НА ГЛАВНУЮ (кнопка меню sheba.spb.ru)ТЕКСТЫ КНИГ БК (кнопка меню sheba.spb.ru)АУДИОКНИГИ БК (кнопка меню sheba.spb.ru)ПОЛИТ-ИНФО (кнопка меню sheba.spb.ru)СОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИ (кнопка меню sheba.spb.ru)ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ В СССР (кнопка меню sheba.spb.ru)ФОТО-ПИТЕР (кнопка меню sheba.spb.ru)НАСТРОИ СЫТИНА (кнопка меню sheba.spb.ru)РАДИОСПЕКТАКЛИ СССР (кнопка меню sheba.spb.ru)ВЫСЛАТЬ ПОЧТОЙ (кнопка меню sheba.spb.ru)

Двигатели Стирлинга. Ридер, Хупер. — 1986 г.

Грэхем Томас Ридер, Чарльз Хупер

Двигатели Стирлинга

*** 1986 ***



DjVu


<< ВЕРНУТЬСЯ К СПИСКУ

 

      ОГЛАВЛЕНИЕ
     
      Предисловие к русскому переводу
      Предисловие
      Глава 1. Общее описание двигателей Стирлинга
      1.1. Как пользоваться книгой?
      1.2. Принципы работы и особенности конструкции двигателя Стирлинга. Основные положения
      1.3. Что представляет собой двигатель Стирлинга?
      1.4. Как работает двигатель Стирлинга?
      1.5. Как устроен двигатель Стирлинга?
      1.6. Некоторые рабочие характеристики и особенности конструкции
      1.7. Специфические системы и устройства двигателя Стирлинга
      1.8. Чем объясняется рост интереса к двигателям Стирлинга?
      1.9. Краткий исторический очерк развития двигателей Стирлинга
      1.10. Области применения в прошлом, настоищем и будущем
      1.11. Терминология и классификация
      1.12. Заключение
      Литература
     
      Глава 2. Теоретические основы — реальные процессы
      2.1. Термодинамика
      2.2. Теплообмен
      2.3. Удержание рабочего тела
      2.4. Регулирование мощности
      2.5. Динамика машины
      2.6. Определяющие параметры системы
      2.7. Критерии работы и рабочие параметры
      2.8. Обозначения
      Литература
     
      Глава 3. Анализ, расчет и конструирование
      3.1. Методы предварительного расчета
      3.2. Анализ идеального цикла при прерывистом движении поршня
      3.3. Анализ идеального цикла при непрерывном движении поршня
      3.4. Раздельный анализ — инженерный подход
      3.5. Комбинированный анализ
      3.6. Методы предварительного расчета конструкции
      3.7. Методы подробного расчета конструкции
      3.8. Обозначения
      Литература
     
      Глава 4. Практические задачи
      4.1. Где найти чертежи двигателя и его детали?
      4.2. Производители двигателей Стирлинга
      4.3. Материалы
      Литература
     
      5.1. Аккумуляторы тепловой энергии 381
      5.2. Сжигание металлов 388
      5.3. Энергия радиоактивных изотопов 392
      5.4. Двигатели на солнечной энергии 396
      5.5. Тепловые трубы 398
      Литература 401
     
      Глава 6. Современный уровень исследований и разработок , 402
      6.1. Япония 403
      6.2. Северная Америка 407
      6.3. Великобритания 408
      6.4. Китай 410
      6.5. ФРГ 410
      6.6. Италия 410
      6.7. Швеция 411
      6.8. Голландия 1 411
      6.9. ЮАР 411
      6.10. Другие страны 412
      Литература 412
     
      Глава 7. Литература по двигателю Стирлинга 413
      7.1. Как пользоваться литературой? 413
      7.2 Обязательная литература по двигателю Стирлинга . 414
      Литература 415
     
      Приложение А. Анализ машин, работающих по циклу Стирлинга, методом Шмидта 417
      А.1. Двухпоршневая машина (компоновочная модификация альфа) 418
      А.2. Двигатель с рабочим и вытеснительным поршнями (компоновочная модификация бета) 434
      А.З. Двухцилиндровый двигатель с рабочим и вытеснительным поршнями в каждом цилиндре (компоновочная модификация гамма) 442
      А.4. Предположения, использованные в методе Шмидта 444
      А.5. Обозначения 447
      Литература 448
      Приложение Б. Условия балансировки ромбического механизма привода
      Обозначения 449
      Приложение В. Термины и определения 453
      Предметный указатель

     
     
     
      Для специалистов в области проектирования, производства и использования тепловых двигателей, а также преподавателей и студентов технических вузов.
     

      Предисловие к русскому переводу
      Двигатели — сердце современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Благодаря им человек получает энергию, свет, тепло, информацию. Наиболее распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные отработавшие газы и потребляют много топлива. Известен класс двигателей, вред от которых минимален, — это двигатели лпрлнпга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерывных мпкрпн.зрыиок в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, да и топлива им требуется значительно меньше.
      С середины XX и. указанные преимущества двигателей Стирлинга вызвали к ввм 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.
      В процессе конструирования и доводки двигателей Стирлинга все сильнее ощущалась нехватка в теоретических и экспериментальных исследованиях в области прикладной термодинамики, нестационарной газодинамики, конвективного теплообмена при быстром изменении направления течения. Выявилась необходимость комплексного решения термодинамических, газодинамических, тепловых, механических и технологических проблем. Однако в большинстве работ, посвященных этим проблемам, рассматривались, как правило, сугубо специальные вопросы, а немногие работы общего характера велики по объему и в целом трудны для понимания.
      Предлагаемая вниманию советского читателя монография восполняет недостаток в фундаментальных и одновременно по-
      нятных и полезных для практического применения работах, посвященных двигателям Стирлинга. В книге рассмотрены принципы работы этих двигателей, подробно описаны характерные особенности уже созданных двигателей, предложена их классификация и проанализированы перспективы их использования в различных областях. Приведены основные методы расчета происходящих в двигателях процессов и вопросы их проектирования. Большое внимание уделено тонкостям специфических физических явлений (например, отклонениям термодинамических процессов от идеальных, особенностям быстропеременного по направлению течения и нестационарного теплообмена, утечке рабочего тела вследствие диффузии газа сквозь твердую стенку и т. д.), которые имеют существенное, а иногда жизненно важное значение для двигателя.
      К достоинствам книги следует отнести использование ряда приближенных и эмпирических соотношений, позволяющих определить направление исследований и конструктивных проработок, оценить примерные характеристики рассматриваемых сложных процессов и правильно сориентироваться при выборе параметров двигателя. Неоднократно подчеркивается необходимость комплексного подхода к конструированию двигателя.
      Авторы оптимистично смотрят на перспективы двигателей Стирлинга и считают, что сконструировать работоспособный двигатель хотя и непросто, но вполне возможно, опираясь на прогресс в научном обеспечении разработки этих двигателей и используя достижения в области техники и технологии, связанные с созданием необходимых конструкционных материалов, усовершенствованием компоновочных схем и механизмов привода. Не исключено, что в будущем, как уже неоднократно случалось в истории науки и техники, опыт, накопленный в области создания двигателей Стирлинга, найдет применение, подчас весьма неожиданное, в других областях, например при совершенствовании других тепловых двигателей.
      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-
      терес и фантазию читателя и оставляют простор для самостоятельных мыслей и творческих идей, которые очень нужны на современной стадии разработки этих двигателей.
      В книге приведена обширная библиография, причем авторы предлагают отдельные списки литературы для инженерно-технических работников и для преподавателей и студентов, учитывающие различные интересы этих групп читателей. К сожалению, многие работы недоступны советскому читателю.
      Книга представляет большой интерес для инженеров, специалистов в области двигателестроения, студентов и аспирантов соответствующих специальностей технических вузов.
      Перевод книги выполнен Е. Е. Черейским (гл. 1, приложение В), С. С. Ченцовым (гл. 2, 3, приложения А, Б) и В. И. Кабаковым (гл. 4 — 7). При переводе исправлены допущенные в оригинале опечатки.
      С. С. Ченцов Е. Е. Черейский В. И. Кабаков
     
      Предисловие
      Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 г., приблизительно за 80 лет до дизеля, и пользовался значительной популярностью до начала XX в. Отсутствие подходящих конструкционных материалов в значительной степени затруднило его дальнейшее совершенствование, а с появлением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя интерес к двигателю Стирлинга утратился окончательно. В 50-е годы XX в. быстрое развитие технологии производства различных материалов вновь открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы, однако настоящий интерес к нему возродился только во времена так называемого «энергетического кризиса». Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности этого двигателя в отношении экономичного потребления обычного жидкого топлива, что представлялось особенно важным в период роста цен на топливо в геометрической прогрессии.
      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.
      Сбивающее с толку обилие высокоспециализированной литературы скорее охладит даже подготовленного читателя, чем
      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 н изобретательской деятельности» (Model Engineer, Oct. 1975, p. 959).
      К сожалению, как и во всех случаях, когда имеются обширная литература и большое число энтузиастов, возникает много всяких мифов и легенд. В предлагаемой книге мы попытались опровергнуть некоторые необоснованные суждения, которые проникли в литературу. Однако мы не считаем данную книгу исчерпывающим трудом по двигателям Стирлинга. Такую кии-
      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.
      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 более 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.
      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
      преподавателей будет интересовать оборудование, которое можно использовать в лабораториях учебных заведений. В связи с этим в гл. 4 рассматриваются отдельные узлы двигателя и с учетом опыта авторов по приобретению материальной части, в том числе для использования в качестве наглядных пособий, приведен перечень источников, содержащих чертежи двигателей. В гл. 6 в исторической перспективе рассматриваются различные направления исследований двигателей Стирлинга и другие вопросы, связанные с этими исследованиями. Выявляются еще не решенные проблемы и рассматриваются специфические области исследований, где работники учебных заведений могли бы сыграть важную роль. В гл. 5 рассматриваются вопросы, связанные с использованием аккумуляторов тепловой энергии и источников тепла, основанных на горении металла. Эти вопросы могут приобрести важное значение в будущем.
      Авторы надеются и полагают, что в настоящей книге дано достаточно точное и легко усваиваемое изложение затрагиваемых вопросов и связанных с ними проблем, понятное без привлечения дополнительной литературы. Откровенно говоря, такую книгу мы бы сами приветствовали, если бы впервые проявили интерес к двигателю Стирлинга.
      В заключение мы благодарим наших жен и членов семей за их поддержку во время работы над книгой, в особенности за перепечатку рукописи и подготовку графического материала.
      Г. Т. Ридер
      Ч. Хупер
     
      Общее описание двигателей Стирлинга
     
      Настоящая глава является существенной частью всей книги и содержит общее описание двигателей Стирлинга. При этом была предпринята попытка систематизировать основные принципы их работы и особенности конструкции.
     
      1.1. КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ КНИГОЙ?
      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.
      В книге отсутствуют главы, посвященные системам применяемых единиц, законам термодинамики и классической механики, поскольку все это прекрасно изложено во многих книгах, имеющихся в библиотеках. Книга рассчитана на читателя, знакомого с международной системой единиц СИ.
      Мы решили не включать в книгу перечень примерно 1500 работ, на которые можно было бы сослаться при изложении материала, однако в каждой главе привели список литературы, с которой необходимо ознакомиться прежде, чем начинать какую-либо работу в данной области. Более того, учитывая, что ученым и исследователям нужна иная литература, нежели лицам, рассматривающим возможность практического использования двигателей Стирлинга, в гл. 7 даны отдельные списки рекомендуемой литературы.
      В настоящей книге мы намеренно предпочли термин «двигатель Стирлинга» термину «машина, работающая по циклу Стирлинга». Это сделано по двум основным причинам. Во-первых, ни один двигатель или машина в действительности не работают по циклу Стирлинга, хотя при определенных изменениях в конструкции полостей переменного объема можно достичь протекания процессов сжатия и расширения в соответствии с идеальным циклом. Такие модификации имеют общее название «изотермические двигатели» [2]. С большей точностью, вероятно, можно было бы применить термин «машина, работающая по принципу Стирлинга». Во-вторых, «машина, работающая по принципу Стирлинга», может функционировать в различных режимах, а именно: в качестве механического привода, как тепловой насос [3], холодильная машина [41 и газогенератор [!]• Все эти режимы можно получить на одном и том же двигателе, чему авторы этой книги были свидетелями при посещении исследовательских лабораторий фирмы «Филипс» в Эйндховене (Нидерланды). Следовательно, термин •машина, работающая по принципу Стирлинга» охватывает весь диапазон соответствующих механизмов. Поскольку данная книга посвящена исключительно вопросам получения механической энергии на валу, термин «двигатель Стирлинга» представляется более подходящим.
     
      1.2. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
      Ниже приведен перечень основных положений, характеризующих двигатель Стирлинга. Более полное освещение этих положений с соответствующими комментариями дается в разделах, указанных в скобках.
      1.2.1. Основные принципы
      1. Двигатель Стирлинга представляет собой современный вариант изобретенного в 1816 г. шотландским священником Робертом Стирлингом теплового двигателя, использовавшего в качестве рабочего тела воздух (разд. 1.9).
      2. Это поршневой двигатель с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется (разд. 1.4).
      3. Для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла (гл. 5).
      4. Идеальный термодинамический цикл Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому КПД теплового двигателя (т. е. КПД цикла Карно) (гл. 2).
      5. Двигатель Стирлинга может работать с высоким КПД только при наличии эффективного регенератора (разд. 2.1).
      6. Полезная работа совершается при попеременном сжатии и расширении данной массы рабочего тела при различных температурах (гл. 2).
      7. Полезная работа почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла (разд. 1.6).
      8. Пуск некоторых видов двигателя может осуществляться без вспомогательных пусковых устройств (разд. 1.4).
      9. При использовании привода от постороннего источника механической энергии двигатель будет работать как холодильная машина.
      10. С точки зрения термодинамики рабочий цикл двигателя Стирлинга определяется как замкнутый регенеративный цикл (гл. 2).
      11. Классический анализ двигателя Стирлинга был выполнен в 1871 г. немецким ученым Густавом Шмидтом (приложение А).
      1.2.2. Рабочие характеристики
      12. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород (разд. 3.1).
      13. КПД двигателя остается почти постоянным в широком диапазоне условий его работы (разд. 1.6).
      14. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности (разд. 1.6).
      15. Нагрев, охлаждение и регенерация в двигателе осуществляются с помощью встроенных теплообменников, которые должны работать в среде, не содержащей масел, что предотвращает их засорение (разд. 1.6).
      16. В двигателе расходуется пренебрежимо малое количество смазочного масла (разд. 1.6).
      17. Среднее давление в цилиндре двигателя Стирлинга мощностью более 40 кВт, как правило, превышает 15 МПа (разд. 3.1.6).
      18. Элементом, ограничивающим долговечность двигателя, является система уплотнений.
      19. В энергосиловой установке Стирлинга, работающей на ископаемом топливе (нефти, угле, газе и т. п.), используется непрерывный процесс горения, благодаря чему выбросы в атмосферу имеют низкое содержание углеводородов и окиси углерода (разд. 1.7).
      20. При использовании жидких нефтепродуктов в двигателе необходимо предусмотреть рециркуляцию отработавших газов, чтобы снизить концентрацию окислов азота (разд. 1.7).
      21. Имеется множество различных видов двигателя Стирлинга, и в них используются различные типы кривошипных механизмов (разд. 1.11 и 2.6).
      22. Только в двигателе Стирлинга применяется специальный кривошипный механизм, так называемый ромбический привод, позволяющий динамически уравновесить одноцилиндровый двигатель.
      1.2.3. Сравнение с обычными силовыми установками
      23. Благодаря отсутствию клапанного механизма и периодических взрывов работа двигателя Стирлинга отличается бесшумностью по сравнению с другими поршневыми двигателями (разд. 1.6).
      24. Для двигателя Стирлинга требуется система охлаждения почти вдвое большего объема, чем для сравнимых дизельного или бензинового двигателей (разд. 1.6).
      25. Циклические изменения давления в двигателе Стирлинга значительно меньше, чем в других тепловых двигателях.
      26. Крутящий момент на выходе двигателя практически не зависит от скорости двигателя 1 (разд. 2.6).
      27. В энергосиловой установке Стирлинга с понижением температуры охлаждающей жидкости КПД повышается, в то время как в обычном бензиновом или дизельном двигателе К.ПД уменьшался бы (разд. 1.6, гл. 2). "
      28. Удельная мощность (мощность на единицу рабочего объема) на выходе двигателя Стирлинга такая же, как и у дизельного двигателя.
      1 Под скоростью здесь понимается частота чередования рабочих циклов в минуту. Для двигателя Стирлинга с механическим приводом эта частота совпадает с частотой вращения кривошипа (коленчатого вала). — Прим. перев.
      29. Отношение мощности к массе двигателя Стирлинга сопоставимо с аналогичным показателем дизельного двигателя с турбонаддувом.
      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).
      31. Двигатель Стирлинга реагирует на изменение нагрузки аналогично дизельному двигателю, однако требует более сложной системы регулирования (разд. 1.7).
      32. Двигатель Стирлинга более сложен, чем обычные тепловые двигатели.
      33. Стоимость изготовления двигателя Стирлинга выше стоимости изготовления двигателя внутреннего сгорания, однако стоимость его эксплуатации меньше (разд. 1.6).
     
      1.3. ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА?
      Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель с замкнутым регенеративным циклом, работа которого характеризуется
      1) высокими значениями среднего давления газа;
      2) свободным от масла рабочим пространством;
      3) отсутствием клапанного механизма;
      4) передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.
      Общее название «машина, работающая по принципу Стирлинга», было предложено голландской фирмой «Филипс» (N. V. Philips Gloeilampen-labrieken (Philips)) после первого этапа работ (1940 — 1950 гг.) по совершенствованию изобретенного в 1816 г. Робертом Стирлингом теплового двигателя, работающего на подогретом воздухе. При исследовании возможности увеличения удельной мощности и КПД этого двигателя было установлено, что газы с меньшей молекулярной массой, такие, как гелий и водород, предпочтительнее, чем более тяжелый воздух, и, следовательно, название «двигатель Стирлинга» более точное, чем «двигатель, работающий на подогретом воздухе».
      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-
      текающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, поглощение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в том, как протекает процесс поглощения тепла в двигателе Стирлинга и в двигателе внутреннего сгорания.
      В двигателе внутреннего сгорания распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания), в то время как в двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (рис. 1.1). Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или отверстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.
      Скорость двигателя Стирлинга можно регулировать, изменяя количество газа в двигателе или величину среднего давления. Применяя эти средства регулирования скорости, необходимо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей
      2 Зак. 839
      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 Стирлинга 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 как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу, производится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по сравнению с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стирлинга требуется более развитая система охлаждения, как это видно из структуры энергетического баланса (рис. 1.2). В системах, предназначенных для транспортных средств, где экономия занимаемого двигателем объема является определяющим фактором, необходимость использования радиатора с увеличенным рабочим объемом является недостатком, в то же время это может стать преимуществом в системах, потребляющих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник больших размеров может увеличить КПД системы.
      Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и тем самым более приемлемым с точки зрения социальных требований, а также перспективным для применения в военных целях.
      Поскольку конструкция двигателя Стирлинга не испытывает резких циклических ударных нагрузок, можно предполагать, что расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание таких двигателей будут существенно снижены. Однако для работы с удельными мощностями, как у дизельного двигателя и газовой турбины, двигатель Стирлинга должен иметь среднее давление цикла 10 — 20 МПа. При таких давлениях требуется весьма совершенная система уплотнений для предотвращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода), а также попадания смазочного масла в рабочие полости, где оно будет загрязнять теплообменники, вызывая возрастающие потери давления и снижение выходной мощности.
      Хотя двигатель Стирлинга и получает энергию извне, его нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего сгорания, поскольку любой источник тепла с подходящей температурой, например сфокусированная солнечная энергия, аккумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяющаяся при горении металла, ядерная энергия и т. п., может быть использован для этой цели. В настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо из-за простоты его использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки. При использовании системы сгорания для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые эффективно сгорают, не создавая опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидких топлив непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода, однако, чтобы понизить содержание окислов азота, необходимы дополнительные меры.
      Непрерывное горение, однако, создает свои проблемы, поскольку материалы, из которых изготовлены нагреватель и цилиндры, должны обладать повышенной термостойкостью, чтобы выдерживать постоянное воздействие высоких температур, в то время как в двигателях внутреннего сгорания такие температуры возникают периодически и на короткое время. Поэтому температурно-напряженные детали двигателей Стирлинга обычно изготавливают из дорогостоящих сортов высококачественной нержавеющей стали, с высоким содержанием кобальта. Кроме того, тепловая инерция конструкционных материалов затрудняет использование регулирования подвода энергии как единственного способа управления скоростью двигателя.
      В двигателях Стирлинга применяются регенеративные теплообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по которым газ перемещается между горячей и холодной зонами двигательной установки. Функцией регенератора является попеременное накопление и возвращение части тепловой энергии, полученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пульсирующему газовому потоку должна происходить таким образом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в то же время поддерживать на заданном уровне мощность, снимаемую с вала. Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого типа — существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на практическое применение.
      Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлинга как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регенеративному циклу. Это фундаментальное определение иллюстрируется на рис. 1.3.
      В основе конструкции двигательной установки Стирлинга лежат принцип разделения горячей и холодной рабочих полостей и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной полости в другую. Управлять этим потоком, искусственно поддерживая разность давлений в полостях, нежелательно, поскольку энергия, вырабатываемая двигателем Стирлинга, почти прямо пропорциональна давлению цикла, и, следовательно, падение давления уменьшает величину полезной механической работы, ‘совершаемой двигателем. Поэтому для
      создания необходимых газовых потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих полостей. Естественно предположить, что для этой цели требуется система поршень — цилиндр, а не система турбина — сопло. Особенно подходит такая система для создания возвратно-поступательного движения, хотя можно предположить, что роторный двигатель типа двигателя Ванкеля также пригоден для реализации принципа Стирлинга. Все двигатели Стирлинга, как уже сконструированные, так и разрабатываемые, основаны на принципе возвратно-поступательного движения. Имеются различные способы осуществления такой формы движения, и именно это помогает классифицировать различные типы двигателей Стирлинга.
     
      1.4. КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА?
      Перечислим основные особенности работы двигателя:
      1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию.
      2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.
      3. Необходимое изменение температуры рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.
      4. Изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема в свою очередь не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это — условие получения механической энергии на валу двигателя.
      Таким образом, принцип Стирлинга — это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела. Чтобы наглядно представить, как этот простой принцип реализуется на практике, рассмотрим сначала элементарную систему поршень — цилиндр, в которой рабочее тело изолировано от внешней среды жестким поршнем, механически соединенным с кривошипом (рис. 1.4).
      По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабочего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться вправо под действием расширяющегося рабочего тела (рис. 1.5).
      При расширении рабочего тела давление в цилиндре падает. Для компенсации охлаждения рабочего тела при его расширении подвод тепла продолжается, благодаря чему процесс протекает при постоянной температуре. Когда поршень достигает своего крайнего правого положения (нижней мертвой точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение головки цилиндра с помощью какого-либо внешнего источника (рис. 1.6).
      В процессе охлаждения давление продолжает падать. Затем поршень начинает перемещаться влево, сжимая газ. Процесс охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать нагрев при сжатии, так что и сжатие протекает при постоянной температуре (рис. 1.7).
      Когда поршень достигает своего крайнего левого положения (верхней мертвой точки) охлаждающее устройство заменяется источником тепла (рис. 1.8).
      Эту последовательность можно изобразить на диаграммах термодинамического состояния (рис. 1.9).
      Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охлаждением, двигатель совершает полезную работу. Однако такой метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен, так как теплоемкость материалов, из которых изготавливается головка цилиндра, слишком велика для реализации требуемых
      быстрых изменений температуры. Тем не менее основная концепция попеременного нагрева и охлаждения изолированного рабочего тела при различных давлениях для получения механической работы изложена здесь вполне точно.
      Возникает проблема воплощения этой концепции на практике. Очевидным решением было бы поддерживать на одном торце цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом — постоянную низкую. Однако в этом случае невозможно было бы использовать систему поршень — цилиндр, упомянутую при описании рабочего цикла, поскольку рабочее тело одновременно и получало, и отдавало бы тепло в сменяющих друг друга фазах процесса. Роберт Стирлинг преодолел эту трудность, введя вытеснительный поршень, или вытеснитель, расположенный последовательно с первоначальным поршнем, получившим теперь название «рабочий поршень». Вытеснительный поршень предназначен для перемещения рабочего тела между локально расположенными горячей и холодной полостями (рис. 1.10).
      Вытеснительный поршень свободно размещен в цилиндре, так что рабочее тело может обтекать его со всех сторон, как показано на рис. 1.11, где действие вытеснительного поршня иллюстрируется безотносительно к рабочему поршню.
      При движении вытеснителя вверх, к горячему концу цилиндра, нагретое рабочее тело поступает в холодную полость через кольцевой зазор у боковых стенок вытеснительного поршня. При этом давление рабочего тела вследствие охлаждения понижается. В цилиндре отсутствуют клапаны, поэтому, если не принимать во внимание небольшого, практически пре-небрежимого падения давления в кольцевом зазоре вокруг вытеснительного поршня, давление во всех зонах цилиндра будет одинаковым. При движении к нижней мертвой точке вытеснительный поршень заставляет рабочее тело перемещаться через холодную полость и кольцевой зазор вокруг боковой поверхности поршня в горячую полость для подогрева. Поскольку при движении вытеснительного поршня давление у обоих его торцев всегда одинаково, на это движение работа не затрачивается.
      Движение вытеснительного и рабочего поршней не совпадает по фазе. Объяснение этого с позиций термодинамики будет дано ниже. Однако уже сейчас нетрудно понять, что если все рабочее тело в какой-то фазе цикла должно быть в горячей полости, а в другой фазе цикла — в холодной, то оба поршня не могут находиться в одной фазе. Чтобы получить такое не совпадающее по фазе движение поршней, необходим .механизм привода, отличный от общепринятого. Пример механизма, использованного самим Стирлингом, показан на рис. 1.12.
      Необходим еще один элемент, чтобы получить двигатель Стирлинга в том виде, в каком он известен сейчас. Это регенератор, или «экономайзер», как его первоначально назвал Стирлинг. Когда вытеснительный поршень перемещает расширяющееся рабочее тело в холодную полость (рис. 1.11), оно должно пройти через горячую полость где из-за продолжаю-
      щегося нагрева получает избыточное тепло, которое необходимо отвести в холодильник. После того как рабочее тело сжато, оно перемещается в горячую полость через холодную, дополнительно охлаждаясь. Следовательно, рабочее тело поступает в горячую полость более холодным, чем требуется, а в холодную — более горячим.
      Если в кольцевом зазоре вокруг вытеснительного поршня, по которому перетекает рабочее тело, установить сетку из стальной проволоки, то рабочее тело, проходя через этот зазор из горячей полости в холодную, будет иметь более высокую температуру, чем сетка, и, следовательно, будет отдавать тепло этой сетке. В этом случае сетка действует как предварительный холодильник, снижая термическую нагрузку основного холодильника. После процесса сжатия рабочее тело будет перетекать в горячую полость, нагреваясь при прохождении через сетку, т. е. будет вновь получать тепло, ранее отданное сетке. Теперь регенератор действует как предварительный нагреватель, уменьшая требуемое количество подводимой энергии. Описанная система в целом показана на рис. 1.13.
      Хотя схема, показанная на рис. 1.13, находит практическое применение во многих двигателях, проблема быстрой передачи энергии остается нерешенной, поскольку необходимо еще преодолеть тепловую инерцию стенок цилиндра. При проведении работ по усовершенствованию двигателя Стирлинга фирмой «Филипс» были применены трубчатые теплообменники для нагревателя и холодильника, и, хотя при этом потребовалось уплотнить вытеснительный поршень, основная цель была достигнута. Полный рабочий цикл теперь можно описать с помощью рис. 1.14. На рис. 1.14 легко различаются составляющие процессы рабочего цикла, изображенного на диаграмме давление — объем (рис. 1.9, а).
      На рис. 1.14, а рабочий поршень находится в крайнем нижнем положении, вытеснитель — в крайнем верхнем положении, и все рабочее тело заключено в холодной полости. Затем под действием внешних сил рабочий поршень начинает перемещаться вверх, сжимая рабочее тело в холодной полости, причем температура рабочего тела поддерживается на минимальном уровне. В точке 2 (рис. 1.15) вытеснительный поршень все еще находится в крайнем верхнем положении, рабочий
      . Регенератор
      Рис. 1.13. Схема двигателя Стирлинга, пригодная для практического применения.
      поршень заканчивает свое движение вверх, и процесс сжатия завершается (рис. 1.14,6). Рабочий поршень остается в своей верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень начинает движение вниз, перемещая рабочее тело в систему холодильник — регенератор — нагреватель и далее в горячую полость. Объем рабочего тела в этом процессе остается постоянным, а давление возрастает. В процессе между точками 2 и 3 рабочему телу передается тепло от регенератора. Точка 3 соответствует пребыванию всего рабочего тела в горячей полости, при этом рабочий поршень все еще остается в своей верхней мертвой точке. Следует отметить, что вытеснительный поршень в точке 3 еще не достиг своего крайнего нижнего положения.
      Теперь рабочее тело, находясь в горячей полости, получает тепло от трубчатого нагревателя и расширяется. Воздействуя на вытеснительный и рабочий поршни, расширяющееся рабочее тело заставляет их совместно перемещаться вниз, пока они не займут свое крайнее нижнее положение. В процессе между точками 3 и 4 совершается положительная работа. Точка 4 соответствует пребыванию обоих поршней в своих нижних мертвых точках. Рабочий поршень продолжает оставаться в этом положении, а вытеснительный поршень перемещается вверх, вытесняя расширившееся рабочее тело через систему нагреватель — регенератор — холодильник в холодную полость. При этом рабочее тело отдает остаток своего тепла регенератору. В процессе 4 — 1 объем остается неизменным, а давление падает. Так осуществляется цикл Стирлинга в том виде, как он показан на двух диаграммах состояния (рис. 1.15).
      Сравнивая движение поршней относительно друг друга в последовательных процессах (рис. 1.14), легко заметить, что их движение на протяжении всего цикла не совпадает по фазе.
      Для обеспечения протекания такого цикла в соответствии с его описанием, приведенным выше, необходимо прерывистое перемещение поршней. Этот вывод можно наглядно проиллюстрировать диаграммой перемещений поршней (рис. 1.16).
      Рис. 1.15. Термодинамические диаграммы состояния идеального цикла Стирлинга.
      Горячая полость расширения определяется переменным объемом Ve между головкой цилиндра и верхним торцем вытеснительного поршня. Она образуется исключительно благодаря перемещению вытеснительного поршня. Холодная полость сжатия определяется переменным объемом Vc между нижним торцем вытеснительного поршня и верхним торцем рабочего поршня. Объем нагревателя, холодильника, регенератора и примыкающих к ним патрубков является нерабочим объемом и называется объемом мертвого пространства (мертвым объемом) Vd.
      Любой мертвый объем уменьшает мощность, вырабатываемую двигателем, и его необходимо сводить к минимуму, допускаемому конструктивными особенностями двигателя. Однако в некоторых условиях путем увеличения мертвого объема можно увеличить КПД двигателя.
      Теперь следовало бы рассмотреть проблемы термодинамики, газодинамики и теплообмена, которые необходимо решить для реализации принципа Стирлинга. Не ипеодолены также трудности, связанные с высокой сложностью механизма привода и необходимостью обеспечить достаточную балансировку двигателя.
      На рис. 1.16 показана зависимость изменения объема от угла поворота кривошипа, при выполнении которой реализуется идеальный цикл Стирлинга. Основной функцией механизма привода является наиболее точное воспроизведение этой зависимости. Однако полное удовлетворение требований термодинамики возможно только при прерывистом движении поршней, а механическое устройство не в состоянии точно воспроизвести такое движение. Хотя в принципе и можно создать механизм, воспроизводящий закон изменения объема, близкий к идеальному, при его проектировании необходимо учитывать и другие факторы, а именно: простоту конструкции, компактность, динамические факторы и возможность установки системы уплотнения.
      Чем больше в механизме привода движущихся частей, тем меньше, как правило, механический КПД; при этом преимущества, обусловленные воспроизведением закона изменения объема, близкого к идеальному, могут быть сведены на нет низким общим КПД двигателя. Кроме того, большое число деталей приводит к повышению стоимости изготовления механизма привода, общей стоимости агрегата и затрат на эксплуатацию, а также к снижению надежности по сравнению с механизмами привода обычных двигателей внутреннего сгорания. Пространство, в которое должен «вписываться» двигатель Стирлинга, также может быть определяющим фактором, а это поставит конструктора перед выбором, что предпочесть: громоздкий механизм привода, обеспечивающий почти идеальный закон изменения объема, или более компактный механизм, но воспроизводящий закон изменения объема с меньшей точностью.
      Динамические факторы, которые необходимо принимать во внимание при конструировании, можно разделить на две группы: связанные с динамической нагруженностью и связанные с динамической балансировкой движущихся частей двигателя. Динамические нагрузки оказывают решающее влияние на определение основных размеров двигателя Стирлинга. Термодинамический анализ работы двигателя предъявляет определенные требования к рабочему объему, длине шатуна и др., однако количественно эти требования выражены безразмерными параметрами и, следовательно, не устанавливают каких-либо реальных размеров. Определение размеров этих компонентов основывается на последующих динамических расчетах, включающих определение нагрузок на подшипники, величины изгибающего момента на шатуне и т. п. Двигатель Стирлинга благодаря используемому в нем замкнутому циклу по своей природе является бесшумным, и если в нем предусмотреть свободный от вибраций (а следовательно, динамически уравновешенный) механизм привода, то потенциальные возможности его практического применения существенно расширятся. Некоторые механизмы привода, разработанные для двигателей Стирлинга, удовлетворяют этим требованиям.
      И наконец, в двигателях Стирлинга большого литража возникает проблема уплотнений, отделяющих цилиндры двигателя от картера и изолирующих картер от избыточного давления. Таким образом, мы перечислили основные факторы, влияющие на выбор механизма привода двигателя Стирлинга.
      В двигателях Стирлинга чаще всего используются: криво-шипно-балансирный механизм, ромбический привод, косая шайба и кривошипно-шатунный механизм.
      Первым в двигателе Стирлинга был использован криво-шипно-балапсирпый механизм привода (рис. 1.17), в котором балансир сочленяется посредством двух рычагов с рабочим и вытеснительным поршнями, а рабочий поршень приводится непосредственно от коленчатого вала. При таком типе привода неизбежно избыточное давление в картере, и поэтому он пригоден только для небольших двигателей. Такой привод не обеспечивает также динамической балансировки одноцилиндрового двигателя.
      Увеличение мощности двигателя Стирлинга в процессе его совершенствования привело к необходимости изолировать цилиндры от картера, чтобы избежать избыточного давления в картере. Эту проблему решает установка ромбического привода (рис. 1.18), разработанного фирмой «Филипс» в 50-е годы. Преимуществом такого привода является также возможность динамической балансировки даже в случае одноцилиндрового двигателя. Основными его недостатками являются сложность механизма, поскольку он состоит из большого числа движущихся частей, трущихся поверхностей и т. п., и наличие в механизме двух находящихся в зацеплении зубчатых колес.
      Косая шайба (рис. 1.19) применяется главным образом в двигателях, предназначенных для установки на автомобилях, где решающим фактором является компактность силового агрегата. Такой механизм динамически сбалансирован при определенном угле наклона шайбы. Он также позволяет легко изолировать цилиндры от картера. Однако в случае установки двигателя на автомобиль возникает проблема надежности уплотнений в условиях быстрой смены большого количества циклов. Косая шайба позволяет также управлять мощностью двигателя изменением угла наклона шайбы, что ведет в свою очередь к изменению величины хода поршней двигателя. В этом случае двигатель динамически сбалансирован только при одном значении угла наклона шайбы.
      Кривошипно-шатунный механизм (рис. 1.20) в течение многих лет используется в двигателях внутреннего сгорания. Он исключительно надежен, и к настоящему времени накоплен большой опыт его эксплуатации. Этот механизм широко применяется в двигателях Стирлинга двойного действия как с крейцкопфом, так и без него. Преимуществами механизма являются его надежность и простота изготовления, однако динамическая балансировка двигателя с таким механизмом привода практически недостижима.
      Кривошипно-шатунный механизм, как мы могли убедиться, не является простым решением проблемы привода в случае, когда рабочий и вытеснительный поршни последовательно расположены в одном цилиндре. Однако такой механизм широко применяют в компоновочной модификации двигателя Стирлинга со сдвоенными цилиндрами. Первоначально в такой модификации использовали рабочий и вытеснительный поршни, расположенные в двух цилиндрах, соединенных коротким патрубком (рис. 1.21).
      В XIX в. такой двигатель был построен Хенричи и Робинсоном [5]. В литературе по двигателям Стирлинга, начиная с (Ю-х годов нашего века и позднее, этот вариант часто называют гамма-конфигурацией. Дальнейшие усовершенствования двигателя со сдвоенными цилиндрами были предложены Райдером [6], что привело к существенному увеличению удельной мощности по сравнению с другими модификациями двигателя Стирлинга, созданными к тому времени. С этого времени двигатели со сдвоенными цилиндрами получили всеобщее признание. В модификации Райдера применены два полностью уплотненных в цилиндрах поршня вместо системы поршень — вытеснитель. Теплообменники типа «нагреватель — регенератор — холодильник» встроены между двумя цилиндрами, образуя соединительный канал (рис. 1.22).
      Такая компоновка расширила возможности создания различных конфигурации двигателя, реализующих принцип Стирлинга; например, цилиндры могут располагаться один против другого горизонтально или вертикально, параллельно один другому, в форме буквы V (рис. 1.23) и по другим схемам.
      Все двигатели, о которых говорилось выше, по своему общему принципу действия являются двигателями простого действия. Следует подчеркнуть, что это название относится к двигателю, а не к поршню, поскольку, несмотря на то что
      вытеснительный поршень может производить двойное действие, когда его верхняя и нижняя поверхности управляют перемещением газа, двигатель в целом при этом все еще может определяться как двигатель простого действия. Термины «двигатель простого действия»» и «двигатель двойного действия» примени-тельно к двигателям Стирлинга используются для характеристики двигателя в целом. Например, как показано ниже, несколько агрегатов простого действия можно объединить в двигатель двойного действия. Этот способ мы проиллюстрируем на примере расположения цилиндров, предложенного Райдером и называемого также компоновочной модификацией альфа (рис. 1.24).
      Цикл простого действия обеспечивается совместным действием верхней поверхности одного поршня и нижней поверхности другого поршня в соседних цилиндрах. Рабочее тело циркулирует между этими двумя цилиндрами. Оно не перемещается через всю систему — от первого цилиндра до четвертого. Таким образом, поршень в каждом цилиндре выполняет функции как рабочего, так и вытеснительного поршня, и при этом каждый поршень одновременно участвует в двух рабочих ~ циклах. Следовательно, в четырехцилиндровой компоновке (рис. 1.24) одновременно протекают четыре отдельных цикла:
      1) lh — 2с;
      2) 2h — Зс;
      3) 3h — 4с;
      4) 4h — 1с.
      Этот тип двигателя Стирлинга был первоначально предложен английским инженером Сименсом [7] и независимо от него голландскими инженерами Рини и Ван-Вееном в период их работы в фирме «Филипс», где он был усовершенствован. Двигатель двойного действия особенно эффективен среди устройств, вырабатывающих механическую энергию, из-за своей высокой удельной мощности, получаемой благодаря тому, что при каждом обороте коленчатого вала в каждом цилиндре поршень совершает полный рабочий ход.
      Сказанное означает, что в двигателе двойного действия поршень выполняет две функции (или имеет двойную функцию):
      1) заполнение рабочим телом двух полостей переменного объема и вытеснение рабочего тела из этих полостей;
      2) передачу усилия на выходной вал.
      Двигатели Стирлинга двойного действия неизбежно должны быть многоцилиндровыми, поскольку для получения сдвинутых по фазе процессов расширения и сжатия (необходимость такого сдвига отмечалась ранее) требуется не менее трех поршней. На практике же применяются обычно не менее четырех поршней, соединенных с одним коленчатым валом, причем соседние поршни действуют совместно в паре, чем и достигается двойное действие. Механизмы привода двигателей двойного действия должны выполнять упомянутые выше две функции. Наиболее подходящим для этого представляется обычный многоопорный коленчатый вал рядного двигателя (рис. 1.25). Этот тип механизма особенно подходит для крупногабаритных силовых агрегатов, обеспечивает расположение цилиндров в квадрате, так называемое соосное расположение (рис. 1.26), которое позволяет не только использовать общую систему сгорания, но и применять различные типы механизмов привода. Большинство пригодных для таких двигателей типов механизмов привода представляет собой модификации кривошипно-шатунного механизма, однако фирмы «Филипс», «Дже-нерал моторе» и «Форд» потратили значительные усилия на совершенствование механизма с косой шайбой. Оптимальная конструкция привода этого типа обеспечивает механический КПД. превышающий 90 Реконфигурации двигателя Стирлинга в сочетании с различными механизмами привода показаны на рис. 1.27. Разумеется, основанием для выбора того или иного механизма привода является не только его компактность, но и другие факторы. Эти факторы подробно рассмотрены в разд. 2.5.


      KOHEЦ ФPAГMEHTA

 

 

НА ГЛАВНУЮ (кнопка меню sheba.spb.ru)ТЕКСТЫ КНИГ БК (кнопка меню sheba.spb.ru)АУДИОКНИГИ БК (кнопка меню sheba.spb.ru)ПОЛИТ-ИНФО (кнопка меню sheba.spb.ru)СОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИ (кнопка меню sheba.spb.ru)ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ В СССР (кнопка меню sheba.spb.ru)ФОТО-ПИТЕР (кнопка меню sheba.spb.ru)НАСТРОИ СЫТИНА (кнопка меню sheba.spb.ru)РАДИОСПЕКТАКЛИ СССР (кнопка меню sheba.spb.ru)ВЫСЛАТЬ ПОЧТОЙ (кнопка меню sheba.spb.ru)

 

Яндекс.Метрика
Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru