Двигатели стирлинга

Влияние фазового угла

Чтобы получить на валу двигателя Стирлинга полезную мощность, необходимо обеспечить фазовый сдвиг между изме­нениями объема в горячей полости (полости расширения) и в холодной полости (полости сжатия). При этом изменения объ­ема расширения должны предшествовать изменениям объема сжатия. Теоретически фазовый угол должен быть заключен между 1 и 179° по углу поворота кривошипа. Обычно при­дают большое значение «магическому» значению фазового угла 90°. Это часто приводит к недоразумениям, когда узнают, например, что в двигателях фирмы «Филипс» с размещением рабочего и вытеснительного поршня в одном цилиндре фазо­вый угол не равен 90°. Причина заключается в том, что тер­мин «фазовый угол» понимают неоднозначно. Значение угла 90° относится к фазовому сдвигу между изменяемыми объема­ми полостей. Это значение не обязательно будет соответство­вать фазовому углу между двумя взаимосвязанными поршня­ми, отсчитываемому по углу поворота кривошипа. Для двига­теля двухпоршневого типа (в котором поршни размещены в разных цилиндрах) термины «фазовый угол объемов» и «фа­зовый угол кривошипа» — синонимы, однако в двигателях с другими кинематическими схемами этого совпадения может и не быть. Далее, фазовый угол объемов, соответствующий мак­симальной мощности на выходе, не обязательно совпадает с фазовым углом, соответствующим максимальному КПД. Угол 90° в действительности соответствует максимальной выходной мощности двигателя. Следовательно, когда от двигателя требу­ется максимальная удельная мощность, а не максимальный КПД, то следует стремиться к этому значению фазового угла. Более подробно этот вопрос рассматривается в гл. 3, посвящен­ной конструкции двигателя.

Влияние изменения фазового угла объемов на рабочие ха­рактеристики двигателя Стирлинга часто преувеличивают, так как в диапазоне 80—100° мощность на выходе двигателя от­носительно нечувствительна к фазовому углу объемов для большинства двигателей. Теоретически изменение выходной мощности в зависимости от фазового угла объемов должно но­сить гармонический характер (рис. 1.85) [7].

Насколько четко эта тенденция проявляется в реальных установках, трудно судить из-за недостатка опубликованных данных. Испытания, проведенные на испытательных установ­ках, где проверялись основные принципы работы двигателя, показали, что выходная мощность двигателя быстро уменьша­ется при фазовом угле, меньшем 60° и большем 120°. Ван - Экелен (фирма «Филипс») представил некоторые результаты при выяснении возможности регулирования мощности двигате­ля путем изменения фазового угла [42], однако из его статьи неясно, как определялся фазовый угол. Тем не менее влияние фазового угла очевидно (рис. 1.86).

Чтобы обеспечить максимальный КПД, необходим, по-види­мому, фазовый угол, превышающий 90° [43]. До настоящего времени не было данных о влиянии фазового сдвига на харак­теристики свободнопоршневых двигателей Стирлинга, однако
эти данные могут оказаться в работе [33], еще не вышедшей в свет ко времени написания данной книги. Этот вопрос, а также вопросы, относящиеся к «Флюидайну», более подробно будут рассмотрены в конце настоящей главы. Независимо от формы двигателя влияние фазового сдвига на работу двигате­ля двойного действия будет невелико, поскольку значение фа­зового угла в таком двигателе определяется его конфигура­цией и числом цилиндров.

С точки зрения механики фазовый угол кривошипа 90° может существенно затруднить уравновешивание двигателя, о

Чем подробнее говорится в гл. 2. Здесь же достаточно привлечь внимание к тому обстоятельству, что выбор угла сдвига фаз по кривошипу зависит от зачастую противоречащих одно дру­гому требований обеспечения уравновешенности двигателя и оптимальных значений мощности и КПД. Среди лиц, имеющих отношение к двигателям Стирлинга, распространено мнение, что угол фазового сдвига объемов следует назначать равным 90°, несмотря на связанные с этим нежелательные эффекты, так как этот угол обеспечивает по крайней мере приемлемые уровни мощности. Однако пока не существует реальных обосно­ваний для предпочтения именно этого угла, и определенно не­обходимыми представляются дальнейшие исследования в этой области.