Машины, работающие по циклу Стирлинга

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ИССЛЕДОВАНИЯМ В ОБЛАСТИ РЕГЕНЕРАТОРОВ И ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Из гл. 7 следует, что существующие методы проектирования регенеративных (и других) теплообменников неудовлетворительны. Исследования в этой области могут быть предприняты на инженер­ных факультетах университетов, но при этом должен быть достиг­нут достаточно высокий уровень понимания проблемы, с тем чтобы результаты исследований могли быть применимы к решению прак­тических вопросов; что касается технической литературы по реге­неративным теплообменникам, то она находится в различных источ­никах и не относится непосредственно к машинам Стирлинга.

На начальной стадии работы экспериментальные исследования регенераторов более предпочтительны, чем чисто теоретические, и должны включать научные исследования очень малых времен дутья, периодических изменений в широком диапазоне давлений, массовых расходов и плотности рабочего тела. Они должны про­водиться с особым вниманием к влиянию пористости и внутренним потерям на трение. Эксперименты с регенеративными насадками, проведенные при давлениях и температурах, близких к атмосфер­ным, и при медленно изменяющихся условиях, почти или совсем неприменимы к регенераторам машин Стирлинга. Для таких ре­генераторов, по-видимому, нет лучшей модели для испытаний, чем сама машина Стирлинга. Так, в ходе экспериментов рекомендова­лось отдавать предпочтение изучению изолированных регенера­торов. Попытки неопытных экспериментаторов создать исследова­тельский образец почти всегда будут приводить к созданию машины настолько неудовлетворительной по тепловым характеристикам, что наилучшие ее результаты получаются при снятии регенератора. В этом случае можно использовать достаточно совершенную и един­ственно имеющуюся в продаже криогенную газовую машину типа А фирмы «Филипс». Сейчас выпускается достаточно много таких ма­шин, и для экспериментов могут быть использованы уже работав­шие (или негодные для продажи по какой-либо причине) машины.

Типичными проблемами в этой области, требующими изучения, в настоящее время являются определение предпочтительного соот­ношения длины и диаметра насадки, технология набивки насадки, ее материал, где существенное значение имеет теплоемкость; изуче­ние влияния потерь внутреннего трения и поверхностей теплооб­мена, влияния изменения плотности рабочего тела и частоты из­менения направления потока на характеристики насадки. Возмож­ность подобных исследований существует для рекуперативных на­гревателей и холодильников. Материалы, предпочтительные размеры ребер, пазов, отверстий, отношения длин к диаметрам, необходи­мость учета пульсации потока при значительном изменении диапа­зона давлений, плотность и массовый расход газа при относитель­но высокой чистоте вращения машины — все это вопросы, требу­ющие создания расчетных методик.

Оптимальные расчетные графики. Другой возможной областью исследований в университете является построение оптимальных расчетных графиков. Результирующие графики, основанные на тео­рии Шмидта, были приведены в гл. 5. Идеализация, свойственная этой теории, искажает графики непонятным в настоящее время образом. Поэтому для создания действительных графиков необхо­димы тщательные экспериментальные исследования (если это, ко­нечно, возможно), что обеспечит прочную основу для будущих разработок.

Уплотнения и подшипники. Уплотнения и подшипники для дви­гателей Стирлинга важны в большей степени, чем для других машин.

Выходная мощность двигателя Стирлинга в зависимости от да­вления рабочего тела в относительных единицах приведена на рис. 10-11. Теоретическая мощность двигателя OA характери­зуется прямой линией, проведенной из начала координат. Потери Ар, обусловленные механическим трением, вызывают смещение теоретической характеристики выходной мощности до линии ВС. Потери AF, обусловленные гидравлическим сопротивлением и явля­ющиеся функцией частоты вращения или плотности рабочего тела, видоизменяют характеристику выходной мощности до кривой BD. Потери А/? от загрязнения регенератора приводят к дальнейшему уменьшению выходной мощности; кривая EF — действительная характеристика выходной мощности двигателя. Верхняя кривая, соответствующая линейной зависимости выходной мощности двига­
теля от давления рабочего тела, рассчитана по теории Шмидта. Эта мощность должна быть уменьшена на величину Ар, обусловлен­ную потерями на механическое трение в подшипниках и уплотне­ниях. Из предположения, что значение Ар — постоянно, получена кривая С. На практике потери мощности увеличиваются с повыше­нием давления рабочего тела, а влияние внутреннего трения и огра­ничение теплообмена становятся все более значительными; исходя из этих соображений и получена нижняя кривая.

Из кривых на рис. 10-11, ясно видно, что для двигателей с отно­сительно низким давлением рабочего тела весьма важно обеспечить минимальное трение в подшипниках и уплотнениях, чтобы не до­пустить возрастание этих потерь до значения соразмерного выход-

* Номинальный размер+МвЪмк

Ной мощности. Поэтому рекомендуется применять подшипники со смазкой, однако при этом возникает проблема уплотнений. Для сохранения постоянного давления в машине, а следовательно, и выходной мощности масса рабочего тела должна быть также по­стоянной. При использовании смазочного масла очень важно во из­бежание загрязнения поверхностей регенератора и теплообменни­ков не допустить попадания масла в рабочий объем машины. Загряз­нение теплообменных поверхностей увеличивает гидравлическое со­противление в регенераторе и приводит ко все более возрастающим потерям выходной мощности двигателя.

Вопрос загрязнения маслом рабочего объема является одним из основных. Для решения проблемы уплотнения было бы лучше использовать не стандартные, смазываемые маслом коренные под­шипники, а другие. Для этого имеются две возможности: исполь­зовать либо герметические, предварительно смазанные шариковые (или роликовые) подшипники, либо несмазываемые фторографитовые подшипники. Герметические, предварительно смазанные роликовые подшипники из-за уплотнений и консистентной смазки имеют отно­
сительно высокие потери на трение. Они также имеют ограничения по ресурсу и частоте вращения. Более важным является то, что они неразъемны, а для сборки подшипника шатуна, соединяемого с кри­вошипом, требуется составной коленчатый вал из двух частей. Это приводит к удорожанию, усложнению и малой жесткости по срав­нению с цельным коленчатым валом. Фторографитовые подшипники с сухой смазкой (или без смазки) более гибки и позволяют исполь­зовать различные конструкции, в том числе и неразъемные. Однако они характеризуются относительно высоким коэффициентом трения и высокой степенью износа по сравнению с обычными коренными подшипниками с масляной смазкой. Фторографитовые материалы для подшипников имеются в широком диапазоне типоразмеров как в чистом виде, так и в комбинации с различными наполнителями, улучшающими их свойства. Наилучшие результаты достигнуты при использовании материала RULON, выпускаемого в Англии фирмой «Кроссли» (Grossley).

Один из вариантов конструкции газового уплотнения для воз - вратно-поступательно движущихся элементов из материала RULON, разработанный проф. Билом, показан на рис. 10-12. Уплотнение сделано из ленты или трубы («чулка») материала RULON и обрабо­тано механически таким образом, что диаметр верхнего края уплот­нения на 0,254 мм больше номинального диаметра (равного 50,8 мм). Оно суживается к нижнему торцу до диаметра нижнего края, на 0,254 мм меньшего номинального диаметра, и надрезается таким образом, что остается тонкий гибкий выступ высотой около 9,5 мм по периферии. Уплотнение устанавливается на рабочем поршне с помощью эпоксидного клея и, будучи вставлено в цилиндр, плотно прилегает к его стенке. Очень скоро уплотнение становится относи­тельно свободным, а после нескольких движений рабочего поршня выступ раскрывается. Цилиндр должен быть выполнен из твердого металла, отшлифован и отполирован.