Двигателе стирлинга

Находится в стадии разработки. Источником энергии ядерного ракетного двигателя является ядерное топливо. В ракетном двигателе с ядерным реактором тепло, выделяющееся в результате цепной реакции деления, сообщается рабочему телу (напр., водороду); активная зона ядерного реактора может быть твердофазной (такой двигатель близок к осуществлению), жидкой или газофазной. В радиоизотопном ядерном ракетном двигателе используется энергия радиоактивного распада.

В дизельном двигателе используется свойство топлива самовоспламеняться (воспламеняться без источника зажигания) при определенной температуре в присутствии кислорода воздуха. Минимальная температура нагрева топлива, при которой оно воспламеняется и устойчиво горит, называется температурой самовоспламенения. Самовоспламеняемость дизельного топлива обычно оценивается путем сравнения ее с самовоспламеняемостью эталонных топлив: нормального парафинового углеводорода — це-тана С1вН34, имеющего малый период задержки самовоспламенения (самовоспламеняемость принята за 100), и ароматического углеводорода — а-метилнафталина С10Н7СН3, имеющего боль-

В действительном двигателе используется не весь располагаемый перепад тепла iH — iK, а лишь часть его. Отношение использованного перепада к располагаемому называется внутренним относительным к. п. д. двигателя и обозначается rloi.

использующей пар, перегретый при Т\ = const, можно рассматривать состоящим как бы из двух циклов: из только что упомянутого цикла, в котором в двигателе используется сухой насыщенный пар (линия 1—2—2'—5—1 на рис. 49) и цикла Карно (линия 2—3"—4—2'—2 на том же рисунке), происходящего в том же интервале температур 7\ и Т>2, что и первый, но имеющего более высокий к. п. д. В силу этого обстоятельства к. п. д.

На двигателе используется бездымная камера сгорания, которая выделяет меньшую энергию излучения, чем другие камеры, что уменьшает температуру стенок и, следовательно, увеличивает ресурс жаровой трубы. Дымление снижается благодаря применению завихрителя головки камеры, пропускающего в зону горения большое количество воздуха и обеспечивающего тем самым обеднение топливовоздушной смеси.

При малых отношениях Ак/Акр возникает эрозионное горение, которое обсуждалось в разд. 4.2. В практике разработки РДТТ для скорости горения при таких условиях широко используются формула Ленуара — Робийяра и некоторые другие формулы. Для того чтобы найти константы а и р в формуле Ленуара — Робийяра r = r'[l+aG°'8 ехр ( — prpT/G)/rL°'2J, используются двигатели с большим отношением L/D и малыми значениями ЛкА4кр, в которых применяются пластинчатые образцы ТРТ (плоской или цилиндрической формы), обтекаемые потоком продуктов сгорания основного заряда, находящегося в более крупном газогенераторе. В газогенераторе и присоединенном к нему двигателе используется ТРТ одной марки, а давление в камерах обоих устройств измеряется датчиками, установленными у переднего и заднего торцов зарядов. Давление, расход и число Маха течения варьируются посредством изменения Лкр, поверхности горения в газогенераторе и площади проходного сечения в области за пластинчатым зарядом.

ла и ее размер следует выбирать такими, чтобы свести к минимуму «разгар» сопла и обеспечить давление в камере с отклонениями не более 10% по отношению к рабочему давлению в полномасштабном РДТТ. В модельном двигателе используется коническое сопло с полууглом раствора 15±0,5° и степенью расширения, несколько меньшей оптимального значения, для обеспечения безотрывного истечения продуктов сгорания. Израсходованную в процессе сгорания массу определяют, взвешивая двигатель до и после опыта. Наиболее подходящая масса модельного двигателя составляет около 25 кг. Для моделирования малоразмерных натурных РДТТ диаметром меньше 75 см можно использовать модельные двигатели меньшей массы (от 2,5 до 5 кг). Для моделирования крупногабаритных натурных двигателей используются их точные копии в уменьшенном масштабе. Чтобы оценить вклад инертных элементов (теплоизоляционных материалов, ингибиторов) в характеристики РДТТ, используют разные подходы; согласно одному из них, применяемому на практике, считается, что удельный импульс инертных материалов вдвое меньше удельного импульса топлива.

Эта двигательная установка служит главным образом для управления положением и стабилизации спутников с длительным периодом существования, выводимых ВКС «Спейс Шаттл» на низкую околоземную орбиту с целью изучения верхних слоев атмосферы, производства материалов в условиях невесомости и т. д. Двигательная установка разработана фирмой «Мар-тин-Мариетта» [63] и имеет вытеснительную систему подачи. В двигателе используется однокомпонентное топливо — гидразин, запас которого может составлять от 900 до 2700 кг. Первоначально она предназначалась для многоцелевого модульного космического аппарата на основе стандартизованного модуля. На рис. 174 приведено схематическое изображение этого модуля, оснащенного рассматриваемой двигательной установкой, в состав которой входят четыре основных импульсных двигателя тягой по 445 Н и 12 верньерных импульсных двигателей тягой 22 Н каждый.

При малых отношениях Ак/Акр возникает эрозионное горение, которое обсуждалось в разд. 4.2. В практике разработки РДТТ для скорости горения при таких условиях широко используются формула Ленуара — Робийяра и некоторые другие формулы. Для того чтобы найти константы а и р в формуле Ленуара — Робийяра r = r'[l+aG°'8 ехр ( — prpT/G)/rL°'2J, используются двигатели с большим отношением L/D и малыми значениями ЛкА4кр, в которых применяются пластинчатые образцы ТРТ (плоской или цилиндрической формы), обтекаемые потоком продуктов сгорания основного заряда, находящегося в более крупном газогенераторе. В газогенераторе и присоединенном к нему двигателе используется ТРТ одной марки, а давление в камерах обоих устройств измеряется датчиками, установленными у переднего и заднего торцов зарядов. Давление, расход и число Маха течения варьируются посредством изменения Лкр, поверхности горения в газогенераторе и площади проходного сечения в области за пластинчатым зарядом.

ла и ее размер следует выбирать такими, чтобы свести к минимуму «разгар» сопла и обеспечить давление в камере с отклонениями не более 10% по отношению к рабочему давлению в полномасштабном РДТТ. В модельном двигателе используется коническое сопло с полууглом раствора 15±0,5° и степенью расширения, несколько меньшей оптимального значения, для обеспечения безотрывного истечения продуктов сгорания. Израсходованную в процессе сгорания массу определяют, взвешивая двигатель до и после опыта. Наиболее подходящая масса модельного двигателя составляет около 25 кг. Для моделирования малоразмерных натурных РДТТ диаметром меньше 75 см можно использовать модельные двигатели меньшей массы (от 2,5 до 5 кг). Для моделирования крупногабаритных натурных двигателей используются их точные копии в уменьшенном масштабе. Чтобы оценить вклад инертных элементов (теплоизоляционных материалов, ингибиторов) в характеристики РДТТ, используют разные подходы; согласно одному из них, применяемому на практике, считается, что удельный импульс инертных материалов вдвое меньше удельного импульса топлива.

Эта двигательная установка служит главным образом для управления положением и стабилизации спутников с длительным периодом существования, выводимых ВКС «Спейс Шаттл» на низкую околоземную орбиту с целью изучения верхних слоев атмосферы, производства материалов в условиях невесомости и т. д. Двигательная установка разработана фирмой «Мар-тин-Мариетта» [63] и имеет вытеснительную систему подачи. В двигателе используется однокомпонентное топливо — гидразин, запас которого может составлять от 900 до 2700 кг. Первоначально она предназначалась для многоцелевого модульного космического аппарата на основе стандартизованного модуля. На рис. 174 приведено схематическое изображение этого модуля, оснащенного рассматриваемой двигательной установкой, в состав которой входят четыре основных импульсных двигателя тягой по 445 Н и 12 верньерных импульсных двигателей тягой 22 Н каждый.

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-

Как мы уже говорили, изобретение № 166202 еще не осуществлено в металле. Но изобретатели успели подметить некоторые его слабые стороны и нашли способ их устранить. Дело в том, что газовая постоянная увеличивается не только при нагреве перед турбиной в результате диссоциации, но и при сжатии в компрессоре. Газа как бы становится больше, и на его сжатие приходится затрачивать больше работы. При расширении в турбине — картина обратная. Эти обстоятельства несколько снижают к.п.д. двигателя. Чтобы избавиться от таких нежелательных явлений, нужно весь процесс сжатия и расширения тоже производить при постоянной температуре, изотермически. Но как раз так и происходит в двигателе внешнего сгорания — двигателе Стирлинга. Поэтому именно в нем целесообразнее всего использовать диссоциирующее рабочее тело, например треххлористый алюминий или смесь метана с углекислым газом (авторское свидетельство № 213039).

1 О двигателе Стирлинга и его истории можно прочесть в [1 29, 1.30].

С середины XX в. указанные преимущества двигателей Стирлинга вызвали к ним повышенный интерес, и на первый план была поставлена задача создания действующих и конкурентоспособных двигателей. При этом многие технические решения, оправдавшие себя при конструировании двигателей внутреннего сгорания, газовых и паровых турбин, оказались непригодными из-за специфических условий работы деталей и узлов в двигателе Стирлинга. Ряд агрегатов и систем (нагреватель, механизмы отбора мощности, системы уплотнений и др.) пришлось создавать заново, так как им не было аналогов.

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.

Многие исследователи внесли свой вклад в углубление и расширение наших знаний о двигателе Стирлинга и всех их перечислить невозможно. Однако следует особо упомянуть Грэхема Уокера, Теда Финкельштейна, Билла Била и Билла Мартини, оказавших нам неоценимую помощь. Большую помощь оказали нам также наши коллеги и некоторые талантливые студенты Королевского морского инженерного колледжа в Великобритании, выполнявшие свои проекты под нашим руководством.

Основное содержание книги изложено в гл. 1, которая может рассматриваться как самостоятельный, законченный текст. В остальных главах бблее подробно рассматриваются некоторые вопросы,, поднятые в гл. 1. Порядок расположения этих глав дает возможность читателю постепенно углублять свои знания о двигателе Стирлинга. Мы надеемся, что основные вопросы нам удалось изложить более ясно, чем в некоторых просмотренных нами литературных источниках. В тексте книги, как правило, опущены детальные математические выкладки, однако приведены основные формулы и рассмотрены методы аналитического исследования процессов (главным образом в гл. 2 и 3), так что читатель сможет пользоваться ими достаточно свободно, одновременно оценивая их практическую пользу и осваивая методику их применения.

12. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород (разд. 3.1).

25. Циклические изменения давления в двигателе Стирлинга значительно меньше, чем в других тепловых двигателях.

30. Для достижения значений КПД и удельной мощности на выходе, сопоставимых со значениями этих параметров современных энергосиловых установок, в двигателе Стирлинга необходимо использовать газ с малой молекулярной массой при весьма высоком давлении (15 МПа) (разд. 3.1.6).

Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершающих механическую работу на выходном валу при подводе к ним тепловой энергии. Полезная работа в рабочем цикле Стирлинга совершается, как и в других тепловых двигателях, посредством сжатия рабочего тела при низкой температуре и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре. Основные термодинамические процессы, про-