Двигатели стирлинга

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 г., приблизи­тельно за 80 лет до дизеля, и пользовался значительной по­пулярностью до начала XX в. Отсутствие подходящих кон­струкционных материалов в значительной степени затруднило его дальнейшее совершенствование, а с появлением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя интерес к двигателю Стирлинга утратился окончательно. В 50-е годы XX в. быстрое развитие технологии производства различных материалов вновь открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы, однако настоящий интерес к нему возродился только во време­на так называемого «энергетического кризиса». Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные воз­можности этого двигателя в отношении экономичного потребле­ния обычного жидкого топлива, что представлялось особенно важным в период роста цен на топливо в геометрической про­грессии.

Хотя проблемы, относящиеся к двигателю Стирлинга, до не­которой степени освещались в технической литературе, все же, как показывает опыт авторов, в инженерных и промышленных кругах имеется весьма слабое представление о двигателе Стирлинга, принципах его работы, диапазоне возможных обла­стей его применения и той роли, которую мог бы сыграть этот двигатель в решении задачи экономии энергии. Дело, однако, не в недостатке литературы по вопросам конструирования и работы двигателя Стирлинга, а в том, что многие из опубли­кованных работ (а их около тысячи) имеют весьма специаль­ный характер и требуют от читателя определенной предвари­тельной подготовки для усвоения их содержания. Работы об­щего характера по двигателям Стирлинга встречаются весьма редко и неизбежно велики по объему. Нужно иметь достаточ­но большую заинтересованность в предмете, чтобы прочесть та­кую работу полностью. Сжатое изложение отдельных вопросов, принятое в подобных работах, часто оказывается препятствием для читателя, не имеющего первоначальных знаний по двигате­лю Стирлинга.

Сбивающее с толку обилие высокоспециализированной ли­тературы скорее охладит даже подготовленного читателя, чем возбудит его интерес. Все же, какой бы ни была ситуация, оче­виден факт, что сколько-нибудь подробное описание конструк­ции двигателя Стерлинга и термодинамического цикла, лежа­щего в основе его работы, редко встречается в обычных учеб­никах и, как правило, не включается в курсы лекций, читае­мых в высших технических учебных заведениях и университе­тах Однако именно студенты, обучающиеся в настоящее время в высших учебных заведениях, и молодые инженеры, только начинающие свою практическую деятельность, могут оказать решающее влияние на дальнейшее развитие двигателя Стер­линга, и настоящая книга адресована главным образом этим двум группам читателей.

Представители руководящих кругов исследовательских ор­ганизаций и промышленности, профессора и преподаватели технических дисциплин благодаря занимаемому ими положе­нию могли бы оказать большое влияние на завтрашних инже­неров и техников, и поэтому им также следовало бы больше знать о двигателях Стерлинга. Настоящая книга рассчитана и на эти группы читателей. Она построена так, чтобы облегчить понимание основных особенностей работы и конструкции дви­гателя Стерлинга. Книга дает ответы на вопросы: как устроен двигатель Стерлинга, как он работает, где он может использо­ваться и т. д.— уже в начале изложения материала (гл. 1). Мы надеемся, что, прочитав эту главу, инженерно-технические работники будут более отчетливо представлять потенциальные возможности двигателя Стерлинга в области преобразования энергии и более внимательно отнесутся к перспективам его ис­пользования.

Можно отметить одну интересную особенность: многие ис­следователи двигателя Стерлинга чрезвычайно быстро стано­вятся его горячими сторонниками, как и те, кто работает с па­ровыми машинами. Несомненно, что манящие и ускользающие возможности двигателя в значительной степени привлекают инженеров, ознакомившихся с этим устройством. Однако Дэ­вид Оруик, вероятно, более точно объясняет причину такого повышенного интереса: «...неизвестные факторы, влияющие на характеристики двигателя, работающего на нагретом воздухе, столь многочисленны, что это открывает широкие возможности для исследовательской н изобретательской деятельности» (Mo­del Engineer, Oct. 1975, p. 959).

К сожалению, как и во всех случаях, когда имеются обшир­ная литература и большое число энтузиастов, возникает много всяких мифов и легенд. В предлагаемой книге мы попытались опровергнуть некоторые необоснованные суждения, которые проникли в литературу. Однако мы не считаем данную книгу исчерпывающим трудом по двигателям Стерлинга. Такую кни­гу еще предстоит написать, хотя серия книг Уокера на сегод­няшний день, вероятно, наиболее полно охватывает рассматри­ваемую проблему. Настоящая книга отражает в значительной своей части результаты наших собственных исследований и изучения имеющейся литературы, и мы надеемся благополуч­но провести читателя через «минные поля» трудностей на под­ступах к пониманию конструкции и принципов работы двига­теля Стирлинга.

Многие исследователи внесли свой вклад в углубление и расширение наших знаний о двигателе Стирлинга и всех их перечислить невозможно. Однако следует особо упомянуть Грэхема Уокера, Теда Финкельштейна, Билла Била и Билла Мартини, оказавших нам неоценимую помощь. Большую по­мощь оказали нам также наши коллеги и некоторые талант­ливые студенты Королевского морского инженерного колледжа в Великобритании, выполнявшие свои проекты под нашим руко­водством.

Основное содержание книги изложено в гл. 1, которая мо­жет рассматриваться как самостоятельный, законченный текст. В остальных главах более подробно рассматриваются некото­рые вопросы, поднятые в гл. 1. Порядок расположения этих глав дает возможность читателю постепенно углублять свои знания о двигателе Стирлинга. Мы надеемся, что основные во­просы нам удалось изложить более ясно, чем в некоторых про­смотренных нами литературных источниках. В тексте книги, как правило, опущены детальные математические выкладки, однако приведены основные формулы и рассмотрены методы аналитического исследования процессов (главным образом в гл. 2 и 3), так что читатель сможет пользоваться ими доста­точно свободно, одновременно оценивая их практическую поль­зу и осваивая методику их применения.

Ознакомившись с основополагающими концепциями и осно­вами конструкции двигателя Стирлинга, более подготовленные или более честолюбивые читатели могут пожелать продолжить изучение предмета. Для этого в гл. 7 анализируется имею­щаяся литература по двигателям Стирлинга, и выделяются публикации, с которыми необходимо ознакомиться при даль­нейшем изучении этого вопроса. Однако, учитывая то, что сту­дентов и преподавателей заинтересует литература несколько иного характера, чем инженерно-руководящих работников про­мышленности, в книге даются отдельные списки литературы для каждой группы. После просмотра литературы, обзор кото­рой дан в гл. 1 и 7, многих представителей промышленности заинтересует, кто изготавливает двигатели Стирлинга, какова их сравнительная стоимость, каковы рабочие параметры дви­гателей, которые можно приобрести, и т. п., в то время как преподавателей будет интересовать оборудование, которое можно использовать в лабораториях учебных заведений. В свя­зи с этим в гл. 4 рассматриваются отдельные узлы двигателя и с учетом опыта авторов по приобретению материальной ча­сти, в том числе для использования в качестве наглядных по­собий, приведен перечень источников, содержащих чертежи двигателей. В гл. 6 в исторической перспективе рассматрива­ются различные направления исследований двигателей Стир - линга и другие вопросы, связанные с этими исследованиями. Выявляются еще не решенные проблемы и рассматриваются специфические области исследований, где работники учебных заведений могли бы сыграть важную роль. В гл. 5 рассматри­ваются вопросы, связанные с использованием аккумуляторов тепловой энергии и источников тепла, основанных на горении металла. Эти вопросы могут приобрести важное значение в бу­дущем.

Авторы надеются и полагают, что в настоящей книге дано до­статочно точное и легко усваиваемое изложение затрагиваемых вопросов и связанных с ними проблем, понятное без привлече­ния дополнительной литературы. Откровенно говоря, такую книгу мы бы сами приветствовали, если бы впервые проявили интерес к двигателю Стерлинга.

В заключение мы благодарим наших жен и членов семей за их поддержку во время работы над книгой, в особенности за перепечатку рукописи и подготовку графического материала.

Г. Т. Ридер Ч. Хупер