Двигатели стирлинга

Двигатели простого действия

Двигатель Стирлинга с ромбическим приводом, вероятно, известен лучше других и в то же время, безусловно, является наиболее совершенным из всех двигателей Стирлинга простого к'йствия. О ромбическом приводном механизме уже кратко поминалось выше; подробнее он будет описан в гл. 2 и 3. Ромбический привод ассоциируется обычно с одноцилиндровы­ми двигателями с рабочим и вытеснительным поршнями, изго - | пиленными фирмой «Филипс», для которых он и был сконстру­ирован. Поперечный разрез собственно двигателя показан на

Рис. 1.42, там же приведена и фотография двигателя на испы­тательном стенде фирмы «Филипс» [15].

В этом двигателе с камерой сгорания, работающей на жид­ком нефтяном топливе, имеется предварительный подогреватель воздуха, позволяющий повторно использовать часть энергии, содержащейся в продуктах сгорания, и тем самым улучшить процесс сгорания, уменьшить потери тепла с продуктами сгора­ния и повысить общий КПД установки. Камера сгорания и по­догреватель воздуха схематически изображены на рис. 1.43.

Трубки нагревателя, показанные на чертежах основной ус­тановки, имеют ребра для улучшения теплопередачи. Такая конструкция применяется в большинстве современных двигате­лей Стирлинга, работающих на бензине. Внешний вид нагрева­теля показан на рис. 1.44, а его устройство — на схематическом чертеже (рис. 1.43).

Оребренные трубки нагревателя располагаются над корпу­сами регенераторов. Обратите внимание на большое число ре­генераторов, используемых в одноцилиндровом двигателе. На основе обычно публикуемых принципиальных схем двигателей

Стирлинга легко сделать ошибочный вывод, что в двигателе имеется только один регенератор. Это весьма редкий случай, и обычно на каждый цилиндр приходятся по меньшей мере два регенератора. Головка нагревателя (рис. 1.44) принадлежит раннему варианту двигателя, разработанному фирмой «Фи­липс», и число регенераторов в этом варианте, пожалуй, слиш­ком велико.

На нагревательной головке более позднего двигателя фирмы «Филипс» с ромбическим приводом (рис. 1.45) число регенера­торов уменьшено до шести. В целом на двигателях с ромбиче­ским приводом, созданных фирмами «Филипс» и «Дженерал моторе» в 1960—1970 гг., на каждый цилиндр приходится шесть — восемь регенераторов. Двигатель, головка которого по­казана на рис. 1.46, развивал мощность 60 кВт, однако это был, без сомнения, не самый мощный одноцилиндровый агре­гат, а вся серия созданных двигателей с ромбическим приводом

Рис. 1.45. Нагревательная головка. (С разрешения фирмы «Филипс», Эиндхо - вен.)

Включала многоцилиндровые двигатели мощностью до 270 кВт (рис. 1.47).

Конструкция внутренней части двигателя 4-235 с ромбиче­ским приводом фирмы «Филипс», идентичного двигателю мощ­ностью 270 кВт, но несколько меньших размеров, показана на рис. 1.48.

Изготовители двигателей Стирлинга часто применяют обо­значения 4-235, 1-98 и т. п., чтобы идентифицировать свои дви­гатели, и это весьма удобный способ. Первая цифра обозначает число цилиндров, а следующее за ней число — рабочий объем одного цилиндра в кубических сантиметрах. Ромбический при­вод показан на рис. 1.49. С механизма сняты синхронизирую­щие шестерни.

Прежде чем приступить к разработке ромбического приво­да, фирма «Филипс» изготавливала небольшие (мощностью ме­
нее 1 кВт) двигатели с кривошиино-балаисирным приводом, использовавшие в качестве рабочего тела воздух (рис. 1.50). Нагревательной головкой этого двигателя служит оребренный колпак без трубок. Этот двигатель является одним из элемен­тов портативного электрогенератора (рис. 1.51).

Было изготовлено несколько сотен таких генераторов, кото­рые затем были проданы многим европейским университетам. Самая продолжительная программа исследования этого двига­теля (по крайней мере, из числа известных нам) все еще про­должается в Батском университете (Англия). Эта работа тоета - точно полно освещена в публикациях [16—19]. Даже сегодня но многих лабораториях благосклоннее относятся к двигателю Стирлинга с кривошипно-шатунным приводом, чем к двигателю с ромбическим приводом. Позже будут освещен^ еще два мо-

Мента, связанные с ромбическим приводом, требующие особого внимания, поскольку они относятся и к другим видам двигателя Стирлинга.

На рис. 1.42 показана газовая полость, названная буфер­ной. Эта полость расположена под рабочим поршнем в основ­ном корпусе двигателя. Газ в этой полости создает упругую силу, как и в буферной полости свободнопоршневого двигателя. Однако назначение буферной полости в данном случае несколь­ко иное, чем в свободнопоршневой двигателе, поскольку здесь она используется для снижения нагрузок на механизм привода и для облегчения условий работы уплотнений рабочего поршня. Этот эффект достигается созданием в буферной полости давле­ния, равного среднему давлению цикла в рабочих полостях. Объем буферной полости стремятся сделать как можно боль­шим, чтобы уменьшить колебания давления в ней. Давление газа, действующего на привод и стремящегося прорваться

■сквозь уплотнения, тем самым будет снижено от рцИКл— Ратм до Рцикл — /Обуф - Благодаря этому уменьшаются нагрузки на подшипники и становится возможным снизить давление в кар­тере до атмосферного. Если почему-либо нежелательно иметь буферную полость, ее функции должен выполнять картер, и, следовательно, в нем необходимо поддерживать избыточное давление. Величина давления, которое должно поддерживаться в буферной полости или в полости, ее заменяющей, должна быть тщательно рассчитана, иначе это давление может оказать неблагоприятное воздействие на работу двигателя.

В двигателе с ромбическим приводом, схема которого пока­зана на рис. 1.42, уплотнение штока в виде сальника в корпусе оказалось бы полностью неработоспособным, если бы не было буферной полости. Двигатель Стирлинга с ромбическим приво­дом, так же как и другие двигатели Стирлинга, нуждается в системе уплотнений, чтобы изолировать газообразное рабочее тело и воспрепятствовать прониканию масла в заполненные га­зом рабочие полости. В двигателе Стирлинга наибольшие труд­ности связаны с уплотнением штока рабочего поршня, располо­женным между рабочим поршнем и механизмом привода. Когда в картере нет избыточного давления (т. е. когда в нем поддер­живается атмосферное давление), как в рассматриваемом слу­чае, уплотнение штока должно обеспечивать надежную изоля­цию рабочего тела, находящегося под высоким давлением, от картера, в котором давление равно атмосферному. В отличие от уплотнения штока уплотнение поршня находится под дей­ствием меньшей разности давлений по обе стороны уплотнения благодаря давлению газа в буферной полости. Поэтому пробле­ма уплотнения штока поршня является одной из самых труд­норазрешимых.

В 1960 г. в фирме «Филипс» было изобретено уплотнение типа «скатывающийся чулок» (рис. 1.52), действительно пред­ставляющее собой скатывающийся чулок, изготовленный из ре­зиновой диафрагмы. Когда шток поршня совершает возвратно - поступательное движение, это движение повторяет и чулок, на который с нижней стороны действует давление масла. Чтобы избежать усталостных и механических повреждений тонкой

Упругой диафрагмы, разность давлений с обеих сторон уплот­нения поддерживается на минимальном уровне, составляющем примерно 0,5 МПа и поддерживаемом благодаря системе под­качки масла и регулировочному клапану. Это необычное уплот­нение, наиболее подходящее с технической точки зрения, было бы трудно изготовить в условиях массового производства, и по­этому в настоящее время так называемое скользящее уплотне­ние представляется наиболее перспективным.

«Скользящее уплотнение» — удачное название, поскольку уплотняющее устройство такого типа позволяет штоку поршня

Скользить относительно него в процессе возвратно-поступатель­ного движения. Уплотнение имеет вид обычного поршневого коль­ца, но отличается от него принци пом действия. Одноэлементное уплотнение само по себе еще не обеспечивает надежного уплотнения штока, и в двига­теле Стирлинга скользящее уплотнение имеет вид жесткой капсулы или обоймы, которая окружает и защищает уплотняю­щее устройство, состоящее в ос­новном из четырех уплотняю­щих элементов. Основным эле­ментом является скользящее уплотнение, известное как ленин­градское уплотнение. Это название дали инженеры фирмы «Юнайтед Стирлинг» [20], узнавшие о таком уплотнении из статьи, опубликованной Ленинградским государственным уни­верситетом. Остальные элементы — это колпачок, функция ко­торого состоит в предотвращении пульсаций давления в обойме, и два маслосъемных кольца, расположенных по обе стороны от скользящего уплотнения и служащих для снятия излишков масла со штока поршня и предотвращения попадания масла в рабочие полости. Схематический чертеж уплотнения и фото­графическое изображение его обоймы приведены на рис. 1.53. Несмотря на то что скользящее уплотнение более сложное, оно находит применение во многих современных двигателях внут­реннего сгорания и компрессорах; такое уплотнение менее тру­доемко в изготовлении, при монтаже и обслуживании в эксплу­атации. Оно зарекомендовало себя как более надежное, если оценивать надежность средним сроком службы уплотнения. Проблемы уплотнений рассматриваются также в разд. 1.7 и 2.3.

Основные усилия конструкторов двигателей Стирлинга в на­стоящее время сосредоточены на двигателях двойного действия.

Однако в США и Англии еще ведутся работы и по двигателям простого действия с кривошипным приводом, используемым для проведения исследований. Результаты экспериментов, получен­ные на двигателях простого действия, можно переносить на двигатели двойного действия (за некоторыми исключениями). Двухцилиндровый двигатель простого действия по своим рабо­чим характеристикам соответствует четверти четырехцилиндро­вого двигателя двойного действия. На трех экспериментальных двигателях простого действия проводились исследования, и за­тем еще два таких двигателя были построены. Наиболее совер-

Тшт Калифорния)МеНТаЛЬН™ ды, гатель Лаборатории реактивных двигателей

'-М^СЛЯКНЫ! НаСОС; ^ регенератор; 3-холодильник; [4-картер; 5-поршень в почести сжатия, 6 электронагреватель; 7-поршень в полости расширения. полости

Рис" ';55; Первоначальный вариант двигателя Лаборатории реактивных дви­гателей. (С разрешения ЛРД, шт. Калифорния.)

Шенный двигатель этого типа (рис. 1.54) был разработан и по­строен в Лаборатории реактивных двигателей (ЛРД) Калифор­нийского технологического института (Пасадена, США) под ру­ководством Ф. Хоена.

В двигателе используются сдвоенные коленчатые валы, ме­ханически соединенные с горизонтальными противоположно рас­положенными поршнями. Линейная конфигурация двигателя облегчает доступ к основным компонентам двигателя и их взаи­мозаменяемость. На схеме, показанной на рис. 1.54, нагрева­тель электрический, однако в первоначальном варианте двига­теля (рис. 1.55) использовался натриевый нагреватель, который не дал положительных результатов при испытаниях. Двигатель имеет название SLRE (англ. Stirling Laboratory Research En­gine— лабораторный экспериментальный двигатель Стирлин­га). В предварительных испытаниях этот двигатель показал

Удовлетворительные результаты. Масса установки составляет в среднем 200 кг, что дает сравнительно низкое значение отноше­ния мощности к массе (0,05 кВт/кг).

Фирмой «Юнайтед Кингдом Стерлинг энджин консорциум» (Великобритания) был построен другой исследовательский дви­гатель такого типа, получивший название «Серпент» (рис. 1.56). В этом двигателе простого действия с параллельными цилинд­рами использован трубчатый нагреватель, работающий на нат­рии, а рабочим телом служит гелий. По предварительным рас­четам двигатель должен развивать мощность на валу 25 кВт. Когда писалась эта книга, двигатель и его компоненты прохо­дили испытания в Королевском морском инженерном колледже (Плимут, Англия) и в Редингском университете. На чертеже виден дополнительный соединительный канал между двумя ци­линдрами, благодаря которому двигатель может работать как

Обычный двигатель со сдвоенными поршнями или как двухци­линдровый двигатель с рабочим поршнем и вытеснителем (рис. 1.17). Двигатель имеет много необычных особенностей, важнейшей из которых является использование керамических поршней.

«Флюидайн», двигатель Била и харуэллская машина также являются двигателями простого действия. Первый из них, осо­бенно в «мокрой» модификации (рис. 1.57) выглядит точно так же, как и на схеме рис. 1.38,в. Этот двигатель с перекачкой энергии ( помощью реактивной струи создан в Королевском морском инженерном колледже и подробно описан в работах [21, 22| ("вободнопоршневые двигатели (двигатель Била и ха­руэллская машина) в соответствии с требованиями техники безопасное I п помещаются в герметичные сосуды со сжатым газом. 11 I la этого их внешний вид весьма невыразителен

5 Зак Kt'i

(рис. 1.58, 1.59), и принципиальные схемы этих двигателей на рис. 1.28 и 1.35 гораздо нагляднее.

Хотя имеется много других двигателей Стирлинга простого действия, ни один из разработанных до настоящего времени не отличается сколько-нибудь значительно от рассмотренных в на­стоящем разделе. Для ознакомления со всеми видами этого двигателя, появлявшимися когда-либо в прошлом, рекомендуем обратиться к прекрасным обзорам [5, 23]. Время от времени предлагаются новые формы двигателя Стирлинга. Особенности их устройства обычно описываются в «Новостях двигателей Стирлинга» (SENL) [24].