Двигатели стирлинга

Диафрагменное уплотнение

Дифрагменное уплотнение, или уплотнение типа «скатываю­щийся чулок», представляет собой эластичную дифрагму из по­лиуретана, кромки которой жестко закреплены на штоке рабо­чего поршня или вытеснителя и стенках картера, обеспечивая герметичную изоляцию рабочей полости цилиндра (рис. 1.52), находящейся под действием высокого давления, от картера, где нет избыточного давления, или от находящейся под действием избыточного давления буферной полости. До настоящего време­ни еще не найдено подходящего материала для диафрагмы, до­статочно эластичного, чтобы следовать за штоком, достаточно прочного, чтобы выдерживать значительную разность давлений по обе стороны диафрагмы, и достаточно жесткого, чтобы не вытягиваться в процессе эксплуатации. Поэтому «скатывающий­ся чулок» приходится поддерживать с помощью масляной поло­сти, в которой с помощью регулирующего клапана (рис. 1.52) создается избыточное давление, обеспечивающее разность давле­ний по обе стороны диафрагмы в заданных пределах. В двига­теле «Форд» с косой шайбой эта разность поддерживалась в пределах 0,14—0,35 МПа [40], однако «скатывающийся чулок» способен выдерживать разность давлений до 0,45 МПа [72].

Масло в полость подается с помощью нагнетательного коль­ца, которое на работающем двигателе служит масляным уплот­нением, противостоящим высокому давлению, а на остановлен­ном двигателе позволяет поддерживать статическое давление в масляной полости. Кольцо (рис. 1.123) представляет собой ци­линдрическую втулку из латуни или алюминия, покрытую изнутри слоем серебра. Иногда применяют втулку из белого ме­талла. Внутренняя поверхность кольца коническая с расшире­нием книзу, и масло, которое поступает в конический зазор ме­жду кольцом и штоком, при ходе расширения создает давление, достаточное для перемещения кольца вверх; тем самым кольцо функционирует как масляный насос высокого давления. Если через кольцо нагнетается недостаточно масла или же происхо­дит значительная утечка масла при ходе поршня вниз, то регу­лирующий клапан автоматически открывает перепускной канал, и поступающий в масляную полость газ под высоким давлением восстанавливает заданную разность давлений по обе стороны диафрагмы. Как показано на рис. 1.52, шток и корпус имеют ступенчатые поверхности, что обеспечивает постоянный объем

Г

Рис. 1.123. Нагнетательное кольцо системы уплотнений [72].

1 — латунная втулка; 2 — стяжка на кольце.

Масляной полости между нагнетательным кольцом и диафрагмой в процессе выполнения рабочего цикла двигателя. Благодаря этому перемещение штока не оказывает влияния на давление масла.

Свойства полиуретана в значительной степени зависят от температуры и в меньшей степени от влажности среды. При не­благоприятных условиях диафрагма размягчается, что в конеч­ном счете приводит к ее усталостному повреждению (разрыву). Нормальная рабочая температура для первых образцов диа - фрагменных уплотнений была около 40°С. Было установлено, что каждые 7 °С повышения температуры уменьшают на поря­док величину долговечности уплотнения. Использовавшие ли­цензию фирмы «Филипс» сотрудники концерна «Дженерал моторе» намеревались достичь долговечности 10 000 ч при темпе­ратуре 94 СС, и, хотя фирма «Филипс» считала это вполне достижимым, в «Дженерал моторе» после 7 лет интенсивных ис­следовательских и конструкторских работ была получена долго­вечность полиуретанового уплотнения только 5489 ч при темпе­ратуре 40 °С, а уплотненения из материала вайтон 3200 ч при температуре 116°С [54]. В 1978 г. фирма «Филипс» опублико­вала некоторые результаты испытаний диафрагменных уплотне­ний на одноцилиндровом двигателе. с ромбическим приводом при скорости 3000 об/мин с гелием в качестве рабочего тела в диапазоне давлений 7,5—10 МПа [72]. Весьма интересные ре­зультаты, опубликованные в этой статье, приведены в табл. 1.20. Первоначальная длина диафрагм составляла 22,5—22,8 мм для штока вытеснителя и 25,0—25,4 мм для штока поршня.

Из статьи неясно, сколько уплотнений было испытано и на­сколько представительными являются приведенные результаты. По данным фирмы «Дженерал моторе», из уплотнений одной партии некоторые разрушаются уже в течение первого часа ра­боты, в то время как другие выдерживают свыше 1000 ч. По данным, опубликованным в работе [45], в 1969 г., последнем году программы «Дженерал моторе» по работе над уплотнения­ми, срок службы полиуретановых диафрагм достигал 1400 ч; средний срок службы их в 1978 г. был 1098 ч.

Несмотря на повышение долговечности, надежность все же остается неудовлетворительной. Разрыв диафрагмы приводит к катастрофическим последствиям и требует полной переборки двигателя и очистки его внутренних полостей. Для устранения этой опасности в фирме «Форд» разработана дублирующая си­стема, связанная с контрольным клапаном и предохраняющая двигатель при разрыве диафрагмы, отказе контрольного клапана или внезапной утечке рабочего тела. Чтобы система уплотнений работала при возможно более низкой температуре, применяют охлаждение блока цилиндров, а горячий поршень делают удли­ненным с головкой типа «Хейландт» и внутренними теплоотра - жательными экранами. Обычно горячий поршень имеет значи­тельное удлинение (его длина примерно в три раза превышает ход поршня). Даже в таких условиях и при температуре масла, поддерживаемой около 27 °С, температуры в окрестности уплотнения остаются еще слишком высокими, не обеспечивая нормальной работы диафрагменного уплотнения (рис. 1.124).

В целом система диафрагмеииого уплотнения сложная и до­рогая. Полиуретан весьма чувствителен к загрязнениям, темпе­ратуре, водяным парам, которые могут содержаться в конси­стентной смазке, и погрешностям монтажа. Нагнетательное кольцо не слишком успешно выполняет свою функцию статиче­ского уплотнения, так что после нескольких часов работы обычно начинается утечка масла у кромки кольца. Масло проса­чивается сквозь микроскопические дефекты контактируюших по­верхностей в зоне контакта длиной 0,2 мм между кольцом и штоком. Несмотря на то что для двигателей с кривошипным приводом диафрагменное уплотнение является единственным, реально существующим герметичным уплотнением, оно после почти 20 лет доработок все еще не удовлетворяет требованиям стабильной долговечности, простоты монтажа и замены. Поэто­му большие усилия сосредоточены на разработке скользящих уплотнений (уплотнений сальникового типа).