Внимание к двигателям внешнего сгорания объясняется главным образом двумя причинами: тем, что сжигание топлива вне камеры сгорания позволяет резко снизить количество вредных примесей в отработавших газах и тем, что КПД таких двигателей может быть существенно выше, чем у прочих.
В первую очередь это поршневые двигатели, реализующие циклы Стирлинга и Эриксона, и... паровые машины. Сейчас наиболее известен цикл Стирлинга, отличающийся от цикла Эриксона тем, что нагрев и охлаждение газа производятся при постоянном объеме по изо-хоре, а не при постоянном давлении — по изобаре (рис. 13). При равных верхнем и нижнем уровнях температур двигатели Стирлинга и Эриксона с регенераторами имеют одинаковый КПД, но экономичность «стирлинга» выше, так как для нагрева газа по изохоре требуемые затраты тепла меньше. Из рис. 13 следует, что. полезная работа, характеризующаяся в Т—S диаграмме площадью цикла, у двигателей Стирлинга также выше.
Интересно отметить, что оба двигателя появились в эпоху расцвета паровых машин и вплоть до начала нашего века выпускались в значительных количествах. Однако реализовать их преимущества в то время никому не удалось и в первую очередь по причине крайней громоздкости, они были полностью вытеснены ДВС.
Второе рождение двигателя Стирлинга состоялось в 50-х годах. И уже первый опытный образец ошеломил создателей небывало высоким КПД, равным 39% (теоретически до 70%). Рассмотрим принцип его действия (рис. 14).
Рис. 13. Циклы тепловых машин:/ — цикл Карно; // — цикл Стирлинга; /// — цикл Эриксона; IV — цикл Стирлинга в Р—V координатах; / и 3 — изотермы; 2 и 4 — изохоры
В двигателе имеются два поршня и две камеры: сжатия (между поршнями) и нагрева (над верхним поршнем). Через центр основного рабочего поршня / проходит шток, на котором укреплен второй поршень 2, наг зываемый поршнем-вытеснителем.
Благодаря конструкции параллелограммного механизма движение поршня-вытеснителя отстает по фазе от движения основного поршня. Поршни то максимально сближаются, то отдаляются друг от друга. Изменение объема газа между поршнями на рисунке отображено двумя пунктирными кривыми. Площадь между ними соответствует изменению объема защемленного пространства, а нижняя кривая характеризует изменение объема над рабочим поршнем. Когда поршни движутся навстречу друг другу, рабочий газ в камере сжатия сжимается (только за счет движения поршня 1 вверх) и одновременно вытесняется в холодильник 3 и далее через регенератор 4 в камеру нагрева. Регенерировать— значит восстанавливать. В регенераторе газ воспринимает тепло, которое регенератор принял от порции газа, до этого прошедшей через него в обратном направлении. После этого газ попадает в головку машины (камеру нагрева), постоянно обогреваемую внешним источником тепла. Здесь газ быстро нагревается до температуры 600—800° С и начинает расширяться. Расширяющийся газ пойдет через регенератор и холодильник, в котором его температура еще понизится, в камеру сжатия, где он совершит механическую работу.
Поршень-вытеснитель, двигаясь вверх, вытолкнет весь газ из камеры нагрева в камеру сжатия. После этого цикл повторяется. Итак, машина перекачивает
тепло из камеры нагрева с высокой температурой в камеру сжатия с температурой окружающего пространства. Энергия, приобретенная газом в камере нагрева, превращается в механическую работу, снимаемую с вала двигателя.
К достоинствам «стирлинга», помимо высоких КПД и стерильности, необходимо добавить еще одно — способность работать на любом виде топлива или тепловой энергии, а также бесшумность и плавность работы. Этими качествами существующие «стерлинги» не в последнюю очередь обязаны приводу.
Первые выпущенные на рынок «стерлинги» имели простой кривошипный привод с двухколенным валом со сдвинутыми примерно на 70° шейками. Это обеспечивало неплохой рабочий процесс, но машины вибрировали— уравновесить такой привод полностью невозможно. В следующих модификациях появился параллело-граммный привод. Вибрация практически исчезла (редкая удача!), но рабочий процесс слегка ухудшился. Из двух зол выбирают меньшее: нет вибрации —выше надежность.
привода — максимально приблизить овал к идеальным очертаниям, не ухудшая механических качеств двигателя.
Параллелограммный привод, примененный голландскими инженерами для усовершенствованной модели, соответствовал этому условию лишь частично. Гораздо лучшее решение (рис. 15) предложили узбекские ученые и инженеры Т. Я. Умаров, В. С. Трухов, Ю. Е. Ключевский, Н. В. Борисов, Л. Д. Меркушев — сотрудники отдела гелиофизики Физико-технического института АН Узбекской ССР.
В старом приводе (рис. 15, а) траектория точек кривошипа, определяющих движение поршней, — окружность. В новом приводе (рис. 15, б) для поршня-вытеснителя— окружность, для рабочего — эллипс. Это позволяет, сохранив все преимущества параллелограммно-го привода, добиться лучшего согласования движения поршней и приблизить реальный цикл к идеальному. Решение защищено авторским свидетельством № 273583.
Главный недостаток «стерлингов» — громоздкость. На 1 л. с. мощности в построенных конструкциях
приходится 4—5 кг против 0,5—1,5 кг в обычных
двигателях. Сбавить вес могут помочь несколько
изобретений Т. Я. Умарова, В. С. Трухова и Ю. Е. Ключевского. В двигателе по а.
с. № 261028 поршень-вытеснитель на отдельных этапах
своего движения выполняет функции поршня рабочего, т. е. используется более
эффективно. Взгляните на рис. 15, в. Когда оба поршня движутся вверх, в
сжатии участвует и тот и другой. Достигнуто
это благодаря тому, что рабочий поршень размещен внутри поршня-вытеснителя. То же самое происходит в момент расширения — рабочего хода. В итоге более равномерно нагружен привод, увеличивается доля рабочего хода в общем цикле, сокращены габариты и, следовательно, вес машины.
Еще меньшие размеры имеет двигатель по а. с. № 385065 тех же авторов (рис. 15, г). Помимо размещения рабочего поршня внутри поршня-вытеснителя, последний выполнен с замкнутой внутренней полостью, в которой размещен привод, состоящий т коленчатого вала и пары конических шестерен. -Интерес ташкентских ученых к двигателям внешнего сгорания — не просто увлечение модной темой. Они необходимы им как один из элементов простых, надежных и эффективных гелиосистем. Собранные в пучок солнечные лучи приведут в движение «стирлинг» любой мыслимой конструкции, и эффективность такой системы существенно превысит эффективность солнечных батарей- или тепло-аккумуляторов.
 |
Трубки позволили изобретателям найти правильное решение одной из проблем двигателей внешнего сгорания— неравномерного отбора тепла. В тепловых циклах обычных ДВС подвод тепла проводится в строго определенное время. А в двигателях внешнего сгорания нагрев головки идет постоянно. В результате в моменты, когда отбора тепла нет, головки перегреваются. Приходится снижать температуру нагрева, а это прямо сказывается на КПД: чем ниже температура, тем он ниже. Обидно, но ничего не поделаешь: применение термостойких материалов снижает коэффициент теплопередачи, применение теплопроводных — требует снизить допустимую температуру нагрева головки.
Двигатель Андреева и Меркулова двухстороннего действия. Когда рабочий ход с одной стороны поршня заканчивается, тепловые трубки «перекачивают» избыток тепла в противоположную камеру нагрева. Тем самым температура зоны нагрева выравнивается и ее можно существенно повысить. Двухсторонним действием новый «стерлинг» обязан механизму С. Баландина. Из всех известных только механизм С. Баландина позволяет осуществить двухстороннее действие с максимальной выгодой при минимальном увеличении габаритов и максимально возможном механическом КПД.
В двигателе Андреева—Меркулова поршни-вытеснители 2 и основные рабочие поршни 1 установлены в отдельных цилиндрах, а с каждой стороны поршня расположена самостоятельная камера. Камеры попарно соединены между собой трубопроводами, на которых укреплены ребра холодильников. В каждой паре камер осуществляется цикл одноцилиндрового «стирлинга».
На схеме, иллюстрирующей принцип действия одно
цилиндрового «стирлинга» (см. рис. 14), хорошо видна асинхронность движения поршней, обеспечиваемая па-раллелограммным механизмом. Тот же эффект достигается и в бесшатунном механизме С. Баландина и в любом другом многошатунном механизме, если шейки коленчатого вала сместить на некоторый угол.
Коэффициент полезного действия уже построенных двигателей внешнего сгорания достигает 40%. По расчетам В. Андреева и А. Меркулова повысить его минимум на 15% можно, только применив тепловые трубки. Не меньше даст механизм С. Баландина. Реальный КПД машины приблизится к теоретическому— 70% f Это почти вдвое выше, чем у лучших ДВС нашего времени. Прибавьте сюда «стерильность» двигателя Стирлинга.
За рубежом испытывали двигатель внешнего сгорания для легкового автомобиля. Оказалось, что концентрация СО в выхлопных газах понизилась в 17—25 раз, окислов азота — почти в 200 (!), углеводородов — в 100 раз.
«Стирлинг», спроектированный В. Андреевым и А. Меркуловым, при мощности 50 л. с. весит 70 кг, или 1,4 кг/л. с. — на уровне лучших образцов карбюраторных автомобильных двигателей. И это не преувеличение. В результате использования механизма С. С. Баландина сократился габарит, а от -давления в картере авторы избавились установкой на штоке перекатывающейся резиновой мембраны, которая способна выдерживать давления до 60 кг/см2 (обычно в запоршневом пространстве этих двигателей около 40 кг/см2). Тепловые трубки увеличили мощность при тех же габаритах. Вскоре после получения авторского свидетельства изобретатели обнаружили выданный чуть позднее фирме «Дженерал моторе» патент США, где оговорено применение тепловых трубок для подвода тепла внутрь двигателя внешнего сгорания. Смысл один, суть несколько разная.
Двигатели внешнего сгорания известны более 150 лет. Коэффициент полезного действия первого из них был равен 0,14 %! Можно сказать, что родились они раньше времени. Существенные недостатки долгое время держали их на «задворках». Всплески технической мысли, подобные идее В. Андреева и А. Меркулова, открывают перед ними зеленую улицу.
Существует и другой интереснейший путь приближения эффективности «стерлингов» к теоретической, также найденный советскими учеными — сотрудниками Института ядерной энергетики АН БССР. В ряде авторских свидетельств № 166202, 213039, 213042, 201434. авторами которых являются И. М. Ковтун, Б. С. Стрчкин, А. Н. Наумов, С. Л. Косматое, излагаются способы, позволяющие обойти вековечный запрет термодинамики и построить тепловые машины с эффективностью выше, чем у цикла Карно. Это утверждение, опровергающее азбучные истины, известные всем теплотехникам, звучит на первый взгляд парадоксально. И вместе с тем такие машины возможны. Во всех без исключения фундаментальных трудах, посвященных тепловым машинам, предполагается, что свойства рабочих тел — газов во время работы не меняются. Суть пути, предложенного белорусскими учеными, — изменение этих свойств. Последнее возможно, если во время цикла в рабочих газах или их смесях происходят обратимые химические реакции. Так, например, термический КПД турбины может быть увеличен втрое, если при нагреве рабочее тело будет диссоциировать, а при бхлаждении рекомби-нировать. Такими телами могут быть газообразная сера, йод, окислы азота, кобальт, треххлористый алюминий.
В частности, треххлористый алюминий уже сейчас рассматривается как перспективное рабочее тело для «гелиостирлингов», работать которым предстоит в космосе. Главная проблема при этом — отвод тепла от холодильника. Иного пути, чем излучение тепла в пространство, там нет. Чтобы этот процесс был эффективным, температура холодильника-радиатора должна быть достаточно высокой, не менее 300° С. Верхний же предел температуры такой же, как на Земле: от 600 до 800° С. Его ограничивает теплостойкость существующих материалов. В этих условиях эффективность обычного «стирлинга» существенно снижается, а применение диссоциирующего газа позволит не только в 2—3 раза увеличить мощность, но и примерно вдвое повысить КПД.
Несомненно, что от таких преимуществ грех отказываться и на Земле. Поэтому тем, чья деятельность связана с тепловыми машинами, можно порекомендовать внимательнейшим образом изучить работы белорусских ученых. В них таятся и возможность создания крупных
тепловых машин с КПД, близким к 100%, и база для постройки автомобильных двигателей внешнего сгорания невиданной экономичности.
Первые положительные результаты уже имеются. Голландские инженеры заставили рабочее тело холодильной машины, работающей по циклу Стирлинга, совершать фазовые превращения и вдвое увеличили ее холодопроизводительность. Теперь дело за двигатели-стами!
Паровые двигатели. Повествуя о двигателях внешнего сгорания, нельзя не упомянуть о паровых машинах. Этот вид привода, еще 100 лет назад бывший самым распространенным, сегодня расценивается как экзотический. А объясняется это лишь тем, что ДВС практически вытеснили паровые машины с автомобилей, хотя мелкосерийное производство паромобилей существовало вплоть до... 1927 г.
Энтузиасты пара приводят много доводов в пользу возрождения двигателя наших дедов. И в первую очередь соображения о высокой «стерильности» двигателя. В этом отношении паровая машина имеет те же преимущества, что и двигатель Стирлинга: в продуктах сгорания теоретически присутствуют лишь двуокись углерода и водяной пар, а количество окиси азота может быть даже еще меньшим, так как требуемая температура гораздо ниже. Кроме того, в результате более полного сгорания общее количество «выхлопа» по сравнению с ДВС ниже примерно на 1%.
Отнюдь не низок и КПД современных паровых машин. Он может быть доведен до 28% и, таким образом, быть соизмеримым с КПД карбюраторных ДВС. При этом следует отметить, что, например, общая эффективность электромобилей (с учетом процесса получения электроэнергии) не превышает 15%, т. е. в глобальном масштабе парк «стирлингов» и паромобилей загрязнял бы атмосферу практически вдвое меньше, чем аналогичный парк электроэкипажей. А если учесть и исключительные эксплуатационные качества паровых машин, то возобновление интереса к ним уже не кажется сколь-либо необоснованным. О возобновлении интереса свидетельствуют не только журнальные статьи и «свежие» патенты, но и торговля патентами на паровые машины.
Принципиальная схема одноконтурного варианта автомобильного парового двигателя приведена на
рис. 17. Источник тепла / доводит до кипения рабочую жидкость в котле 2. Именно «рабочую жидкость», так как ею может быть не только вода, но и другие агенты с приемлемыми температурами кипения (конденсации) и теплотехническими .параметрами. Одним из перспективных агентов является, например, фреон-113, температура кипения которого (48° С) вдвое ниже, че*і у воды.
Через распределительный механизм 3 пар поступает в собственно паровой двигатель 4. Отработанный пар конденсируется потоком воздуха от вентилятора 5 в конденсаторе 6, предварительно отдав часть тепла жидкости в рекуперативном теплообменнике 7. В теплообменник и далее в котел жидкость подается насосом 8. Такие элементы схемы, как двигатель 4, конденсатор £ (радиатор) и насос 8, входят в состав любого автомобиля. Добавляются только котел 2 с нагревателем / и теплообменник 7.
В качестве двигателя 4 могут быть использованы практически
любые как поршневые, так и ротационные машины или даже турбины. Поэтому к
паровому при
воду применимы почти все технические решения, описанные в настоящей брошюре.
Преимущества описанных механизмов в сочетании с особенностями паровых машин позволят создать высокоэффективные приводы транспортных средств. Ведь азбучные достоинства современных автомобилей — бесшумность, приемистость, плавность хода — относительны. Истинному смыслу этих слов в полной мере соответствуют как раз паромобили. В них нет резкой смены давления при выхлопе, а следовательно, нет главного источника шума, а заодно и системы глушения звука выхлопа. Мало кто мог в последнее время видеть паромобиль. А вот паровозы помнят, наверное, все. Вспомним, что даже с тяжелым составом трогались с места они абсолютно бесшумно и исключительно плавно.
Плавность хода и необыкновенная приемистость паромобилей объясняются тем, что характеристика паровой машины качественно отличается от характеристики ДВС. Даже при минимальном числе оборотов в минуту ее крутящий момент не менее чем в 3—5 раз выше крутящего момента ДВС с сопоставимой мощностью при оптимальном числе оборотов. Высокий крутящий момент обеспечивает великолепную динамику разгона паромобиля. Если карбюраторные ДВС мощностью 50 л. с. обеспечивают разгон автомобиля до скорости 100 км/ч приблизительно за 20 с, то паровой машине для этого нужно вдвое меньше времени.
Немаловажно и то, что никакого переключения передач при разгоне не требуется, высокий крутящий момент у парового двигателя сохраняется во всем диапазоне числа оборотов — от нуля до максимальных. Коробки передач тут просто не нужны. Вспомните: у тех же паровозов их никогда не было. Достоинством парового двигателя является и относительно низкое число оборотов, что, в свою очередь, обусловливает повышенную долговечность. Даже при передаточном отношении от колес к двигателю, равном единице, обороты не превысят 2000—3000 в минуту при скорости экипажа до 200 км/ч (!), а обычный интервал оборотов ДВС — 3000—6000 об/мин.
Но несмотря на низкое число оборотов, удельные мощностные показатели парового двигателя превосходят аналогичные показатели ДВС. Например, получить у парового двигателя удельную мощность в 400—
600 л. с./л (при 2500—3000 об/мин) совсем не трудно. Удел обычных ДВС всего 50—100 л. с./л и только отдельные двигатели с механизмом С. Баландина имеїрт похожие показатели.
Ну и, наконец, надежность паровых машин занимает отнюдь не последнее место в ряду их достоинств. Цще и сейчас можно встретить на запасных путях работающие паровозы постройки начала века. И их паровые двигатели в полной исправности. Причины тому — Низкое число оборотов, постоянство температурного режима (температуры пара), низкий уровень максимальных температур — в 5—6 раз меньше, чем в ДВС, полное отсутствие таких неприятных процессов, как нагарооб-разование и закоксование, и абсолютная чистота рабочего агента, циркулирующего в замкнутом контуре (в ДВС полную очистку воздуха осуществить не удается).
Естественно, возникает вопрос, какие же причины мешают паровой машине вновь занять достойное место в ряду современных двигателей?
В первую очередь это малая экономичность и, как следствие, повышенный в 1,5—3 раза расход топлива. Коэффициент полезного действия поршневых паровых машин только может быть доведен до 28%, а у построенных образцов он существенно ниже. Ведь КПД паровозов, на которых паровая машина существовала дольше всего, уже стал синонимом низкой эффективности: он едва достигал 10% у лучших моделей с частичной обратной конденсацией пара. Правда, цикл паровых машин был разомкнут. Применение замкнутых циклов с эффективными регенеративными теплообменниками позволит существенно перешагнуть 10-проценхный рубеж. А в одном из сообщений, посвященном «новому» паровому двигателю, указывалось, что эффективность генератора пара (котла) равна 90%. Примерно той же величиной характеризуется эффективность процесса сгорания ДВС. Но и даже при более высоком расходе топлива эксплуатационные расходы на паромобиль могут быть близки к его бензиновому конкуренту, так как сжигать можно самое дешевое топливо.
Вторая причина — это высокая стоимость силовой установки. Третьей причиной считается большой вес па
ровой машины. Однако уже из вышеизложенного следует, что общий вес сравниваемых экипажей будет практически одинаков. Таким образом, в настоящее время нет никаких серьезных причин, мешающих паровой машине вновь занять достойное место в ряду необычных двигателей.
www.ahmerov.com
ПОЛИГОН
«Эриксон», или двигатель-надежда
В конце XVIII — начале XIX века многие страны прошли через эпоху справедливейшего мироустройства. Основу производства составляли мелкие мастерские. Трудился в такой мастерской обычно сам хозяин и его семья, лишь изредка брали работника со стороны. В отношениях между мастерскими господствовали честь и совесть. Трудолюбивые и умные богатели.
Идиллия была сметена фабричным производством, завалившим рынок дешевым товаром. Миллионы ремесленников пошли по миру. Горячие головы, чтобы сохранить сложившийся уклад, задумались о революции. Другие начали искать более тонкое решение, рассуждая так: что делает фабричную продукцию столь дешевой?
Паровая машина. Для ремесленника она слишком дорога. Однако, если дать ему маленький дешевый двигатель, то он за себя еще постоит!
Первым такой двигатель попытался создать в 1816 году Роберт Стирлинг, министр по делам церкви Шотландии.
Работал двигатель за счет расширения воздуха при нагревании. Вместе с братом Джеймсом, Р. Стирлинг работал над своим детищем на протяжении шестидесяти (!) лет, но успеха не добился. Сказалась нехватка технических знаний. Лучше подготовлен оказался офицер шведской армии, инженер Джон Эриксон, изобретатель винтовых пароходов и броненосных судов, конструктор паровозов.
Уже в 1833 году он установил в Лондоне воздушный тепловой двигатель мощностью в пять лошадиных сил.
От двигателя Стирлинга этот мотор отличался конструктивно. Был прост в изготовлении и выпускался в разных странах почти столетие. Топливом для «эриксона» служило все, что могло гореть: светильный газ, дрова, даже мусор. Стоило зажечь огонь, и через пару минут двигатель начинал работать. (Паровым машинам на это требовался час.)
При самом скромным уходе «эриксоны» работали десятки лет и, конечно, ремесленники охотно их покупали. Увы, спасти «золотой век» кустарного производства не удалось.
Но не двигатель Эриксона, конечно, тому виной. Машина настолько оригинальна, что используется и в наше время.
Рассмотрим вкратце принцип его работы (рис. 1).
Рис. 1
Сначала насос закачивал в резервуар воздух. Отсюда он попадал в рабочий цилиндр, дно которого подогревалось огнем топки. Воздух нагревался, расширялся и толкал поршень. А при обратном ходе поршень выталкивал его в атмосферу. Однако, выпустить воздух горячим означало даром выбросить тепло, ради которого сжигалось топливо.
Не выпускать его — вал не сможет вращаться. Джон Эриксон блестяще разрешил это противоречие, заставив воздух перед выходом в атмосферу пройти через регенератор — пакет металлических сеток. Им он отдавал запасенное тепло и выходил уже холодным. Следующая порция воздуха попадала в цилиндр, проходя через нагретый уже регенератор. Потому тепла для ее нагревания в цилиндре требовалось меньше.
Управлял потоками воздуха кран-золотник. Когда его канал занимал вертикальное положение, воздух, пройдя регенератор, уходил в атмосферу. При горизонтальном положении золотника воздух выходил из резервуара, шел через регенератор в другом направлении, нагревался и поступал в рабочий цилиндр.
Неудивительно, что «эриксоны» получились очень экономичными. Изобретатель полагал даже, что правильно сделанному двигателю топливо требуется лишь для запуска, а дальше он сможет работать за счет тепла, запасенного в регенераторе, и свою работу он называл первым удачным решением проблемы вечного движения.
Это было заблуждение. В то время еще не было известно о превращении теплоты в работу. Между тем часть тепла в любом двигателе обязательно в нее превращается.
Регенератор же мог сберечь лишь то, что осталось — неиспользованную часть тепла и всего лишь понижал расход топлива.
В 1852 году Эриксон решил построить воздушную тепловую машину мощностью в 1000 л.с. для корабля «Эриксон». Она имела четыре цилиндра с диаметром поршней 4,2 м при ходе 1,5 м и работала со скоростью девять оборотов в минуту. В нью-йоркской газете «Дейли таймс» от 12 января 1853 г. описано, как корреспондент поднимался и опускался, стоя на поршнях этого монстра. Мощность машины достигла лишь 220 л.с., а расход топлива оказался даже больше, чем у паровых машин. На сей раз даже блестящему практику Д. Эриксону не хватило теоретических знаний. Его попытка пересечь океан закончилась неудачей из-за поломки двигателя.
С тех пор не строили воздушные тепловые машины большой мощности. Одна- две лошадиные силы для привода станка или водяного насоса, несколько десятков ватт для настольного вентилятора — вот мощности, где их применяли.
Однако наличие золотника и клапанов сильно усложняло машину. Оставив в ней все ценное, что разработал Эриксон, последующие изобретатели добавили к ней так называемым вытеснитель — элемент, разработанный еще Стирлингом.
Получился простой и надежный двигатель совсем без клапанов. На рисунке 2 приведена схема его демонстрационной модели.
Она имеет рабочий цилиндр и сообщающийся с ним особый цилиндр, в котором происходит нагревание и охлаждение воздуха. Дно его подогревается горелкой, а верхняя крышка охлаждается водой. В этом цилиндре и перемещается вытеснитель — цилиндр, расположенный внутри основного, с зазором между стенками. Когда он движется вниз, воздух, касаясь раскаленного дна, нагревается, расширяется. Происходит рабочий ход.
Когда рабочий цилиндр выталкивает воздух, вытеснитель идет вверх, и воздух охлаждается, соприкасаясь с верхней холодной крышкой. При этом воздух передает свое тепло вытеснителю, и он становится регенератором.
Рабочий цилиндр модели можно изготовить из куска латунной трубки, а вытеснительный цилиндр — из консервной баночки от детского питания. Ее прочно заделанное дно выдержит высокую температуру горелки. Сам вытеснитель сделан из дерева. Его верх и низ обшиты тонкой листовой медью. Охлаждаемая крышка вытеснительного цилиндра припаивается после установки вытеснителя.
В весьма обстоятельной книге С. Баранова «Действующие модели тепловых машин», ОНТИ, 1936 г., модель воздушного теплового двигателя рассматривается как очень простая, потому, видимо, ей отведено лишь несколько страниц без рабочего чертежа. Изготовление модели следует начать с вычерчивания эскиза в масштабе применительно к размеру имеющихся заготовок. Коленчатый вал делается из стали-серебрянки диаметром 4–6 мм. Для этого на стержень напаяйте щеки кривошипов (рис. 3) со вставленными в них штифтами.
Части, показанные красным цветом, нужно выпилить. Кривошипы закрепляются под углом 90 градусов.
По принципу этой демонстрационной модели работают современные двигатели Стирлинга. Рабочим телом в них служит не воздух, а гелий под давлением 200–300 атмосфер. Благодаря этому они получаются легкими и компактными, а по экономичности сравнимы с дизелями. Ожидается, что «стирлинг» может стать идеальным, экологически чистым и бесшумным двигателем для автомобиля.
Однако, несмотря на сотни миллионов долларов, истраченных США на его разработку, пока имеются лишь экспериментальные образцы.
Если вас всерьез заинтересует эта проблема, найдите изданную в 1985 г. книгу Г. Уокера «Двигатели Стирлинга». Не исключено, что и сегодня «стирлинг» ждет своего Эриксона, и модель станет вашим первым шагом на этом пути.
А. ИЛЬИН, рисунки автора.
librolife.ru
Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания. Техническим результатом изобретения является увеличение мощности на единицу массы двигателя и, как следствие, повышение экономической эффективности. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель включает нагреватель, рабочий цилиндр с поршнем, штоком и шатуном; цилиндр компрессора с поршнем, штоком и шатуном; коленчатый вал, регенератор надпоршневого пространства, регенератор подпоршневого пространства, охладитель, впускной клапан надпоршневого пространства, впускной клапан подпоршневого пространства, выпускной перекидной клапан надпоршневого пространства, выпускной перекидной клапан подпоршневого пространства. Рабочий цилиндр может иметь также нагрев, а цилиндр компрессора - охлаждение. Диаметр рабочего цилиндра больше диаметра цилиндра компрессора. Заявляемый двигатель - двойного действия с замкнутым тепловым циклом, подобным циклу классического двигателя Эриксона с теоретическим коэффициентом полезного действия до 70%. Замкнутый тепловой цикл позволяет использовать в качестве рабочего тела азот, диоксид углерода, инертные газы, их смеси и другие газы. Нагрев рабочего тела производится в общем котле-нагревателе и рабочем цилиндре, а охлаждение в общем охладителе и цилиндре компрессора по замкнутому тепловому циклу с начальным давлением рабочего тела, газа выше атмосферного. 1 ил.
Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания типа Эриксон.
Наиболее близким по технической сути, аналогом и прототипом, является двигатель внешнего сгорания Эриксона [1, стр. 4, рис. 1]. В двигателе Эриксона нагрев рабочего тела, газа происходит при постоянной температуре, это примерно изотермический процесс. Классический двигатель Эриксона в качестве рабочего тела использует атмосферный воздух, а охладитель - атмосфера с ее давлением и температурой. Такой двигатель получается с малой удельной мощностью в отношении массы двигателя, очень тяжелый и дорогой. Теоретический коэффициент полезного действия двигателей внешнего сгорания может достигать 70% [1, стр. 7].
Задачей изобретения является при сохранении достоинства прототипа как высокий теоретический коэффициент полезного действия, конструкцию сделать не дорогой, увеличить мощность на единицу массы, предусмотреть возможность двойного действия двигателя. Указанный технический результат достигается тем, что используется замкнутый цикл с охладителем и рабочим телом, газом или паром, давления выше атмосферного. При равных перепадах температур линейное увеличение начального давления в охладителе вызовет, приведет к примерно линейному увеличению перепада давления или увеличения объема рабочего тела при этом нагреве. Следовательно, примерно линейно увеличится удельная мощность в отношении массы двигателя. Используя, как рабочее пространство, объем над и под поршнями, рабочим цилиндром и цилиндром компрессора, получим двигатель двойного действия. Как следствие, все это сделает двигатель типа Эриксон с замкнутым циклом, имеющим мощность на единицу массы двигателя больше, чем у прототипа.
Сопоставимый анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА имеет выше мощность на единицу массы двигателя в сравнении с прототипом. Автору не известна подобная конструкция. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в нем признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
Сущность технического решения подтверждается чертежом (фиг. 1), на котором представлен вариант конструкции ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА двойного действия, где один общий нагреватель 1; рабочий цилиндр 2, его поршень со штоком 13 и шатуном 11; цилиндр 4 компрессора и его поршень со штоком 14, шатун 12; регенератор 3 надпоршневого пространства; один общий охладитель 5; регенератор 15 подпоршневого пространства; впускные клапаны 6, 8 рабочего цилиндра 2; выпускные и перекидные клапаны 7 и 9 рабочего цилиндра; впускные клапаны 18 и 19 цилиндра компрессора; выпускные и перекидные клапаны 16 и 17 цилиндра компрессора; коленчатый вал 10. В заявляемом двигателе двойного действия нагреватель 1 общий и работает весь цикл, а охладитель 5 рабочего тела общий и работает весь цикл. Рабочий цилиндр 2 может иметь также нагрев, а цилиндр 4 компрессора - охлаждение.
Регенератор 3 нагревается отработанным горячим газом из надпоршневого пространства рабочего цилиндра 2, этот газ попадает через охладитель 5 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора во время выпуска, а нагревает охлажденный газ, поступающий из цилиндра 4 компрессора через регенератор 3 в нагреватель 1 и надпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода.
Регенератор 15 нагревается отработанным горячим газом из подпоршневого пространства рабочего цилиндра 2, этот газ поступает через охладитель 5 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора во время выпуска, а нагревает охлажденный газ, поступающий из цилиндра 4 компрессора в нагреватель 1 и подпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода. Впускной клапан 6 открыт только во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2. Впускной клапан 8 открыт только во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2. Выпускной перекидной клапан 7 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из надпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 7 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из подпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Поршень 13 со штоком рабочего цилиндра 2 и поршень 14 со штоком цилиндра 4 компрессора двигаются в противофазе. Выпускной перекидной клапан 16 закрывает выпускной канал цилиндра 4 компрессора во время выпуска в надпоршневом пространстве и одновременно открывает канал поступления горячего отработавшего газа из надпоршневого пространства рабочего цилиндра 2 через регенератор 3, охладитель 5 и клапан 19 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 16 открывает, при рабочем ходе в надпоршневом пространстве, канал поступления холодного газа из цилиндра 4 компрессора через регенератор 3 и нагреватель 1, клапан 6 в рабочий цилиндр 2. Выпускной перекидной клапан 17 закрывает выпускной канал цилиндра 4 компрессора во время выпуска в подпоршневом пространстве и одновременно открывает канал поступления горячего отработавшего газа из подпоршневого пространства рабочего цилиндра 2 через регенератор 15, охладитель 5 и клапан 18 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 17 открывает, при рабочем ходе в подпоршневом пространстве, канал поступления холодного газа из цилиндра 4 компрессора через регенератор 15 и нагреватель 1, клапан 8 в рабочий цилиндр 2. Заявляемый двигатель двойного действия, с замкнутым тепловым циклом, имеет технологию тепловых процессов, подобную прототипу, следовательно, теоретический коэффициент полезного действия до 70%, а мощность, в соответствии с начальным давлением рабочего тела, на единицу массы двигателя выше, чем у прототипа.
Для понимания сущности технического решения предлагаемого автором приведу подробное описание ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА. На фиг. 1 представлен вариант конструкции заявляемого двигателя двойного действия, где один общий нагреватель 1; рабочий цилиндр 2, его поршень со штоком 13 и шатуном 11; цилиндр 4 компрессора и его поршень со штоком 14, шатун 12; регенератор 3 надпоршневого пространства; один общий охладитель 5; регенератор 15 подпоршневого пространства; впускные клапаны 6, 8 рабочего цилиндра 2; выпускные и перекидные клапаны 7 и 9 рабочего цилиндра; впускные клапаны 18 и 19 цилиндра компрессора; выпускные и перекидные клапаны 16 и 17 цилиндра компрессора; коленчатый вал 10.
В заявляемом двигателе двойного действия нагреватель 1 общий и работает весь цикл, охладитель 5 рабочего тела общий и работает весь цикл. Рабочий цилиндр 2 может иметь также нагрев, а цилиндр 4 компрессора - охлаждение. Регенератор 3 нагревается отработанным горячим газом из надпоршневого пространства рабочего цилиндра 2, этот газ попадает через охладитель 5 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора во время выпуска, а нагревает охлажденный газ, поступающий из цилиндра 4 компрессора через регенератор 3 в нагреватель 1 в надпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода. Регенератор 15 нагревается отработанным горячим газом из подпоршневого пространства рабочего цилиндра 2, этот газ поступает через охладитель 5 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора во время выпуска, а нагревает охлажденный газ, поступающий из цилиндра 4 компрессора в нагреватель 1 и подпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода. Впускной клапан 6 открыт только во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2. Впускной клапан 8 открыт только во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2. Выпускной перекидной клапан 7 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из надпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 7 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из подпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Поршень 13 со штоком рабочего цилиндра 2 и поршень 14 со штоком цилиндра 4 компрессора двигаются в противофазе. Выпускной перекидной клапан 7 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из надпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 7 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из подпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Поршень 13 со штоком рабочего цилиндра 2 и поршень 14 со штоком цилиндра 4 компрессора двигаются в противофазе. Выпускной перекидной клапан 16 закрывает выпускной канал цилиндра 4 компрессора во время выпуска в надпоршневом пространстве и одновременно открывает канал поступления горячего отработавшего газа из надпоршневого пространства рабочего цилиндра 2 через регенератор 3, охладитель 5 и клапан 19 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора.
Выпускной перекидной клапан 16 открывает, при рабочем ходе в надпоршневом пространстве, канал поступления холодного газа из цилиндра 4 компрессора через регенератор 3 и нагреватель 1, клапан 6 в рабочий цилиндр 2. Выпускной перекидной клапан 17 закрывает выпускной канал цилиндра 4 компрессора во время выпуска в подпоршневом пространстве и одновременно открывает канал поступления горячего отработавшего газа из подпоршневого пространства рабочего цилиндра 2 через регенератор 15, охладитель 5 и клапан 18 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 17 открывает, при рабочем ходе в подпоршневом пространстве, канал поступления холодного газа из цилиндра 4 компрессора через регенератор 15 и нагреватель 1, клапан 8 в рабочий цилиндр 2. Поршень 17 со штоком рабочего цилиндра 2 через шатун 11, а поршень 14 со штоком цилиндра 4 компрессора через шатун 12 двигаются в противофазе коленчатым валом 10. Впускные клапаны 6, 8, 18, 19 и выпускные перекидные клапаны 7, 9, 16, 17 можно приводить в движение от коленчатого вала 10 в соответствии с фазами рабочего хода или выпуска в над-, подпоршневых пространствах рабочего цилиндра 2 и цилиндра 4 компрессора. Рабочее тело, газ перемещается через нагреватель 1 только во время рабочего хода и в одном направлении, в рабочий цилиндр 2. Отработавший газ перемещается через охладитель 5 во время выпуска в одном направлении через регенераторы 3, 15 в цилиндр 4 компрессора, минуя нагреватель 1. Это улучшает технологию тепловых процессов. Заявляемый двигатель имеет технологию тепловых процессов, подобную прототипу, следовательно, теоретический коэффициент полезного действия до 70%.
Заявляемый двигатель имеет замкнутый тепловой цикл, при равных перепадах температур линейное увеличение начального давления в охладителе вызовет, приведет к примерно линейному увеличению перепада давления или увеличения объема рабочего тела при этом нагреве. Следовательно, примерно линейно увеличится удельная мощность в отношении массы двигателя. Заявляемый двигатель имеет замкнутый тепловой цикл, что позволяет использовать в качестве рабочего тела азот, диоксид углерода, инертные газы, их смеси и другие газы. Конструкция двигателя двойного действия также увеличивает удельную мощность. Следовательно, мощность на единицу массы двигателя выше, чем у прототипа.
Следовательно, производство поршневых двигателей с замкнутым циклом будет экономически эффективнее, чем классического двигателя Эриксона.
Источники информации
1. Г.В. Смирнов. Двигатели внешнего сгорания. - М.: Знание, 1967. 30 с.
2. Г. Уокер. Машины, работающие по циклу Стерлинга. - М.: Энергия, 1978. 152 с.
Поршневой двигатель замкнутого цикла двойного действия, включающий в себя нагреватель; рабочий цилиндр с нагревом, с поршнем, штоком и шатуном; цилиндр компрессора с охлаждением, с поршнем, штоком и шатуном; при этом диаметр рабочего цилиндра больше диаметра цилиндра компрессора, коленчатый вал; регенератор надпоршневого пространства; регенератор подпоршневого пространства; охладитель, впускные клапаны надпоршневого пространства; впускные клапаны подпоршневого пространства, выпускные перекидные клапаны надпоршневого пространства; выпускные перекидные клапаны подпоршневого пространства, отличающийся тем, что процесс нагрева, регенерации и охлаждения рабочего тела регулируется клапанами, с тем чтобы нагрев производился только во время рабочего хода одновременно нагревателем и нагреваемым рабочим цилиндром, или одним нагревателем, рабочий поршень и компрессорный поршень двигаются в противофазе в надпоршневом и подпоршневом пространстве цилиндров двигателя, а охлаждение, при выпуске отработавшего рабочего тела из рабочего цилиндра, производилось одновременно охладителем и охлаждаемым цилиндром компрессора, или одним охладителем, при раздельных регенераторах для подпоршневого и надпоршневого пространства цилиндров двигателя, при замкнутом тепловом цикле и начальном давлении рабочего тела в двигателе выше атмосферного.
www.findpatent.ru
ExploreBooks
Audiobooks
News & Magazines
Sheet Music
Search
UploadSign inJoinclose user settings menuOptions
0.0 (0)
www.scribd.com
Машины, работающие по циклу Стирлинга
Регенеративные машины с клапанным управлением потока рабочего тела (здесь они называются машинами Эриксона), так же как и родственные им машины Стирлинга, разнообразны по типам, формам и габаритам. Иногда классификацию обоих типов машин можно
|
Рис. 6-10. Классификация машин Эриксона. |
Проводить по аналогии; единственное различие между ними — в наличии (или в отсутствии) клапанов, обеспечивающих циклическое изменение потока газа в рабочей полости, обычно предназначаемых для регулирования потока рабочего тела. При таком определении исключаются из рассмотрения газовые клапаны, использующиеся в системе регулирования машин Стирлинга для изменения давления рабочего тела. В данной работе семейство таких машин подробно не рассматривается, но представляется, что краткое сообщение об их основных типах для сравнения с машинами Стирлинга может быть полезным. Возможности же использования любого теоретического или экспериментального материала, рассматриваемого здесь, применительно к машинам Эриксона неизвестны.
«Семейство» машин Эриксона иллюстрируется на рис. 6-10. В большинстве случаев их можно разделить либо на машины вытес - нительного типа, либо на машины с рабочим поршнем. В каждой
3 Заказ № 1035Из этих основных групп Может быть проведена их дальнейшая классификация. Машины вытеснительного типа могут иметь либо постоянный, либо переменный рабочий объем. Машины с рабочим поршнем могут подразделяться на одно - и двухпоршневые.
На рис. 6-11 показаны некоторые из вариантов машин вытеснительного типа, часть из которых хорошо известна по именам их изобретателей. В качестве примера приведена только одна машина
Машины Эриксона вытеснительного типа
I
С постоянным рабочим объемом переменным рабочим объемом
| С приводом вытеснителя от небольшего поршня | С прерывистым движением вытеснителя, управляемого клапаном | |
| С внешним привс | ~>дом вытеснителя | |
| 1 |
| С газовыми клапанами |
| С механическими клапанами |
С регенеративным
Вытеснителем и с независимым рабочим поршнем
|
|
|
Byui |
| Джисрфорд - - Мак-Магон |
Рис. 6-11. Возможные варианты компоновочных схем машин Эриксона вытеснительного типа.
С переменным объемом рабочего тела. Такой была первая машина Джона Эриксона. Она состояла из соединенных (но смещенных по фазе) с помощью кривошипно-шатунного механизма рабочего поршня и регенеративного вытеснителя. В этих же машинах могут быть использованы и клапаны либо с газовым, либо с механическим приводом. Потенциально подобные системы привлекательны для больших установок с ядерными реакторами, в которых рабочее тело машины могло бы использоваться как хладагент для реактора.
Большие возможности имеют машины с постоянным рабочим объемом. Показанные на рис. 6-11 три отдельные группы отличаются по способу привода вытеснителя. Тип машин с внешним приводом вытеснителя и газовыми клапанами запатентован Бушем (Bush) как генератор давления, а машины с механическим приводом кла-
Панов успешно продаются как криогенные машины Джиффорда — Мак-Магона. Машины этих типов были описаны Мартини (Martini, 1968 г.) и Баком (Buck, 1968 г.) в их работах по исследованию в области имплантации искусственного сердца. Оба варианта относятся к машинам типа «двигателей Стирлинга».
| С одним поршнем |
В качестве примера на рис. 6-12 приведено только по одной схеме однопоршневой и двухпоршневой машин Эриксона. Возможны
Машины Эриксона I с раЛачим порш-нем |
I
С двумя поршнями
I
С регенеративным вытеснителем, соединенным с рабочим поршнем
|
|
Джиффорд - ■ Мак - Магон
| С противоточным регенератором
|
Эриксон Схема аналогична варианту с рекуперативным теплообменником
Рис. 6-12. Возможные варианты компоновочных схем машин Эриксона с рабочим поршнем.
Также и другие варианты. Двухпоршневые машины Эриксона могут иметь как регенеративные, так и рекуперативные теплообменники и считаются весьма надежными.
Основными независимо выбранными конструктивными параметрами машины Стирлинга являются следующие: Отношение температур т = ТС/ТЕ, т. е. отношение температуры в полости сжатия к температуре в полости расширения; Отношение вытесняемых объемов k …
Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особенный …
В условиях роста населения Земли и бурного развития энергетики [I] как основы технического прогресса, связанного с интенсивной разработкой, эксплуатацией и истощением природных энергетических ресурсов и, как следствие этого, с ощутимым …
msd.com.ua
Машина, работающая по циклу Стирлинга, представляет собой устройство с замкнутым термодинамическим регенеративным циклом, в котором циклические процессы сжатия и расширения осуществляются при различных уровнях температуры, а управление потоком рабочего тела происходит путем изменения его объема; на этом принципе основано превращение теплоты в работу или наоборот.
Существуют машины, работающие по открытому регенеративному циклу, где управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Точнее, такие машины работают по циклу Эриксона, но на практике различие между ними не слишком существенно и ввиду этого определение «машина Стирлинга» часто относится ко всем без исключения типам регенеративных машин. Это — обобщенное название большого семейства машин с самыми разнообразными функциями, характеристиками и конструкциями. В это семейство входят как ротационные, так и поршневые машины, в конструкции которых используются механизмы различной сложности. Все эти машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, генераторы давления и холодильные установки.
Двигатели Стирлинга часто имеют и другие названия, как, например, тепловые воздушные или тепловые газовые двигатели; присваивают им и специфические названия: двигатели Хейнричи (Heinrici), Робинсона (Robinson) или Ренкина — Напира (Ren- kine — Napier). В результате это приводит к нечеткости терминологии. Можно убедительно показать, что выражение «цикл Стирлинга» применимо только для идеального термодинамического цикла а название «двигатель Стирлинга» — для определенной разновидности машины, которая, кстати сказать, не работает по циклу Стирлинга — положение, не проясняющее данный вопрос. С точки зрения принципа действия рассматриваемого двигателя наиболее
правильным было бы название «тепловая регенеративная машина», но вводить в настоящее время этот термин слишком поздно; поэтому в дальнейшем во всех случаях по-прежнему будет широко использоваться название «двигатель Стирлинга». Четкое различие всегда можно сделать лишь между теми машинами, в которых управление потоком рабочего тела осуществляют либо путем изменения его объема (двигатели Стирлинга), либо с помощью клапанов (двигатели Эриксона). Сделать это можно на том основании, что они имеют совершенно различные характеристики.
Двигатели Стирлинга и Эриксона имеют длинную историю, которая была детально изучена Финкелынтейном (1959 г.)
Машины конца XVIII в. можно считать первенцами тепловых воздушных двигателей, но их основное развитие относится к началу XIX в. Первым работающим двигателем такого типа был, вероятно, тепловой воздушный двигатель открытого цикла, построенный Георгом Кайлеем (George Cayley) в 1807 г. Приблизительно в 1816 г. Робертом Стерлингом (Robert Stirling), священником из Шотландии, был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу. Позднее, шведский изобретатель Джон Эриксон (John Ericsson), работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего XIX в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с современными паровыми машинами. Мощность этих двигателей была небольшая — от 0,185 до 3,7 кВт (от 0,25 до 5 л. е.), но строились также и более мощные. Возможно, что наиболее интересным был двигатель, построенный Эриксоном в 1853 г. для морского судна. Двигатель имел четыре цилиндра и при диаметре поршней 4,27 м, ходе 1,52 м, частоте вращения 9 об/мин развивал мощность около 220 кВт (300 л. е.). Двигатель был установлен на корабле «Эриксон», впоследствии опрокинутом штормом в нью- йоркском порту.
Приблизительно в середине XIX в. был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретеннным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлинга, и к 1914 г. онй уже практически не применялись. Однако производство двигателей Стирлинга специального назначения, как, например, двигателей, работавших на керосине и служащих приводом для вентиляторов, которые использовались в тропических странах, продолжалось в Англии по крайней мере до 1946 г., а модели этих двигателей выпускаются до сих пор.
ctirling.ru
ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВШИЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГАВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК В.В, Юрин, К.О. Смирнов, С.П. Столяров (СПб, ГМТУ)
Успешное окончание испытаний подводной лодки «SAGA I» в 1988 положило начало применению двигателей Стирлинга в энергетических установках боевых подводных лодок. Главные достоинства этих двигателей, определившие их перспективность, состоят в высокой экономичности, возможности работы от различных источников теплоты, хороших вибро-акустических характеристиках. Тепловыделение при внешнем сгорании обеспечивает независимость параметров рабочего процесса от глубины погружения и относительную простоту и надежность внешнего нагревательного контура.
Первый двигатель Р. Стирлинга был построен в 1818 году. Этот был одноцилиндровый двигатель вытеснительного типа. Несколько позже, в 1827 г. Р. Стирлинг предложил использовать вместо атмосферного воздуха химически стойкие газы, в частности, азот и двуокись углерода. Тогда же была разработана система поддержания повышенного давления в рабочем контуре, что обеспечило значительное увеличение мощности двигателя. Эти мероприятия были реализованы в 1843 году, в двигателе, установленном на металлургическом заводе для привода станков. В нем впервые был применен поршень двойного действия, охладители кожухотрубного типа и регенератор с пористой насадкой из тонких металлических полос. Этот двигатель стал также первым многоцилиндровым двигателем этого типа /1/.
Дальнейшие работы над двигателями Стирлинга в значительной степени определялись достижениями в смежных областях, в частности, в металлургии, технологии уплотнений, кинематических механизмов и камер сгорания. Отработка инженерных решений осуществлялась и на других типах двигателей, а именно, на паровых машинах, двигателях внутреннего сгорания, двигателях Эриксона.
С середины 1930-х годов работы по двигателю Стирлинга возобновлены в Голландии на фирме «Филипс». Одна из главных целей этих работ, – обеспечение высокого КПД, – обусловила применение компактных нагревателей, работающих при температуре более 800 К. После окончания Второй мировой войны на фирме «Филипс» был создан ромбический механизм для привода поршней. Практически одновременно были опробованы несколько кинематических схем для двигателей двойного действия, в том числе компактная схема с наклонной шайбой.
В 1960-е годы на фирмах «Филипс» и «Дженерал Моторс» были созданы первые макетные образцы энергетических установок подводного назначения, в том числе с химическим источником теплоты на композиции Na+Li+SF6. В двигателях Стирлинга началось широкое применение гелия в качестве рабочего тела, преднагревателя для повышения эффективности внешнего контура, высокотемпературных сплавов на основе никеля для деталей горячей части двигателя, регенераторов из капиллярной сетки или проволоки /2/.
Применение гелия или водорода обусловило создание штоковых и поршневых уплотнений, работающих либо без смазки, либо с полной герметизацией рабочей полости. Уплотнения, работающие в режиме сухого трения были созданы с использованием материалов на базе фторопласта Ф-4 с наполнением углеродом, дисульфидом молибдена и других компонентов, обеспечивающих высокую несущую способность, интенсивный теплоотвод и антифрикционные свойства.
С целью выравнивания температурного поля нагревателя на фирме «Филипс» впервые были применены системы передачи теплоты в виде тепловых труб или циркуляционных контуров с использованием жидких металлов в качестве теплоносителя. В этих работах были впервые опробованы в качестве источников теплоты тепловые аккумуляторы и воздухо-независимые химические источники теплоты /3/.
Наибольшие успехи в 1970 – 80-х гг. были получены на шведской фирме «Юнайтед Стирлинг». Созданная ими компоновка в виде квадратной четверки с общей камерой сгорания для всех цилиндров на сегодня является единственной, применяемой на подводном флоте. Общая камера сгорания при работе на дизельном топливе и кислороде с коэффициентом избытка окислителя равным 1 для понижения температуры пламени до 2200 К имеет внутреннюю рециркуляцию продуктов сгорания за счет энергии поступающего кислорода.
Кинематический V-образный механизм этих двигателей сочетает в себе компактность, конструктивную простоту и идентичность рабочего процесса в четырех независимых контурах. В 1980-е гг. на ряде фирм, в том числе фирмой «Санпауэр», были созданы Стирлинг–генераторы в капсулированных вариантах с общим прочным корпусом для кривошипно-шатунного механизма и электрогенератора. В этих двигателях исключается потеря рабочего тела через уплотнения в подвижных деталях и значительно упрощаются проблемы, относящиеся к поршневым и штоковым уплотнениям.
Появлению первого двигателя Стирлинга на подводной лодке предшествовали работы фирмы «Юнайтед Стирлинг» (в настоящее время входит в состав концерна «Кокумс»), в которых опытные образцы последовательно отрабатывались в лабораторных условиях, в составе наземных макетов отсека подводной лодки и в герметизированных автономных модулях, которые на заключительной стадии испытаний погружались под воду.
Список литературы. 1. Столяров С. П., Медведев В. В. Эволюция поршневых энергетических машин. Хронологические таблицы (период до 1850 г.). Часть 1. СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2001. 108 с. 2.Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Сокр. пер. с англ. Б. В. Сутугина и Н. В. Сутугина. – М.: Машиностроение, 1985. – 408 с., ил. 3. Hargreaves C.M. The Philips Stirling Engine. – Amsterdam: Elsevier, 1991. – 457 c.
stirlinglab.flybb.ru
