Двигатели стирлинга

Влияние давления на рабочие характеристики

Термодинамический анализ идеального цикла Стирлинга, выполненный для дискретных значений объема двигателя, а также для случаев его изменения по простому гармоническому закону и реальному закону, имеющему место в существующих двигателях, показал, что выходная мощность двигателя Стир­линга должна быть прямо пропорциональна среднему давле­нию цикла, что подтверждается на практике. Типичные зави­симости, характеризующие влияние давления на выходную мощность, показаны на рис. L67 для двигателя GPU-3 с ром­бическим приводом [451. Если эти зависимости перестроить, ИзМенйв параметры, откладываемые по осям координат, то влияние давления будет еще нагляднее (рис. 1.68), причем можно видеть, что изменение мощности не точно следует ли­нейному закону, но весьма близко к нему. Такая тенденция характерна для всех двигателей Стирлинга, в том числе и для Р-40. Чтобы подтвердить это, на рис. 1.69 приведены кривые мощности двигателя Р-40 фирмы «Юнайтед Стирлинг», полу­ченные при постоянных значениях среднего давления [29]. По ним легко видеть, что и здесь существует почти линейная зави­симость между выходной мощностью и средним давлением цик­ла. Следует заметить, однако, что в реальных двигателях Стир­линга среднее давление цикла существенно не превышает 20 МПа, так что при более высоких давлениях отмеченные тенденции могут и не проявиться.

Моделирование на ЭВМ, выполненное авторами, показало, что давления выше 25 МПа могут неблагоприятно отразиться на рабочих характеристиках. Причиной этого могут быть кон-

Среднее

Давление, МПа 7,00

Рис. 1.69. Мощность в зависимости от скорости вращения и среднего дав­ления цикла двигателя Р-40 [29].

Структивные неполадки в теплообменниках или особенности ра­бочих характеристик двигателей Стирлинга при очень высоких

Давлениях. Имеется только один способ выяснить этот во­прос — провести испытания двигателя при среднем давлении свыше 25 МПа.

Давление является основным фактором, влияющим на кру­тящий момент двигателя, и характер этого влияния такой же,

Как и на выходную мощность. Поэтому крутящий момент из­меняется весьма - незначитель­но в широком диапазоне ско­ростей двигателя. Следова­тельно, высокий крутящий мо - V мент можно получить и при малых скоростях. Это является определяющим фактором для 2СI начальной фазы ускорения.

Взаимосвязь между давлением и моментом для двигателя GPU-3 [45] и для двигателя

Рис. 1.71. КПД в зависимости от. .

Среднего давления цикла двигателя фирмы «Филипс» мощностью Р-75 [53]. 30 кВт [15] показана на

Рис. 1.70.

Давление оказывает также влияние и на КПД двигателя. Как правило, с ростом среднего давления цикла возрастает и КПД. Типичные зависимости для двигателя Р-75 фирмы «Юнайтед Стирлинг» [53] показаны на рис. 1.71.

Общий КПД двигателя состоит из трех компонент: КПД перехода энергии, заключенной в топливе, в тепло; КПД пере­
хода тепла в механическую энергию; КПД механизма привода от поршня до выходного вала. Увеличение давления в двигате­ле может сказаться на всех трех компонентах. Уровень давле­ния в двигателе оказывает влияние на газодинамические и тер­модинамические параметры рабочего тела. Это в свою очередь влияет на характеристики теплопередачи и характеристики га­зового потока рабочего цикла. Например, при росте давления рабочее тело способно поглотить больше тепла, и эта дополни­тельная энергия может реализоваться в дополнительной меха­нической энергии. Давление влияет также на нагруженность и, следовательно, на динамические характеристики механизма привода, от которых зависит механический КПД привода. В настоящее время, по имеющимся у нас сведениям, нет дан­ных по сравнительному влиянию давления на каждую из трех компонент, составляющих общий КПД двигателя. Эта область исследований может представить интерес для исследователь­ских подразделений университетов, и хотя результаты, полу­ченные в таких исследованиях, не обязательно приведут к улучшению рабочих характеристик, они, несомненно, будут способствовать расширению и углублению наших знаний по данному вопросу. В конце концов, исследования всегда полез­ны для углубления знаний.

Однако уже сейчас — на первой стадии нашего анализа ра­бочих характеристик двигателя Стирлинга — становится ясно, что очень трудно (а порой и почти невозможно) выделить «ин­дивидуальное» влияние какого-либо параметра, поэтому при интерпретации полученных результатов необходимо соблюдать большую осторожность. Влияния температуры, давления и ско­рости часто могут перекрываться, и в тех случаях, когда «ин­дивидуальные» влияния противоположны, общий эффект может быть весьма малым. Более того, такие параметры, как темпе­ратура и давление, по-разному влияют на различные рабочие тела. Например, удельная теплоемкость одного из трех наибо­лее распространенных рабочих тел — гелия — не зависит от давления и температуры в пределах-обычных для таких двига­телей диапазонов рабочих значений этих параметров, в то же время удельная теплоемкость двух других часто используемых рабочих тел -— водорода и воздуха — существенно зависит от этих параметров. Тем не менее мы попытаемся, где это воз­можно, разделить индивидуальные влияния параметров, что сделает более понятной их значимость и их вклад в формиро­вание общих рабочих характеристик двигателя. Однако, даже если это будет сделано, в реальных условиях необходимо про­следить влияние всех параметров в широком диапазоне рабо­чих режимов двигателя, и для выяснения общего характера влияния потребуется полная рабочая диаграмма двигателя.

Кроме того, при определении числовых значений основных па­раметров, характеризующих особенности работы двигателя Стирлинга, мы воспользуемся выведенными ранее эмпириче­скими зависимостями общего характера.

Как уже было отмечено во вступлении к данной главе, в подавляющей части публикаций, посвященных двигателям Стирлинга, влияние параметров на рабочие характеристики рассматривается безотносительно к их значимости для проек­тирования и изготовления двигателей. Причина этого состоит в том, что во многих таких публикациях описываются опытные двигательные установки и их потенциальные возможности. Бо­лее того, часть подобных публикаций, по существу, мало отли­чается от рекламных проспектов. Однако и в таком подходе есть резон, поскольку он привлекает внимание к описываемому двигателю. Следует также принять во внимание, что до недав­него времени только отдельные исследователи имели доступ к экспериментальным данным и могли использовать накоплен­ный опыт эксплуатации, а это совершенно необходимо для по­нимания влияния изменения рабочих параметров на конструк­цию и эксплуатационные характеристики двигателя. В настоя­щее время положение значительно улучшилось. Поэтому при рассмотрении рабочих характеристик мы по возможности бу­дем прослеживать взаимосвязь этих характеристик с физиче­скими процессами. В некоторых случаях, чтобы обеспечить тре­буемые рабочие характеристики, в двигателях Стирлинга ис­пользуют конструктивные компоненты, присущие только этим двигателям или по крайней мере удовлетворяющие требова­ниям, предъявляемым замкнутым рабочим циклом. Такие ком­поненты необходимо анализировать более детально, и это сде­лано в следующей главе.

Влияние среднего давления на конкретные конструкторские решения является хорошей иллюстрацией сказанного. Посколь­ку величина среднего давления оказывает значительное влия­ние на выходную мощность и КПД, то для повышения двух по­следних параметров увеличение давления является на первый взгляд наиболее простым путем. Например, увеличение давле­ния в двигателе, скажем, в 100 раз может дать в некоторых случаях дополнительные 25 % КПД, а вырабатываемая мощ­ность при этом возрастает почти в 100 раз. Поэтому не должен вызывать удивления факт, что в наиболее совершенных двига­телях Стирлинга, разработанных тремя ведущими их изготови­телями — фирмами «Филипс», «Юнайтед Стирлинг» и объеди­нением MAN — MWM — среднее давление имеет значения 10— 20 МПа. Однако такие высокие значения давления создают определенные трудности при конструировании и изготовлении, и самая большая из них — это герметизация рабочего тела.

В устройствах, работающих по замкнутому циклу, в том чис - ie и в двигателе Стирлинга, необходимо избегать потерь рабо­чего тела, поскольку такие потери снижают среднее давление цикла и, следовательно, выходную мощность. Имеется много путей для просачивания рабочего тела из внутренней полости двигателя; например, водород под действием высоких давлений и температур будет диффундировать сквозь металлические пе­регородки, изготовленные из большинства металлов и сплавов (особенно это относится к нержавеющей стали). Однако чаще всего основной причиной утечки является просачивание газа под давлением около поршней и их штоков. На первый взгляд такую утечку можно ликвидировать, установив обычные уплот­нения, т. е. металлические кольца или кольца из шнура, по­скольку, например, газовые компрессоры работают при давле­ниях, превышающих давление в двигателях Стирлинга. Однако рабочие температуры в двигателях Стирлинга выше, чем в компрессорах, и это усложняет решение проблемы уплотнений. В двигателях внутреннего сгорания рабочие температуры сопо­ставимы с температурами в двигателях Стирлинга, однако в двигателях Стирлинга уплотнения должны работать в атмосфе­ре, не содержащей масла, поскольку при попадании масла из картера в рабочие полости происходит его пиролиз и образова­ние углеродных отложений, засоряющих теплообменники и особенно высокопористые регенераторы. Кроме того, масло в картере может загрязняться просачивающимся рабочим те­лом. Усовершенствование уплотнений не должно производить­ся за счет увеличения трения, поскольку это может приве­сти к недопустимому падению рабочих характеристик на валу двигателя. Из сказанного видно, что создание работоспособной конструкции уплотнения для двигателей Стирлинга с высоким внутренним давлением представляет достаточно серьезную про­блему. Этот вопрос рассматривается в разд. 1.7. Необходимо уяснить, что использование газообразного рабочего тела, нахо­дящегося под высоким давлением, делает чрезвычайно вероят­ной утечку газа безотносительно к степени совершенства уплот­няющих устройств. Следовательно, чтобы поддерживать выход­ную мощность двигателя на одном уровне в течение длительного периода эксплуатации, такая утечка должна компенсиро­ваться. Практически это означает, что на двигателях Стирлин­га с высоким давлением должен быть установлен компрессор, автоматически нагнетающий сжатый газ в двигатель при паде­нии давления цикла ниже определенного уровня; иными слова­ми, должен быть обеспечен процесс «подкачки». Компрессор может быть расположен как внутри двигателя, так и вне его. В двигателе с косой шайбой «Форд — Филипс» имеется вну­тренний поршневой компрессор, состоящий из небольших порш-

6 Зак. 839

Ней, соединенных с нижней стороной рабочих поршней двигате­ля (рис. 1.72).

Такой компрессор работает со скоростью, равной скорости двигателя. В настоящее время наметилась тенденция устанав­ливать наружные компрессоры с приводом непосредственно от выходного вала двигателя. Затраты мощности на привод ком­прессора несколько снижают преимущества, достигаемые за счет высокого давления цикла.

Помимо трудноразрешимой проблемы уплотнений при ис­пользовании высоких давлений возникает проблема высоких циклических механических нагрузок на механизм привода, теп­лообменники и рабочие цилиндры, которые необходимо учиты­вать при конструировании этих элементов. В двигателе просто­го действия, если отсутствует буферная полость и в картере нет избыточного давления, нагрузки на подшипники будут выше, чем в обычных двигателях внутреннего сгорания. Не­смотря на то что пиковые давления цикла в двигателе вну­треннего сгорания могут быть выше, чем в двигателе Стирлин­га, их воздействие весьма непродолжительно, в то время как в двигателе Стирлинга давление удерживается на доста­точно высоком уровне в течение полного оборота вала дви­гателя.

Закон изменения давления в двигателе Стирлинга близок к синусоидальному (рис. 1.73) при среднем давлении цикла, рав­ном приблизительно половине максимального, что много выше, чем в сопоставимом двигателе внутреннего сгорания. Нагрузки на подшипники и их долговечность пропорциональны кубиче­скому корню из среднего давления в цилиндре [30], и, следо­вательно, подшипники, используемые в обычных устройствах возвратно-поступательного действия, преобразующих тепловую

Срейнее йавление

Угол поворота криеошипа

Рис. 1.73. Типичный характер изменения давления в цилиндре за рабочий никл.

Энергию в механическую, мало подходят для двигателя Стир­линга, а если их и установить в нем, то срок их службы суще­ственно сократится. Поэтому для двигателей Стирлинга требу­ются более мощные, а следовательно, и более дорогие кон­струкции подшипников Однако если под поршнями разместить буферную полость с избыточным давлением (рис. 1.42), то на­грузки на подшипники можно существенно уменьшить. Избы­точное давление в картере дает тот же эффект.

Уменьшение нагрузок путем создания избыточного давле­ния в буферной полости или картере имеет и отрицательные последствия, так как двигатель при этом должен быть более прочным, а следовательно, и более тяжелым.

Двигатели двойного действия изначально имеют полость, которая выполняет функции как буферная полость в процессе работы двигателя. В двигателе двойного действия (рис. 1 24) максимальная разность давлений, действующих по обе стороны поршня, равна разности максимального и минимального давле­ний цикла, поскольку поршень обоими своими торцами сопри­касается с рабочими полостями. В двигателе простого дей­ствия, не имеющем избыточного давления в буферной полости или картере, разность давлений равна максимальному давле­нию цикла за вычетом атмосферного давления в картере. От­сюда следует, что в двигателе двойного действия реальные на­грузки на подшипники существенно ниже, и проблема уплотне­ния поршня стоит не так остро, однако уплотнение штока поршня по-прежнему работает в тяжелых условиях. Поэтому даже в двигателях двойного действия иногда поддерживают небольшое избыточное давление в картере, что позволяет упро­стить конструкцию уплотнения штока.

Давление в рабочих полостях двигателя вызывает механи­ческие напряжения в основных деталях двигателя независимо от того, какой это двигатель — простого или двойного дей­ствия. Особенно высокие напряжения возникают в стенках ци­линдра и регенератора и в трубках теплообменника. Эти меха­нические напряжения усугубляются из-за тепловых нагрузок, особенно в нагревателе. Поэтому, если двигатель рассчитан на высокую удельную мощность, то из-за высоких значений напря­жений в нем можно использовать только материалы, предна­значенные официальными нормативными документами для со­судов под давлением. При конструировании холодильника не­обходимо принимать во внимание способность материалов воспринимать напряжения изгиба, вызываемые высокими дав­лениями Отношение длины к диаметру прямых участков тру­бок холодильника таково, что каждая трубка может быть упо­доблена распорке и, следовательно, подвержена опасности поломки в результате изгиба. Поэтому при конструировании хо­лодильника необходимо тщательно выбирать материалы, кото­рые позволили бы избежать излишней жесткости корпуса хо­лодильника.

Здесь необходимо упомянуть еще один аспект, связанный с воздействием давления. Поскольку мощность, вырабатываемая двигателем, зависит от давления в двигателе, то изменением давления можно регулировать мощность на валу. Таким обра­зом, регулирование уровня давления в двигателе является од­ним из средств управления его скоростью и крутящим момен­том. Однако, несмотря на кажущуюся простоту такой идеи, реализовать ее практически не так просто. Поэтому, отказав­шись от поверхностного описания вопросов, связанных с управ­лением двигателем, позже рассмотрим их более подробно.