Двигатели стирлинга

НЕКОТОРЫЕ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

1. Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, как показывает практика, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе долж­но составлять 10—20 МПа. Такие высокие значения давления создают специфические проблемы при проектировании двигате­лей. Особую трудность представляет решение проблем, связан­ных с

— герметизацией рабочего тела;

— напряжениями в теплообменнике;

— нагрузками на подшипники и детали механизма привода.

Поскольку величина давления влияет на развиваемую мощ­ность, управление изменением давления позволяет регулировать крутящий момент двигателя.

2. КПД двигателя Стирлинга может достигать 65—70 % КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. КПД двигателя почти не зависит от скорости двигателя при условии, что температура в трубках нагревателя не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов шигателя и температура в холодильнике не возрастает. Темпе­ратуру в трубках нагревателя следует поддерживать на воз­можно более высоком уровне. При повышении температуры о 1 а ж дающей жидкости на один градус КПД двигателя падает на О. Г» %. Вследствие непрерывного воздействия высоких темпе - paip i. Tiя обеспечения длительного срока службы требуются ш.|( <h iIкачественные сплавы.

.1 IЬ рабочие объемы (мертвый объем) в двигателе Стир - пмна I сорстичееки могут быть сведены к нулю, однако на практкг они достигают 50 % внутреннего объема, занимаемого га юм Такая величина мертвого объема необходима для разме - щення теплообменника и обеспечения достаточной плошали по­верхности теплообмена. Мертвый объем снижает выходную мощность двигателя; влияние же его величины на КПД двига­теля неоднозначно и зависит от местоположения этого объема. Изменением мертвого объема при работе двигателя можно ре­гулировать вырабатываемую мощность.

4. С увеличением рабочего объема возрастает выходная мощность двигателя при условии, что давление и температура постоянны. Не существует никакой эмпирической зависимости, связывающей рабочий объем и выходную мощность. Заданный рабочий объем обеспечивается при отношении диаметра цилин­дра к ходу поршня, близком к 2, что дает оптимальное соот­ношение между потерями на теплопередачу и на трение в уп­лотнениях.

5. С ростом скорости двигателя потери на сопротивление газа (аэродинамическое сопротивление) приобретают решающее значение, поскольку они пропорциональны квадрату скорости. Для уменьшения этих потерь в качестве рабочего тела исполь­зуют газы с малой молекулярной массой, такие, как гелий и водород. Однако предотвращение утечки этих газов, в особен­ности водорода, весьма затруднительно, поскольку водород об­ладает свойством диффундировать сквозь металлические стенки.

6. Для обеспечения стабильности выходной мощности изме­нения объема полости расширения должны опережать измене- нения объема полости сжатия. Для получения оптимальной выходной мощности это опережение должно соответствовать фазовому углу 90°. При таком значении фазового сдвига необя­зательно достигается оптимальный КПД или фазовый сдвиг 90° между сочленениями поршень — кривошип, поскольку этот сдвиг зависит от конфигурации двигателя. Из-за необходимости обеспечивать такой фазовый угол может затрудниться механи­ческая балансировка двигателя.

7. Выбор рабочего тела зависит исключительно от конкрет­ного назначения двигателя, поскольку один и тот же КПД мож­но получить безотносительно к рабочему телу при условии, что конструкция двигателя оптимальна по отношению к выбранно­му рабочему телу. Однако для получения более высоких удель­ных мощностей требуются более легкие газы.

8. Двигатель Стирлинга по своей природе обладает низким уровнем шума. Механический и аэродинамический шумы этого двигателя существенно ниже, чем у его конкурентов. Однако, чем выше давление цикла, тем выше шум, вызываемый рабо­той двигателя. По сравнению с сопоставимым дизельным дви­гателем уровень аэродинамического шума двигателя Стирлинга ниже на 18 дБ. Основными источниками шума современных двигателей Стирлинга являются синхронизирующие зубчатые колеса и нагнетатель воздуха. Двигатели «Флюидайн» имеют весьма низкий уровень шума, однако свободнопоршневые дви­гатели могут быть чрезвычайно шумными при некоторых режи­мах работы.

9. В двигателях Стирлинга можно использовать источники энергии, не производящие никаких загрязняющих атмосферу выбросов. Даже при использовании природных топлив прису­щий этим двигателям устойчивый процесс горения позволяет значительно понизить уровень концентрации токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу, по сравнению с уровнями концен­трации таких веществ, выбрасываемых другими двигателями, при условии, что предусмотрены специальные меры для сниже­ния температуры ниже порога образования окислов азота. Авто­мобильный двигатель Стирлинга является в настоящее время единственной энергосиловой установкой, удовлетворяющей жест­ким стандартам штата Калифорния по допустимым уровням со­держания токсичных веществ в автомобильных выбросах, на­меченным к введению в 1985 г.

10. Доля энергии цикла, которая отводится через холодиль­ник, в двигателе Стирлинга на 60 250 % выше, чем в обыч­ных поршневых двигателях. Чтобы справиться с такой тепловой нагрузкой, необходимы радиаторы больших размеров. В тех случаях, когда установка предназначена для использования всех видов вырабатываемой энергии, это может дать двигателю Стирлинга дополнительные преимущества.

11. Энергосиловая установка автомобиля с двигателем Стир­линга имеет большие перспективы с точки зрения устранения выбросов, загрязняющих окружающую среду, уменьшения рас­хода топлива и соответственно снижения затрат на эксплуата­цию В ближайшем будущем, однако, такая энергосиловая ус­тановка будет еще излишне тяжелой и дорогой в изготовлении. В период до 1990 г. автомобильный двигатель Стирлинга вряд ли составит серьезную конкуренцию усовершенствованному дви­гателю. работающему по циклу Отто, однако применительно к грузовым автомобилям его конкурентоспособность может ока­заться более высокой. Действующие в настоящее время в США программы совершенствования двигателя Стирлинга имеют до­статочные шансы на успех в области проектирования, однако шансов на коммерческий успех у них несколько меньше.

Ознакомимся теперь с рабочими характеристиками этого класса тепловых двигателей и влиянием, которое оказывают эти характеристики на требования к конструкции двигателей, предназначенных для практического использования. Анализ этих характеристик позволит понять, почему в настоящее время вновь возник интерес к двигателям Стирлинга. Прежде чем приступить к анализу характеристик двигателя, заметим, что все рассматриваемые здесь результаты получены при испыта­ниях двигателей в рабочих режимах. Наш опыт показывает, что в некоторых публикациях невозможно понять, каким спосо­бом получены характеристики двигателя — измерены ли они или рассчитаны. Если расчет сделан на основе достоверной мо­дели и с помощью ЭВМ, то между расчетными и эксперимен­тальными данными не будет больших различий. К сожалению, так бывает не всегда. Поэтому, когда мы сочтем целесообраз­ным более полно осветить такие конкретные случаи и аномалии, мы будем сравнивать их с идеальными характеристиками. Тен­денции совершенствования рабочих характеристик, значения па­раметров и характеристики, получаемые в идеальном цикле и практически достижимые при современном уровне конструиро­вания, рассматриваются в гл. 2. В настоящей главе рассматри­ваются характеристики, связанные с фундаментальными термо­динамическими параметрами — давлением и температурой.