КОМПОНОВКА ДВИГАТЕЛЯ

Для того чтобы в двигателе Стирлинга происходило преобра­зование тепловой энергии в механическую работу, в его кон­струкции должны быть следующие элементы: две рабочие

Полостп — горячая и холодная; два теплообменника—нагрева­тель и охладитель; теплообменник — регенератор; соединитель­ные каналы; механизм, преобразующий поступательное движе­ние во вращательное.

Таким образом, если для двигателя Стирлинга ввести понятие «эквивалентный двигатель», равнозначное понятию «одноцилиндровый отсек» для двигателей внутреннего сгора­ния, то для конструктивной схемы, изображенной на рис. 10, а, «эквивалентный двигатель» состоит из гильзы, двух поршней — вытеснительного и рабочего, трех теплообменников — нагрева­теля, регенератора, охладителя и соединительных каналов.

Преобразующий механизм может быть аксиального (см. рис. 30,о) или ромбического (см. рис. 32, В) типа.

При использовании конструктивной схемы, показанной на рис. 10,б, «эквивалентный двигатель» Стирлинга образуется’ из двух гильз, двух рабочих поршней, трех теплообменников—- нагревателя, регенератора, охладителя и соединительных ка* налов. Преобразующий механизм в этом случае может быть либо одноколейным при У-образном расположении цилиндров, (см. рис. 30, а), либо двухколенным при рядном исполнении.

&

подпись: & КОМПОНОВКА ДВИГАТЕЛЯ КОМПОНОВКА ДВИГАТЕЛЯ

Рис, 46. Схема двигате­ля Стирлинга двойного действия:

/, 2. 4 и 6 — цилиндры; 3— горячая полость; 5— Поршень: 7 — нагрева­

Тель; 5*- регенератор; 9— Охладитель; 10 — холод­ная полость; 11 — уплот­нение; 12 — соединитель­ные каналы; 13 — крейц­копф; 14 — коленчатый вал

подпись: рис, 46. схема двигателя стирлинга двойного действия:
/, 2. 4 и 6 — цилиндры; 3— горячая полость; 5— поршень: 7 — нагрева
тель; 5*- регенератор; 9— охладитель; 10 — холодная полость; 11 — уплотнение; 12 — соединительные каналы; 13 — крейцкопф; 14 — коленчатый вал
Даже беглое сравнение двигателя Стирлинга с двигателям» внутреннего сгорания показывает, что «эквивалентный двига­тель» Стирлинга имеет по сравнению с одноцилиндровым отсе­
ком последних почти в 2 рана большее кол и честно деталей трения, а следовательно, казалось бы, должен иметь и более низкий механически и к. п. д. Однако иллниое безударное изме­нение силовых нагрузок и дншателс (л нрлипга, а также доста­точно низкий уровень температуры деталей благоприятствует ■применению в парах трения новых синтетических и композици­онных материалов с низкими коэффициентами трения. В ре­зультате этого механические к. ;п. д. двигателей Стирлинга и двигателей внутреннего сгорания имеют приблизительно одина­ковый диапазон численных значений.

Рассмотренные ©ыше компоновки двигателя Стирлинга от­носятся к машинам простого действия, Т. Е. к таким двигате­лям, у которых рабочий ход осуществляется в течение одного оборота коленчатого вала аналогично двухтактным двигателям внутреннего сгорания.

Соединяя вместе несколько «эквивалентных Двигателей», Можно ‘Создавать Многоцилиндровые двигатели Этого. типа И Образовывать из Них мощностиые ряды до нескольких сотен И даже Тысяч Лошадиных Сил.

Однако более перспективным оказывается двигатель Стир­линга двойного действия, схема которого показана иа рис. 46. В данном случае отдельные цилиндры 1, 2, 4 и 6 уже не яв­ляются «эквивалентными двигателями», как например, в много — цилиндровых двигателях вытеснительного типа. В двигателях двойного действия «эквивалентный двигатель» начинается с объема под поршнем одного из цилиндров, например цилиндра €; этот объем является холодной полостью 10. Наружные ка­налы 12 через охладитель 9, регенератор 8 и ‘нагреватель 7 сое­диняют эту холодную полость с полостью над поршнем 5 дру­гого цилиндра (цилиндр 4) % который является горячей поло­стью 3. Объемы холодной и горячей полостей такого «эквива — лептиого двигателя» достигают максимальных величин при ‘По­Ложении поршней и лих цилиндрах соответственно в верхней и нижней мертвых точках. В двигателе Стирлинга, выполнен­ном по схеме, ‘принедеиной на рис. 46, столько же «эквивалент­ных двигателей», скол [»ко и цилиндров. В этом четырехцилин­дровом двигателе кроме указанных «эквивалентные двигатели» образованы из холодных и горячих полостей цилиндров 4 и 2, 2 и 1, I и 6. Для того чтобы обеспечить в «эквивалентном двигателе» опережению изменения объема горячей полости по отношению к холодной, необходимо организовать движение поршней таким образом, чтобы минимальный объем горячей полости достигался но углу попорота коленчатого вала раньше, чем минимальный объем холодной полости. Следовательно, поршень в цилиндре 4 должен достигать и. м. т. раньше, чем пор­шень 6 н. м.т. То же самое относится и к поршням в цилиндрах 2 \4 1 и 2; 6 и /.

При объединении цилиндров в «эквивалентные двигатели» и проектировании привода для двигателей Стирлинга двойного действия необходимо предусмотреть, чтобы все «эквивалентные двигатели» были идентичны. Так, например, в схеме на рис. 46 «эквивалентный двигатель», образованный цилиндрами 1 и 6, будет отличаться от остальных большей длиной соединитель­ных каналов между этими цилиндрами. В этом случае возмож­на неравномерная нагрузка поршней и нежелательная циркуля­ция газа внутри двигателя, чего следует избегать. Название «двигатель двойного действия» основано на том, что В каждом цилиндре положительная работа производится в течение обоих ходов поршня вверх и вниз, т. е. в течение одного оборота коленчатого вала совершается два рабочих хода поршня. Та­кой двигатель Стирлинга в энергетическом смысле эквивален­тен двухтактному двигателю внутреннего сгорания двойного действия.

Двигатели Стирлинга двойного действия могут иметь ряд­ное, У-образное и круговое или барабанное расположение ци­линдров. Эскиз четырехцилиндрового двигателя Стирлинга двойного действия с рядным расположением цилиндров пока­зан на рис. 47. Единственный коленчатый вал имеет колена, расположенные под углом 90° таким образом, что поршни на­ходятся в в. м.т. последовательно в первом, третьем, четвертом и втором цилиндрах, В этом случае уравновешиваются силы инерции масс поступательно движущихся деталей, неуравнове­шенным остается момент, который уравновешивают с помощью балансирных валов 14, вращающихся в противоположные сто­роны.

На рис. 48 показана конструктивная схема четырехцилин­дрового двигателя Стирлинга двойного действия с У-о-бразным расположением цилиндров и с обычным крейцкопфным криво­шипно-шатунным механизмом. Симметричное расположение

КОМПОНОВКА ДВИГАТЕЛЯ

И

Т

КОМПОНОВКА ДВИГАТЕЛЯ

8

подпись: 8

Рис. 47, Эскиз чстырехии. шндропого двигателя Стирлинга двойного действия с рядным расположением ци. и >111 дров:

{, 2, 3, 4 — цилиндры; 5 — нагреватель; 6 — горячая полость; 7 — поршень; 8 — регенера­тор; 9 — охладитель; 10— холодная полость; 11 — уплотнение; 12—соединительные ка­налы; /3 — крейцкопф; 14 — балансирпые валы; 15— коленчатый вал; 16 — подводящий водяной коллектор; 17 — отводящий водяной коллектор

Рис. 48. Эскиз четырехцилиндрового двигателя Стирлинга двойного действия с У-образ — ным расположением цилиндров:

/ — воздухоподводящий канал; 2 — регенератор; 5 — охладитель; 4 — блок уплотнения штока; 5 — крейцкопф; 6 — коленчатый вал; 7 — шатун; 8 — шток поршня; 9 — холодная полость; 20 — поршень; 11 — горячая полость; —подогреватель воздуха; 13 — нагрева­тели 14 — корпус камеры сгорания

Рабочих цилиндров относительно продольной и поперечной осей двигателя позволяет применить для всех четырех цилиндров общую камеру ‘Сгорания, тогда ‘как при рядном исполнении на каждый цилиндр требуется отдельная камера сгорания. Все верхние иадпоршневые пространства являются горячими поло­стями, а нижние — холодными. Угол развала между цилиндра­ми и углы заклинивания кривошипов выбраны таким образом, чтобы ‘рабочие процессы в смежных цилиндрах, образующих «эквивалентный двигатель», происходили со — сдвигом по фазе, равным 90° угла поворота коленчатого вала. ,11 ри такой компо­новке достигается компактное расположение рабочих цилинд­ров и сблокированных (регенератор-охладитель) теплообмен­ников, связанных между собой короткими соединительными каналами равной длины, что обусловливает идентичность ра­боты (равномерность термической и силовой нагрузки) всех четырех «эквивалентных двигателей», образующих двигатель Стирлинга.

Двигатель двойного действия с круговым или барабанным расположением цилиндров показан на рис. 49. При таком объ­единении цилиндров получается непрерывная последователь-

Рис. 49. Эскиз четырехцилиндрового двигателя Стирлинга двойного дей­ствия с круговым расположением ци­линдров и приводным механизмом с косой шайбой:

КОМПОНОВКА ДВИГАТЕЛЯ; — нагреватель; 2 — поршень; 3 — хо­лодная полость; 4 — крейцкопф; 5 — косая шайба; 6 — блок уплотнения штока; / — соединительный канал; 8 — охладитель: 9 — регенератор; Ю— го­

Рячая полость

Ность «эквивалентных двигателей» и устраняется проблема рядного двигателя двойного действия, т. е. соединение первого и последнего цилиндров. Круговое расположение цилиндров обеспечивает плотную компоновку двигателя и создает возмож­ность для объединения смежных цилиндров как через трубки нагревателя (общая для всех цилиндров камера сгорания), так и через каналы охладителя (общие подвод охлаждающей жид­кости ко всем охладителям и отвод ее).

При приводном механизме с косой шайбой горячие и холод­ные полости смежных цилиндров образуют «эквивалентный двигатель», и фазовые углы опережении вычисляются по фор­муле.

Ф =з 180" — 360%’»

Где г — число цилиндров.

Таким образом, при барабанном расположении цилиндров и приводе с косой шайбой двигатели Стирлинга двойного дейст­вия при полностью идентичных «эквивалентных двигателях» конструктивно осуществимы с тремя — девятью цилиндрами. Оптимальное число цилиндров, определяющее фазовый угол сдвига, в каждом ■конкретном случае устанавливают исходя из термодинамических характеристик, размеров двигателя, ско­рости и нагрузок на подшипники приводного механизма.

Если массовые и габаритные показатели и стоимость не яв­ляются определяющими, то при любых обстоятельствах наибо­лее предпочтительной является конструкция двигателя Стир­линга вытеснительного типа с ромбическим приводом. Этот привод обеспечивает полное уравновешивание сил инерции и бесшумную работу двигателя; при этом два коленчатых вала ромбического привода позволяют производить отбор мощности в четырех точках. Если требуется особо «тнхая» работа дви­гателя, то специальное внимание следует уделить материалу

И конструкции синхронизирующих шестерен и тщательной под­
гонке пальцев малых головок шатунов. Так как полноразмер­ный двигатель состоит из нескольких полностью идентичных одноцилиндровых отсеков, то доводка рабочего процесса дви­гателя может осуществляться иа одноцилиндровом отсеке.

При мяогочнслен-ных положительных качествах ромбиче­ского ‘Привода его существенным недостатком является высокая стоимость изготовления, обусловленная большим числом дета­лей. Действительно, в этом случае <на один «эквивалентный двигатель» приходится два поршня, два поршневых уплотне­ния, два коленчатых вала, две траверсы, две синхронизирую­щие шестерни и шесть шатунов. В мелкосерийном или единич­ном производстве, где ручной труд —главная составляющая в структуре затрат, стоимость двигателя возрастает пропорцио­нально числу деталей. В массовом производстве, где затраты труда, приходящегося на каждую деталь, ниже, п большое ко­личество деталей унифицировано, значительное число деталей в ромбическом приводе в меньшей степени скажется на стои­мости двигателя.

Конструктивная ехомл двигатели Стирлинга простого дей­ствия, при которой «чкпнваломтпыи двигатель» образуется дву­мя цилиндрами и двумя рабочими ‘поршнями, вследствие низ­ких удельных массовых и габаритных показателей не имеет широкого распространении и в основном ‘Применяется в холо­дильных машинах. Главное ‘Преимущество двигателя Стирлинга двойного действия по сравнению с миогоцилиидровым двигате­лем вытеснительного тина с ромбическим приводом — относи­тельно малое число детален ‘Привода, Приходящихся на один «эквивалентный дин га тел 11». Наиболее ‘перспективными компо­новками двигателей двойного действия является У-образная с обычным кривошшию-шатуипым механизмом крейцкопф-ного типа и круговая барабанная с косой шайбой. Удельные массо­вые и габаритные показатели двигателей Стирлинга двойного действия этих компоновок не уступают аналогичным показате­лям двигателей внутреннего сгорания.

В заключение следует отметить, что выбор рациональной компоновки двигателя Стирлинга в первую очередь зависит от его назначения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *