ЯПОНИЯ
В Японии осуществляются программы разработки механического двигателя и холодильной машины. Их реализация в основном проходит успешно, причем качество работ по холодильным машинам, по данным одного из авторов, обеспечивает японским системам такие характеристики, которые не были достижимы несколько лет назад. Работы по холодильным машинам начались в 1965 г., а по механическим двигателям — в 1970 г. [3]. Первое серьезное их обсуждение состоялось в 1973 г. на заседании Комитета по технической политике [4]. В конце 1974 — начале 1975 гг. через министерства транспорта и образования были предоставлены правительственные субсидии, которые поступали в фирмы еще ив 1981 г.
Разработкой двигателей Стирлинга занимается по меньшей мере 14 различных японских организаций, включая несколько ведущих промышленных фирм, таких как «Даяцу дизель», «Ми - цубнси хэви индастрпз», «Апсин сейкн» и «Ниссан мотор». Целью основных проектов является создание следующих двигателей: морского мощностью 600 кВт, автомобильного мощностью 50 кВт и теплового насоса мощностью 7 кВт. Структура этих программ с точки зрения участия различных организаций показана на рис. 6.2. До 1981 г. основные усилия были направлены на создание большего из указанных двигателей. Этот двигатель имеет следующие характеристики:
Тип — нерезонирующий, двойного действия, однофазный, жестко закрепленный; компоновочная модификация — альфа; рабочее тело — гелий; число цилиндров четыре; расчетная скорость 720 об/мин; приводной механизм — кривошипно - шатунный; среднее давление 11 МПа; рабочий объем 5700 см3; диаметр канала цилиндра 22 см, длина хода поршня 15 см; отношение диаметра канала к длине хода поршня 1,47; температура нагревателя 700 °С.
Работы по бвигателям Стирлинга в Японии
Фирма |
Университет |
С |
Фирма «Даяцу дизель» |
Университет мзййзи |
Фирма «Мицубиси» |
Токийский университет |
Фирма «Нихои HHcmoH ринг» |
Правительстео 'Министерство^ .транспорта J
Для морских (Cyi>Oe (G00«Вт)
1орскои научно-жхле - Чвательский институт
Опытный йеигатель (М 1 Т I)
Фирма «Аисин Сейки»
-|фирма «Аисик <
Генератор Situ
_____ (S0 кВп.,________________
Токийсиии технологически ий Институт____ |
Фирма <<Янмер дизеле) |
Токийская газовая компания |
Токиисиии уНиверситет |
Теп л о бой насос (1 кВт) Автомобиль |
| Лаборатория инженеров-механиков]
1 |
Токийский университет |
Фирма «Ниссан Мотор» III ^ Jnv|lt-|^ril»l*>li|ll« ИсслеОовавия Опытный бвигатпель |
Холодильная машина С^мнистерсглеб' Образования > |
Рис. 6.2. Участие различных организаций Японии в разработках двигателя Стирлинга [4].
Предполагаемая достижимая мощность этого двигателя 600 кВт. Некоторое представление о потенциальных возможностях двигателя можно получить, если воспользоваться числом Била, приведенным в разд. 3.1:
N |
Ср |
(3.2) |
Zp eVSPP,
6000
Где 2 = 4, Vsp = 5700 см3, рср = 11 МПа, N = 720 об/мин; Р,.=0,018 (из уравнения (3.5) в предположении, что температура охладителя — морской воды — составляет 20 °С).
С использованием этих данных мощность по Билу составляет 542 кВт, т. е. такой подход заслуживает внимания. На первой стадии разработки были созданы лишь два из четырех цилиндров, и двигатель был простого действия. Как уже об-
Суждалось ранее, такое решение является обоснованным и логичным. Схема этого меньшего опытного двигателя показана на рис. 6 3. Предполагалось, что выходная мощность двигателя будет составлять 150 кВт. Однако расчет числа Била дал
Рис. 6.3. Японский опытный двигатель мощностью 150 кВт [3]. Все размеры даны в миллиметрах. |
542/4 = 135 кВт, что, по-видимому, является более реальным значением. В первых опытах, проведенных в 1980 г., была получена мощность 100 кВт при эффективном КПД, равном 20 Похоти эти данные ниже расчетных показателей, они весьма впечатляющи, если учесть, что это первые испытания нового двигателя, разработанного совершенно неопытными в этой области специалистами. Но еще более удивительны характеристики двигателя мощностью 50 кВт фирмы «Аиснн сейки». Этот двигатель, по всей видимости, является уменьшенной копией двигателя с косой шайбой 4-215 фирм «Форд» и «Филипс», но вместо
Водорода в нем используется гелий, а топливом служит осветительный керосин. Этот двигатель был испытан в течение достаточно длительного времени. В 1981 г. работы с ним еще продолжались. В первых испытаниях была получена максимальная выходная мощность 40 кВт, а общий КПД составил около 22 %•
Скорость йсигателя, об/мин Рис. 6.4. Характеристики двигателя мощностью 50 кВт фирмы «Аисин сейки» [3]. |
Но затем при более низких скоростях были достигнуты мощность 50 кВт и максимальный КПД более 35%. Расходы топлива оказались такими же, как на аналогичном двигателе с принудительным зажиганием. Рабочая диаграмма, полученная во время этих промежуточных испытаний, приведена на рис. 6.4. В двигателе используется система скользящих уплотнений, разработанная в Японии. Работа этой системы и механизма привода с косой шайбой оказалась вполне удовлетворительной и не вызвала тех трудностей, которые встретились при разработке программы фирм «Форд» и «Филипс». Температура в нагревателе японского двигателя равна 700 °С, а КПД двигателя составляет 60—65 % КПД цикла Карно. Эти данные характеризуют высокое качество разработок, выполненных за столь непродолжительное время.
Наиболее важным достижением японских разработок является новая система уплотнений поршня. Вместо обычно используемых четырех колец из материала рулон в японском двигателе их пятнадцать! Может показаться, что это неправильный подход, но, как следует из экспериментальных результатов, образуется почти совершенное уплотнение, снижающее силу трения в 2,5 раза [6], так как, хотя оно и содержит много уплот - нительных колец, общая площадь контакта оказывается почти на 40 % меньше, чем при использовании колец сечением 4X6 мм. Экспериментальные результаты и расчеты характеристик этой новой системы уплотнений должны были быть опубликованы в «Трудах японского общества инженеров-механиков» в 1981—1982 гг. По существу, такое уплотнение является лабиринтным, н если надежность его работы и характеристики будут постоянными, то отпадет необходимость в уплотнении штока поршня двигателя простого действия и без особых трудностей можно будет повысить КПД всей системы на 2 %.
Кроме работ по созданию опытных двигателей в Японии проводятся теоретические и технико-экономическне исследования [5, 7]. Вполне возможно, что вскоре появится японский двигатель Стирлинга, а если работы в течение последующих лет будут столь же успешными, то японцы смогут занять ведущее положение еще в одном направлении.