Двигатели стирлинга

Характеристики двигателя «Флюидайн»

Двигатели «Флюидайн» как «мокрого», так и «сухого» типов были созданы в Центре по атомной энергии в Харуэлле (Анг­лия), и начиная с 1970 г. по этим двигателям была выполнена большая теоретическая и экспериментальная работа. К сожале­нию, подробная информация об этой работе еще не опублико­вана. Однако в других институтах также была выполнена рабо­та по этим двигателям, достаточная для того, чтобы вынести определенные суждения о рабочих характеристиках двигателей «Флюидайн». Большинство опубликованных работ относится к двигателю «Флюидайн», используемому в качестве насоса (рис. 1.40 и 1.41). Эти исследования в целом хорошо докумен­тированы, имеют подробные описания экспериментов, однако полученные результаты не слишком детализированы. Это не удивительно, поскольку имеются определенные трудности в по­лучении фундаментальных результатов из-за отсутствия обору­дования и приборов, которые можно было бы приобрести для таких исследований [64, 65]. Кроме того, «Флюидайн» — на­столько необычное устройство, что у исследователей появляется соблазн «поиграть» с ним — изменяя конструктивные параметры, наблюдать, что из этого получится.

В этой главе собраны все имеющиеся экспериментальные данные по этим двигателям. Для обобщения характеристик дви­гателей «Флюидайн» этих данных явно недостаточно. Когда ста­нут доступными публикации центра в Харуэлле и будет опубли­кована книга Уокера и Уэста [33], мы будем располагать зна­чительно большим объемом информации для изучения. Однако одно обобщение можно сделать уже сейчас, и оно касается двух режимов работы двигателей «Флюидайн». В «мокром» режиме в горячем цилиндре происходит значительное парообразование. Это увеличивает изменения давления в цикле, так что при нор­мальных рабочих температурах амплитуда колебаний давления в цикле в 5—7 раз выше, чем в случае однофазного газа. Соответственно возрастает развиваемая мощность, и, следо­вательно, мощность на единицу массы выше, чем в «сухом» режиме. Однако при наличии парообразования необходимо увеличивать подвод тепла в систему, чтобы сбалансировать скрытую теплоту парообразования. В результате общий КПД получается весьма низким — обычно менее 1 %• Если вос­препятствовать парообразованию, то, несмотря на падение удельной мощности и уменьшение количества подводимой энер­гии, можно достигнуть увеличения КПД до 10 %. В то время как «мокрый» «Флюидайн» может работать при весьма низких температурах в горячей полости (80—100°С), работа в «сухом» режиме протекает при значительно более высоких температу­рах (в среднем при 400 °С). При выборе между «мокрым» и «сухим» режимами работы необходимо тщательно взвесить все «за» и «против».

«Флюидайн» с подкачкой энергии, осуществляемой реактив­ной струей, из-за простоты своей конструкции и очевидной нечув­ствительности к выбору размеров практически без исключе­ний применяется в экспериментальных исследованиях и для ра­боты в качестве насоса. Опубликованные результаты исследова­ний приведены в табл. 1.18. Устройства, на которых были по­лучены эти результаты, имели различные размеры, и отобран­ные результаты следует рассматривать только как эксперимен­тальные данные.

Ряд исследований «мокрого «Флюидайна» с реактивной струей был выполнен в отделении исследований двигателя Стир­линга Королевского морского инженерного колледжа (Англия). В табл. 1.19 приведены типичные результаты. Полностью эти результаты опубликованы Хенсманом [13] и Льюисом [21].

В серии экспериментов Хенсмана подводимая энергия варьиро­валась от испытания к испытанию с целью определить, имеет ли «Флюидайн» наиболее благоприятные режимы работы с точки зрения подводимой энергии и параметра Tss, обеспечивающего самозапуск двигателя (см. равенство (1.1)). При подготовке эксперимента были приняты меры для уменьшения утечки теп­ла из горячей полости в окружающее пространство, и это спо­собствовало снижению величины Tss ниже значения 0,1, кото­рое ранее считалось критическим. В этих и других испытаниях было установлено, что «Флюидайн» может работать при разно­сти температур между двумя полостями ТНс= 17 °С, которая является весьма низкой величиной. Все упомянутые параметры приведены в табл. 1.19.

Эти параметры типичны для «Флюидайна» и содержат ряд интересных особенностей, например такую, что увеличение раз­ности температур горячей и холодной полостей необязательно влечет за собой увеличение теплового потока и КПД. Эта осо­бенность, вероятно, отличает «мокрый» «Флюидайн» не только от других двигателей Стирлинга, но и вообще от других уст­ройств, вырабатывающих механическую энергию. В основе это­го необычного свойства лежит, по-видимому, тот факт, что в этом двигателе рабочее тело двухфазное и двухкомпонентное [21, 65], поэтому для «мокрого» «Флюидайна» наиболее благо­приятными являются рабочие режимы, в которых последова­тельно преобладают рабочие циклы либо с сухим воздухом, ли­бо с влажным паром.

Циклические изменения давления и фазового угла «мокрого» «Флюидайна» также отличаются от соответствующих характе­ристик обычного двигателя Стирлинга, в то время как «сухой» «Флюидайн», как утверждают, имеет рабочие характеристики, аналогичные рабочим характеристикам обычного двигателя Стирлинга с жестким кривошипно-шатунным механизмом. Пе­ремещения мениска жидкости, эквивалентные движению твердо­го поршня, не точно следуют синусоидальному закону. Между

Перемещениями трех менисков в выходной, горячей и холодной трубах не поддерживается постоянный сдвиг по фазам в тече­ние рабочего цикла. Эта особенность показана на рис. 1.120.

Циклические перемещения наблюдались с помощью фототех­ники, однако в работе [64] описывается аппаратура, позволяю­щая упростить измерения этих перемещений. Типичные измене­ния давления цикла в горячей и холодной полостях показаны на рис. 1.121, а изменения температуры цикла — на рис. 1.122.

Что касается последнего параметра, то, хотя наличие изме­нений очевидно, они весьма малы по своей величине, и для рас­четов процесс можно считать в среднем изотермическим. Этот вопрос, однако, требует дальнейшего исследования. В работе [71] высказывается предположение, что холодную полость мож­но считать изотермической, а горячую — адиабатной. Полу­ченных результатов недостаточно, чтобы принять или отверг­нуть это предположение. Двигатели «Флюидайн», испытанные в отделении исследований двигателей Стирлинга Королевского морского инженерного колледжа, имели рабочие частоты в диа­пазоне 0,7—2,0 Гц, и, судя по опубликованным данным, этот диапазон типичен для всех двигателей «Флюидайн», построенных к настоящему времени.

Необходимо сделать еще одно замечание относительно опуб­ликованных описаний экспериментов. Это замечание касается устойчивости колебаний системы. «Флюидайн» обладает способ­ностью к «самовозбуждению» (иными словами, способностью к «самозапуску») и, будучи пущенным в ход, начинает работать с установившимися колебаниями. Эта способность дает возмож­ность ввести более точную классификацию двигателей «Флюи­дайн» [21, 65]. Такая классификация состоит из двух частей. Первая дает определение «Флюидайна» как автономной си­стемы, что является прямым следствием неявного вида произ­водной по времени в гидродинамических уравнениях, описываю­щих систему. В таких системах частота колебаний является функцией их амплитуды, и это подтвердилось в экспериментах с «Флюидайном». Вторая связана с тем, что из-за демпфирования в системе «Флюидайна» описывающие ее уравнения неконсерва­тивны. В общем случае в такой системе колебания должны бы­ли бы экспоненциально затухать со временем, чего, однако, не происходит во «Флюидайне», в котором колебания носят устой­чивый характер. Это дает основание утверждать, что система работает в режиме «ограниченного цикла» [21]. Наиболее важ­ным следствием этого утверждения является то, что система, работающая в ограниченном цикле, может самовозбуждаться. В случае «Флюидайна» это проявляется в способности системы «самозапускаться». Самовозбуждение возможно в двух фор­мах — «жесткой» и «мягкой», причем существование той или иной формы определяется конкретным параметром системы. В колебательной электрической цепи таким параметром может быть общая индуктивность, в то время как в случае «Флюи­дайна» им, очевидно, является температурный параметр самоза­пуска Tss. Когда достигнуто критическое значение ключевого

100

1 96

Ч

0 4 8

6 Бремя, с

Рис. 1.122. Изменения температуры цикла в «мокром» «Флюидайне».

А—холодная полость; б—горячая полость.

Параметра и возникают самовозбуждающиеся колебания, то воз­буждение определяется как «мягкое», если амплитуда колеба­ний нарастает медленно; когда же самовозбуждение возникает быстро и амплитуда также быстро достигает своего предельного значения, то преобладает «жесткое» самовозбуждение. Экспери­ментальные наблюдения свидетельствуют, что «Флюидайн» яв­ляется «жесткой» системой.

Это обсуждение вопросов устойчивости работы «Флюидайна» может показаться несколько академическим, однако анализ и математическое моделирование «Флюидайна» с помощью обыч­ных термодинамических и гидродинамических методов весьма затруднительны и требуют значительного машинного времени для решения уравнений. В то же время моделирование метода­ми устойчивости, которые хорошо разработаны в рамках теории регулирования, позволяет упростить решение проблемы и полу­чить более точное описание процессов, протекающих во «Флюи - дайне», и более достоверные результаты. Это даст возможность не только применить более научный подход к конструированию двигателя, но и сопоставить и объяснить результаты экспери­ментов.

Двигатели «Флюидайн» просты и не требуют больших за­трат на изготовление. Они представляются идеальными устрой­ствами для проведения исследований в университетах. Тем не менее, хотя рабочий цикл «Флюидайна» интересен с академиче­ской точки зрения, такой подход не должен быть единственным в ущерб насущно необходимому эмпирическому исследованию, целью которого должно быть определение перспектив «Флюи­дайна» в том плане, сможет ли он стать коммерчески выгодным изделием или останется изящной игрушкой.