Двигатели стирлинга

ТЕРМИНОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Опубликованная литература по двигателям Стирлинга, ра­ботающим на нагретом воздухе, содержит более чем 1500 ста­тей, однако, как ни странно, в этой области нет устоявшейся терминологии. Большинство публикаций, с которыми нам уда­лось ознакомиться, представляют собой исследования, нося­щие случайный характер. К тому же за последние 160 лет само появление публикаций по двигателям Стирлинга также было достаточно случайным. Все это не способствовало упорядоче­нию или по крайней мерс уточнению терминологии. С начала 70-х годов, однако, начал расти интерес к двигателю Стирлин­га со стороны широких кругов специалистов, не связанных не­посредственно с исследованием этих двигателей; более того, двигатель Стирлинга, хотя и медленно, становится все более привычным предметом изучения в курсах, преподаваемых в колледжах и университетах. Этот двигатель все чаще упомина­ется и обсуждается в качестве одной из возможных альтерна­тив существующим двигателям. Поэтому сейчас уже настало время попытаться сформулировать стандартную номенклатуру терминов и определений.

Уокер [7] составил перечень терминов и определений, и хотя этот перечень не полон, тем не менее он крайне полезен, поскольку из-за отсутствия общепринятых терминов наблюда­ются многочисленные разногласия в применении терминов и определений. Такая неблагоприятная ситуация будет существо­вать до тех пор, пока не будет предпринята серьезная попытка сформулировать полный набор терминов, определений и т. п. При этом необходимо учитывать, что в условиях быстрого со­вершенствования конструкции двигателей Стирлинга, особенно свободнопоршневых двигателей, по-настоящему полный пере - чёнь составить невозможно, одйако в распоряжении исследова­телей уже имеется достаточный материал, чтобы сделать пер­вый значительный шаг в этом направлении. В настоящей книге предпринята такая попытка, и, хотя было бы самонадеянным считать, что охвачены все термины и определения или что предлагаемые термины и определения станут общепринятыми, мы надеемся, что в конце концов придем к общепринятой тер­минологии и завершим дело, начатое Уокером. Преподаватели технических дисциплин могли бы внести заметный вклад в это дело, приняв из рекомендуемой терминологии то, что они най­дут приемлемым. Знакомство с принятой терминологией и при­вычка к ее употреблению приведут к тому, что номенклатура стандартных терминов и определений будет распространяться и вытеснять неточную и неоднозначную терминологию из лите­ратуры.

Разработка общепринятой терминологии открывает путь к взаимопониманию. В наше время отсутствие такой терминоло­гии совершенно очевидно, и в литературе можно найти много примеров, когда это приводило к недоразумениям. Так, напри­мер, некоторые авторы утверждают, что для двигателей Стир­линга необходимы высокие значения степени сжатия, в то воемя как другие утверждают столь же категорично, что необходимы низкие значения степени сжатия. Хотя это может пока­заться невероятным, но правы и те и другие, поскольку авто­ры пользовались (без соответствующих разъяснений) различ­ными определениями степени сжатия. В одном случае использо­валось определение степени сжатия, аналогичное принятому для двигателя внутреннего сгорания:

Объем цилиндра,, 1Г1Ч

Степень сжатия = --------------------- п—~—. (1.13)

Остаточный объем

В другом случае использовалось определение, учитывающее особенности конструкции и работы двигателя Стирлинга:

„ Максимальный суммарный объем газа,. ...

Степень сжатия — - г.---------------------- =—------ !—;—*------------- . (1.14)

Минимальныи суммарный объем газа v '

14 Зак. 839

Путаница в применении термина «степень сжатия» легко пре­одолима, однако при интерпретации термина «фазовый угол» в применении к работе двигателя Стирлинга могут встретиться серьезные трудности. В наших предыдущих исследованиях мы часто становились в тупик перед очевидными несоответствиями в литературе при использовании этого термина, и прошло неко­торое время, прежде чем была внесена ясность. Этот вопрос уже поднимался в разд. 1.6, однако мы возвращаемся к нему вновь, чтобы еще раз подчеркнуть необходимость выработки четких определений. Очевидные затруднения, возникающие при употреблении термина «фазовый угол», основаны на том, что имеется множество различных конфигураций двигателя Стир­линга. Поэтому требуются не только стандартные термины и определения, но и системы идентификации различных типов двигателя.

Со времени изобретения двигателя Стирлинга в 1815— 1816 гг. построено множество двигателей различных конфигу­раций и еще большее число конфигураций было предложено. На протяжении многих лет все эти существующие и гипотети­ческие двигатели имели кривошипный привод в том илн ином виде, однако в период, примерно соответствующий последним десяти годам, с изобретением свободнопоршневых двигателей типа двигателя Била и харуэллской машины, а также двигате­ля «Флюидайн» к существующему списку конфигураций двига­теля Стирлинга (и так достаточно обширному) добавились но­вые формы. И до настоящего времени продолжают изобретать новые формы этого двигателя. Такое разнообразие форм двига­теля Стирлинга существует скорее всего потому, что до сих пор не найдены оптимальная конфигурация двигателя или опти­мальный режим работы, которые удовлетворяли бы всему раз­нообразию условий работы, и такой двигатель вряд ли возмо­жен. Эта ситуация не является специфичной именно для двига­теля Стирлинга. Она имеет место и в отношении к другим теп­ловым двигателям, однако двигатель Стирлинга отличается, пожалуй, наибольшим разнообразием форм.

Несмотря на отсутствие оптимальной конфигурации, некото­рые формы все же более предпочтительны, однако это предпо­чтение носит во многом субъективный характер. Чтобы облег­чить процесс такого отбора, полезно было бы разработать классификационную схему, которая по простым и естественным признакам объединяла бы двигатели в группы. Такая схема не только облегчила бы идентификацию двигателей, но оказала бы неоценимую помощь в улучшении взаимопонимания специа­листов, поскольку каждый находился бы в полной уверенно­сти, что при обсуждении или ссылке на какой-либо материал речь идет об одной и той же форме двигателя.

В 60-е годы, незадолго до изобретения двигателей со сво­бодными поршнями и двигателей с жидкими поршнями, Керк - ли и Уокер [105], работавшие в то время в Ньюкаслском уни­верситете (Великобритания), предложили простую систему классификации двигателей Стирлинга, согласно которой все формы этих двигателей были разделены на три группы: аль­фа, бета и гамма. В течение долгого времени эта система была общепризнанной, особенно среди университетских исследовате­лей, однако недавно некоторые исследователи отказались от нее, о чем приходится только сожалеть, поскольку эта класси­фикация оказывала существенную помощь в идентификации двигателей. К сожалению, классификация альфа — бета — гам­ма не учитывает особенности работы двигателя, форму криво­шипного привода или другого механизма для отбора мощности от двигателя и, следовательно, представляет собой только ча­стичную классификацию различных типов двигателей Стирлин­га Чтобы избавиться от недостатков системы Керкли — Уоке­ра и принять во внимание разработки последних 20 лет, мы предложили схему классификации, которая включает в себя первоначальную систему, совершенствуя и расширяя ее.

Настоящий раздел посвящен детальному разбору самой классификационной схемы. Перечень терминов и определений дан в приложении В. До некоторой степени терминология раз­рабатывалась по мере рассмотрения отдельных вопросов, и Она приводится постепенно в соответствующих главах. В целом желательно было бы употреблять обозначения, рекомендуемые организациями, ответственными за стандартизацию в соответ­ствующих странах. Однако некоторые параметры, такие, как относительный мертвый объем, относительный рабочий объем и т. п., используются исключительно применительно к двигате­лю Стирлинга, и привлечение для этих параметров общеприня­тых обозначений принесло бы определенную пользу.