Двигатели стирлинга. Области применения (стр. 2 из 6)

Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлинга как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регенеративному циклу (Схема 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 эти 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.

2. Классификация двигателей

Предлагаемая схема классификации и идентификации двигателей Стирлинга включает следующие три признака:
а) режим работы;
б) способ соединения цилиндров;
в) способ соединения поршней.

Каждый признак включает несколько подпризнаков и в пределах каждого подпризнака возможны еще дополнительные деления. Очевидно, что предлагаемая схема не сможет охватить всех форм двигателя, однако классификация по трем основным признакам могла бы в конечном свете помочь систематизировать все существующие и будущие его формы.

а. Режим работы

Выделены следующие шесть режимов работы двигателей Стирлинга:

1а) двойного действия;

1б) простого действия;

2а) однофазный;

2б) многофазный;

3а) резонансный;

3б) нерезонансный.

Термины «однофазный» и «многофазный» относятся к физическому состоянию рабочего тела. До появления «мокрого» «Флюидайна» не было необходимости в описании фазового состояния, однако после успешной разработки «Флюидайна» ряд исследований выявил преимущества использования многофазного рабочего тела и в двигателях Стирлинга других видов. Аналогично с изобретением свободнопоршневых форм двигателя потребовалось выделение третьей группы режимов работы. Такие двигателя могут работать при скоростях, соответствующих резонансной частоте упругой системы, которой является такой двигатель, или же в нерезонансном режиме, известном также как режим «банг-банг». Двигатели «Флюидайн» также могут быть рассчитаны на работу при резонансной частоте системы. В двигателях с обычными кривошипно-шатунными механизмами необходимо избегать резонансных режимов. Поэтому третья группа режимов обладает меньшей степенью общности, чем первые две. Итак, конкретный двигатель может быть описан при помощи комбинаций трех терминов из шести, как показано на схеме 4.

б. Способ соединения цилиндров.

Классификация по второму признаку включает в себя классификацию, раннее предложенную Керкли и Уокером. Эта классификация идентифицирует способ компоновки пары вытеснитель-поршень по отношению к рабочим полостям переменного объема. Имеются три типа соединения цилиндров:

1) альфа;

2) бета;

3) гамма.

Соединение альфа включает группу двигателей с двумя отдельными цилиндрами, в каждом из которых имеется уплотненный в нем поршень.

Горячий и холодный переменные объемы формируются независимо друг от друга при движении соответствующих поршней. В двигателе с компоновкой бета имеется один цилиндр, в котором последовательно расположены поршень и вытеснитель, а переменный холодный объем образуется при совместном движении поршня и вытеснителя. Соединение гамма – это в той или иной мере гибрид компоновок альфа и бета, в котором имеются два отдельных цилиндра, как в способе альфа, однако переменный холодный объем образуется способом бета. Эти три типа соединения цилиндров показаны на рисунке 1на примере двигателей с обычным кривошипно-шатунным приводом.

в. Способ соединения поршней

Способ соединения поршней является дополнительным классификационным признаком. Этот признак подразделяется на более детальные признаки, примеры которых даны ниже. В двигателях Стирлинга применяются три основные формы соединения поршней:

1) жесткое соединение;

2) соединение через газ;

3) соединение через жидкость.

В двигателях с жестким соединением используются недеформированные механические звенья, соединяющие движущиеся возвратно-поступательно элементы, которые определяют последовательность изменений объемов в цилиндрах, а также образуют механизм для отвода энергии от двигателя. Типичные механизмы, которые относятся к жестким соединениям, следующие:

а) кривошипно-шатунный механизм;

б) ромбический привод;

в) косая шайба;

г) кривошипно-кулисный;

д) кривошипно-балансирный механизм;

е) механизм Росса.

Изобретение двигателя Била и харуэллской машины потребовало введения в классификацию соединения через газ. В этих двигателях взаимное положение поршней определяется газовой динамикой, а не механическими устройствами. Имеется много разновидностей соединения этого типа, например:

а) свободнопоршневой двигатель;

б) двигатель со свободным вытеснителем;

в) двигатель со свободным цилиндром.

Последний тип соединения поршней – соединение через жидкость. Необходимо, однако, подчеркнуть, что использование в двигателе Стирлинга жидкого рабочего тела не обязательно означает, что поршни соединяются через жидкость. Например, в двигателе Стирлинга-Мелоуна поршни соединены жестким механизмом. В соединении через жидкость поршни действительно должны соединяться через жидкость. В настоящее время только двигатели "«Флюидайн» попадают в эту категорию. Имеются, по крайней мере три способа, которыми осуществляется соединение через жидкость:

а) с помощью реактивной струи;

б) с помощью качающегося стержня;

в) с помощью разности давлений.

Три основных классификационных признака можно также использовать для точной классификации гибридных двигателей, в которых, например, рабочий поршень жестко соединен с выходным валом, однако рабочий поршень и вытеснитель соединены друг с другом через газ. Тем не менее новые формы двигателей могут потребовать дальнейшего расширения предлагаемой классификации. Чтобы проиллюстрировать применение предлагаемой классификационной схемы, втаблице 1 приведена классификация по этой схеме хорошо известных двигателей Стирлинга.

Такая система может показаться несколько усложненной, однако простая система оказалась недостаточной для охвата всего разнообразия форм двигателей. В будущем могут быть подобраны подходящие условные обозначения, с помощью которых станет возможным создать методику стенографической классификации. Предлагаемая классификационная схема в полном объеме представлена на схеме 5.

Двигатель	Описание в соответствии с классификацией
Фирмы "Филипс" с ромбическим приводом	Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа бета, с жёстким соединением поршней
Р-40 фирмы "Юнайтед Стирлинг"	Двойного действия, однофазный, нерезонансный, типа альфа, с жёстким соединением поршней
"Мокрый" "Флюидайн" с реактивной струёй	Простого действия, многофазный, резонансный, типа альфа, с соеди- нением поршней через жидкость
Свободнопоршневой Била	Простого действия, однофазный, резонансный, типа бета, с соединением поршней через газ
Хенричи	Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа гамма, с жёстким соединением поршней

Таблица 1. Классификация двигателя Стирлинга.

Эта схема не только позволит классифицировать и идентифицировать существующие двигатели, но и окажется пригодной для качественной оценки различных форм двигателей, которые могут быть созданы в будущем.

3. Схема работы двигателя 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 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.