Двигатели стирлинга

Поступательное движение

Хотя и предполагается, что двигатель Стирлинга предназна­чался для аэропланов еще за 50 лет до полета братьев Райт [9], первое свидетельство его использования для поступатель­ного движения — это энергосиловая установка судна «Эрик - сон», которая действительно работала [9]. Это был наиболее тяжелый из всех когда-либо построенных двигателей, работаю­щих на подогретом воздухе, с ходом поршня 183 см и диамет­ром цилиндра 427 см. Хотя двигатель был действующим, ожи­даемые характеристики не были получены, и в конечном счете после того, как судно затонуло, дальнейших разработок в этой области не предпринималось.

Использование двигателя Стирлинга для осуществления по­ступательного движения вновь стало предметом серьезного внимания только в конце 50-х годов XX в., когда фирма «Дже­нерал моторе» достигла окончательного соглашения с фирмой «Филипс» относительно совместной программы исследований. Отделение «Кливленд Дизеле» фирмы «Дженерал моторе» на­чало изучать перспективы использования двигателя Стирлинга в качестве энергосиловой установки для подводных лодок, а также для речных и портовых судов. Были построены и испы­таны отдельные секции двигателя мощностью до 295 кВт (рис. 1.47). Однако этот двигатель получился чрезвычайно тя­желым, хотя его шумовые и вибрационные характеристики (рис. 1.92 и 1.93) были весьма многообещающими [97], а до­стигнутый удельный расход топлива оказался существенно меньше, чем у эквивалентного дизеля. В 1968 г., когда закан­чивался срок действия лицензионного соглашения с фирмой «Филипс», «Дженерал моторе» отработала конструкцию таин­ственного трехцилиндрового судового двигателя модели W мощностью 105 кВт, а вскоре после этого было принято реше­ние о прекращении работ по двигателю Стирлинга, и это после того, как на совершенствование двигателя были затрачены мно­гие сотни человеко-часов и когда близок был явный успех! Причины, заставившие прекратить исследовательские работы, так и остались неизвестными. Однако эти работы продемонстри­ровали возможность использования двигателя Стирлинга на морских судах, и с учетом последних работ по совершенствова­нию технологии материалов и техники проектирования судовой двигатель Стирлинга становится весьма реальной перспективой. Один японский консорциум работает над судовым двигателем 4-5070 мощностью 600 кВт, который должен быть построен фир­мой «Дайатцу Дизеле» [98]. Это будет среднеоборотный дви­гатель двойного действия с гелием в качестве рабочего тела. Тех­нические данные двигателя свидетельствуют о его предназначе­нии скорее для привода генератора, чем непосредственно для движения судна. О предполагаемом назначении двигателя еще не объявлено.

Начиная с 60-х годов возрос интерес к использованию двига­телей Стирлинга на подводных транспортных средствах, пред­назначенных как для гражданских, так и для военных целей, и были намечены испытания опытной установки. Эта установка представляет собой небольшое закрытое управляемое подвод­ное устройство, разработанное совместно фирмами «Комекс индустри» (Франция) и «Юнайтед Стирлинг» (Швеция) [99]. Устройство схематически показано на рис. 1.140. Испытания этого устройства в условиях открытого моря были намечены на начало 80-х годов.

Источником тепловой энергии для модифицированного дви­гателя Р-40 должна была стать скорее всего смесь дизельного топлива и жидкого кислорода, которая сгорала бы в камере при избыточном давлении. Работы, проводившиеся фирмой «Дженерал моторе», предусматривали использование тепло­вых аккумуляторов и процесса горения металла. Такие источ­ники тепловой энергии не требуют окислителя и не зависят от окружающей среды. Этот вопрос более подробно будет рас­смотрен в гл. 4, здесь же достаточно упомянуть, что сами эти источники энергии и устройство для передачи тепла от источни­ка к двигателю еще не были доведены до стадии промышлен­ных образцов, когда уже началось изучение возможных областей практического применения двигателя Стирлинга в широких масштабах, хотя стендовые испытания различных элементов

1 —энергосиловая установка с двтгателем Стирлинга; 2—двигатель Стирлинга; 3 — электро­генератор.

И проведенное изучение возможностей использования двига­теля казались весьма многообещающими [100]. Ситуация из­менилась в последнее десятилетие, и исследовательская работа возобновилась, однако предполагаемой областью применения теперь уже были энергосиловые установки автомобилей.

Перспективы использования двигателя Стирлинга для мор­ских судов представляются особенно привлекательными, по­скольку многих проблем, связанных с использованием двигателей Стирлинга на суше, в условиях открытого моря не сущест­вует. Скорость вращения вала судового винта или ротора элект­рогенератора намного ниже скорости вращения вала автомо­бильного двигателя. Следовательно, можно отдать предпочте­ние использованию в качестве рабочего тела гелия или воздуха (или азота), а не водорода, поскольку это не повлечет за собой ухудшения рабочих характеристик (рис. 1.87 и 1.88).

Отказ от водорода в значительной степени снимает пробле­му герметизации рабочего тела, в особенности проблему диффу­зии сквозь стенки трубок нагревателя, и, следовательно, умень­шает опасность взрыва в машинном отделении из-за утечки водорода. Использование морской воды для охлаждения предо­ставляет практически неограниченную возможность отвода теп­ла при низкой температуре среды, а это, как показано на рис. 1.75, может оказать существенное положительное влияние на рабочие характеристики двигателя.

В таких условиях двигатель может работать при понижен­ных рабочем давлении и температуре, что повысит перспекти­вы его коммерческого использования. Установка двигателя Стирлинга на морских судах представляется наиболее вероят­ной областью его применения в ближайшем будущем. Основа­нием для такого предположения является факт, что уже в на­стоящее время двигатель Стирлинга является более серьезным конкурентом дизеля, чем двигатель с принудительным зажига­нием, причем, как уже говорилось выше, три четверти всех дви­гателей морских судов в мире в настоящее время — дизели. Однако, если не считать работ по энергосиловым установкам моторных яхт, выполненных фирмами «Филипс» и «Юнайтед Стирлинг», в настоящее время нет достоверных сведений о ка­ких-либо испытаниях двигателя Стирлинга на морских судах. Эту ситуацию в ближайшее время должна изменить программа работ, выполняемая в Японии.

Проводятся интенсивные испытания энергосиловых устано­вок, включающих двигатели Стирлинга, для автомобилей, и шансы на успешное завершение этих работ, по нашему мнению, возросли, так как произошло кардинальное изменение в подхо­де изготовителей автомобилей к этому вопросу. Вместо того чтобы пытаться установить двигатель Стирлинга на уже суще­ствующий автомобиль, как это делала фирма «Форд», фирма МТИ создает автомобиль, рассчитанный на установку двигате­ля Стирлинга, и два Таких автомобиля уже построены. Это ав­томобили «Спирит» (рис. 1.41) и «Конкорд» (рис. 1.142).

Важнейшей характеристикой двигателя Стирлинга, опреде­ляющей его применимость в автомобиле, является компакт­ность, которая обусловливает приспособленность двигателя к автомобилю с точки зрения его конструкции и эксплуатации. Как видно из рис. 1.143 и 1.144, ранее построенные двигатели полностью заполняли подкапотное пространство существующих автомобилей.

Разумеется, перспективы, которые открывает успешная установка двигателя Стирлинга на легковом автомобиле, огромны, но столь же велик и риск, поскольку может оказать­ся, что двигатель Стирлинга не сможет противостоять двигате­лю с принудительным зажиганием в условиях преобладающего использования жидкого углеводородного топлива. Для дальних грузовых перевозок двигатель Стирлинга может стать более приемлемым, поскольку здесь его конкурентом является ди­зель. При дальнейших успешных разработках в областях ак­кумулирования тепловой энергии, сжигания металлов и водо­рода использование двигателем Стирлинга этих источников энергии может дать ему решающие преимущества, особенно в сфере общественного транспорта. Не следует забывать, одна­ко, что двигатель Стирлинга достиг современного уровня, на котором он становится сопоставимым с двигателями внутренне­го сгорания, всего за несколько лет интенсивных работ, в то время как работы по двигателям внутреннего сгорания, причем более интенсивные, ведутся уже многие десятилетия, и, хотя

К перспективам применения двигателя Стирлинга на автомоби­лях необходимо относиться с некоторой осторожностью, все же имеется много оснований для оптимизма.