МЕТОДЫ ПОДРОБНОГО РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИИ

С помощью данных, полученных методами предварительного расчета, можно провести более строгий анализ основных узлов двигателей. В работах [72, 73] представлено, по-видимому, наи­более полное описание метода такого подробного расчета, а в работах [6, 18] приведен метод расчета конструкции двигателя с термодинамической точки зрения. Ввиду сложности конструк­ции двигателя в целом пока не создано универсального теоре­тического или численного расчетного метода. Необходимо при­менять методы раздельного анализа, хотя в общую методику расчета можно включить комбинированный метод расчета га­зодинамических характеристик типа предложенного Уриелли или Органом.

Основное внимание при разработке двигателя уделяется теп­лообменникам, особенно нагревателю и регенератору. Последний является критическим узлом, определяющим работоспособ­ность двигателя, в то время как расчет первого связан с осо­бенно большими трудностями, как это отмечалось выше. Инфор­мацию, необходимую для проведения более строгого расчета, обычно можно получить после проведения предварительных расчетов. С помощью метода Шмидта или полуадиабатного ана­лиза можно найти массовые расходы, характеристики теплооб­мена и изменения давления. Эти данные позволят рассчитать конструкцию почти всех узлов двигателя. Чтобы показать основ­ные принципы решения задачи, представим типичный порядок (алгоритм) расчета конструкции нагревателя.

При расчете нагревателя необходимо рассмотреть различные факторы. Материал, выбранный для трубок, должен удовле­творять требованиям, предъявляемым к сосудам, работающим под давлением, и противостоять термическим напряжениям. Ма­териал должен выдерживать максимальную температуру цикла без существенного изменения размеров вследствие упругих и пластических деформаций. Кроме того, материал трубок не должен ни подвергаться коррозии, ни становиться хрупким, что­бы его можно было использовать в типичных условиях работы двигателя Стирлинга. Как физические, так и технологические свойства зависят от типа рабочего тела, протекающего внутри трубок, а также от формы и типа применяемого источника энер­гии. Эти свойства, кроме того, зависят от давления цикла, тем­пературы, интенсивности переноса энергии и массовых расходов потока, омывающего трубки, а также течения в трубках. Эти параметры позволяют определить также коэффициенты трения и теплоотдачи. Теоретический анализ влияния всех перечислен­ных факторов почти никогда не позволяет найти решение. Даже если для каких-то условий и можно найти решение, необходимо учесть и экономические ограничения, поскольку наиболее эф­фективный нагреватель может оказаться слишком дорогостоя­щим для коммерческого использования. В целом задача являет­ся исключительно сложной, и расчет нагревателя производится в несколько этапов, чтобы отделить второстепенные факторы от главных. Таким образом, хотя и не найдено универсаль­ного решения, позволяющего рассчитать конструкцию нагрева­теля, но, используя аналитические методы и одновременно ру­ководствуясь практическим опытом, можно получить удачное компромиссное решение с точки зрения рабочих характеристик, стоимости и компоновки.

При выборе любого метода расчета нужно иметь начальный подход, не слишком сложный, но и не чересчур упрощенный. Описанный выше алгоритм можно считать неплохой отправной точкой. Он позволяет на первой стадии расчёта сопоставить различные материалы для трубок и оценить сравнительную стоимость и габариты. Этот способ позволяет, по существу, опре­делить внутреннюю конструкцию, поскольку в основные соотно­шения алгоритма входит тепловая нагрузка на рабочее тело без указания источника энергии и, следовательно, без опреде­ления коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности трубок. По завершении алгоритма будут известны размеры тру­бок (внутренний и наружный диаметры и длина), а также их число. На второй стадии расчета необходимо рассмотреть ис­точник энергии и его влияние на ориентацию, конфигурацию и размеры трубок нагревателя. Таким образом, описанный алго­ритм позволяет рассчитать нагреватель изнутри, а наружные параметры определяются на следующих стадиях расчета. Не­которые считают, что порядок расчета должен быть обратным, однако можно найти убедительные аргументы в пользу и того, и другого подхода. Даже в своей основной форме алгоритм не игнорирует полностью внешние ограничения, поскольку позво­ляет определить приемлемую площадь наружной поверхности
трубок, а внутренняя конструкция подбирается в соответствии с этой площадью. Сама площадь наружной поверхности нахо­дится с помощью ^аналогичного метода расчета, но с учетом на­ружных условий. Алгоритм представляет собой совокупность последовательных методов расчета, которая будет рассмотрена ниже.

Добавить комментарий

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