Машины, работающие по циклу Стирлинга

СВОБОДНОПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ БИЛА

Большие перспективы применения имеют свободнопоршневые двигатели, изобретенные профессором Билом из университета штата Огайо. Эти двигатели самозапускающиеся, с необычными харак­теристиками, отличающимися от характеристик одноцилиндровых двигателей с кривошипно-шатун - ным механизмом; кроме того, от­дельные варианты двигателей могут быть изготовлены без вся­ких уплотнений для газа. В последнем случае заполнение рабочим телом под давлением и герметизацию двигателей мож­но производить при их изго­товлении, что обеспечит относи­тельно высокую удельную мощ­ность и предотвратит возможное загрязнение движущихся узлов от внешней пыли. В таком ис­полнении двигатели могут быть применимы для тех случаев, когда их обслуживание является проблемой, т. е. в малоразви­тых в техническом отношении странах, в военных целях и для бытовых нужд.

Двигатели Била могут ра­ботать в любом положении — в вертикальном, горизонтальном, наклонном или перевернутом. Их конструкция очень проста: в них нет ни пружин, ни клапа­нов, ни каких-либо других меха­нически действующих узлов.

Принцип действия. В двигателе Била имеются три основных элемента: тяжелый рабочий поршень, легкий вытеснитель и цилиндр с уплотнениями на обоих концах (рис. 10-1). Как видно из рисунка, шток вытеснителя относительно большого диаметра проходит через рабочий поршень. Шток вытеснителя полый, с открытым торцом, так что внутренняя полость вытеснителя соединена (и фактически является ее частью) с полостью, расположенной ниже рабочего поршня, называемой буферной полостью. К рабочей полости отно­сится часть" цилиндра над рабочим поршнем, подразделяемая на полость сжатия — между рабочим поршнем и вытеснителем и по-

Лость расширения — над вытеснителем. Длинная узкая кольцевая щель между цилиндром и вытеснителем выполняет функцию регене­ратора между горячей полостью расширения и холодной полостью сжатия. Для полости расширения предусмотрен нагреватель, а для полости сжатия — холодильник.

Рассмотрим систему, показанную на рис. 10-1, находящуюся вначале в положении 0. Давление во всех полостях одинаковое, а температура везде равна температуре окружающей среды. Пусть теперь полость расширения нагревается. С ростом температуры да­вление рабочего тела в замкнутом рабочем объеме увеличивается от положения 0 до положения 1. Возрастание давления в рабочей полости до определенного значения приведет к перемещению вниз рабочего поршня и вытеснителя. Сила, действующая на рабочий поршень, равна (Рш— р6)(Лс—Л^) [16], а сила, действующая на вы­теснитель,— AR (рш—Рь). Ускорение рабочего поршня при дви­жении вниз определяется как

АР = (Pw—Pb) (AC~AR)/MP, А ускорение вытеснителя

*D = (Pw—Pb)4R/MD*.

Если отношение MP/MD велико (т. е. 10 : 1) и если отношение Ar/Ac значительно (т. е. 1 : 4), то AD> ар. Поэтому вытеснитель ускоряется быстрее; это приводит к тому, что рабочее тело вытес­няется из холодной полости сжатия в горячую полость расширения. Этот процесс ускоряется как ростом давления в рабочей полости по сравнению с давлением в буферной полости (принимаемым постоян­ным), так и дальнейшим возрастанием ускорений обоих поршней. В итоге рабочий поршень и вытеснитель соприкасаются (положение 2), и с этого момента начинают двигаться вместе. После соприкосно­вения поршней поток рабочего тела больше не поступает в полость расширения, но поскольку процесс расширения продолжается, да­вление начинает падать. В положении 3 давление рш все еще больше, чем давление рь; поэтому рабочий поршень и вытеснитель продол­жают ускоряться.

Расширение продолжается до точки 4, где давления рабочего тела Pw и буферной полости рь равны. Инерции тяжелого поршня достаточно для продолжения процесса расширения рабочего тела и за точкой равновесия давлений; поэтому давление в рабочей по­лости падает ниже давления в буферной полости рь таким образом, на рабочий поршень и вытеснитель начинают действовать замедля­ющие силы (возникающие из-за разности давлений). Вытеснитель, будучи более легким, первым реагирует на это. Замедляющие силы тормозят движение вытеснителя вниз, что приводит к отделению его
от рабочего поршня, продолжающего двигаться вниз. В этот момент рабочее тело начинает перетекать по регенеративному кольцевому каналу из-горячей полости расширения в холодную полость сжатия. Это вызывает резкое падение давления в рабочей полости, и между полостями устанавливается большая разность давлений рь—рш. Вытеснитель быстро устремляется вверх к головке цилиндра (точ­ка 6) и остается в этом положении до тех пор, пока давление в бу­ферной полости будет выше давления в рабочей полости.

В некоторый момент рабочий поршень останавливается и начи­нает подниматься вверх (точка 7) под действием превосходящего давления в буферной полости. Поскольку процесс сжатия все еще продолжается, равенство давлений мгновенно восстанавливается (точка 8), а затем давление в рабочей полости будет превышать давление в буферной полости. При таком положении вытеснитель начинает двигаться вниз до соприкосновения с рабочим поршнем в точке 9, и далее цикл вновь повторяется, но без начальной стадии 0-4.

Схема р, V-Диаграммы для всей системы показана на рис. 10-1. На практике за один рабочий цикл двигатель не выходит на установившийся режим в отли­чие от описанного выше.

Применение двигателей Била. Двигатель Била может быть источником мощности при соединении колеблющегося ра­бочего поршня с нагрузкой. На рис. 10-2 показан один из вари­антов двигателя Била, работа­ющий как газовый компрессор. Поршень и цилиндр компрес­сора расположены коаксиально относительно рабочего поршня
и цилиндра двигателя. Эгби (Agbi, 1971 г.) проводил системати­ческие исследования двигателя такого типа. Характерный вид перемещений рабочего поршня и вытеснителя, периодическое из­менение давления, а также общая р, К-диаграмма двигателя при­ведены на рис. 10-3.

В другом варианте, показанном на рис. 10-4, двигатель Била может быть сконструирован таким образом, что легкий корпус ци­линдра и легкий вытеснитель сочетаются с очень тяжелым поршнем. Для обеспечения контролируемого движения цилиндра он помещен в направляющей втулке. В такой конструкции колеблются ци­линдр и вытеснитель, а поршень ос­тается неподвижным. Нижний торец цилиндра может быть подсоединен к плунжеру гидравлического насоса, а к верхнему торцу подводится теп­лота от продуктов сгорания топлива или от солнечного концентратора. С такой конструкцией двигателя, ра­ботающего от солнечной энергии, проф. Бил добился очень эффектив­ной работы водяного насоса.

OJ

А з:

Oj ё

1 — концентратор солнеч­ных лучей; 2 полость расширения; 3 — вытесни­тель; 4 — кольцевой реге­нератор; 5 — теплообменник охлаждения змеевикового типа; 6 — полость сжатия; 7 — рабочий поршень; В — направляющая втулка; 9 — Буферная полость; 10 — ци­линдр; 11 — плунжер насо­са; 12 — створчато-клапаи - иый иасос.

Другие возможности использования двигателя предусматри­вают либо магнит и генераторную обмотку для получения от си­стемы электроэнергии, либо сдвоенную конструкцию установки, в которой свободно поршневой двигатель является приводом холо­дильной машины со свободным поршнем, так что простая труба, нагретая на одном конце, становится холодной на другом. Для бытовых и промышленных печей, работающих на жидком топливе или природном газе, зачастую требуются маломощные источники электроэнергии для привода вентиляторов или водяных насосов. При прекращении подачи электроэнергии порой возникает ряд трудностей, несмотря на то, что газ или мазут (дающие 99,9% энергии) пока недефицитны. Поэтому для замены электродвигателей для таких случаев имеется потребность в приводных системах, работающих от внешнего подвода теплоты. Обычные режимы сжи­гания топлива отвечают требованиям работы таких приводов. Здесь важно отметить, что термодинамический к. п. д. не имеет значения, так как топливо сжигается главным образом для обеспечения нагре­вания. В этом случае начальная стоимость, надежность и способ­ность к самостоятельному запуску являются важными критериями. По-видимому, рассмотренные случаи — идеальные области приме­нения двигателей Била.