Двигателя стирлинга

11. Классический анализ двигателя Стерлинга был выполнен в 1871 г. немецким ученым Густавом Шмидтом (приложение А).

системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не составляющих с ними одно целое. При этом клапанный механизм имеет другое назначение и другие характеристики по сравнению с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания. Работа двигателя Стерлинга по замкнутому циклу определяет как его преимущества, так и недостатки. Например, поскольку рабочее газообразное тело постоянно находится в полости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник, в то время

Влияние изменения фазового угла объемов на рабочие характеристики двигателя Стерлинга 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].

Однако на этом графике наблюдается и исключение из общей тенденции — при частоте 1600 Гц дизель имеет более низкий уровень шума. Показанная на этом графике характеристика шума двигателя Стерлинга снята с двигателя с ромбическим приводом, который, как правило, имеет более низкий уровень шума, чем двигатели Стирлинга с приводами обычного типа. Помимо отсутствия клапанного механизма и взрывов в рабочей полости, что характерно для всех двигателей Стирлинга, ромбический привод обеспечивает снижение уровня шума благодаря отсутствию ударов поршня о стенки цилиндров, так как на поршень практически не действуют боковые силы. Однако в ромбическом приводе имеются шестерни, необходимые для синхронизации движения поршней, которые, очевидно, являются источником шума. Далее в двигателях Стирлинга, работающих на жидком топливе, обычно применяются нагнетатели для подачи воздуха в камеру сгорания, которые также являются источниками шума. Это заставляет предположить, что скорость двигателя может оказывать влияние на уровень шума, и такое предположение подтверждается результатами испытаний двигателя мощностью 300 кВт (рис. 1.93).

1—предельные КПД двигателя Стирлинга; 2—предел прочности материала; 3 — предельные КПД двигателя с принудительным зажиганием; • 4 — потенциально достижимые КПД двигателя Стерлинга; 5 — двигатели внутреннего сгорания; 6 — паровая машина; 7 — двигатель Стирлинга.

С увеличением мертвого объема двигателя Стерлинга его мощность падает. Но это не обязательно связано с уменьшением КПД. Однако в системе регулирования мертвого объема,

Регенератор, бесспорно, является самым важным теплообменником системы двигателя Стерлинга, поскольку, хотя двигатель может функционировать и без регенератора, преимущества работы по замкнутому циклу нельзя реализовать без эффективного регенеративного теплообменника. Как мы уже видели, для эффективной работы регенератора нужно найти компромисс между несколькими противоречивыми требованиями. Очевидно, было бы полезно знать, насколько точно можно выполнить самые доступные компромиссные условия. В качестве первого шага определим наиболее важный параметр — эффективность регенератора. Несколько спорное, но вполне приемлемое определение эффективности SR выглядит следующим образом:

где параметр П определяется без учета задержки газа в регенераторе,, т. е. при MFR = 0. При некоторых условиях течения это предположение может стать несправедливым. Полезным является и параметр П/Л, называемый коэффициентом использования [11], поскольку он представляет собой отношение теплоемкости рабочего тела в период продувки к теплоемкости насадки.' На рис. 2.20 представлены данные, показывающие зависимость ER от Л и П, причем желательной областью работы для двигателя Стерлинга является зона над штриховой линией. Хотя такой подход позволяет получить некоторую информацию о том, к какому компромиссу между различными факторами следует стремиться, разработка удовлетворительного регенератора является конструкторской, а не расчетной задачей. Однако для использования этого подхода при проектировании регенератора недостает двух важных величин — суммарного коэффициента теплоотдачи и массового расхода газа. В настоящее время ввиду нестационарного характера течения невозможно получить аналитическое соотношение для расчета /гсум.

ния водорода. Поскольку скорость фильтрации сквозь керамические матери-алы меньше, чем скорость фильтрации сквозь металлы, то очевидно, что надо использовать именно такие материалы, и действительно будущее двигателя Стерлинга можно гарантировать, если в его горячих узлах будет использована керамика. Фирмы «Юнайтед Стерлинг» [43] и «Филипс» [44] провели исследования таких материалов, которые позволяют существенно улучшить рабочие характеристики не только вследствие снижения диффузии и фильтрации. Данные, представленные на рис. 2.22, наглядно иллюстрируют возможности использования керамических материалов. Однако технологические методы, необходимые для изготовления теплообменников, пока еще не отработаны. Временным решением задачи является покрытие металлических трубок нагревателя керамикой. Исследования, проведенные фирмами «Филипс» и «Дженерал моторе»,

Теперь рассмотрим, как применяются эти концепции теории балансировки к двигателям Стерлинга, и покажем это на примере трех основных типов механизма привода двигателя — кри-вошипно-шатунного, ромбического (для одноцилиндрового двигателя), с косой шайбой. Если кривошипы парных цилиндров в рядном двигателе вращаются в противофазе, то первичные силы и вторичные моменты уравновешиваются, но вторичные силы и первичные моменты не балансируются. Обычно такая ситуация допустима, но, к сожалению, с точки зрения балансировки наиболее предпочтителен режим работы двигателя Стерлинга со сдвигом фазы около 90°, что при использовании кривошипно-шатунного механизма для двигателя модификации

альфа требует сдвига фазы кривошипа 90°. Первичные силы будут действовать под углом 90° относительно друг друга и, следовательно, не будут взаимно компенсироваться. Даже если применить противовес, то, как мы уже видели, баланс первичных сил не будет достигаться. Однако две вторичные силы будут уравновешены, поскольку угол между ними равен 2-90° = = 180°, так что они равны по величине и противоположны по направлению. Вторичные моменты не будут уравновешены, поскольку они действуют в одном и том же направлении относительно оси двигателя. Аналогичное положение создается и для двигателя модификации гамма. Двухцилиндровый двигатель — самый сложный случай с точки зрения балансировки, и на заре развития железнодорожного транспорта инженерам было чрезвычайно трудно решить задачу балансировки, когда они конструировали, двухтактные паровые двигатели с двумя цилиндрами. Они пытались уменьшить разбаланс, добавляя противовесы на колеса, но это приводило лишь к снижению силы инерции в одном направлении за счет увеличения ее в направлении, перпендикулярном первому. Следовательно, заметного успеха в балансировке двухцилиндрового двигателя Стерлинга с рядным расположением двигателей не достигнуто. Это не исключает применения кривошипно-шатунного механизма в двигателях Стерлинга, но рекомендуется использовать многоцилиндровую систему, чтобы облегчить задачу балансировки. Для оценки балансировочных характеристик разрабатываемого двигателя не требуется большого количества подробных данных, так как основные проблемы можно быстро решить теоретически. Чтобы проиллюстрировать методику решения этой задачи, рассмотрим хорошо документированный двигатель 4L23 фирм «Дженерал моторе» и «Филипс» [48].

В двигателе Стирлинга внешний подвод теплоты осуществляется через теп-лопроводящую стенку. Рабочее тело находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется. Работа двигателя Стирлинга условно может быть разделена на четыре термодинамических процесса (рис. 1.30, г). В процессе 12 холодное рабочее тело сжимается при таком интенсивном отводе теплоты q'2t что температура его не меняется (процесс изотермный). В процессе 23 поршень-вытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую так, что v2 = const, а температура увеличивается от Т2 до Т3 за счет подвода теплоты q\. В процессе 34 Т3 = -•- const в связи с одновременным подводом теплоты ql и расширением от V;\ ДО 1>4-

Затем поршень-вытеснитель, перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей полости в холодную при объеме v4 = vt = const. Особенностью двигателя Стирлинга являются перемещения рабочего тела из холодной полости в горячую и обратно через регенератор, который, осуществляя полную регенерацию, периодически то нагревается, воспринимая теплоту от рабочего тела, то охлаждается, отдавая теплоту рабочему телу.

Центры парообразования 122 Цикл двигателя Стирлинга 59

Следует признать удачной структуру книги. Глава 1 позволяет понять общие принципы работы двигателя Стирлинга и особенности его конструкции и представить возможные области его применения. В последующих главах эти вопросы освещены более подробно, чтобы дать возможность читателю глубже познакомиться с теоретическими основами двигателя (гл. 2), методами расчета и конструирования двигателей (гл. 3), конструкцией действующих двигателей (гл. 4), нестандартными источниками энергии (гл. 5), и другими проблемами. Книга отличается живым языком и четким изложением материала. Авторы, с одной стороны, достаточно подробно анализируют сложные процессы, с которыми приходится сталкиваться при создании двигателей Стирлинга, а с другой — возбуждают ин-

Хотя проблемы, относящиеся к двигателю Стирлинга, до некоторой степени освещались в технической литературе, все же, как показывает опыт авторов, в инженерных и промышленных кругах имеется весьма слабое представление о двигателе Стирлинга, принципах его работы, диапазоне возможных областей его применения и той роли, которую мог бы сыграть этот двигатель в решении задачи экономии энергии. Дело, однако, не в недостатке литературы по вопросам конструирования и работы двигателя Стирлинга, а в том, что многие из опубликованных работ (а их около тысячи) имеют весьма специальный характер и требуют от читателя определенной предварительной подготовки для усвоения их содержания. Работы общего характера по двигателям Стирлинга встречаются весьма редко и неизбежно велики по объему. Нужно иметь достаточно большую заинтересованность в предмете, чтобы прочесть такую работу полностью. Сжатое изложение отдельных вопросов, принятое в подобных работах, часто оказывается препятствием для читателя, не имеющего первоначальных знаний по двигателю Стирлинга.

возбудит его интерес. Все же, какой бы ни была ситуация, очевиден факт, что сколько-нибудь подробное описание конструкции двигателя Стирлинга и термодинамического цикла, лежащего в основе его работы, редко встречается в обычных учебниках и, как правило, не включается в курсы лекций, читаемых в высших технических учебных заведениях и университетах. Однако именно студенты, обучающиеся в настоящее время в высших учебных заведениях, и молодые инженеры, только начинающие свою практическую деятельность, могут оказать решающее влияние на дальнейшее развитие двигателя Стирлинга, и настоящая книга адресована главным образом этим двум группам читателей.

Представители руководящих кругов исследовательских организаций и промышленности, профессора и преподаватели технических дисциплин благодаря занимаемому ими положению могли бы оказать большое влияние на завтрашних инженеров и техников, и поэтому им также следовало бы больше знать о двигателях Стирлинга. Настоящая книга рассчитана и на эти группы читателей. Она построена так, чтобы облегчить понимание основных особенностей работы и конструкции двигателя Стирлинга. Книга дает ответы на вопросы: как устроен двигатель Стирлинга, как он работает, где он может использоваться и т. д.—уже в начале изложения материала (гл. 1). Мы надеемся, что, прочитав эту главу, инженерно-технические работники будут более отчетливо представлять потенциальные возможности двигателя Стирлинга в области преобразования энергии и более внимательно отнесутся к перспективам его использования.

Можно отметить одну интересную особенность: многие исследователи двигателя Стирлинга чрезвычайно быстро становятся его горячими сторонниками, как и те, кто работает с паровыми машинами. Несомненно, что манящие и ускользающие возможности двигателя в значительной степени привлекают инженеров, ознакомившихся с этим устройством. Однако Дэвид Оруик, вероятно, более точно объясняет причину такого повышенного интереса: «...неизвестные факторы, влияющие на характеристики двигателя, работающего на нагретом воздухе, столь многочисленны, что это открывает широкие возможности для исследовательской и изобретательской деятельности» (Model Engineer, Oct. 1975, p. 959).

гу еще предстоит написать, хотя серия книг Уокера на сегодняшний день, вероятно, наиболее полно охватывает рассматриваемую проблему. Настоящая книга отражает в значительной своей части результаты наших собственных исследований и изучения имеющейся литературы, и мы надеемся благополучно провести читателя через «минные поля» трудностей на подступах к пониманию конструкции и принципов работы двигателя Стирлинга.

Ознакомившись с основополагающими концепциями и основами конструкции двигателя Стирлинга, более подготовленные или более честолюбивые читатели могут пожелать продолжить изучение предмета. Для этого в гл. 7 анализируется имеющаяся литература по двигателям Стирлинга, и выделяются публикации, с которыми необходимо ознакомиться при дальнейшем изучении этого вопроса. Однако, учитывая то, что студентов и преподавателей заинтересует литература несколько иного характера, чем инженерно-руководящих работников промышленности, в книге даются отдельные списки литературы для каждой группы. После просмотра литературы, обзор которой дан в гл. 1 и 7, многих представителей промышленности заинтересует, кто изготавливает двигатели Стирлинга, какова их сравнительная стоимость, каковы рабочие параметры двигателей, которые можно приобрести, и т. п., в то время как

Цель книги — дать общее представление о двигателях Стирлинга. Она предназначена для специалистов — инженеров и работников промышленности, заинтересованных в приобретении более глубоких знаний по этому вопросу и в то же время не имеющих возможности тратить усилия и время на выискивание нужных сведений в многочисленных публикациях и на изучение пространных докладов и отчетов. В соответствии с нашими намерениями, изложенными в предисловии, настоящая глава включает краткое предварительное изложение основных вопросов; в последующих главах эти вопросы рассматриваются более подробно, описывается практическое применение двигателей Стирлинга и дается характеристика современного состояния конструкторских и исследовательских работ. Там, где это необходимо, выделяются основные тезисы, которые располагаются, как правило, в начале каждой главы или раздела. В разд. 1.2 дается перечень основных принципов работы и отличительных особенностей двигателя Стирлинга. Этот перечень связан ссылками с остальной частью книги, что дает возможность читателю изучать ее в выбранной им последовательности. В литературе, посвященной двигателям Стирлинга, читатель не найдет ни устоявшейся терминологии, ни стандартных обозначений. Лишь некоторые авторы пытались упорядочить применение определений и символов; нам известна по крайней мере одна такая попытка, предпринятая Уокером [1]. Поэтому там, где это возможно, мы использовали общепринятую в настоящее время терминологию или по крайней мере не противоречащую ей. В тех случаях, где предлагаемая терминология могла бы вызвать неоднозначное толкование, для облегчения понимания дается пояснение терминов. Перечень предлагаемых терминов и определений приведен в приложении В.