Двигатели стирлинга

Регулирование среднего давления цикла

Как уже упоминалось ранее, выходная мощность двигателя Стирлинга прямо пропорциональна среднему давлению цикла в рабочем теле. Следовательно, если с помощью каких-либо внеш­них устройств удастся изменять уровень давления в цилиндре, то тем самым можно будет регулировать и мощность, развива­емую двигателем. Простейшим методом для достижения этого эффекта является стравливание рабочего тела из цилиндра для уменьшения мощности и подкачка рабочего тела в цилиндр для ее увеличения. Эта простейшая идея лежит в основе рассматри­ваемого метода. На практике же для изменения среднего дав­ления цикла требуются достаточно сложные устройства.

Метод регулирования среднего давления использовался для регулирования мощности еще в XIX в. в двигателях, работаю­щих на подогретом воздухе [7], и был принят фирмой «Филипс» в ее ранних работах 40-х годов. Когда применение в качестве рабочего тела газов с низкой молекулярной массой стало пре­обладающим, это вызвало ужесточение требований к системе регулирования. Такой газ был слишком дорогим, чтобы просто

Стравливать его в атмосферу; кроме того, его стравливание и подкачка должны были осуществляться при сравнительно высо­ких давлениях. Поэтому появилась необходимость в резервуаре для хранения газа и газовом компрессоре, встроенном в систе­му регулирования. Необходимость быстрого изменения нагруз­ки, что характерно для автомобильных двигателей, требует дальнейшего совершенствования системы регулирования, на­правленного на уменьшение времени реакции. В некоторых об­ластях применения, таких, как стационарные электрогенерато­ры, изменение нагрузки не должно вызывать изменения скоро­сти вращения, так как необходимо поддерживать постоянной частоту переменного тока, вырабатываемого генератором. Это заставляет комплектовать систему регулирования дополнитель­ными устройствами. Принципиальная схема системы регулиро­вания давления показана на рис. 1.130.

Если требуется увеличение мощности двигателя, то дополни­тельное количество рабочего тела должно быть подано в дви­гатель буквально в доли секунды, при условии что давление в резервуаре с рабочим телом достаточно высокое. В случае замк­нутой системы питания (подпитки) проблема усложняется, если требуется уменьшить мощность двигателя, так как рабочее те­ло, стравливаемое из двигателя, должно поступать в компрес­сор, который увеличивает давление рабочего тела, чтобы оно могло проникнуть в резервуар. Для быстрого завершения этого - процесса потребовался бы компрессор нереально больших раз­меров. Чтобы избежать этого, в системе регулирования преду­смотрены перепускные клапан и трубопровод. Клапан служит для соединения двух или более изолированных рабочих полос­тей двигателя. В двигателе с ромбическим приводом такими полостями могут быть полость сжатия и буферная полость. Если перепускной клапан открывается одновременно со страв­ливающим клапаном, то произойдет не только истечение рабо­чего тела из двигателя: соединение двух полостей вызовет из­менение амплитуды и фазы колебания давления в этих полос­тях, в результате чего мощность уменьшится до такого уровня, что выходная мощность станет равной нулю, и вся установка будет работать в режиме самоторможения.

Эта система регулирования, столь простая по принципу действия, становится значительно более сложной на практике, поскольку синхронизация действия клапанов и регулирование степени их открытия должны осуществляться и контролировать­ся с высокой точностью. Например, если требуется увеличить мощность, то дополнительное количество рабочего тела должно быть подано в момент, когда давление в цилиндре близко к своему максимальному значению. Такое же воздействие на дав­ление в цилиндре может быть осуществлено при открытом пе­репускном клапане, однако результатом этого будет нежела­тельное уменьшение крутящего момента. В процессе уменьше­ния мощности время открытия перепускного и стравливающего клапанов не обязательно должно быть одинаковым. Далее, не­смотря на необходимость уменьшения мощности, может оказать­ся, что скорость вращения должна оставаться неизменной. Все эти варианты требуют, чтобы скорость вращения находилась под постоянным контролем и по ней можно было бы регулиро­вать работу клапанов. С практической точки зрения при нали­чии большого количества отдельных клапанов и соответствую­щих трубопроводов невозможно создать компактную систему регулирования, и замена системы клапанов различного назна­чения, показанных на рис. 1.130, одним многофункциональным клапаном обеспечивает значительные преимущества.

На практике проблема обеспечения синхронизации облегча­ется за счет канавок, профрезерованных в корпусе штока порш­ня. Когда поршень двигателя двойного действия находится око­ло нижней мертвой точки, канавки открываются, обеспечивая рабочему телу проход в полость сжатия при достижении давле­нием рабочего цикла своего максимума. Имеющейся в системе регулирования один многофункциональный управляющий кла­пан приводится в действие гидравлическим сервомеханизмом. Схема системы регулирования среднего давления цикла четы­рехцилиндрового двигателя двойного действия показана на рис. 1.131. Видно, что имеются три трубопровода, ведущие к двигателю: трубопровод синхронной подачи газа, трубопровод

I — нагреватель; 2 — регенератор; 3 — холодильник; 4— трубопровод ртах; 5 — трубо­провод pmln; G — трубопровод синхронной подачи газа; 7— клапан короткозамкнутой перепускной линии; 8 — распределительный клапан; 9 — клапан подачи; 10 — резервуар; II—запорный клапан линии нагнетания; 12 — компрессор.

Минимального давления цикла и трубопровод максимального давления цикла. Последние два трубопровода соединены между собой, образуя короткую перепускную линию для быстрого уменьшения мощности. Компрессор в системе регулирования мо­жет быть встроенным в двигатель или располагаться снаружи и иметь отдельный привод. Эти варианты нами уже рассматри­вались ранее. После многочисленных работ со встроенным ком­прессором фирма «Форд» решила принять принцип внешнего компрессора, используемый фирмой «Юнайтед Стерлинг». Вся система клапанов (рис. 1.131) объединена в один управляющий клапан (рис. 1.132). Первоначально каждый клапан приводился в действие своим собственным кулачковым валом, и, несмотря на удачные результаты, такая система оказалась все же слиш­ком громоздкой.

Рис. 1.132. Комбинированный управляющий клапан системы регулирования среднего давления цикла. (С разрешения фирмы МТИ.)

При использовании одного управляющего клапана необходи­мо обеспечить надежное уплотнение и точное положение бурти­ков, так как неточность их положения повлияет на работу дви­гателя и нарушит расчетное быстродействие. Имеются сведения, что в настоящее время проводятся исследования по управлению многофункциональным клапаном с помощью микропроцессора, причем предпочтение отдается электрическому или пневматиче­скому приводу, а не гидравлическому.

Очевидно, что система регулирования упростится при устра­нении компрессора и использовании фиксированного количества рабочего тела. Среднее давление цикла при этом можно будет поддерживать неизменным, а изменять амплитуду давления в цикле, тем самым изменяя мощность. Для обеспечения такого изменения амплитуды давления необходимо изменять величину степени сжатия. Следовательно, желательно изменять в процессе работы двигателя его рабочий объем. Имеются различные спосо­бы изменения рабочего обьема, однако в основе их всех лежит один и тот же принцип — увеличение мертвого объема двигателя.