Проектная работа по физике " Изготовление действующей модели паровой турбины и исследование ее характеристик."

Изготовление действующей модели паровой турбины и исследование ее характеристик.

Физико-математическое отделение

Секция физическая

2017г.

Содержание

Аннотация_______________________________________________________3

Введение ________________________________________________________4

Теоретическая часть ______________________________________________5

1.Изучение истории создания и принципа работы паровых турбин, а также знакомство с конструкциями моделей паровых машин других авторов_______________________________________________________5

2.Выбор конструкции паровой турбины____________________________7

3.Подбор материалов, конструктивно пригодных для создания составных частей и механизмов устройства __________________________________8

Практическая часть_______________________________________________9

1. Изготовление всех составных частей паровой машины из подручных материалов. Этапы сборки модели_________________________________9

2.Проверка работы модели паровой турбины в действии и получение данных для дальнейших расчетов_________________________________11

3.Расчеты КПД, мощности турбины и КПД нагревательного элемента 12

Выводы_________________________________________________________13

Литература______________________________________________________14

Приложение_____________________________________________________15

Аннотация

В данном проекте я изучил понятие «тепловые двигатели», рассмотрел виды тепловых двигателей, познакомился с устройством паровой турбины и её применением. Далее в моей работе я описал способ изготовления модели паровой турбины, провёл исследование характеристик полученной модели.

Гипотеза:

Проверить возможность создания и работы действующей модели паровой турбины.

Цель:

Создание действующей модели паровой турбины ее апробация, расчет КПД и мощности турбины и расчет КПД нагревательного элемента.

.

Задачи:

• Изучить имеющиеся литературные источники по данному вопросу.

• Определить необходимый материал для сборки турбины.

• Наметить план, последовательность деятельности (подготовить детали, собрать модель турбины).

• Провести испытание модели.

• Рассчитать основные характеристики.

Методы исследования:

• Накопление теоретических материалов.

• Осмысление собранной информации.

• Составление проекта конструкции.

• Сборка модели.

• Демонстрация модели в действии.

• Расчеты основных характеристик.

Введение

Мне нравиться конструировать и у меня возникла идея сделать своими руками паровую турбину, которая принципиально отличалась от обычных моделей, Эта паровая турбина должна не только вращать лопасти, но и выполнять полезную работу для определения различных технических характеристик таких как КПД нагревательного элемента, КПД самой турбины, ее мощность.

Актуальность работы:

В школьном лабораторном оборудовании отсутствует действующая модель паровой турбины, на основе которой можно изучить принцип работы и провести исследование ее основных характеристик.

Теоретическая часть.

1.Изучение истории создания и принципа работы паровых турбин, а также знакомство с конструкциями моделей паровых машин других авторов.

Паровая турбина — это тепловой двигатель, тепловая энергия пара в котором преобразуется в механическую работу. Вместе с гидротурбинами огромное значение для развития мировой энергетики имело изобретение и широкое применение паровых турбин, которые являются основным двигателем тепловых (ТЭС) и атомных электростанций (АЭС). Принцип действия паровых турбин схож с гидравлическими, разница лишь в том, что в первом случае турбину приводила в действие струя разогретого пара, во втором — струя воды. Паровая турбина оказалась проще, экономичнее и удобнее, чем паровая машина Уатта. Изобретатели давно пытались создать машину (паровую турбину), где струя пара напрямую бы вращала рабочее колесо. При этом, скорость вращения колеса должна быть очень высокой за счет большой скорости струи пара. В 1883 году Лавалю удалось создать первую паровую машину (см. в приложении), которая представляла легкое колесо с лопатками. Через поставленные под углом сопла на лопатки направляли пар, который давил на них и раскручивал колесо. В 1889 году Лаваль усовершенствовал конструкцию, применив сопло, которое расширялось на выходе. Благодаря этому увеличилась скорость пара и, соответственно, скорость вращения ротора. Полученная струя направлялась на один ряд лопаток, которые были насажены на диск. Давление пара и число сопел определяли мощность турбины, работающей по активному принципу. Если отработанный пар не попадал в воздух, а направлялся в конденсатор, где при пониженном давлении сжижался, то мощность турбины оказывалась наивысшей. Турбина Лаваля получила всеобщее признание, она давала большие выгоды при соединении с машинами, имеющими высокую скорость (сепараторы, пилы, центробежные насосы). Использовали ее и в качестве привода для электрогенератора, правда, только через редуктор (из-за ее высокой скорости). В 1884 году английский изобретатель Парсонс запатентовал многоступенчатую реактивную турбину, специально созданную им для приведения в действие электрогенератора. При меньшей скорости вращения энергия пара здесь использовалась максимально благодаря тому, что пар, проходя через 15 ступеней, расширялся постепенно. Каждая ступень имела пару венцов лопаток. Неподвижным был один венец с направляющими лопатками, которые крепились на корпусе турбины. Второй — подвижный с рабочими лопатками на диске, который был насажен на вращающийся вал. Лопатки венцов (неподвижных и подвижных) сориентированы в противоположных направлениях. Это была первая паровая турбина, которая начала с успехом применяться в промышленности. В 1889 году уже 300 турбин применяли для получения электроэнергии, в 1899 году появилась первая электростанция с турбинами Парсонса. В 1894 году был спущен на воду первый пароход «Turbinia» с приводом от паровой турбины. Вскоре паровые турбины начали устанавливать на быстроходных судах. Французский ученый Рато вывел комплексную теорию турбомашин на основе имевшегося опыта. Со временем турбина Парсонса уступила место компактным активно-реактивным турбинам. Хотя и сегодня паровые турбины в основном сохранили черты турбины Парсонса.

2.Выбор конструкции паровой турбины.

Конструкция турбины находиться в приложении.

В данную конструкцию будут внесены изменения:

• форма лопастей ротора будет изменена с плоского щита на полукруглый щит, это будет сделано для повышения рабочих характеристик модели

• вал будет удлинен, для того чтобы к нему можно было бы прицепить небольшой груз.

3.Подбор материалов, конструктивно пригодных для создания составных частей и механизмов устройства.

• Паровой котел будет выполнен из консервных банок.

• Клапан для залива воды в паровой котел будет сделан из гайки и винта

• Сопло для выхода пара можно изготовить из закрытой гайки.

• Для изготовления лопастей паровой турбины можно использовать кровельное железо – оно хорошо режется и гнется, легко принимает нужную форму.

• Для изготовления вала можно использовать велосипедные спицы либо металлическую проволоку.

Практическая часть.

1. Изготовление всех составных частей паровой машины из подручных материалов. Этапы сборки модели.

• Из листа металла вырезаем два кружочка. Один подгоняем под размер банки, которая будет паровым котлом. Второй будет турбиной. Его размер выбираем на свое усмотрение, в зависимости от размера всей конструкции.

• В качестве форсунки будем использовать закрытую гайку, в которой просверлим отверстие диаметром 1 мм. (Рис.1)

• Изготавливаем турбину. Для этого делим кружок из жести сперва на 4 части, потом каждую четвертинку на 2 части, и наконец каждую дольку на пополам. Надрезаем дольки примерно до середины радиуса. Загибаем лопатки турбины плоскогубцами. В центр припаиваем головку заклепки.(Рис.2 а,б )

• Держатель турбины выгибаем из жестяной полоски в виде буквы П. Заранее просверливаем отверстие под ось турбины. (Рис.3)

• Делаем в крышке две дырки: под форсунку и под заливное отверстие. Заливное отверстие располагаем чуть с боку, чтобы турбина не мешала завернуть винт.

• Припаиваем к крышке гайку и держатель турбины, затем все припаиваем к банке. Надо заметить, что почти все современные консервные банки изготавливаются с дополнительным полимерным покрытием, поэтому все детали перед пайкой необходимо зачистить шкуркой. (Рис.4)

• Готовую турбину припаиваем к оси и закрепляем в держатель. Обязательно проверяем чтобы она не за что не цеплялась. (Рис.5)

• Турбина готова к запуску. (Рис. 6) Заливать воду будет гораздо проще, воспользовавшись полиэтиленовым флаконом из под капель от насморка или шприцом. Не стоит наливать воды больше половины объема нашего котла.

2.Проверка работы модели паровой турбины в действии и получение данных для дальнейших расчетов.

Работа паровой турбины представлена в видео материале.

К валу турбины на нити привязан небольшой грузик массой 12 грамм. В ходе работы турбина подняла груз на 60 сантиметров на 8,43 секунды Также во время совершения работы по поднятию груза была найдена масса сгоревшего топлива в количестве 0,09 грамм и масса вышедшего пара из котла в количестве 0,9 грамм (обе массы были найдены путем взвешивания горелок до и после совершения моделью полезной работы). Все данные были собраны в то время, когда турбина была разогрета и находилась в действии. Количество теплоты, ушедшее на нагревание воды до температуры кипения, мы не учитывали. (Все данные представлены как среднее арифметическое от 5 испытаний модели).

3.Расчеты КПД, мощности турбины и КПД нагревательного элемента.

Выводы

Модель разработана, создана и реально работает: лопасти начинают крутиться под действием пара, турбина поднимает небольшой грузик массой 12 г., благодаря чему были рассчитаны КПД и мощность турбины и КПД нагревательного элемента. Мощность модели равна 0,008 Вт. КПД турбины равен 0,0034% это мизерное значение. КПД горелки получился 52,2% это связано тоже с теплопотерями в окружающую среду. Объясняется это в первую очередь тем, что в процессе работы турбины гигантская часть тепловой энергии уходит на нагревание окружающей среды, и часто энергии уходит на работу силы трения. КПД горелки получился 52,2% это связано тоже с теплопотерями в окружающую среду. В будущем можно будет попробовать собрать турбину иной конструкции, которая позволит увеличить КПД, так же впоследствии улучшенную модель можно будет подключить к генератору электрического тока. Я думаю, что данная работа послужит мотивом одноклассникам в создании аналогичной собственной модели.

Литература

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%E5%EF%EB%EE%E2%EE%E9_%E4%E2%E8%E3%E0%F2%E5%EB%FC

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%B0»

3. Перышкин А. В. «Физика», учебник для 8 класса средней школы

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%E0%F0%EE%E2%E0%FF_%EC%E0%F8%E8%ED%E0#.D0.9F.D1.80.D0.B8.D0.BC.D0.B5.D0.BD.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D0.B5

5. http://www.pifos.ru/news/izobretenie_parovykh_turbin_istorija_izobretenija_turbin/2009-12-27-161

6. http://vuselibig.ru/w/parovaya_turbina_-_istoriya

7. http://c-cafe.ru/days/bio/31/laval.php

8. http://iq-coaching.ru/izobretateli/evropeiskie/308.html

9. http://wiki.wargaming.net/ru/Navy:Паровая_турбина

10. http://par-turbina.ucoz.net

11. http://de-ussr.ru/tehnika/energiya/generatory/p-turbina.html

Приложение

Конструкция турбины Лаваля

Конструкция турбины, которую будем собирать.

крышка для вливания воды

держатель ротора

лопасти паровой турбины

пар

сопло для выхода пара

паровой котел

горелка

Рис. 1

Рис. 2 а,б

Рис. 4

Рис. 3

Рис. 6

Рис. 5