Budowa i zasada działania maszyny cieplnej.

Silniki cieplne, urządzenia zmieniające ciepło im dostarczone na energię mechaniczną w formie pracy, są to między innymi silniki spalinowe, odrzutowe rakietowe, parowe itp. W silnikach cieplnych odbywają się procesy kołowe to znaczy, że po wykonaniu pewnego cyklu przemian silnik wraca do swojego pierwotnego stanu. Substancja podlegająca tym przemianom w silniku jest nazwana substancją roboczą. Ze względu na sposób uzyskiwania energii mechanicznej, silniki cieplne można podzielić na tłokowe (np. spalinowe) i turbinowe. W silnikach pierwszego typu ciepło powoduje wzrost ciśnienia działającego na tłok umieszczony w cylindrze, a w konsekwencji jego ruch. W silnikach drugiego typu ciepło powoduje wzrost energii kinetycznej substancji roboczej, który łatwo jest zamieniany na energię kinetyczną łopatek turbin. Ruch tłoka w cylindrze i turbiny po zastosowaniu odpowiednich przekładni jest zamieniany na innego typu pracę mechaniczną lub na inny rodzaj energii (np. elektrycznej). Idealnym silnikiem cieplnym, o największej możliwej sprawności, jest silnik Carnota.

Silniki cieplne mają za zadanie przekształcić energię wewnętrzną w energię mechaniczną. Najczęściej ciepło pochodzące ze spalania paliwa jest dostarczane do gazu roboczego, który rozprężając się wykonuje pracę wprawiając w ruch jakiś mechanizm. Rozprężanie gazu nie może się odbywać nieograniczenie, ponieważ silnik ma skończone rozmiary. Dlatego gaz musi być z powrotem sprężony, tak, aby wszystkie części silnika wróciły do stanu wyjściowego. Po czym cykl przemian powtarza się i za każdym razem silnik wykonuje pracę. Taki proces termodynamiczny, po którym układ wraca do stanu wyjściowego, po wykonaniu szeregu pośrednich przemian, nazywamy cyklem termodynamicznym lub procesem kół. Silnik parowy, parowy silnik tłokowy, silnik cieplny. Wewnętrzna energia rozprężającej się pary wodnej przekształca się w nim w pracę mechaniczną za pośrednictwem tłoka poruszającego się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze, do którego doprowadza się z zewnątrz pod ciśnieniem parę wytworzoną w oddzielnym kotle. Istnieją silniki o działaniu jednostronnym lub dwustronnym oraz o pojedynczym albo kilkakrotnym rozprężaniu pary. Silnik spalinowy, silnik cieplny spalania wewnętrznego, w którym energia spalania mieszanki paliwowo-powietrznej zamieniana jest na ruch obrotowy wału korbowego (silnik tłokowy) lub turbiny (silnik turbinowy).
Silniki cieplne wykonują pracę dzięki przepływowi ciepła, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Przepływ ciepła między ciałami jest możliwy tylko wówczas, gdy istnieje różnica temperatur między nimi. Stąd silnik cieplny musi pobierać ciepło ze źródła i oddawać jego część chłodnicy. Sprawność silnika cieplnego określa się jako iloraz pracy uzyskanej w nim dzięki pobranemu ze źródła ciepłu i wartości tego ciepła. Ponieważ substancja robocza oddaje część pobranego ciepła chłodnicy, pobrana praca jest mniejsza od ciepła pobranego, a więc sprawność silnika cieplnego nie może być całkowita (praktycznie najlepsze silniki cieple mają sprawność rzędu 30 - 40%).
Sprawnością silnika cieplnego nazywamy stosunek procentowy ilości wykonanej przez silnik pracy do ilości pobranego ze źródła ciepła.
k = W/Q1 100%

Zasada działania silników cieplnych
Podział silników cieplnych
Przez silnik cieplny przepływa substancja charakteryzująca się dużymi zmianami objętości właściwej przy zmianach temperatury i ciśnienia, zwana czynnikiem pracującym. Ze względu na rodzaj czynnika pracującego silniki dzieli się na: spalinowe i parowe. Ze względu na sposób wykorzystania energii czynnika silniki dzieli się na: tłokowe, turbinowe i odrzutowe.
Zasada działania silnika parowego.
Silnik parowy jest to silnik cieplny, który zamienia energię pary wodnej na energię mechaniczną. Silnik parowy tłokowy dokonuje zamiany energii cieplnej pary na pracę mechaniczną przez bezpośrednie działanie pary na tłok silnika umieszczony w cylindrze. Prostoliniowy ruch tłoka zamieniany jest na ruch obrotowy wału za pośrednictwem mechanizmu korbowego. Silnik parowy wirnikowy dokonuje zamiany energii pary pośrednio, zamieniając ją najpierw w energię kinetyczną, która z kolei zamienia się na pracę mechaniczną, przy czy, uzyskujemy od razy ruch obrotowy wału.
Silnik parowy dawniej zwany maszyną parową był trwały i niezawodny lecz ciężki i mało ekonomiczny. Teraz zastąpiony przez turbiny parowe i gazowe oraz silniki spalinowe.
W czasach swej świetności napędzał prawie wszystko : pociągi, statki, pompy, maszyny włókiennicze, walce drogowe, młocarnie, pługi...

Parostatki napędzane kołami łopatkowymi najpierw zyskały popularność w transporcie rzecznym, później, szczególnie po wynalezieniu śruby napędowej, również w żegludze morskiej, najsłynniejszym statkiem napędzanym tłokowym silnikiem parowym był "Titanic".

TŁOKOWA MASZYNA PAROWA
Silnik w którym energia pary (najczęściej) wodnej przekształca się w energię mechaniczną. Para wodna uzyskana przez ogrzanie wody w kotle parowym posiada temperaturę wyższą niż 100stopni Celsjusza, ponieważ w kotle panuje wysokie ciśnienie, powodujące że temperatura wrzenia wody jest wyższa niż przy ciśnieniu atmosferycznym. Dla polepszenia sprawności energetycznej, stosowane są silniki na parę przegrzaną, do zasilania których, w kotłach parowych stosuje się przegrzewacze dodatkowo podnoszące temperaturę pary. Para wywierając nacisk na tłok silnika parowego przesuwa go wykonując pracę mechaniczną, równocześnie na skutek rozprężania objętość jej rośnie a temperatura spada. Najczęściej stosuje się silniki parowe dwustronnego działania, w których para na zmianę wywiera nacisk po obu stronach tłoka. Dla pełniejszego wykorzystania energii pary, stosuje się parowe silniki tłokowe podwójnego rozprężania, w których częściowo rozprężona para wylotowa, opuszczająca cylinder pierwszego stopnia, jest dalej rozprężana w cylindrze drugiego stopnia, mającym znacznie większą średnicę.
Pierwsze silniki parowe miały zastosowanie stacjonarne, służyły do napędu pomp odwadniających kopalnie (Thomas Newcomen 1712), oraz maszyn w fabrykach (James Watt 1769). W 1769 r. Kapitan armii francuskiej Nicolas Joseph Cugnot skonstruował ciągnik artyleryjski o napędzie parowym. Mimo początkowych trudności, rozwój trakcyjnego silnika parowego doprowadził do powstania wielu interesujących konstrukcji :,pługów parowych, walców drogowych, omnibusów... największe znaczenie w transporcie ,zyskał silnik parowy w kolejnictwie i żegludze.
Okazuje się że lokomotywa parowa, to kocioł na kołach, z kilkoma drobnymi dodatkami.
Zastosowanie silnika parowego stało się podstawą rewolucji przemysłowej. Przez około 150 lat silniki te odegrały znaczną rolę w rozwoju techniki, lecz obecnie zostały zastąpione przez bardziej ekonomiczne i lżejsze turbiny parowe oraz silniki spalinowe.
„POCZĄTKI” z TERMODYNAMIKĄ

Najstarszą znaną turbiną,jest turbina Herona skonstruowana przez Herona z Aleksandrii w I w.n.e.
Opis: w kuli zawieszonej na linie, znajuje się wrząca woda, podgrzewana przez ognisko.Para wylatuje przez dysze na końcu ramion i powoduje wirowanie kuli.
Turbina akcyjna Lavala
Opis: para rozpędzona w dyszy, naciska na łopatki turbiny, dzięki czemu wirnik obraca się.W dyszy następuje zamiana energii potencjalnej /ciśnienia pary/ na energię kinetyczną.
Nicolas Joseph Cugnot
(1725 - 1804 )
Francuz Cugnot osiemnaście lat spędził w Niemczech, gdzie bardzo ceniono sobie jego talenty techniczne. Do Francji wrócił Cugnot już jako doświadczony inżynier wojskowy. Ulepszył broń palną piechoty, skonstruował też stolik mierniczy o specjalnym przegubie genou a la Cugnot.

W dziejach techniki zapisał się przede wszystkim jako wynalazca pojazdu parowego. Zbudował "samojazd" parowy, który miał zamiast koni służyć do przewozu armat. Był to wóz trzykołowy, z kotłem parowym na przedzie. Za kotłem mieściła się dwcylindrowa maszyna parowa. Drągi jej tłoków uruchamiały za pośrednictwem łańcuchów i przekładni zębatej przednie koło wozu. Wóz biegł samoczynnie w ciągu 15 do 20 minut z prędkością 6,4 km/ h, po czym musiał stawać dla nagromadzenia nowej dawki pary.

Nowy pojazd wywołał w Paryżu sensację. Zaciekawienie było powszechne, ale pokaz zakończył się katastrofą. Przednie koło wozu, służące zarazem do zmiany kierunku ruchu, w znacznej mierze utrudniało prowadzenie. W pewnej chwili Cugnot stracił panowanie nad pojazdem i uderzył o ceglany mur. Wóz uległ uszkodzeniu, a sam wynalazca ośmieszył się w oczach Paryża. Zniechęcony Cugnot machnął ręką na dalsze eksperymenty z samobieżnym pojazdem. Doceniano jednak jego zasługi, król przyznał mu dożywotnią rentę, stracił ją po wybuchu rewolucji, jednak Napoleon przyznał mu ponownie to stałe wsparcie finansowe.

Zasada działania silnika spalinowego – tłokowego
W spalinowych silnikach tłokowych stosowany jest najczęściej posuwisto-zwrotny ruch tłoka. Są to silniki suwowe. W doświadczalnych silnikach obrotowych zastosowano obrotowy ruch tłoka. Przesunięcie tłoka pomiędzy dwoma kolejnymi położeniami zwrotnymi tłoka nazywa się suwem tłoka. W zależności od liczby suwów tłoka, po wykonaniu których zjawiska w silniku powtarzają się rozróżnia się silniki czterosuwowe i dwusuwowe. Zależnie od sposobu zapłonu mieszanki rozróżnia się silniki o zapłonie iskrowym (tzw. niskoprężne; zapłon następuje od iskry elektrycznej między elektrodami świecy zapłonowej) i silniki o zapłonie samoczynnym (zw. też silnikami wysokoprężnymi lub silnikami Diesla), w których zapłon wtryśniętego paliwa (oleju napędowego) następuje wskutek silnego podwyższenia temperatury powietrza zawartego w cylindrze w wyniku jego sprężenia. Wśród silników spalinowych tłokowych o zapłonie samoczynnym rozróżnia się silniki z wtryskiem bezpośrednim, z komorą wstępną, z komorą wirową, z zasobnikami powietrza. Silniki o zapłonie samoczynnym charakteryzują się dużą sprawnością, małym zużyciem paliwa i nie wymagają elektrycznej instalacji zapłonowej, mają natomiast bardziej skomplikowaną konstrukcję od silników o zapłonie iskrowym.
W silnikach suwowych tłok uszczelniony pierścieniami tłokowymi zamyka cylinder silnika; posuwisto-zwrotny ruch tłoka jest zmieniany przez mechanizm korbowy na ruch obrotowy wału korbowego; dopływ mieszanki (lub powietrza) do cylindrów silnika oraz usuwanie z nich spalin reguluje mechanizm rozrządu. W silnikach spalinowych tłokowych czterosuwowych (czterosuwach) obieg pracy odbywa się w 4 kolejnych suwach tłoka, co odpowiada 2 obrotom wału korbowego; w silnikach dwusuwowych (dwusuwach) obieg pracy odbywa się w 2 kolejnych suwach tłoka, co odpowiada 1 obrotowi wału korbowego; silniki dwusuwowe w porównaniu z czterosuwowymi mają mniej skomplikowaną konstrukcję, są łatwiejsze do obsługi i naprawy, tańsze, ale ich wadami są na ogół większe zużycie paliwa i zanieczyszczanie powietrza. Silniki o zapłonie samoczynnym są stosowane jako silniki okrętowe i przemysłowe oraz w samochodach i ciągnikach, natomiast silniki z zapłonem iskrowym w motocyklach i samochodach osobowych.

Szczególną odmianę silników spalinowy tłokowych stanowią silniki o tłoku obracającym się, czyli silniki spalinowe rotacyjne; w tych silnikach tłok wykonuje ruch obrotowy, poruszając się pod wpływem zmiennych nacisków czynnika roboczego. Spośród wielu proponowanych rozwiązań pierwszym udanym był silnik wykonany 1960 przez F. Wankla (silnik Wankla); ma on mniejszą od silnika klasycznego masę, mniejsze wymiary i prostszą budowę, ale jednocześnie gorszą sprawność (z powodu niekorzystnego kształtu komory) i mniejszą trwałość (szybkie zużycie uszczelek).
Zasada działania silnika spalinowego – turbinowego.

Silnik spalinowy – turbinowy ma przynajmniej jedną turbinę wykonującą pracę użyteczną, zwaną turbiną napędową. Najczęściej silnik spalinowy – turbinowy jest silnikiem o spalaniu wewnętrznym. Do silnika zasysane jest powietrze z otoczenia. Spaliny o temperaturze i ciśnieniu wyższych od ciśnienia i temperatury otoczenia wytwarzane są zazwyczaj w wirnikowej, rzadziej w tłokowej wytwornicy spalin. W pierwszym przypadku powietrze sprężane jest w sprężarce wirnikowej. Sprężone powietrze przepływa przez komorę spalania, do której wtryskiwanej jest przez wtryskiwacz paliwo. Po rozprężeniu w jednej lub kilku turbinach do ciśnienia otoczenia spaliny usuwane są z silnika. W silnikach dużych mocy stosowane są sprężarki i turbiny osiowe. W silnikach małych mocy stosowane są sprężarki promieniste oraz turbiny osiowe i promieniste. W silnikach turbinowych bez odzyskiwania ciepła ze spalin temperatura czynnika przepływającego między sprężarką a turbiną wzrasta tylko na skutek spalania paliwa w komorze spalania. W silnikach turbinowych z odzyskiwaniem ciepła ze spalin temperatura czynnika ze sprężarką wzrasta początkowo w wymienniku ciepła, na skutek ogrzewania powietrza wypływającego ze sprężarki spalinami wypływającymi z turbiny, a następnie na skutek spalania paliwa w komorze spalania. Odzyskiwanie ciepła ze spalin zwiększa sprawność silnika.

Turbina wielostopniowa reakcyjna Parsonsa.
Wielostopniowe turbiny reakcyjne,w których para stopniowo rozpręża się, w kolejnych stopniach o coraz większej średnicy są powszechnie stosowane w elektrowniach (t.zw. Turbozespoły, w których na tym samym wale co turbina, jest osadzony generator prądu) i okrętach. Wysokie obroty robocze turbin ,umożliwiają łączenie ich z generatorami bez przekładni, natomiast do napędu statków niezbędne jest stosowanie przekładni redukcyjnych.
Do zasilania turbin stosuje się parę przegrzaną o temperaturze do 6000C i ciśnieniu do 24 MPa. Parę uzyskuje się w kotłach parowych opalanych węglem kamiennym, brunatnym i paliwami płynnymi np. Mazutem, lub ogrzewanymi ciepłem z reaktora nuklearnego.

Zasada działania silnika odrzutowego.
Silniki odrzutowe napędzają samoloty lub pociski rakietowe przez bezpośrednie wykorzystanie siły reakcji strumienia spalin wypływających z dużą prędkością z dyszy silnika. Siła ta nazywana jest ciągiem silnika. Silniki odrzutowe przelotowe pobierają tlen potrzebny do spalania z powietrza atmosferycznego dopływającego do silnika. Powietrze dopływające do silnika jest sprężane adiabatycznie w części wlotowej silnika, ukształtowanej jako dyfuzor, na skutek zmniejszenia prędkości przepływu (obieg Braytona). W silnikach przelotowych sprężarkowych powietrze jest sprężane dalej adiabatycznie w sprężarce osiowej lub promienistej, po czym przepływa do komory spalania. Proces spalania w komorze spalania przebiega prawie izobarycznie (35% spadek ciśnienia). Temperatura spalin przed turbiną nie może przekraczać 1200 K przy obecnie stosowanych materiałach na łopatki turbin.

Patent na silniki turboodrzutowe uzyskał 1930 bryt. konstruktor F. Whittle, który 1939 przeprowadził pierwszą próbę takiego silnika. Pierwszym samolotem z silnikiem turboodrzutowym był 1939 niemiecki samolot Heinkel He-178. Silniki turboodrzutowe są obecnie podstawowym rodzajem napędu samolotów komunikacyjnych i wojskowych o prędkości okołodźwiękowej i naddźwiękowej.