Двигатели стирлинга

ЯПОНИЯ

В Японии осуществляются программы разработки механиче­ского двигателя и холодильной машины. Их реализация в основ­ном проходит успешно, причем качество работ по холодильным машинам, по данным одного из авторов, обеспечивает японским системам такие характеристики, которые не были достижимы несколько лет назад. Работы по холодильным машинам нача­лись в 1965 г., а по механическим двигателям — в 1970 г. [3]. Первое серьезное их обсуждение состоялось в 1973 г. на засе­дании Комитета по технической политике [4]. В конце 1974 — начале 1975 гг. через министерства транспорта и образования были предоставлены правительственные субсидии, которые по­ступали в фирмы еще ив 1981 г.

Разработкой двигателей Стирлинга занимается по меньшей мере 14 различных японских организаций, включая несколько ведущих промышленных фирм, таких как «Даяцу дизель», «Ми - цубнси хэви индастрпз», «Апсин сейкн» и «Ниссан мотор». Целью основных проектов является создание следующих дви­гателей: морского мощностью 600 кВт, автомобильного мощ­ностью 50 кВт и теплового насоса мощностью 7 кВт. Структура этих программ с точки зрения участия различных организаций показана на рис. 6.2. До 1981 г. основные усилия были направ­лены на создание большего из указанных двигателей. Этот дви­гатель имеет следующие характеристики:

Тип — нерезонирующий, двойного действия, однофазный, жестко закрепленный; компоновочная модификация — альфа; рабочее тело — гелий; число цилиндров четыре; расчетная скорость 720 об/мин; приводной механизм — кривошипно - шатунный; среднее давление 11 МПа; рабочий объем 5700 см3; диаметр канала цилиндра 22 см, длина хода порш­ня 15 см; отношение диаметра канала к длине хода поршня 1,47; температура нагревателя 700 °С.

Работы по бвигателям Стирлинга в Японии

Правительстео 'Министерство^ .транспорта J

Для морских (Cyi>Oe (G00«Вт)

1орскои научно-жхле - Чвательский институт

Опытный йеигатель (М 1 Т I)

Фирма «Аисин Сейки»

-|фирма «Аисик <

Генератор Situ

_____ (S0 кВп.,________________

| Лаборатория инженеров-механиков]

Рис. 6.2. Участие различных организаций Японии в разработках двигателя Стирлинга [4].

Предполагаемая достижимая мощность этого двигателя 600 кВт. Некоторое представление о потенциальных возможно­стях двигателя можно получить, если воспользоваться числом Била, приведенным в разд. 3.1:

Zp eVSPP,

6000

Где 2 = 4, Vsp = 5700 см3, рср = 11 МПа, N = 720 об/мин; Р,.=0,018 (из уравнения (3.5) в предположении, что темпера­тура охладителя — морской воды — составляет 20 °С).

С использованием этих данных мощность по Билу состав­ляет 542 кВт, т. е. такой подход заслуживает внимания. На первой стадии разработки были созданы лишь два из четырех цилиндров, и двигатель был простого действия. Как уже об-

Суждалось ранее, такое решение является обоснованным и ло­гичным. Схема этого меньшего опытного двигателя показана на рис. 6 3. Предполагалось, что выходная мощность двигателя будет составлять 150 кВт. Однако расчет числа Била дал

542/4 = 135 кВт, что, по-видимому, является более реальным значением. В первых опытах, проведенных в 1980 г., была по­лучена мощность 100 кВт при эффективном КПД, равном 20 По­хоти эти данные ниже расчетных показателей, они весьма впе­чатляющи, если учесть, что это первые испытания нового дви­гателя, разработанного совершенно неопытными в этой области специалистами. Но еще более удивительны характеристики дви­гателя мощностью 50 кВт фирмы «Аиснн сейки». Этот двига­тель, по всей видимости, является уменьшенной копией двига­теля с косой шайбой 4-215 фирм «Форд» и «Филипс», но вместо

Водорода в нем используется гелий, а топливом служит освети­тельный керосин. Этот двигатель был испытан в течение до­статочно длительного времени. В 1981 г. работы с ним еще про­должались. В первых испытаниях была получена максимальная выходная мощность 40 кВт, а общий КПД составил около 22 %•

Но затем при более низких скоростях были достигнуты мощ­ность 50 кВт и максимальный КПД более 35%. Расходы топ­лива оказались такими же, как на аналогичном двигателе с принудительным зажиганием. Рабочая диаграмма, полученная во время этих промежуточных испытаний, приведена на рис. 6.4. В двигателе используется система скользящих уплотнений, раз­работанная в Японии. Работа этой системы и механизма при­вода с косой шайбой оказалась вполне удовлетворительной и не вызвала тех трудностей, которые встретились при разработке программы фирм «Форд» и «Филипс». Температура в нагрева­теле японского двигателя равна 700 °С, а КПД двигателя со­ставляет 60—65 % КПД цикла Карно. Эти данные характери­зуют высокое качество разработок, выполненных за столь не­продолжительное время.

Наиболее важным достижением японских разработок яв­ляется новая система уплотнений поршня. Вместо обычно ис­пользуемых четырех колец из материала рулон в японском дви­гателе их пятнадцать! Может показаться, что это неправильный подход, но, как следует из экспериментальных результатов, об­разуется почти совершенное уплотнение, снижающее силу тре­ния в 2,5 раза [6], так как, хотя оно и содержит много уплот - нительных колец, общая площадь контакта оказывается почти на 40 % меньше, чем при использовании колец сечением 4X6 мм. Экспериментальные результаты и расчеты характе­ристик этой новой системы уплотнений должны были быть опу­бликованы в «Трудах японского общества инженеров-механи­ков» в 1981—1982 гг. По существу, такое уплотнение является лабиринтным, н если надежность его работы и характеристики будут постоянными, то отпадет необходимость в уплотнении штока поршня двигателя простого действия и без особых труд­ностей можно будет повысить КПД всей системы на 2 %.

Кроме работ по созданию опытных двигателей в Японии проводятся теоретические и технико-экономическне исследова­ния [5, 7]. Вполне возможно, что вскоре появится японский двигатель Стирлинга, а если работы в течение последующих лет будут столь же успешными, то японцы смогут занять ведущее положение еще в одном направлении.