Двигатели стирлинга

Скользящие уплотнения

Скользящее уплотнение — это устройство типа поршневого кольца. Его главное преимущество с точки зрения массового производства и стоимости — отсутствие дорогостоящей системы регулирования давления масла, столь необходимой в случае диафрагменных уплотнений. При установке кольцевых уплотне­ний некоторая утечка неизбежна даже при полированных што­ках поршней, а из-за необходимости обеспечения плотного кон­такта между уплотнением и штоком потери на трение будут большими, чем при установке диафрагм. Потери мощности на трение таких уплотнений при работе двигателя Стирлинга в нормальном режиме составляют 0,7—1,0 кВт на одно уплотне­ние [73]. Эти уплотнения имеют дополнительные преимущества, не связанные с простотой изготовления и установки. Это — зна­чительно меньшая подверженность катастрофическим разруше­ниям. Узел скользящего уплотнения (рис. 1.53) обычно заклю­чен в металлический корпус, что значительно упрощает замену и делает ее доступной для большинства работников сферы тех­нического обслуживания и ремонта, что особенно важно при использовании таких уплотнений на автомобилях и морских судах.

Шведская компания «Юнайтед Стирлинг» всегда применяла скользящие уплотнения, что вполне обоснованно. В рамках про­граммы фирмы «Дженерал моторе» по работе над двигателями Стирлинга в 60-е годы также проводились исследования по вы­бору и разработке основного уплотняющего элемента [74]. Со­вместная программа фирм «Форд» и «Филипс» тоже включала разработку конструкции скользящих уплотнений [40]. Однако,
хотя конструкция скользящего уплотнения «Форд — Филипс» принципиально весьма близка к конструкции уплотнения «Юнайтед Стирлинг», его разработка так и не была полностью завершена к намеченному сроку. Недавно фирма «Филипс» вновь начала работу по созданию скользящего уплотнения и уже разработала несколько новых конструкций. Об этой работе сообщалось на конференции по уплотнениям в апреле 1981 г. [75]. При использовании скользящего уплотнения необходимо предусматривать устройство для вос­полнения рабочего тела, чтобы ком­пенсировать неизбежную его утечку; следует также уделить больше вни­мания уплотнениям поршня, чтобы све­сти к минимуму утечку через уплотне­ние штока и уменьшить потери мощно­сти. Должны быть предусмотрены так­же устройства, предохраняющие масло в картере от попадания в него рабо­чего тела двигателя. Чтобы макси­мально уменьшить утечку рабочего те­ла, полированная поверхность штока поршня в зоне его контакта с основ­ным уплотнением должна иметь высоту неровностей в пределах 150—200 мкм, а овальность сечения штока не долж­на превышать 12,7 мкм. Это означает, что шлифование не должно производиться на бесцентровых шлифовальных станках.

Динамическое скользящее уплотнение состоит из двух основ­ных элементов: уплотнения штока и так называемого уплотняю­щего колпачка. Основное уплотнение штока названо ленинград­ским и обычно изготавливается из политетрафторэтилена [76]. Ленинградское уплотнение изолирует внутренние рабочие поло­сти двигателя от картера и, таким образом, является элемен­том, изолирующим рабочее тело двигателя. Форма этого уплот­нения показана на рис. 1.125, и, по существу, этот кольцевой уплотняющий элемент в сборочном узле уплотнения выполняет роль диафрагмы.

При возвратно поступательном движении штока масло будет перемещаться по его поверхности и продавливаться через основ­ное уплотнение, поэтому над ним располагается маслосъемное кольцо из тефлона, снимающее натеки масла. Предусмотрена некоторая дополнительная зона за пределами длины хода пор­шня, выше которой, как предполагается, масло не будет прохо­дить через уплотнение (так называемый свободный ход штока). Основное уплотнение и маслосъемное кольцо заключены в жест­кий металлический корпус уплотнения, в котором оставлено

11 Зак. 839
место для свободного хода штока. Этот корпус изолирует уплот­няющие элементы от рабочей полости переменного объема, об­разованной под поршнем двигателя двойного действия. У верх­него торца корпуса уплотнения над границей свободного хода штока располагается скользящее кольцевое уплотнение (уплот­няющий колпачок), которое препятствует прониканию рабочего тела из полости под поршнем в полость корпуса уплотнения. Однако утечка все же будет происходить, и в полости корпуса уплотнения может возникнуть избыточное давление, величина которого достигнет величины среднего давления цикла. Такое давление будет способствовать прониканию масла в рабочие полости двигателя. Чтобы этого не произошло, в корпусе уплот­нения поддерживается давление, несколько большее минималь­ного давления цикла в рабочем теле. Таким образом, уплотняю­щий колпачок служит также и для предохранения полости кор­пуса уплотнения от колебаний давления.

Ленинградское уплотнение, изготовленное из политетрафтор­этилена (ПТФЭ), чувствительно к температуре, а поскольку уплотнение сидит на штоке с натягом, то из-за трения в соеди­нении будет выделяться большое количество тепла. Масло, по­падающее в корпус уплотнения, будет действовать как охлаж­дающая жидкость и обеспечивать работу ленинградского уплот­нения при такой температуре, как если бы масляная струя пря­мо направлялась на поверхность штока непосредственно под корпусом уплотнения. Смесь масла и рабочего тела отводится из полости корпуса уплотнения в систему сепаратор — осуши­тель. Пузырьки масла опускаются в поддон сепаратора, служа­щий резервуаром для сбора масла. Когда масла накопится до­статочное количество, открывается поплавковый клапан, и мас­ло возвращается в картер двигателя. Остатки масла конденси­руются в осушителе из смеси газа (рабочего тела) с маслом и присоединяются к маслу, уже скопившемуся в резервуаре сепа­ратора. Рабочее тело из осушителя направляется через обрат­ный клапан в цилиндр двигателя. Обратный клапан, открыва­ясь, пропускает газ в рабочую полость в непосредственной бли­зости от корпуса уплотнения, когда давление в корпусе уплот­нения превышает давление в цилиндре. Следовательно, рабочее тело непрерывно циркулирует - между системой уплотнений и цилиндром двигателя.

Из практических соображений под ленинградским уплотне­нием устанавливают дополнительное маслосъемное кольцо, ко­торое прижимается к стенкам цилиндра обычным механическим пружинным устройством. Конструктивная схема системы сколь­зящего уплотнения в целом показана на рис. 1.126.

Ленинградское уплотнение, уплотняющий колпачок и масло - съемные кольца обычно изготавливают из ПТФЭ. В фирмах «Форд» и «Филипс» пытались использовать для этой цели так­же металлические маслосъемные кольца. Предпочтительнее ПТФЭ был и в значительной степени еще остается материал на основе ПТФЭ, известный под названием «рулон». Имеется не­сколько модификаций этого материала. Одно время казалось, что концепция скользящего уплотнения с применением рулона

Успешно осуществлялась в рамках автомобильной программы «Форд», и в период завершения программы испытаний двигате­лей с января по август 1978 г., не было ни одного случая выхо­да н i строя двигателя из-за неисправности скользящих уплотне­нии. Однако наибольшее время непрерывной работы уплотнения составило только 200 ч. И поскольку скорость изнашивания уп­лотнений еще велика, а масло попадает в рабочую полость [40], то система уплотнений продолжает нуждаться в усовершенст­вовании.

Кроме того, программы исследований уплотнений, как тео­ретические, так и экспериментальные, входят в проект поиско­вых работ по автомобилям в США и в английский проект «Сер­пент». Аналогичные работы ведут фирмы «Юнайтед Стирлинг»
и «Филипс». Однако к настоящему времени еще нет достаточ­ной информации о достигнутом уровне совершенства уплотнений с точки зрения интенсивности утечек, скорости изнашива­ния, влияния температуры и т. п. К счастью, имеется значитель­но более полная информация о рабочих характеристиках порш­невых колец, и поскольку для поршневых колец используются

Те же материалы, что и для ос­новных уплотняющих элементов и маслосъемных колец скользя­щих уплотнений, то из этой ин­формации можно извлечь полез­ные идеи о совершенствовании уплотнений штоков.

Что касается уплотнений што­ков поршней, то работы по их совершенствованию в рамках ав­томобильных программ фирмы «Юнайтед Стерлинг» и прави­тельства США представляются весьма многообещающими. Речь идет о комбинации диафрагмен - ного уплотнения со скользящим (ленинградским). Таким обра­зом, в одном уплотнении реали­зуются преимущества уплотне­ний обоих видов. Резиновая диа­фрагма расположена в корпусе уплотнения между верхним мас- лосъемным кольцом и уплот­няющим колпачком. Диафрагма обеспечивает эффективную гер­метизацию без необходимости искусственного поддержания вы­сокого давления под диафрагмой, поскольку полости с обеих сторон диафрагмы соединены, так что рабочее тело под давле­нием воздействует на обе поверхности диафрагмы. Разрыв диа­фрагмы не будет иметь катастрофических последствий, посколь­ку комбинированное уплотнение в этом случае будет действо­вать как скользящая уплотняющая система. Комбинированное уплотнение показано на рис. 1.127. Более подробная информа­ция об уплотнениях содержится в работах [74, 81].

1.7.4. Поршневые кольца

Поршневые кольца являются неотъемлемыми элементами двигателей как простого, так и двойного действия. При этом в конфигурациях двигателей простого действия гамма - и бета - компоновочных модификаций вытеснитель может и не иметь
уплотнительных колец. В свободнопоршневых двигателях коль­ца могут не устанавливаться, однако уплотнение все же необ­ходимо, и оно часто осуществляется за счет посадки с жесткими допусками. Проблема уплотнений в свободнопоршневых двига­телях будет подробно рассмотрена ниже.

Накоплен большой опыт расчета, конструирования и изго­товления поршневых колец, особенно устанавливаемых в двига­телях с принудительным зажиганием и дизелях, однако уплотнение поршня двигателя Стирлинга связано с рядом специфических проблем, поскольку кольца должны работать без смаз­ки. Эти уплотнения изолируют рабо­чую полость от буферной, и их назна­чение заключается в ограничении утечки рабочего тела, а не в полном ее устранении. Некоторая утечка до­пускается, поскольку ее устранение связано с чрезвычайно интенсивным трением.

За многолетний период фирмы «Дженерал моторе» [82] и «Филипс» выполнили огромный объем работ по уплотняющим кольцам. Основными проблемами, требовавшими решения, были выбор материалов, оптимальное число колец и оптимальные допуски,

Чтобы обеспечить минимальную утечку при минимальном тре­нии. Самые первые варианты колец фирмы «Филипс» отли­вали из чугуна и ставили в количестве трех — пяти. Они ра­ботали без поломок, однако пропускали масло в рабочую по­лость [45]. В настоящее время применяются кольца из ПТФЭ. В начале 60-х годов фирма «Филипс» разработала весьма эф­фективное уплотнение с жесткими допусками. Выступающая ра­бочая поверхность уплотнения формировалась на стенке порш­ня, покрытой сплавом олова и свинца или дисульфидом молиб­дена M0S2. Поршень при глубоком охлаждении устанавливали в цилиндр двигателя и двигатель принудительно прокручивали в течение нескольких часов для притирки уплотнения к стенкам цилиндра. К сожалению, далеко не в каждом случае удавалось достичь надежного уплотнения, которое являлось скорее слу­чайной удачей. В связи с этим фирма «Дженерал моторе» при­ступила к разработке системы поршневых колец более традици - ционного типа. Значительное место в этих разработках заняло уплотнение фиомы «Грин Твид», Норт-Уэльс, шт. Пенсильва­ния, США (рис! 1.128).

Основное кольцо изготовлено из эластомера Буна-N, имею­щего низкую проницаемость по отношению к водороду. Однако этот материал не выдерживает температуры в зоне контакта уже около 120 °С. В то же время при нормальной работе дви­гателя достигаются температуры 160—200 °С.

Почти все ведущие изготовители и разработчики двигателей Стирлинга после многолетних исследований остановились на си­стеме двух поршневых колец, изготавливаемых из ПТФЭ; при этом значительное внимание было уделено микронеровностям и волнообразности поверхности цилиндра. Кольца или механиче­ски прижимаются к стенкам цилиндра нагруженным пружиной внутренним стопорным кольцом, или же этот прижим осущест­вляется искусственным давлением, создаваемым с помощью по­лого поршня с головкой типа «Хейландт». Зазор между кольца­ми поддерживается с помощью диагональной или ступенчатой проставки. Кольца, изготовленные из материала рулон на основе полимера ПТФЭ, обладают значительным коэффициентом теп­лового расширения, поэтому при выборе допусков для посадки уплотнения в зеркало цилиндра необходимо учитывать влияние температур.

Хотя проблемы, возникающие при уплотнении поршней с помощью колец, по своей сути гораздо проще проблем, связан­ных с уплотнением штоков, до сих пор не было создано доста­точно совершенных конструкций таких колец, и скорости изна­шивания и утечек не соответствуют требованиям, предъявляе­мым к серийным изделиям. В настоящее время поршневое коль­цо является элементом, лимитирующим долговечность двигате­ля Стирлинга. Скорость изнашивания обычного уплотнения за­висит от коэффициента pv (разность давлений по обе стороны уплотнения X скорость перемещения трущейся поверхности из полимера) и боковых сил, действующих на кольцо. Значения последних существенно зависят от типа механизма привода, ис­пользуемого в данном двигателе. В кривошипно-шатунных ме­ханизмах боковые силы обычно значительны, однако их можно

Резко уменьшить в дезаксиальных кривошипно-шатунных меха­низмах, таких, как ромбический привод.

На трение и степень негерметичности оказывают влияние скорость и разность давлений. Это следует из эксперименталь­ных данных фирмы «Филипс» [72], приведенных в табл. 1.21 и 1.22. Кольца были изготовлены из материала рулон LD, а гиль­за цилиндра —из азотированного чугуна. Зеркало цилиндра было отполировано до чистоты, соответствующей высоте микро­неровностей 0,4—0,6 мкм.

Таблица 1.22. Влияние скорости двигателя и разности давлений на силу трения

Сила трения (Н) при указанной разности давлений

'Скорость двигателя. _________________________________________________________________

Об/мин

11,5 МПа 8,5 МПа 3,5 МГГа 0 МПа

Средняя скорость изнашивания зеркала цилиндра после ра­боты колец в течение не менее 1000 ч характеризовалась уве­личением диаметра на 0,114 мкм/ч для верхнего кольца и 0,325 мкм/ч для нижнего кольца. По этим результатам трудно сделать какую-либо оценку, однако такие испытания позволяют сравнивать между собой кольца из различных материалов и определять общие потери мощности на трение.

Различными организациями было испытано около 30 вари­антов колец из различных материалов (табл. 1.23) на основе

Таблица 1.23. Материалы уплотнений

Коммерческое название Фнрма-изгото-

Материала Наполнитель витель ')

'Рулон LD Рулон J Рулон II Рулон Е Диксон 7035

Диксон TFE-GL-HL-800-2 Кроссфлон 905

Флюон VXI Полипенко GL25

Стекловолокно + окись железа «Диксон» Полиамид » Термопластик »

Стекловолокно + ? »

? »

Стекловолокно + графит

Керамическое волокно + графит, «Кроссли» MoS2

Стекловолокно + соли металлов ICI

Стекловолокно «Полипенко»

') Указанной фирме принадлежит патент на данный материал.

Полимера ПТФЭ. Эти испытания дали хорошие результаты, од­нако для окончательной оценки необходимы дополнительные данные [83, 84].