Рабочие характеристики и особенности конструкции

Рабочие характеристики и особенности конструкции. Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, как показывает практика, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла.

Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10-20 МПа. Такие высокие значения давления создают специфические проблемы при проектировании двигателей. Особую трудность представляет решение проблем, связанных с - герметизацией рабочего тела - напряжениями в теплообменнике - нагрузками на подшипники и детали механизма привода. Поскольку величина давления влияет на развиваемую мощность, управление изменением давления позволяет регулировать крутящий момент двигателя. 2. КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70 КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления.

КПД двигателя почти не зависит от скорости двигателя при условии, что температура в трубках нагревателя не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов двигателя и температура в холодильнике не возрастает. Температуру в трубках нагревателя следует поддерживать на возможно более высоком уровне. При повышении температуры охлаждающей жидкости на один градус КПД двигателя падает на 0,5. Вследствие непрерывного воздействия высоких температур для обеспечения длительного срока службы требуются высококачественные сплавы. 3. Нерабочие объемы в двигателе Стирлинга теоретически могут быть сведены к нулю, однако на практике они достигают 50 внутреннего объема, занимаемого газом.

Такая величина мертвого объема необходима для размещения теплообменника и обеспечения достаточной площади поверхности теплообмена.

Мертвый объем снижает выходную мощность двигателя влияние же его величины на КПД двигателя неоднозначно и зависит от местоположения этого объема. Изменением мертвого объема при работе двигателя можно регулировать вырабатываемую мощность. 4. С увеличением рабочего объема возрастает выходная мощность двигателя при условии, что давление и температура постоянны. Не существует никакой эмпирической зависимости, связывающей рабочий объем и выходную мощность. Заданный рабочий объем обеспечивается при отношении диаметра цилиндра к ходу поршня, близком к 2, что дает оптимальное соотношение между потерями на теплопередачу и на трение в уплотнениях. 5. С ростом скорости двигателя потери на сопротивление газа приобретают решающее значение, поскольку они пропорциональны квадрату скорости.

Для уменьшения этих потерь в качестве рабочего тела используют газы с малой молекулярной массой, такие, как гелий и водород. 6. Для обеспечения стабильности выходной мощности изменения объема полости расширения должны опережать изменения объема полости сжатия.

Для получения оптимальной выходной мощности это опережение должно соответствовать фазовому углу 90. 7. Выбор рабочего тела зависит исключительно от конкретного назначения двигателя, поскольку один и тот же КПД можно получить безотносительно к рабочему телу при условии, что конструкция двигателя оптимальна по отношению к выбранному рабочему телу. Однако для получения более высоких удельных мощностей требуются более легкие газы. 8. Двигатель Стирлинга по своей природе обладает низким уровнем шума. Механический и аэродинамический шумы этого двигателя существенно ниже, чем у его конкурентов.

Однако, чем выше давление цикла, тем выше шум, вызываемый работой двигателя. По сравнению с сопоставимым дизельным двигателем уровень аэродинамического шума двигателя Стирлинга ниже на 18 дБ. Основным источником шума современных двигателей Стирлинга являются синхронизирующие зубчатые колеса и нагнетатель воздуха. 9. В двигателях Стирлинга можно использовать источники энергии, не производящие никаких загрязняющих атмосферу выбросов.

Даже при использовании природных топлив присущей этим двигателям устойчивый процесс горения позволяет значительно понизить уровень концентрации токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу, по сравнению с уровнями концентрации таких веществ, выбрасываемых другими двигателями, при условии, что предусмотрены специальные меры для снижения температуры ниже порога образования окислов азота.

Автомобильный двигатель Стирлинга является в настоящее время единственной энергосиловой установкой, удовлетворяющей жестким стандартным по допустимым уровням содержания токсичных веществ в автомобильных выбросах. 10. Доля энергии цикла, которая отводится через холодильник, в двигателе Стирлинга на 60-250 выше, чем в обычных поршневых двигателях. Чтобы справиться с такой тепловой нагрузкой, необходимы радиаторы больших размеров. В тех случаях, когда установка предназначена для использования всех видов вырабатываемой энергии, это может дать двигателю Стирлинга дополнительные преимущества. 11. Энергосиловая установка автомобиля с двигателем Стирлинга имеет большие перспективы с точки зрения устранения выбросов, загрязняющих окружающую среду, уменьшения расхода топлива и соответственно снижения затрат на эксплуатацию. 5. Очерк развития двигателей Стирлинга Роберт Стирлинг постоянно совершенствовал свой двигатель, работающий на подогретом воздухе.

К 1908г. двигатель Стирлинга был уже настолько усовершенствован, что по обе стороны Атлантического океана широко использовались регенератор и принцип двойного действия в нем. Обсуждение возможных областей применения и перспектив этого двигателя регулярно проводилось в известных журналах, таких, как труды института инженеров-механиков.

С середины XIX в. и до начала первой мировой войны воздушно-тепловые двигатели как с разомкнутым, так и с замкнутым циклов имели значительный коммерческий успех, удовлетворяя технические потребности человечества в чрезвычайно широком диапазоне - от энергетических установок на судах до приводов швейных машин, насосов и агрегатов для подачи воздуха в церковные органы.

Эта последняя область применения была, пожалуй, первым случаем, когда основанием для применения двигателя была бесшумность его работы Еще в 1908 г. была предложена солнечная установка для привода водяного насоса с помощью двигателя Стирлинга. Популярность водяных насосов подтверждалась наличием в фирменных каталогах рекомендаций, подписанных такими известными личностями, как король Эдуард VII. Но несмотря на этот успех, к 20-м годам нашего века интерес к двигателям Стирлинга угас. Этапы разработки двигателей Стирлинга можно проследить начиная с 1818г однако наибольшее внимание уделяется совершенствованию двигателей Стирлинга начиная с 1938г. Разработка конструкций двигателей Стирлинга с этого времени прошла через определенные этапы.

Одной из фирм, проводивших исследования в области совершенствования двигателей была фирма Филипс. 1937-1938 гг. Фирма Филипс проявляет интерес к двигателям с замкнутым циклом, работающим на подогретом воздухе и предназначенным для электрогенераторов малой мощности. 1938-1947 гг. Создано несколько опытных образцов двигателей с лучшими характеристиками по сравнению с двигателями 30-х годов. 1948-1953 гг. Внимание переключается на холодильные машины.

Выясняется, что применение газов с малыми молекулярными массами улучшает рабочие характеристики. Тем не менее продолжается исследование и разработка Двигателей источников механической энергии как простого, так и двойного действия, Интерес к ним проявляют фирмы Форд США и Дженерал моторс.

Резкий скачок в разработке двигателя Стирлинга был сделан в 1953 г когда Мейер изобрел ромбический привод, что позволило использовать более высокие рабочие давления. Развитие конструкций двигателей- источников механической энергии и холодильных машин пошло различными путями. 1954-1958 гг. В течение этого периода было построено и испытано много двигателей с ромбическим приводом, при этом в двигателе 1-365 с водородом в качестве рабочего тела среднее давление цикла достигло 14 МПа. С использованием газа при высоких давлениях возникла проблема надежности уплотнений.

Чугунные поршневые кольца не подходили из-за значительной утечки масла. Уплотнения сальникового типа для картера также оказались неподходящими. Было разработано уплотнение поршня с плотной посадкой. Поршень изготавливался с нанесенными на нем кольцевыми слоями сплава олова, свинца и сернистого молибдена.

Затем поршень при сильном охлаждении вставлялся в цилиндр. В 1957 году Дженерал моторс вновь проявляет интерес к Двигателю Стирлинга и работам фирмы Филипс. И в ноябре 1958 года между ними заключается соглашение по предоставлению лицензии сроком на 10 лет. 1958-1962 гг. Филипс продолжает работу над двигателем 1-98 с ромбическим приводом. Было построено свыше 30 вариантов этого двигателя. В этот период времени были намечены три основных области применения двигателей Стирлинга, в которых фирма Дженерал моторс намеревалась проводить дальнейшую работу подвесной мотор для судов, генератор для спутников, работающий на солнечной энергии, и компактный генератор ГПУ англ. GPU-Ground Power Unit для работы в полевых условиях для армии США. Другие возможные области применения включали силовые установки для речных и каботажных морских судов, подводных лодок и железнодорожного транспорта. Первым двигателем, который испытывался фирмой Дженерал моторс, был одноцилиндровый двигатель мощностью 23 кВт с плотной посадкой поршня в цилиндре. 1963-1968 гг. Изобретение ромбического привода и уплотнения типа скатывающийся чулок, а также усовершенствования процесса сгорания, теплообменников и систем регулирования позволили приступить к созданию более мощных двигателей.

Продолжалась интенсивная работа с двигателем ГПУ, и его мощность была доведена до 9 кВт. Кроме того, и Филипс, и Дженерал моторс провели исследования и построили двигатели мощностью 200 кВт. Использовались они на морских судах, на автобусах, в военно-морских силах США. Продолжались работы и над двигателем простого действия, которые интенсивно вела фирма Дженерал моторс.

Они построили и провели испытания двигателя PD67 для спутника.

В 1964 г. на автомобиле марки Кал вер был испытан двигатель Стирлинга мощностью 23 кВт, тепловая энергия, для которого поступала от теплового аккумулятора энергии на основе окиси алюминия.

В этот же период были начаты исследования свободнопоршневых двигателей и двигателей с жидкими поршнями. Были созданы и испытаны с разной степенью успеха опытные образцы таких двигателей. Работы по свободнопоршневым двигателям проводились в различных институтах США. 1968-1978 гг. Это был период интенсивных исследований, однако, без крупных достижений. Работа над автомобильным двигателем Стирлинга не прекратилась, и ее продолжали фирмы Форд и Филипс в соответствии с соглашением, подписанным в 1972г. Шведская фирма Юнайтед Стирлинг также совершенствовала свои автомобильные двигатели, предназначенные для тяжелых грузовиков и автобусов.

Объединение MAN- MWM не раскрыло предполагаемую область применения своих двигателей, однако, предполагалось, что эти двигатели предназначены для военно-морских судов. К концу рассматриваемого периода были достигнуты значительные успехи в разработке двигателя Стирлинга, работающего на жидком природном топливе и предназначенного для использования на легковых и грузовых автомобилях.

Успешные испытания двигателей серии Р фирмы Юнайтед Стирлинг, в которых использовался U-образный кривошипный привод Рикардо, вызвали интерес многих фирм. Помимо автомобильного транспорта были рассмотрены другие области применения, такие, как электрические генераторы, использующие солнечную энергию, установки для подводных лодок и дистанционного управляемые стационарные электрогенераторы, работающие не на жидком топливе. Работы над свободнопоршневым двигателем в этот период достигли такого уровня развития, что стало возможным приступить к коммерческому выпуску двигателей.

Были предприняты работы по совершенствованию двигателя с целью использования его на Индийском субконтиненте. Изучались также возможности использования сухой модификации этого двигателя, работающего на угле. Период, начиная с 1978г. Основное направление работ переключилось с двигателя с качающей шайбой на энергосиловую установку Р-40 с U-образным кривошипным приводом. Интенсивность исследований, связанных с двигателем Стирлинга, с 1978 г. возросла примерно в 10 раз, однако все усилия были направлены в основном на доводку существующих конструкций, а не на разработку новых.

Нельзя, конечно, утверждать, что работа над новыми конструкциями вообще не велась. Но направление работ во всех областях в большей степени ориентировалось на создание промышленных образцов двигателей, поскольку почти все программы ориентированы на определенную область применения двигателя Стирлинга. 6. Области применения Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую.

В самом деле, почти нельзя назвать ни одной сколько-нибудь серьзной области потенциального применения двигателя Стирлинга, в которой уже не было бы предпринято попытки его использования или по крайней мере такая возможность не изучалась. При этом нельзя выделить каких-то необычных областей применения, поскольку во всех случаях имеются альтернативные источники механической энергии аналогичного назначения.

По рабочим характеристикам или приспособленности альтернативные установки могут уступать двигателю Стирлинга, однако нет оснований утверждать, что двигатель Стирлинга это единственно подходящий источник механической энергии для данной области применения, хотя было бы трудно, например, представить паровую турбину или дизельный двигатель в качестве привода искусственного сердца. Развитие двигателей Стирлинга, как и других источников механической энергии, стимулировалось, как правило, техническими и социально-экономическими требованиями времени.

Так, например, о возможности использования двигателя Стирлинга на автомобиле особенно не задумывались до 1962г когда общество начало испытывать беспокойство по поводу загрязнения окружающей среды, и только в 70- годах, в условиях энергетического кризиса, влияние которого ощущается еще и сейчас, в программы совершенствования автомобильных двигателей Стирлинга начали вкладывать значительные средства.

Первоначально предполагавшееся фирмой Филипс применение двигателей Стирлинга в качестве составной части портативных электрогенераторов не состоялось из-за быстрого совершенствования других устройств, предназначенных для той же цели, однако в настоящее время под воздействием экономических факторов эта область применения вновь привлекает внимание. Области применения, в которых двигатель Стирлинга использовался в XIX веке и был в конечном счете вытеснен, теперь изучаются вновь.

Поэтому нецелесообразно перечислять отдельные случаи применения двигателя Стирлинга в хронологической последовательности. 6-1. Автомобильные двигатели Новейший усовершенствованный двигатель Стирлинга- продукт совместных усилий многих областей техники. Исследовательская лаборатория фирмы Филипс, вероятно, единственная в мире, объединяющая передовую технологию с дальновидностью руководства, что позволяет ей длительное время проводить исследования по двигателям Стирлинга в широком масштабе.

Ежегодно только в этой фирме в разработке двигателей внутреннего сгорания участвуют тысячи инженеров. То что фирма Филипс в относительно короткое время и с относительно малым штатом смогла создать двигатели Стирлинга с высокими характеристиками, представляется для других фирм невероятным принимая все это во внимание, было рискованно пытаться предвидеть будущее развитие. Сомнительно, чтобы двигатель Стирлинга, если исходить только из экономических показателей, мог бы когда- нибудь составить конкуренцию дизелю в любых уже установившихся областях применения.

Однако сейчас вопрос об использовании двигателей уже поднимается на основании только одних технико-экономических показателей. Социальные аспекты техники становятся все более важными это особенно видно из того, что общество уделяет пристальное внимание проблеме загрязнения воздуха выхлопными газами автомобильных двигателей. Известно, что интерес к этому вопросу особенно высок в США, где наиболее велика мощность автомобильных двигателей.

В то же время фирма Филипс уже убедительно продемонстрировала значительное уменьшение шума и загрязнения воздуха при применении двигателей Стирлинга для автомобилей. Возможно, что под действием общественности будут приняты более жесткие стандарты, контролирующие загрязнение воздуха, а от дизелей и бензиновых двигателей внутреннего сгорания потребуют таких норм по уменьшению вредных составляющих в выхлопных газах, что двигатели фирмы Филипс будут конкурентоспособны.

Вероятность такой ситуации вполне реальна, и, без сомнения, это и есть основание для фирмы Филипс и ее субподрядчиков обратить особое внимание на разработку автомобильных двигателей мощностью 73,5 кВт 100 л.с. и 147 кВт 200 л.с Последующие несколько лет должны быть переломными в этом вопросе, но к 1980 г. двигатели Стирлинга на грузовиках могут быть уже не новостью. 6-2.