Двигатели стирлинга

Термины и определения

В настоящем приложении определяются и разъясняются термины, применяемые - для характеристики и описания особен­ностей конструкции и протекания рабочих процессов в двига­телях Стирлинга. Определения таких терминов, как «изотерми­ческий», «адиабатный» и т. п., здесь не даются, поскольку их можно найти в литературе по термодинамике. При составлении настоящего приложения была широко использована работа Уокера (Walker G., Stirling Engines, Oxford University Press, Oxford, 1980.)')

Адиабатный цикл Финкельштейна (Finkelstein Adiabatic Cycle)

Идеализированный термодинамический цикл, в котором про­цессы расширения и сжатия предполагаются адиабатными. Тот же подход принят применительно к псевдоциклу Стирлинга и полуадиабатному циклу.

Аппендиксные потери (Appendix Loss)

Потери мощности, возникающие при циклическом перетека­нии рабочего тела в полость между головкой вытеснителя типа «Хейландт» и стенками цилиндра и из нее. Иногда применяют термин насосные потери.

Вытеснительный поршень или вытеснитель (Displacer Piston Or Displacer)

Первоначально так называли легкий не имеющий уплотне­ний вытеснитель, используемый для перемещения рабочего тела из горячей полости двигателя в холодную и обратно. В настоя­щее время этот термин часто употребляют для характеристики поршня в полости расширения. В некоторых конструкциях этот поршень несет на себе регенератор.

Гибридный двигатель (Hybrid Engine)

Двигатель Стирлинга, в котором использованы конструктив­ные элементы различных типов этого двигателя, например ра­бочий поршень, механически соединенный с другими элемента­ми, и свободно перемещающийся вытеснитель. Иногда этим термином определяют машину Рингбома, хотя эта машина — только один из возможных видов гибридного двигателя.

'' Имеется перевод: Уокер Г. Двигатели Стирлинга.— М.: Машинострое­ние, 1985.

Головка типа «Хейландт» (Heylandt Crown)

Головка поршня, форма которой обеспечивает максимальную жесткость при минимальной массе материала.

Горячая зона или горячие элементы (Hot Section Or Hot Parts)

Зона в двигателе, находящаяся над холодильником, или эле­менты конструкции, расположенные в этой зоне.

Горячая полость ( Hot Space)

См. Полость расширения

Двигатели двойного действия (Double-Acting Engines)

Класс двигателей Стирлинга, работающих по принципу двой­ного действия и характеризующихся наличием в каждом ци­линдре только одного поршня. Эти двигатели часто называют также двигателями Сименса, Рини, Ван Веенана или Франшо.

Двигатели простого действия (Single-Acting Engines)

Класс двигателей Стирлинга, в которых на один цилиндр или одну термодинамическую систему приходятся два элемента с возвратно-поступательным движением.

Двигатель, или механический двигатель (Prime Mover)

Устройство, преобразующее различные виды энергии в по­лезную механическую энергию. В двигателе Стирлинга в ме­ханическую энергию преобразуется высокотемпературная теп­ловая энергия.

Двигатель с принудительным зажиганием (двигатель Отто) (Otto Engine)

Обычный двигатель внутреннего сгорання, в котором исполь­зуется искровое зажигание для инициирования процесса сго­рания.

Кинематический привод (Kinematic Drive)

Структурный элемент двигателя с механически соединенны­ми между собой поршнями, содержащий механизм для снятия с двигателя развиваемой мощности; при помощи этого меха­низма возвратно-поступательное движение поршня преобра­зуется во вращательное движение выходного вала.

Компоновочная модификация альфа (Alpha Coupling)

Один из основных вариантов компоновки двигателя Стир­линга, в котором полости расширения и сжатия располагаются в отдельных цилиндрах, каждый из которых имеет соответ­ствующий поршень.

Компоновочная модификация бета (Beta Coupling)

Один из основных вариантов компоновки двигателя Стир­линга, в котором возвратно-поступательно движущиеся элемен­ты размещаются в одном цилиндре.

Косая шайба (Swashplate)

Диск, центрированный относительно оси вращения и накло­ненный по отношению к ней. Преобразует возвратно-поступа­тельное движение поршней во вращательное движение вала. Обычно применяется в двигателях двойного действия, но может быть использован и в двигателях простого действия.

Коэффициент заполнения (Filling Factor)

Отношение объема, занимаемого твердым материалом на­садки, к общему объему регенератора, выраженное в процентах.

Коэффициент пульсации крутящего момента (Coefficient Of Torque Fluctuation)

Мера изменения крутящего момента на выходе из двига­теля в пределах одного рабочего цикла.

Коэффициент эффективности теплопередачи (Capability Fac­Tor)

Определяется как отношение тепла, которое рабочее тело способно передать регенератору, к количеству тепла, которое требуется передать регенератору.

Мертвый объем (полость) (Dead Volume (Space))

Любая полость, не охватываемая поршнем при его переме­щении, является мертвой полостью; следовательно, мертвый объем двигателя определяется как объем, занимаемый рабочим телом, за вычетом рабочих объемов сжатия и расширения.

Метод Шмидта (Schmidt Technique)

Классический метод расчета с учетом непрерывного движе­ния поршня при теоретическом анализе идеального термодина­мического цикла двигателя Стерлинга.

Механизм Росса (Ross Linkage)

Тип крнвошипно-баланспрного приводного механизма, изо­бретенный Россом.

Мощность по Билу (Beale Power)

Расчетная мощность двигательной установки, определяемая по известному значению числа Била.

Нагреватель (Heater) .

Теплообменник, служащий для передачи тепла от первич­ного источника к рабочему телу.

Нагревательная головка (Heater Head)

Конструкция, включающая нагреватель, головку цилиндров и примыкающие к ней полости. В некоторых случаях нагрева­тельная головка включает также и корпус регенератора.

Насосные потери (Pumping Loss)

См. Аппендиксные потери

Неуравновешенная сила (момент) (Out-of-balance force (couple))

Сила (момент), возникающая при неравномерном движении массы и не уравновешенная противоположно направленной си­лой (моментом).

Остаточный объем (Clearance volume (space))

Минимальный объем рабочей полости переменного объема.

Относительный мертвый объем (Dead Volume Ratio)

Отношение суммарного мертвого объема двигателя к рабо­чему объему полости расширения.

Отношение давлений (Pressure Ratio)

Отношение максимального давления рабочего цикла к ми­нимальному.

Отношение рабочих объемов (Swept Volume Ratio)

Отношение объема полости сжатия к объему полости рас­ширения.

Отношение температур (Temperature Ratio)

Отношение минимальной температуры цикла к максималь­ной температуре цикла. Иногда используется отношение двух известных температур цикла, поэтому следует с чрезвычайной осторожностью относиться к опубликованным значениям этого отношения.

Перепад давлений (Pressure excursion or swing)

Разность между максимальным и минимальным значениями давления в рабочем цикле.

Период окупаемости (Payback Period)

Период времени, в течение которого затраты на изготовле­ние двигателя окупаются экономией затрат'при его эксплуа­тации.

Полость расширения (Expansion Space)

Полость переменного объема, в которой сосредоточивается основная часть рабочего тела при увеличении суммарного объ­ема и уменьшении давления. Ее также называют горячей по­лостью.

Полость сжатия (Compression Space)

Полость переменного объема, в которой сосредоточивается основная часть рабочего тела при уменьшении суммарного' объема. Температура в полости сжатия ниже, чем в полости расширения.

Полуадиабатный анализ (Semi-Adiabatic Analysis)

Метод теоретического анализа рабочего цикла двигателя, в котором процессы сжатия и расширения принимаются адиабат­ными, а процессы теплообмена ■— изотермическими.

Поправочный коэффициент (Experience Factor)

Отношение, обратное отношению расчетного параметра мощ­ности, определенному методом Шмидта, к экспериментально из­меренному значению этого параметра.

Пористость (Porosity)

Доля объема регенератора (%), не занятая твердым мате­риалом насадки.

Поршень, или рабочий поршень (Piston Or Power Piston)

Уплотненный в цилиндре элемент двигателя, совершающий возвратно-поступательное движение и обеспечивающий требуе­мое изменение объема рабочего тела, заключенного в полости цилиндра.

Потери тепла в регенераторе (Reheat Loss)

Эквивалентны дополнительной энергии, которую необходимо подвести к рабочему телу, чтобы компенсировать несовершен­ство работы регенератора.

Предварительный подогреватель воздуха (Preheater)

Теплообменник, используемый совместно с горелками для ископаемого топлива и служащий для передачи тепла от про­дуктов сгорания заряду воздуха, поступающему в камеру сго­рания.

Прерывистое, или дискретное, перемещение поршня (Discontinuous Or Discrete Piston Motion)

Движение поршней, необходимое для реализации идеаль­ного термодинамического цикла, состоящего из четырех про­цессов.

Принцип Стирлинга (Stirling Principle)

Расширение и сжатие подходящего рабочего тела при раз­ных фиксированных значениях температуры внутри замкнутой термодинамической системы, в которой изменения внутреннего объема осуществляются с помощью устройств, перемещающих­ся по заданному закону.

Псевдоцикл Стирлинга (Pseudo-Stirling Cycle)

Идеальный термодинамический цикл, состоящий из четырех процессов, концепция которого была предложена группой иссле­дователей Университета в Витватерсранде.

Рабочее тело (Working Fluid)

Вещество, герметически изолированное в двигательной уста­новке и используемое для реализации термодинамических про­цессов, а также процессов теплопередачи, обусловленных прин­ципом Стирлинга.

Регенератор (Regenerator)

Теплообменник с высоким значением отношения поверхно­сти к объему, служащий накопителем энергии при перетекании рабочего тела из нагревателя двигателя в холодильник и по­лость сжатия, а затем при обратном перемещении рабочего тела в полость расширения и нагреватель — источником энергии, отдающим рабочему телу накопленную энергию.

Регулирование мертвого объема (Dead Volume Control)

Процесс регулирования мощности, при котором мертвый объем уменьшается или увеличивается, соответственно изменяя давление в двигателе и тем самым регулируя мощность на вы­ходе двигателя.

Регулирование среднего давления (Mean Pressure Control)

Процесс регулирования мощности, при котором количество рабочего тела в рабочих полостях двигателя увеличивается или уменьшается, соответственно изменяя давление в двигателе и тем самым регулируя крутящий момент, скорость и в конечном счете мощность на выходе двигателя.

Рециркуляция отработавших газов (РОГ) (Exhaust Gas Recirculation, EGR)

Метод снижения температуры продуктов сгорания ископае­мого топлива, истекающих из камеры сгорания, с целью умень­шения выброса в атмосферу окислов азота, заключающийся в отводе части отработавших газов в предварительный подогре­ватель воздуха.

Рециркуляция продуктов сгорания (РПС) (Combustion Gas Recirculation, CGR)

Метод, используемый для той же цели, что и РОГ, и отли­чающийся тем, что часть продуктов сгорания отводится не в предварительный подогреватель воздуха, а непосредственно в камеру сгорания.

Ромбический привод (Rhombic Drive)

Приводной механизм, изобретенный Ральфом Мейером, обычно применяемый в двигателях компоновочной модифика­ции бета. Представляет собой особую форму дезаксиального кривошипно-шатунного механизма, позволяющую двум порш­ням, расположенным соосно, синхронизированно перемещаться со сдвигом по фазе и при этом быть динамически сбаланси­рованными.

Свободнопоршневой двигатель Била (Beale Free-Piston Engine)

Тип двигателя Стирлинга, в котором движение рабочего поршня и вытеснителя определяется газодинамическими силами. Между поршнем и вытеснителем отсутствует жесткая механи­ческая связь.

Связанный поршень (Disciplined Piston)

Поршень, механически соединенный с коленчатым валом.

Синусоидальное движение поршня (Harmonic Piston Motion)

Движение, при котором перемещение поршня может быть описано функцией sin of или cos (at, где со — угловая скорость вращения кривошипа.

Степень сжатия (Volume compression ratio)

Отношение максимального объема в цикле к минимальному объему.

Сухой режим (Dry Cycle)

Термин используют для описания работы двигателя «Флюи­дайн», если его жидкие поршни герметически изолированы от рабочего тела.

Уплотнение типа «скатывающийся чулок» (Rollsock Seal)

Деформируемое диафрагменное уплотнение, разработанное фирмой «Филипс» для устранения утечек рабочего тела из ра­бочих полостей двигателя.

Уравнение Мальмё (Malmo Equation)

Уравнение для определения КПД двигателя Стирлинга, впервые предложенное фирмой «Юнайтед Стирлинга» (г. Маль­мё, Швеция). Этим уравненнем устанавливается взаимосвязь общего КПД силовой установки с КПД ее составных частей.

Фазовый угол объемов (Volume phase angle)

Угол запаздывания изменения объема полости сжатия по сравнению с изменением объема полости расширения.

Фазовый угол по кривошипу (Crank Phase Angle)

Угол запаздывания, с которым поршень в полости расшире­ния следует за поршнем в полости сжатия.

«Флюидайн» (Fluidyne)

Название одного из типов двигателя Стирлинга, в котором функцию поршней выполняют столбы жидкости.

Харуэллская машина, или термомеханический генератор, ТМГ (Harwell Machine, TMG)

Свободнопоршневой двигатель, в котором перемещение вы­теснителя зависит только от давления рабочего тела и вытес­нитель не связан механически с другими элементами двигателя.

Холодильник (охладитель) (Cooler)

Теплообменник, служащий для отвода избыточной тепловой энергии от рабочего тела циркулирующей охлаждающей жид­кости.

Холодная полость (Cold Space)

Этот термин обычно относится к объему сжатия, но иногда •его относят к объему холодильника.

Цикл Раллиса (Rallis Cycle)

Идеальный замкнутый термодинамический цикл, состоящий из шести процессов; процессы расширения и сжатия этого цикла изоэнтропные, а регенерация может быть как изобарной, так и изохорной.

Цикл Стирлинга (Stirling Cycle)

Идеализированный термодинамический цикл, состоящий из изотермических процессов сжатия п расширения, ограниченных изохорными процессами.

Цикл Треска (Tresca Cycle)

Идеализированный термодинамический цикл, состоящий из шести процессов; близок к циклу Раллиса, но имеет изотерми­ческие процессы сжатия и расширения; назван по имени фран­цузского инженера Треска.

Челночный теплообмен (Shuttle Conduction)

Механизм теплообмена, связанный с перемещением поршня в цилиндре, когда поршень и цилиндр имеют разные темпера­Туры и (или) изготовлены из разных материалов.

Число Била (Beale Number)

Эмпирическая переменная величина, представляющая собой отношение выходной мощности двигателя к произведению его скорости, давления и объема, вычисляемая для заданных ин­тервалов температур.

Щелевая регенерация (Gap regeneration) Процесс, происходящий в кольцевом зазоре между неуплот­ненным вытесннтельным поршнем и горячими стенками ци­линдра. Регенерация происходит благодаря большой разнице температур между верхней и нижней частями поршня. Эффективность (Effectiveness)

Параметр, используемый для оценки работы теплообменни­ка, в частности регенератора. Это определение не является единственным и общепринятым, поэтому требуется особая тща­тельность при его интерпретации.

Эффективность зарядки (Charging efficiency) Параметр, применяемый для оценки способности материала аккумулировать тепло.

[1] Под скоростью здесь понимается частота чередования рабочих циклов в минуту. Для двигателя Стирлинга с механическим приводом эта частота совпадает с частотой вращения кривошипа (коленчатого вала).— Прим. перев.

64п3 1 196/г5 ' 392п5 '

У (ф) = —А (1,07 — cos Ф — 0,073 cos 2ф + 0,0037 cos 4ф +

[4] равновесная скорость звука ае

Ae = RT, (3.82)

[5] RTC l+6cos(0 — 0)

Чтобы упростить выкладки, примем