Машины, работающие по циклу Стирлинга

Сравнение многоцилиндровых машин с машинами вытеснительного типа

Как было показано, возможны самые разнообразные варианты компоновочных схем многоцилиндровых и вытеснительных типов машин, некоторые их которых уже доведены до коммерческой ста­дии. Но нет ни одной машины с явными преимуществами по отно­шению ко всем остальным; имеется лишь ряд определяющих фак­торов, указывающих на предпочтительный выбор одноцилиндровых машин вытеснительного типа, большей частью небольших по габа­ритам; выбор может колебаться между многоцилиндровыми, ском­понованными из одноцилиндровых машин вытеснительного типа с общим коленчатым валом, и многоцилиндровыми типа Рини или Финкелынтейна.

Одним из важных факторов, указывающих на преимущества ма­шин вытеснительного типа над многоцилиндровыми машинами, является то, что для них относительно легче разрешается вопрос об уплотнениях элементов, движущихся возвратно-поступательно. Для всех машин требуются по крайней мере по два уплотнения. На каждый поршень для указанных на рис. 6-1 трех машин тре­буется по одному уплотнению: два уплотнения в двухпоршневой машине и по одному на каждую машину вытеснительного типа. Кроме того, для машин вытеснительного типа требуется дополни­тельное уплотнение для штока вытеснителя, поскольку в первом варианте машины шток проходит через рабочий поршень, а во вто­ром — выходит за пределы нижней части вытеснительного цилин­дра. Уплотнение для штока вытеснителя менее важно по сравнению с уплотнением рабочего поршня, что определяется меньшими утеч­ками рабочего тела и меньшим трением. По-видимому, это является основным преимуществом машин вытеснительного типа, поскольку проблема уплотнений движущихся возвратно-поступательно эле­ментов чрезвычайно трудна, в особенности при использовании иных рабочих тел, чем воздух. Преимущество машин вытеснительного типа еще и в том, что общая масса их поступательно-движущихся узлов меньше, чем в многоцилиндровых машинах. Это облегчает балансировку и снижает проблему вибрации. Вытеснитель не про­изводит работы, на него действуют лишь газовые силы давления, возникающие из-за наличия гидравлического сопротивления, и силы инерции. Поэтому конструктивно он может быть выполнен более легким с соответственно менее массивными штоком, травер­сами и подшипниками, что приводит к значительной экономии в массе и снижению механических потерь.

Выходная мощность двигателя (в первом приближении) линейно зависит от давления рабочего тела. Поэтому повышение удельной мощности двигателя непосредственно связано с увеличением да­вления рабочего тела. Для небольших двигателей выгоден картер под давлением. Это не только уменьшает нагрузку на поступатель­но-движущиеся уплотнения, но и снижает требования к прочности, предъявляемые к узлам поршня, шатуна и подшипников. Это ре­зультат того, что при использовании картера под давлением дей­ствующий на поршень перепад давления уменьшается до рцнл — ркар вместо рцил — ратм при атмосферном давлении в картере. Вслед­ствие этого может быть снижена масса двигателя и уменьшены ме­ханические потери в подшипниках и уплотнениях. Эти выгоды ком­пенсируются повышенными требованиями к прочности конструкции картера, поскольку в этом случае он представляет собой некую ем­кость под давлением, а при необходимости вывода коленчатого вала из картера требуется по крайней мере еще одно динамическое уплот­нение.

Проблема уплотнения вращающегося вала относительно проще по сравнению с проблемой уплотнения поступателыю движущегося поршня, и она может быть разрешена путем размещения электро­двигателя или электрогенератора внутри самого картера; однако для двигателя с высоким давлением рабочего тела такое решение может привести к значительным «вихревым» потерям.