МЕТОДЫ ПОДРОБНОГО РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИИ
С помощью данных, полученных методами предварительного расчета, можно провести более строгий анализ основных узлов двигателей. В работах [72, 73] представлено, по-видимому, наиболее полное описание метода такого подробного расчета, а в работах [6, 18] приведен метод расчета конструкции двигателя с термодинамической точки зрения. Ввиду сложности конструкции двигателя в целом пока не создано универсального теоретического или численного расчетного метода. Необходимо применять методы раздельного анализа, хотя в общую методику расчета можно включить комбинированный метод расчета газодинамических характеристик типа предложенного Уриелли или Органом.
Основное внимание при разработке двигателя уделяется теплообменникам, особенно нагревателю и регенератору. Последний является критическим узлом, определяющим работоспособность двигателя, в то время как расчет первого связан с особенно большими трудностями, как это отмечалось выше. Информацию, необходимую для проведения более строгого расчета, обычно можно получить после проведения предварительных расчетов. С помощью метода Шмидта или полуадиабатного анализа можно найти массовые расходы, характеристики теплообмена и изменения давления. Эти данные позволят рассчитать конструкцию почти всех узлов двигателя. Чтобы показать основные принципы решения задачи, представим типичный порядок (алгоритм) расчета конструкции нагревателя.
При расчете нагревателя необходимо рассмотреть различные факторы. Материал, выбранный для трубок, должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к сосудам, работающим под давлением, и противостоять термическим напряжениям. Материал должен выдерживать максимальную температуру цикла без существенного изменения размеров вследствие упругих и пластических деформаций. Кроме того, материал трубок не должен ни подвергаться коррозии, ни становиться хрупким, чтобы его можно было использовать в типичных условиях работы двигателя Стирлинга. Как физические, так и технологические свойства зависят от типа рабочего тела, протекающего внутри трубок, а также от формы и типа применяемого источника энергии. Эти свойства, кроме того, зависят от давления цикла, температуры, интенсивности переноса энергии и массовых расходов потока, омывающего трубки, а также течения в трубках. Эти параметры позволяют определить также коэффициенты трения и теплоотдачи. Теоретический анализ влияния всех перечисленных факторов почти никогда не позволяет найти решение. Даже если для каких-то условий и можно найти решение, необходимо учесть и экономические ограничения, поскольку наиболее эффективный нагреватель может оказаться слишком дорогостоящим для коммерческого использования. В целом задача является исключительно сложной, и расчет нагревателя производится в несколько этапов, чтобы отделить второстепенные факторы от главных. Таким образом, хотя и не найдено универсального решения, позволяющего рассчитать конструкцию нагревателя, но, используя аналитические методы и одновременно руководствуясь практическим опытом, можно получить удачное компромиссное решение с точки зрения рабочих характеристик, стоимости и компоновки.
При выборе любого метода расчета нужно иметь начальный подход, не слишком сложный, но и не чересчур упрощенный. Описанный выше алгоритм можно считать неплохой отправной точкой. Он позволяет на первой стадии расчёта сопоставить различные материалы для трубок и оценить сравнительную стоимость и габариты. Этот способ позволяет, по существу, определить внутреннюю конструкцию, поскольку в основные соотношения алгоритма входит тепловая нагрузка на рабочее тело без указания источника энергии и, следовательно, без определения коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности трубок. По завершении алгоритма будут известны размеры трубок (внутренний и наружный диаметры и длина), а также их число. На второй стадии расчета необходимо рассмотреть источник энергии и его влияние на ориентацию, конфигурацию и размеры трубок нагревателя. Таким образом, описанный алгоритм позволяет рассчитать нагреватель изнутри, а наружные параметры определяются на следующих стадиях расчета. Некоторые считают, что порядок расчета должен быть обратным, однако можно найти убедительные аргументы в пользу и того, и другого подхода. Даже в своей основной форме алгоритм не игнорирует полностью внешние ограничения, поскольку позволяет определить приемлемую площадь наружной поверхности
трубок, а внутренняя конструкция подбирается в соответствии с этой площадью. Сама площадь наружной поверхности находится с помощью ^аналогичного метода расчета, но с учетом наружных условий. Алгоритм представляет собой совокупность последовательных методов расчета, которая будет рассмотрена ниже.