок обертання колінчастого валу - правий (положення спостерігача з боку, протилежною валу основного відбору потужності).

    Двигуни внутрішнього згорання будівельних дорожніх машин забезпечують діапазон потужності 1,5…400 кВт. Застосовують карбюраторні двигуни, в основному особливо малої потужності  на базових автомобілях, і дизельні двигуни потужністю від 20 кВт і вище. Найбільшого поширення набули дизельні двигуни. Стандартом на промислові дизелі,  введено умовне позначення дизелів, що складається з букв і цифр:  Ч - чотирьохтактний, Д - двохтактний, Н - з надувом, цифри перед буквами - число циліндрів, цифри після букв над рискою - діаметр циліндра в сантиметрах, цифри під рискою - хід поршня в сантиметрах.

    Необхідна потужність двигуна повинна забезпечувати переміщення машини із заданими швидкостями, виконання роботи робочим устаткуванням і функціонування систем і механізмів. На будівельних і дорожніх машинах застосовуються в основному двигуни тракторне, автомобільне і промислове призначення, потужності яких визначаються стандартами.

   Всі поршневі двигуни внутрішнього згорання класифікують по наступних основних ознаках:

За способом здійснення газообміну:

- двотактні;

- чотирьохтактні.

  У двотактних двигунах робочий цикл здійснюється за два такти, що відповідає двом ходам поршня від одного крайнього положення до іншого, або одному оберту колінчастого валу;

 У чотирьохтактних двигунах робочий цикл здійснюється за чотири ходи поршня, що відповідає двом обертам колінчастого валу.

За способом наповнення робочого циліндра:

 -  з природним наповненням (наповнення забезпечується перемещением поршня);

 -  з надувом (наповнення відбувається при підвищеному тиск від надувочного агрегату).

За способом сумішеутворення:

 - із зовнішнім;

 - з внутрішнім.

 У двигунах із зовнішнім сумішеутворенням основна частка процесу утворення горючої суміші відбувається в додатковому пристрої, який має назву карбюратор, шляхом випару рідкого палива (бензину) в струмені повітря;

  У двигунах з внутрішнім сумішеутворенням горюча суміш утворюється усередині робочого циліндра шляхом роздільної подачі палива (дизельного) і повітря. Розрізняють двигуни з безпосереднім  уприскуванням і вихрокамерним  сумішоутворенням.     

За способом займання горючої суміші:

          - з примусовим запаленням (від електричної іскри);

          - із займанням від стискування (дизелі). 

За числом і розташуванням циліндрів:

    - одноциліндрові;

    - багатоциліндрові;

    - рядні (прямовисні, нахильні);

    - V - подібні (дворядні з розташуванням циліндрів в ряд під кутом 60, 75 або 90°);

     - опозитні;

     - W  - подібні;

     - типу «боксер».

    За відношенням ходу поршня S до діаметру D циліндра:

      -  коротко хідні (S/D<1);

      -  квадратні (S/D=1);

      -  довгохідні (S/D>1).

    За ступенем швидкохідності:

      - тихохідні (середня швидкість поршня 6,5….10 м/с);

      - швидкохідні (середня швидкість поршня 10….15 м/с).

    За типорозміром:

      - з конкретними типорозмірами діаметру циліндра і ходу поршня D×S.

     За способом охолоджування:

      - з рідинним;

      - з повітряним.

     За способом пуску:

       - з електростартером;

       - з електростартером і пусковим двигуном;

       - з пусковим двигуном.

Поршневі ДВЗ складаються з механізмів і систем, що виконують задані їм функції і що взаємодіють поміж собою. Основними частинами такого двигуна є кривошипно-шатунний та газорозподільний механізми, а також системи живлення, охолодження, запалення та система змащування.

Кривошипно-шатунний механізм перетворює прямолінійний зворотньо-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого валу.

Механізм газорозподілу забезпечує своєчасне впускання горючої суміші в циліндр і видалення з нього продуктів згорання.

Система живлення призначена для приготування і подачі горючої суміші в циліндр, а також для відведення продуктів згорання.

Система змащення служить для подачі оливи до тих деталей, що взаємодіють поміж собою  з метою зменшення сили тертя і часткового їх охолодження поряд з цим циркуляція оливи призводить до змивання нагару і видалення продуктів зношування.

Система охолоджування підтримує нормальний температурний режим роботи двигуна, забезпечуючи відведення теплоти від деталей, що сильно нагріваються, при згоранні робочої суміші циліндрів поршневої групи і клапанного механізму.

Система запалення призначена для займання робочої суміші в циліндрі двигуна.

Отже, чотирьохтактний поршневий двигун складається з циліндра і картера, який знизу закритий піддоном. Усередині циліндра переміщується поршень з компресійними (ті, що ущільнюють) кільцями, що має форму склянки з днищем у верхній частині. Поршень через поршневий палець і шатун пов'язаний з колінчастим валом, який обертається в корінних підшипниках розташованих в картері. Колінчастий вал складається з корінних шийок, щік і шатуної шийки. Циліндр, поршень, шатун і колінчастий вал складають так званий кривошипно-шатунний механізм. Зверху циліндр накритий голівкою з клапанами і, відкриття і закриття яких суворо узгоджене з обертанням колінчастого валу, а отже, і з переміщенням поршня. Переміщення поршня обмежується двома крайніми положеннями, за яких його швидкість дорівнює нулю. Крайнє верхнє положення поршня називається верхньою мертвою точкою (ВМТ), крайнє нижнє його положення - нижньою мертвою точкою (НМТ).

Безупинний рух поршня через мертві точки забезпечується маховиком, що має форму диска з масивним ободом. Відстань, яку проходить поршнь від ВМТ до НМТ, називається ходом поршня S, який дорівнює подвоєному радіусу R кривошипа: S=2R. Простір над днищем поршня при знаходженні його у ВМТ називається камерою згорання; її об'єм позначається через V_с; простір циліндра між двома мертвими точками (НМТ і ВМТ) називається його робочим об'ємом і позначається V_h. Сума об'єму камери згорання Vс і робочого об'єму V_h складає повний об'єм циліндра V_а: V_а=V_с+V_h. Робочий об'єм циліндра  V_р (рис.17). Суму всіх робочих об'ємів циліндрів багатоциліндрового двигуна називають робочим об'ємом двигуна. Відношення повного об'єму циліндра Va до об'єму камери згорання Vc називається ступенем стиску: E=(Vc+Vh) Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Ступінь стиску є важливим параметром двигунів внутрішнього згорання, оскільки сильно впливає на його економічність і потужність.

Рис. 17 Хід поршня, об’єми камери згоряння та циліндра

Принцип роботи. Дія поршневого двигуна внутрішнього згорання заснована на використанні роботи теплового розширення нагрітих газів під час руху поршня від ВМТ до НМТ. Нагрівання газів в положенні ВМТ досягається в результаті згорання в циліндрі палива, перемішаного з повітрям. При цьому підвищується температура газів і тиску. Оскільки тиск під поршнем дорівнює атмосферному, а в циліндрі воно набагато більше, то під дією різниці тисків поршень буде переміщатися вниз, при цьому гази - розширюватися, здійснюючи корисну роботу. Ось тут-то і дає про себе знати теплове розширення газів, тут і полягає його технологічна функція: тиск на поршень. Щоб двигун постійно виробляв механічну енергію, циліндр необхідно періодично заповнювати новими порціями повітря через впускний клапан і паливо через форсунку або подавати через впускний клапан суміш повітря з паливом. Продукти згорання палива після їх розширення видаляються з циліндра через впускний клапан. Ці завдання виконують механізм газорозподілу, який керує відкриттям і закриттям клапанів, і система подачі палива.

Принцип дії чотирьохтактного карбюраторного двигуна. Робочим циклом двигуна називається низка послідовних процесів, що періодично повторються, що протікають в кожному циліндрі двигуна і що обумовлюють перетворення теплової енергії на механічну роботу. Якщо робочий цикл здійснюється за два ходи поршня, тобто за один оберт колінчастого валу, то такий двигун називається двохтактним. Автомобільні двигуни працюють, як правило, по чотирьохтактному циклу, який здійснюється за два оберти колінчастого валу або чотири хода поршня і складається з тактів впускання, стискування, розширення (робочого ходу) і випуску. У карбюраторному чотирьохтактному одноциліндровому двигуні робочий цикл відбувається наступним чином:

1. Такт впускання. По мірі того, як колінчастий вал двигуна робить перший півоберт, поршень переміщається від ВМТ до НМТ, впускний клапан відкритий, випускний клапан закритий. У циліндрі створюється розрядка 0,07…0,095 МПа, унаслідок чого свіжий заряд горючої суміші, що складається з пари бензину і повітря, засмоктується через впускний газопровід в циліндр і, змішуючись із залишковими відпрацьованими газами, утворює робочу суміш.

2. Такт стискування. Після заповнення циліндра горючою сумішшю при подальшому обертанні колінчастого валу (другий півоберт) поршень переміщається від НМТ до ВМТ при закритих клапанах. У міру зменшення об'єму температура і тиск робочої суміші підвищуються.

3. Такт розширення або робочий хід. В кінці такту стискування робоча суміш запалала від електричної іскри і швидко згорає унаслідок чого температура і тиск газів, що утворюються, різко зростає, поршень при цьому переміщається від ВМТ до НМТ. В процесі такту розширення шарнірно пов'язаний з поршнем шатун здійснює складний рух і через кривошип приводить в обертання колінчастий вал. При розширенні гази здійснюють корисну роботу, тому хід поршня при третьому півоберті колінчастого валу називають робочим ходом. В кінці робочого ходу поршня, при знаходженні його біля НМТ відкривається випускний клапан, тиск в циліндрі знижується до 0,3…0,75 МПа, а температура до 950…1200 ⁰ С.

4. Такт випуску. При четвертому півоберті колінчастого валу поршень переміщається від НМТ до ВМТ. При цьому випускний клапан відкритий, і продукти згорання виштовхуються з циліндра в атмосферу через випускний газопровід.

Принцип дії чотирьохтактного дизеля (рис.18). У чотирьохтактному двигуні робочі процеси відбуваються наступним образом:

1. Такт впускання. При русі поршня від ВМТ до НМТ унаслідок розрядки, що утворюється, з повітряочисника повітря в порожнину циліндра через відкритий впускний клапан поступає атмосферне повітря. Тиск повітря в циліндрі складає 0,08…0,095 МПа, а температура 40 - 60 ⁰ С.

2. Такт стискування. Поршень рухається від НМТ до ВМТ; впускання і випускний клапани закриті, поршень, що внаслідок цього переміщається вгору, стискує повітря, що вчинило. Для займання палива необхідно, щоб температура стислого повітря була вища за температуру самозаймання палива. При ході поршня до ВМТ циліндру через форсунку упорскується дизельне паливо, що подається паливним насосом.

3. Такт розширення, або робочий хід. Впорснуте в кінці такту стискування паливо, перемішуючись з нагрітим повітрям, запалюється, і починається процес згорання, що характеризується швидким підвищенням температури і тиску. При цьому максимальний тиск газів досягає 6…9 МПа, а температура 1800…2000 ⁰ С. Під дією тиску газів поршень переміщується від ВМТ до НМТ - відбувається робочий хід. Біля НМТ тиск знижується до 0,3…0,5 МПа, а температура до 700…900 ⁰ С.

4. Такт випуску. Поршень переміщається від НМТ у ВМТ і через відкритий випускний клапан відпрацьовані гази виштовхуються з циліндра. Тиск газів знижується до 0,11…0,12 МПа, а температура до 500-700 ⁰ С. Після закінчення такту випуску при подальшому обертанні колінчастого валу робочий цикл повторюється в тій же послідовності

Принцип дії двотактного двигуна. Двотактні двигуни відрізняються від чотирьохтактних тим, що у них наповнення циліндрів горючою сумішшю або повітрям здійснюється на початку ходу стискування, а очищення циліндрів від відпрацьованих газів в кінці ходу розширення, тобто процеси випуску і впускання відбуваються без самостійних ходів поршня. Спільний процес для всіх типів двохтактних двигунів - продування, тобто процес видалення відпрацьованих газів з циліндра за допомогою потоку горючої суміші або повітря. Тому двигун даного вигляду має компресор (продувний насос). Розглянемо роботу двотактного карбюраторного двигуна з кривошипно-камерним продуванням. У цього типа двигунів відсутні клапани, їх роль виконує поршень який при своєму переміщенні закриває впускні, випускні і продувні вікна. Через ці вікна циліндр в певні моменти сполучається з впускним і випускним трубопроводами і кривошипною камерою (картер) яка не має безпосереднього сполучання з атмосферою. Циліндр в середній частині має три вікна: впускання, випускання і продувне яке сполучається клапаном з кривошипною камерою двигуна. Робочий цикл у двигуні здійснюється за два такти:

Рис. 18 Такти чотирьохтактного дизельного двигуна

а – впуск; б – стиск; в – робочий хід; г – випуск.

1. Такт стискування. Поршень переміщається від НМТ до ВМТ, перекриваючи спочатку продувне, а потім випускне вікно. Після закриття поршнем випускного вікна в циліндрі починається стискування горючої суміші, що раніше потрапила в нього. Одночасно в кривошипній камері унаслідок її герметичності створюється розрядка, під дією якої з карбюратора через відкрите впускне вікно поступає горюча суміш в кривошипну камеру.

2. Такт робочого ходу. При положенні поршня біля ВМТ робоча суміш, що стиснута, запалюється електричною іскрою від свічки, в результаті чого температура і тиск газів швидко зростають. Під дією теплового розширення газів поршень переміщається до НМТ при цьому гази, що розширюються, здійснюють корисну роботу. Одночасно поршень, що опускається, закриває впускне вікно і стискує ту, що знаходиться в кривошипній камері горючу суміш. Коли поршень дійде до випускного вікна, воно відкривається і начинається випуск відпрацьованих газів в атмосферу, тиск в циліндрі знижується. При подальшому переміщенні поршень відкриває продувне вікно і стисла в кривошипній камері горюча суміш перетікає по каналу заповнюючи циліндр і здійснюючи продування його від залишків відпрацьованих газів. Робочий цикл двотактного дизельного двигуна відрізняється від робочого циклу двотактного карбюраторного двигуна тим, що біля дизеля в циліндр поступає повітря, а не горюча суміш, і в кінці процесу стискування упорскує дрібнорозпилене паливо. Потужність двотактного двигуна при однакових розмірах циліндра і частоті обертання валу теоретично в два рази більше четырехтактного за рахунок більшого числа робочих циклів. Проте неповне використання ходу поршня для розширення, гірше звільнення циліндра від залишкових газів і витрати частки потужності, що виробляється, на привід продувочного компресора приводять практично до збільшення потужності тільки на 60...70%.

Інновації. Останнім часом все більше використовують поршневі двигуни з примусовим наповненням циліндра повітрям підвищеного тиску, тобто двигуни з надувом. І перспективи двигунобудування

пов'язані, на погляд багатьох вчених [], з двигунами даного типа, оскільки тут є величезний резерв невикористаних конструкторських можливостей, і є над чим подумати, а по-друге, вважається, що великі перспективи в майбутньому саме у цих двигунів. Адже надув дозволяє збільшити заряд

циліндра повітрям і, отже, кількість стискуваного палива, а

тим самим підвищити потужність двигуна. Для приводу нагнітача в сучасних двигунах зазвичай використовують енергію відпрацьованих газів. В цьому випадку відпрацьовані в циліндрі гази, які мають у випускному колекторі підвищений тиск направляють в газову турбіну, що призводить до обертання компресора. Згідно схемі газотурбінного надуву чотирьохтактного двигуна

відпрацьовані гази з циліндрів двигуна поступають в газову турбіну після якої відводяться в атмосферу. Відцентровий компресор, що обертається турбіною, засмоктує повітря з атмосфери і нагнітає його під тиском:

0,130...0,250 МПа в циліндри. Окрім використання енергії вихлопних газів перевагою такої системи надуву перед приводом компресора від колінчастого валу є саморегулювання, що полягає в тому що із збільшенням потужності двигуна відповідно зростають тиск і температура відпрацьованих газів, а отже потужність турбокомпресора. При цьому зростають тиск і кількість того, що подається ним повітря. У двотактних двигунах турбокомпресор повинен мати вищу потужність, чим в чотирьохтактного, оскільки при продуванні частина повітря минаючи випускні вікна, транзитне повітря не використовується для зарядки циліндра і знижує температуру випускних газів. Унаслідок цього на часткових навантаженнях енергії відпрацьованих газів виявляється недостатньо для газотурбінного приводу компресора. Крім того, при газотурбінному надуві неможливий запуск дизеля. Враховуючи це, в двотактних двигунах зазвичай застосовують комбіновану систему надуву з послідовною або паралельною установкою компресора з газотурбінним і компресора з механічним приводом. При найбільш поширеній послідовній схемі комбінованого

надуву компресор з газотурбінним приводом проводить тільки часткове

стискування повітря, після чого віно дотиснюється компресором, що приводиться в обертання від валу двигуна. Завдяки вживанню надуву можливо підвищення потужності в порівнянні з потужністю двигуна без надуву від 40% до 100% і більше. На наш погляд, основним напрямом розвитку сучасних поршневих двигунів із займанням від стискування буде значне форсування їх по потужності за рахунок вживання високого надуву в

поєднанні з охолоджуванням повітря після компресора.

У чотирьохтактних двигунах в результаті використання тиску надуву до 3.1...3.2 МПа у поєднанні з охолоджуванням повітря після компресора

досягається середній ефективний тиск P_e=18,2...20,2 МПа. Привід компресора в цих двигунах газотурбінний. Потужність турбіни досягає 30% від потужності двигуна, тому підвищуються вимоги до ККД турбіни і компресора. Невід'ємним елементом системи надуву цих двигунів має бути охолоджувач повітря, встановлений після компресора. Охолоджування повітря проводиться водою циркулюючою за допомогою індивідуального водяного насоса по контуру:

повітряохолоджувач - радіатор для охолоджування води атмосферним повітрям.

Перспективним напрямом розвитку поршневих двигунів внутрішнього

згорання є повніше використання енергії випускних газів в турбіні, що забезпечує потужність компресора, потрібну для досягнення заданого тиску надуву. Надлишкова потужність в цьому випадку передається на колінчастий вал дизеля. Реалізація такої схеми найбільш можлива для чотирьохтпктних двигунів.

Тема 8. Історія створення електричного двигуна. Типи електричних двигунів та їх застосування. Історія створення електричних двигунів постійного

струму та змінного струму. Конструктивні особливості електричних двигунів. Застосування електродвигунів.

Створення та історія електродвигунів

Додана 17 Лютого 2023

Майкл Фарадей

У 1821 році Майкл Фарадей зробив своє знамените відкриття електромагнітної індукції та моторного ефекту, яке спровокувало революцію в електротехніці та розробці електродвигунів. Фарадей виявив, що коли провідник зі струмом помістити в магнітне поле, у дроті виникає механічна сила. Це відкриття сприяло розробці ряду різних типів електродвигунів від невеликих ручних пристроїв до великих промислових машин.

Прототип двигуна Девенпорта

Концепція Фарадея була доопрацьована американським винахідником Томасом Девенпортом у 1834 році, який побудував перший електродвигун, який працював від батареї. Двигун Давенпорта був відносно невеликим портативним пристроєм, здатним приводити в дію такі машини, як токарні верстати і друкарські верстати. Цей пристрій був першим у своєму роді, і йому приписують революцію в обробній промисловості.

У 1858 році французьким інженером Іполітом Піксії було розроблено перший великий комерційний електродвигун. Двигун Pixii міг приводити в дію динамо-машину, що дозволяло йому вводити в дію механічні машини, такі як друкарські верстати та промислові млини.

Двигун Зеноба Грамма

Перший комерційний електродвигун було створено 1872 року Зенобом Граммом. Він створив машину, яка перетворювала електричну енергію на механічну. У машині використовувався якір, що обертається, який представляв собою котушку з дроту, оточену постійним магнітом. Коли електрика проходила через котушку, вона створювала магнітне поле, яке змушувало якір обертатися.

1875 року Томас Едісон створив перший практичний електродвигун. Цей двигун був першим, у якому використовувався змінний струм (AC), і його можна було використовувати для живлення багатьох машин. Двигун Едісона був першим, який широко використовувався в промисловості, і він зробив революцію в способах живлення машин.

Зразок двигуна Тесли

Наприкінці 1800-х Нікола Тесла розробив асинхронний двигун. Цей двигун був першим, у якому використовувався змінний струм, і він був більш ефективним, ніж попередні двигуни, розроблені Фарадеєм і Едісоном. Двигун Тесли був першим, у якому використовувалася індукційна котушка для створення магнітного поля, що змушує обертатися якір.

Розвиток електродвигунів вплинув на розвиток сучасної техніки. Електродвигун використовувався в різних областях: від живлення побутових приладів, таких як пральні машини і холодильники, до живлення більш досконалих технологічних пристроїв, таких як роботи і автоматизовані виробничі машини. Асинхронний двигун також був рушійною силою розвитку автомобільної промисловості та розвитку сучасних транспортних систем.

Нікола Тесла – винахідник першого асинхронного электродвигуна змінного струму

Протягом двадцятого сторіччя електродвигун зазнав безліч покращень та удосконалень, що дозволило використовувати його новими та інноваційними способами. Сьогодні електричні двигуни використовуються в різних областях: від живлення невеликих побутових приладів до живлення великих промислових машин. Електродвигун є невід'ємною частиною сучасної техніки, і його винахід дуже вплинув на розвиток сучасного світу.

Двигун постійного струму (ДПС) — електрична машина постійного струму (електродвигун), що перетворює електричну енергію постійного струму на механічну.

Конструкція електродвигуна постійного струму така сама, як і генератора постійного струму. В електродвигуні явище електромагнітної індукції при взаємодії струму обвитки ротора (якоря) з основним магнітним полем зумовлює появу електромагнітного обертального моменту. Розрізняють ДПС з незалежним збудженням і з залежним. Потужність електродвигуна постійного струму — від часток вата до тисяч кіловат, ККД — від 0,02—0,03 до 0,93. Електродвигуни постійного струму дають змогу плавно і в широких межах керувати частотою обертання, вдаючись до зміни струму в колі ротора за допомогою додаткового електричного опору, до зміни живильної напруги, а також до зміни магнітного потоку реостатом.