Статья о паротурбинном двигателе

В.Н. Кузянов

Использование самодельной действующей модели паровой турбинной машины на уроках по физике для повышения наглядности и мотивации учащихся.

Предлагается использование в качестве демонстрации на уроках по физике самодельной действующей модели паровой турбинной машины, а также описывается сборка и методика использования подобной модели.

Ключевые слова: тепловой двигатель, паровая турбинная машина, коэффициент полезного действия, принцип работы тепловых машин.

V.N. Kuzyanov

Using working model of a steam turbine machines on the lessons of physics to improve the visibility and motivation of students.

It is proposed to use as a demonstration of the lessons on the physics of working model of a steam turbine of the machine and describes the assembly and method of use of such a model.

Keywords: heat engine, a steam turbine machine, the efficiency, the principle of thermal machines.

Литература

1. Методическая литература, ЦОР: http://fizkaf.narod.ru/metod.htm (дата обращения 10.01.17)

2. Мякишев Г.Я. Физика 10 класс,– М.:Просвещение,1992

3. Приборы по физике, итернет магазин, http://vuz-pribor.ru/search/?search=тепловые%20двигатели (дата обращения 10.01.17)

4. Приборы по физике, итернет магазин,http://www.interfep.ru/index.php?ht=30 (дата обращения 10.01.17)

5. Абрамов А., Бунимович Д., Клементьев С. Книгаюного конструктора.т.1. 1937.

МАОУ СОШ 62

Кузянов Владимир Николаевич учитель физики и информатики

Почтовый адрес: г.Екатеринбург, Большакова18

Телефон: 89126460149

Форма участия: очная.

Оборудование, необходимое для выступления: этиловый спирт, спички

В.Н. Кузянов

Использование самодельной действующей модели паровой турбинной машины на уроках по физике для повышения наглядности и мотивации учащихся.

При прохождении темы «Основы термодинамики» в средней школе у учителя физики есть определенный набор приборов, в котором немаловажное значение имеет модель теплового двигателя. С помощью этой модели можно рассмотреть применение первого и второго начала термодинамики к тепловым процессам, принципы действия тепловых двигателей, коэффициент полезного действия (КПД), провести некоторые лабораторные работы и расчетные задания, а также мотивировать к обучению физики [1]. Актуальность статьи заключается в нахождении наиболее функциональной (для методики обучения физики) модели теплового двигателя.

Возникает проблема отбора критериев функциональности модели. Для решения этой проблемы проанализируем внутренне и внешнее устройство тепловых двигателей.

Существует несколько видов тепловых двигателей, самые основные из них: двигатель внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга, турбинный двигатель. Каждый тип двигателя имеет свои особенности в строении, технических характеристиках. Но не все модели есть в школе, особенно работающие в реальности. Данные двигатели лучше, чем статические неработающие модели, потому что в них нет абстракции и больше наглядности, учащимся не приходится воображать, как рабочее тело совершает работу. Для полного представления можно показать рисунок на презентации внутреннего строения. При этих условиях у учащихся формируется полноценное представление о тепловых двигателей, принципах их действия.

Нами была выбрана модель теплового турбинного двигателя, потому что его конструкция проста, КПД высокий, нет необходимости говорить о внутренних деталях, что с точки зрения можно использовать в качества демонстрационного оборудования [2, стр.80]. Но область применения турбинного двигателя позволяет также использовать его в качестве оборудования для различных лабораторных установок. Например, если установить двигатель на подвижную тележку, можно вычислить работу, даже количество теплоты нагревателя.

Модель теплового двигателя можно купить в специализированных магазинах или сделать самим.

В интернет магазинах[3,4] модель парового двигателя Стирлинга стоит – 12511 руб., модель паровой турбины – 784 руб., модель двигателя внутреннего сгорания – 1701 руб.. Из анализа цены следует, что выгодно покупать паровой турбинный двигатель.

Если сделать самим прибор, то цена выходит примерно – 300 руб.

Используя литературу [5] юный конструктор, а также подручные материалы, я сделал самодельную паровую турбинную машину (рис.1):

14

Рисунок.1. Вид на паровую турбинную машину сбоку

Схема демонстрационной модели (рис.1):

1. Турбина

2. Металлический стержень от шприца диаметром 1,5 мм (d=1,5мм)

3. Стальная трубка, приплюснутая молотком и спаянная с одного конца (d=10 мм)

4. Стальная трубка

5. Резиновая пробка

6. Кольцо для банки

7. Муфта для регулирования уровня сопла над лопатками турбины

8. Стержень

9. Основа из текстолита (20х10 см)

10. Переднее колесо

11. Четырех жальная спиртовка

12. Банка из-под сгущенки

13. Заднее колесо

14. Защитный экран

Этапы сборки:

1. Турбина. Два круга турбины и лопатки вырезаются из жести банок сгущенки. Для нормальной работы [5, полное описание] необходимо вырезать 16 лопаток. На лопатки припаиваются два стержня, и лопатки загибают (см. рис.2). Два круга скрепляются и для стержней лопаток высверливают симметрично отверстия по пересечению пунктирных линий. Затем все лопатки крепятся сначала к одной стороне, затем ко второй и концы стержней припаиваются к кругам.

Рисунок.2. Турбина

2. Передаточная коробка. Для того чтобы машина двигалась медленно использовалась понижающая передача из 4 шестеренок, взятых из будильника. Шестеренки крепятся на две симметричные пластины текстолита. Чтобы пластины были симметричными необходимо соединить их и сделать два отверстия, закрепив болтами. Затем скрепленные пластины обработать напильником. Самым сложным этапом сборки передаточной коробки является установка шестеренок. Для этого делается чертеж, измеряются расстояния между осями вращения шестеренок, затем просверливаются отверстия (пластины должны быть скрепленными!). Необходимо примерить шестеренки, добиться контакта и свободного вращения. Затем вырезается третья пластина, на которую крепится турбина. Все три пластины скрепляются болтами и делаются дополнительные отверстия для стоек длиной 25 мм (продаются в магазине радиотехнике). В конце пластины разъединяют и устанавливают шестеренки и стойки. Чтобы шестеренки не слетали, лучше закрепить их на ось клеем или вырезать из пластиковой соломинки ограничители.

Рисунок.3. Передаточное устройство

3. Бак с водой. Бак с водой делается из банки сгущенки (см. рис.1). В банке необходимо сделать два отверстия и вставить в них металлические стержни. Стержни припаивают к банке. На один конец делается пробка из резины, он служит для заливки воды. Второй конец сплющивают и соединяют припоем с толстой иглой (d=1,5 мм).

4. Спиртовка. Делается из жести банок сгущенки в форме коробки. В верхней части коробки делается 4 круглых отверстия d=10 мм. К отверстиям припаивают четыре скрученных трубы из жести длинной 12 мм. Сверху и с боку внизу делаются отверстия d=4 мм и припаиваются гайки (залива и слива топлива). Отверстия закрываются вкручиванием болтов. Все стороны спиртовки припаиваются. Спиртовку надо проверить на герметичность. Жала делаются и скрученной хлопчатобумажной ткани.

5. Основа. На лист текстолита крепятся передние колеса, делается отверстие для стержня, который крепится гайками к основанию. Коробка устанавливается «Г» - образными крепежами к основанию с помощью болтов. Последний шаг - крепление колес на заднюю ось и регулировка муфтой высоты сопла над лопатками турбины.

Использование паровой турбинной машины в курсе физики. С учащимися необходимо разобрать устройство теплового двигателя на примере паровой турбины: где рабочее тело, холодильник, нагреватель? Потом объяснить, что такое КПД, и решить экспериментальную задачу: определить КПД машины при помощи весов, динамометра, линейки. Обсудить с учениками, почему КПД данной установки низкий (из-за маленькой рабочей области банки и теплопотерь, открытого колеблющегося пламени, трения, формы турбины, низкой температуры горения спирта). Задачи теоретического характера можно сформулировать из параметров установки: A – полезная работа, η – КПД, Q_х – количество теплоты отданное холодильнику, Q_н – количество теплоты принятое от нагревателя, F – сила тяги, S – путь, m – масса топлива, q – удельная теплота сгорания топлива. Например:

• При сгорании спирта массой 30 г машина переместилась на 108 м, сила тяги которой 1,5 Н. Найти КПД теплового двигателя.

• Какой путь пройдет машина с КПД η с силой тяги F, если ее заправили этиловым спиртом массой m.

• КПД тепловой машины заправленной этиловым спиртом массой m равно η. Насколько увеличится КПД, если спирт заменить бензином на такой же объем. Считать, что количество теплоты холодильника в обоих случаях примерно равно.

Литература

1. Методическая литература, ЦОР: http://fizkaf.narod.ru/metod.htm (дата обращения 10.01.17)

2. Мякишев Г.Я. Физика 10 класс,– М.:Просвещение,1992

3. Приборы по физике, итернет магазин, http://vuz-pribor.ru/search/?search=тепловые%20двигатели (дата обращения 10.01.17)

4. Приборы по физике, итернет магазин,http://www.interfep.ru/index.php?ht=30 (дата обращения 10.01.17)

5. Абрамов А., Бунимович Д., Клементьев С. Книгаюного конструктора.т.1. 1937.