Двигатели стирлинга

Классификационная схема

Предлагаемая схема классификации и идентификации дви­гателей Стирлинга включает следующие три признака:

А) режим работы;

Б) способ соединения цилиндров;

В) способ соединения поршней.

Каждый признак включает несколько подпризнаков и в пре­делах каждого подпризнака возможны еще дополнительные де­ления. Очевидно, что предлагаемая система не сможет охва­тить всех форм двигателя, однако классификация по трем основным признакам могла бы в конечном счете помочь систе­матизировать все существующие и будущие его формы.

А. Режим работы

Выделены следующие шесть режимов работы двигателей Стирлинга:

1а) двойного действия;

16) простого действия;

2а) однофазный;

26) многофазный;

За) резонансный;

36) нерезонансный.

Описания двигателей двойного и простого действия были даны в предыдущих разделах. Термины «однофазный» и «мно­гофазный» относятся к физическому состоянию рабочего тела. До появления «мокрого» «Флюидайна» не было необходимости в описании фазового состояния, однако после успешной разра­ботки «Флюидайна» ряд исследователей выявил преимущества

Использования многофазного рабочего тела и в двигателях Стирлинга других видов [106]. Аналогично с изобретением сво­боднопоршневых форм двигателя потребовалось выделение третьей группы режимов работы. Такие двигатели могут рабо­тать при скоростях, соответствующих резонансной частоте упругой системы, которой является такой двигатель, или же в нерезонансном режиме, известном также как режим «банг - банг». Двигатели «Флюидайн» также могут быть рассчитаны на работу при резонансной частоте системы. В двигателях с обычными кривошипно-шатунными механизмами необходимо избегать резонансных режимов. Поэтому третья группа режи­мов обладает меньшей степенью общности, чем первые две. Итак, конкретный двигатель может быть описан при помощи комбинаций трех терминов из шести, как показано на рис. 1.148.

Б. Способ соединения цилиндров

Классификация по второму признаку включает в себя клас­сификацию, ранее предложенную Керкли и Уокером. Эта клас­сификация идентифицирует способ компоновки пары вытесни­тель — поршень по отношению к рабочим полостям переменно­го объема. Имеются три типа соединения цилиндров:

1) альфа;

2) бета;

3) гамма.

Соединение альфа включает группу двигателей с двумя от­дельными цилиндрами, в каждом из которых имеется уплотнен­ный в нем поршень. Горячий и холодный переменные объемы

Формируются независимо друг от друга при движении соответ­ствующих поршней. В двигателе с компоновкой бета имеется один цилиндр, в котором последовательно расположены пор­шень и вытеснитель, а переменный холодный объем образуется при совместном движении поршня и вытеснителя. Соединение гамма — это в той или иной мере гибрид компоновок альфа и бета, в котором имеются два отдельных цилиндра, как в спо­собе альфа, однако переменный холодный объем образуется способом бета. Эти три типа соединения цилиндров показалы на рис. 1.149 на примере двигателей с обычным кривошипно - шатунным приводом.

В. Способ соединения поршней

Способ соединения поршней является дополнительным классификационным признаком. Этот признак подразделяется на более детальные признаки, примеры которых даны ниже. В двигателях Стирлинга применяются три основные формы со­единения поршней:

1) жесткое соединение;

2) соединение через газ;

3) соединение через жидкость.

В двигателях с жестким соединением используются неде- формируемые механические звенья, соединяющие движущиеся возвратно-поступательно элементы, которые определяют после­довательность изменений объемов в цилиндрах, а также обра­зуют механизм для отвода энергии от двигателя. Типичные ме­ханизмы, которые относятся к жестким соединениям, следу­ющие:

А) кривошипно-шатунный механизм;

Б) ромбический привод;

В) косая шайба;

Г) кривошипно-кулисный;

Д) кривошипно-балансирный механизм;

Е) механизм Росса.

Механизм Росса — это новый тип механизма, запатентован­ный Россом [107] и в настоящее время исследуемый в Кем­бриджском университете [10].

Изобретение двигателя Била и харуэллской машины потре­бовало введения в классификацию соединения через газ. В этих двигателях взаимное положение поршней определяется газовой динамикой, а не механическими устройствами. Имеется много разновидностей соединений этого типа, и они детально описаны в работе [33]. В качестве примеров соединения этого типа можно привести:

А) свободнопоршневой двигатель;

Б) двигатель со свободным вытеснителем;

В) двигатель со свободным цилиндром.

Последний тип соединения поршней — соединение через жидкость. Необходимо, однако, подчеркнуть, что использование в двигателе Стирлинга жидкого рабочего тела не обязательно означает, что поршни соединяются через жидкость. Например, в двигателе Стирлинга — Мелоуна [14] поршни соединены жестким механизмом. В соединении через жидкость поршни действительно должны соединяться через жидкость. В настоя­щее время только двигатели «Флюидайн» попадают в эту кате­горию. Имеются по крайней мере три способа, которыми осуще­ствляется соединение через жидкость. Эти способы уже были описаны в разд. 1.4 и 1.6:

А) с помощью реактивной струи;

Б) с помощью качающегося стержня;

В) с помощью разности давлений.

Три основных классификационных признака можно также использовать для точной классификации гибридных двигате­лей, в которых, например, рабочий поршень жестко соединен с выходным валом, однако рабочий поршень и вытеснитель со­единены друг с другом через газ. Тем не менее новые формы двигателей могут потребовать дальнейшего расширения пред­лагаемой классификации. Чтобы проиллюстрировать примене­ние предлагаемой классификационной схемы, в табл. 1.26 при­ведена классификация по этой схеме хорошо известных двига­телей Стирлинга.

Таблица 1.26. Классификация двигателей Стирлинга

Двигатель Описание в соответствии с классификацией

Фирмы «Филипс» с ром­бическим приводом Р-40 фирмы «Юнай­тед Стирлинг» «Мокрый» «Флюидайн» с реактивной струей

С вободнопоршневой

Била

Хеиричн

Простого действия, однофазный, нерезонансный,

Типа бета, с жестким соединением поршней Двойного действия, однофазный, нерезонансный,

Типа альфа, с жестким соединением поршней Простого действия, многофазный, резонансный, типа альфа с соединением поршней через жидкость

Простого действия, однофазный, резонансный, типа бета, с соединением поршней через газ Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа гамма, с жестким соединением поршней

Такая система может показаться несколько усложненной, однако простая система оказалась недостаточной для охвата всего разнообразия форм двигателей. В будущем могут быть подобраны подходящие условные обозначения, с помощью ко­торых станет возможным создать методику стенографической классификации. Предлагаемая в настоящей книге классифика­ционная схема в полном объеме представлена на рис. 1.150.

Мы надеемся, что эта система не только позволит класси­фицировать и идентифицировать существующие двигатели, но и окажется пригодной для качественной оценки различных форм двигателей, которые могут быть созданы в будущем. Напри­мер, из схемы следует, что возможен двигатель с таким набо­ром признаков: двойного действия, многофазный, резонансный,

Типа гамма, с соединением поршней через жидкость. В общем можно описать любую форму двигателя!