Двигатели стирлинга

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА?

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель с замкнутым регенеративным циклом, работа которого характеризуется

1) высокими значениями среднего давления газа;

2) свободным от масла рабочим пространством;

3) отсутствием клапанного механизма;

4) передачей тепла через стенки цилиндра или теплообмен­ник.

Общее название «машина, работающая по принципу Стир­линга», было предложено голландской фирмой «Филипс» (N. V. Philips Gloeilampen-fabrieken (Philips)) после первого этапа работ (1940—1950 гг.) по совершенствованию изобретен­ного в 1816 г. Робертом Стерлингом теплового двигателя, ра­ботающего на подогретом воздухе. При исследовании возмож­ности увеличения удельной мощности и КПД этого двигателя было установлено, что газы с меньшей молекулярной массой, такие, как гелий и водород, предпочтительнее, чем более тяже­лый воздух, и, следовательно, название «двигатель Стирлинга» более точное, чем «двигатель, работающий на подогретом воз­духе».

Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершаю­щих механическую работу на выходном валу при подводе к ним тепловой энергии. Полезная работа в рабочем цикле Стир­линга совершается, как и в других тепловых двигателях, по­средством сжатия рабочего тела при низкой температуре и рас­ширения того же рабочего тела после нагрева при более высо­кой температуре. Основные термодинамические процессы, про­
текающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, погло­щение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в том, как протекает процесс поглощения тепла в двигателе Стирлинга и в двигателе внутреннего сгорания.

Л!

Регенерация

F 1 А1 L Н-

Сжатие

_Е___________ BbintjcK__________________

Рис. 1.1. Принципиальные различия между двигателем Стирлинга и двигате­лем внутреннего сгорания (ДВС).

-------- > двигатель Стнрлинга; ------------ >- ДВС : Е — поток энергии: F — поток рабочего тела.

В двигателе внутреннего сгорания распыленное топливо со­единяется с окислителем, как правило воздухом, до фазы сжа­тия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь от­дает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания), в то время как в двигателе Стирлинга энергия по­ступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (рис. 1.1). Еще одним существенным разли­чием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или от­верстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.

Скорость двигателя Стирлинга можно регулировать, изме­няя количество газа в двигателе или величину среднего давле­ния. Применяя эти средства регулирования скорости, необходи­мо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей

2 Зак. 839
системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не состав­ляющих с ними одно целое. При этом клапанный механизм имеет другое назначение и другие характеристики по сравне­нию с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания.

Работа двигателя Стирлинга по замкнутому циклу опреде­ляет как его преимущества, так и недостатки. Например, по­скольку рабочее газообразное тело постоянно находится в по­лости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник, в то время

Дизель Двигатель Стирлиига

Рис. 1.2. Сравнение структур энергетического баланса двигателя Стирлинга и дизельного двигателя.

Как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу, произ­водится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по сравнению с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стир­линга требуется более развитая система охлаждения, как это видно из структуры энергетического баланса (рис. 1.2). В си­стемах, предназначенных для транспортных средств, где эко­номия занимаемого двигателем объема является определяю­щим фактором, необходимость использования радиатора с уве­личенным рабочим объемом является недостатком, в то же время это может стать преимуществом в системах, потребляю­щих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник боль­ших размеров может увеличить КПД системы.

Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стир­линга и работа без периодических взрывов означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга суще­ственно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и тем самым более приемлемым с точки зрения социальных требований, а также перспективным для применения в военных целях.

Поскольку конструкция двигателя Стирлинга не испыты­вает резких циклических ударных нагрузок, можно предпола­гать, что расходы на текущий ремонт и техническое обслужи­вание таких двигателей будут существенно снижены. Однако для работы с удельными мощностями, как у дизельного дви­гателя и газовой турбины, двигатель Стирлинга должен иметь среднее давление цикла 10—20 МПа. При таких давлениях требуется весьма совершенная система уплотнений для предот­вращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода), а также по­падания смазочного масла в рабочие полости, где оно будет загрязнять теплообменники, вызывая возрастающие потери давления и снижение выходной мощности.

Хотя двигатель Стирлинга и получает энергию извне, его нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего сгорания, поскольку любой источник тепла с подходящей тем­пературой, например сфокусированная солнечная энергия, ак­кумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяю­щаяся при горении металла, ядерная энергия и т. п., может быть использован для этой цели. В настоящее время в боль­шинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жид­кое топливо из-за простоты его использования и из-за требова­ний, обусловленных конкретным назначением установки. При использовании системы сгорания для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжи­гать различные виды топлива, которые эффективно сгорают, не создавая опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилинд­ры. При использовании для сжигания жидких топлив непре­рывное горение можно легко регулировать, в результате чего снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводо­родов и окиси углерода, однако, чтобы понизить содержание окислов азота, необходимы дополнительные меры.

Непрерывное горение, однако, создает свои проблемы, по­скольку материалы, из которых изготовлены нагреватель и ци­линдры, должны обладать повышенной термостойкостью, что­бы выдерживать постоянное воздействие высоких температур, в то время как в двигателях внутреннего сгорания такие тем­пературы возникают периодически и на короткое время. Поэто­му температурно-напряженные детали двигателей Стирлинга обычно изготавливают из Дорогостоящих сортов высококаче­ственной нержавеющей стали, с высоким содержанием кобаль­та. Кроме того, тепловая инерция конструкционных материалов затрудняет использование регулирования подвода энергии как единственного способа управления скоростью двигателя.

В двигателях Стирлинга применяются регенеративные теп­лообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по кото­рым газ перемещается между горячей и холодной зонами двигательной установки. Функцией регенератора является попе­ременное накопление и возвращение части тепловой энергии, по­лученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пуль­сирующему газовому потоку должна происходить таким обра­зом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в

То же время поддерживать на заданном уровне мощность, сни­маемую с вала Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого ти­па — существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рас­считанного на практическое применение.

Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлин­га как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регене­ративному циклу. Это фундаментальное определение иллю­стрируется на рис. 1.3.

В основе конструкции двигательной установки Стирлинга лежат принцип разделения горячей и холодной рабочих поло­стей и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной полости в другую. Управлять этим потоком, искус­ственно поддерживая разность давлений в полостях, нежела­тельно, поскольку энергия, вырабатываемая двигателем Стир­линга, почти прямо пропорциональна давлению цикла, и, сле­довательно, падение давления уменьшает величину полезной механической работы, совершаемой двигателем. Поэтому для создания необходимых газовых потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих полостей. Естественно предположить, что для этой цели требуется систе­ма поршень — цилиндр, а не система турбина — сопло. Особен­но подходит такая система для создания возвратно-поступа­тельного движения, хотя можно предположить, что роторный двигатель типа двигателя Ванкеля также пригоден для реали­зации принципа Стирлинга. Все двигатели Стирлинга, как уже сконструированные, так и разрабатываемые, основаны на прин­ципе возвратно поступательного движения. Имеются различ­ные способы осуществления такой формы движения, и именно это помогает классифицировать различные типы двигателей Стирлинга.