Общие тенденции и обобщенные характеристики

Выше были рассмотрены в отдельности влияния, которые оказывают различные конструкционные и рабочие параметры на рабочие характеристики двигателя Стирлинга. На практике некоторые или даже все эти параметры могут изменяться при работе двигателя, однако влияние изменяющихся параметров
будет совместное. При этом рабочее тело не может быть заме­нено в процессе работы без тщательных подготовительных ра­бот и контрольной аппаратуры. Поэтому, хотя в нашем распо­ряжении имеются рабочие диаграммы двигателей, которые на одном графике отображают, по существу, влияние всех пара­метров двигателя на рабочие характеристики, надо иметь в виду, что эти диаграммы составлены для конкретного рабочего тела. Следовательно, пока нет полных рабочих диаграмм дви­гателя, фиксирующих его характеристики при использовании различных рабочих тел, влияние на эти характеристики раз­личных рабочих тел будет предметом дискуссий.

За исключением «мокрого» «Флюидайна», в двигателях Стирлинга используются однокомпонентные рабочие тела, если воздух считать «чистым» газом. Эти рабочие тела не только однокомпонентны, но и однофазны. Нет никаких причин, пре­пятствующих использованию многокомпонентных многофазных рабочих тел, тем более что такие тела могут дать некоторые термодинамические преимущества, поскольку могут восприни­мать более высокие степени сжатия. Тем не менее в настоящее время используются исключительно газообразные рабочие тела, причем практически без исключений только воздух (азот), гелий и водород. Как уже было показано выше, влия­ние рассмотренных нами параметров не зависит от того, какой из трех газов использовался в качестве рабочего тела. Однако, хотя тенденции и совпадают, конкретные цифры различны. Большая часть имеющейся литературы, если обратиться к пуб­ликациям достаточно общего характера, создает впечатление, что водород является наиболее подходящим рабочим телом, и в процессе первоначального изучения нами основных принци­пов и конструктивных особенностей двигателей Стирлинга это впечатление усилилось. Однако если водород обладает столь очевидными преимуществами, то почему все еще используют и остальные два газа, особенно гелий, хотя он и более дорогой? Мы уже рассмотрели некоторые проблемы, связанные с исполь­зованием водорода, например необходимость компенсировать просачивание водорода через материалы, с которыми он кон­тактирует, и повышение хрупкости этих материалов, но если водород имеет такие неоспоримые преимущества, то с этими проблемами надо смириться. В первых аналитических работах (например, [44]) высказываются предположения, что водород является лучшим рабочим телом с точки зрения обеспечения высоких рабочих характеристик только в некоторых режимах работы, в других режимах наиболее подходящими могут ока­заться другие два обычно используемых газа. Однако необхо­димо помнить, что большая часть усилий по совершенствова­нию двигателей Стирлинга предпринимается с целью установ­ки этих двигателей на автомобиль, а для этого необходимы высокооборотные двигатели, скорость вращения выходного вала которых достигает 5000 об/мин. Для таких двигателей наи­более подходящим рабочим телом является водород.

Выбор рабочего тела для обеспечения необходимых рабо­чих характеристик двигателя в значительной степени зависит от предполагаемой скорости двигателя. Обоснование этого

ВоЭорой

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Рис. 1.87. Влияние рабочего тела на характеристики двигателя Стирлинга [45].

Скорость j об/мин

Утверждения будет дано позже. При выборе рабочего тела с учетом практического использования двигателя необходимо принимать во внимание и другие факторы, такие, как стои­мость. доступность, безопасность и т. п. Влияние рабочего тела на характеристики двигателя Стирлинга показано на рис. 1.87 и 1.88. Эти данные были получены исследовательской лабора­торией фирмы «Дженерал моторе» и фирмой «Юнайтед Стер­линг».

На основании результатов аналитического исследования идеализированной модели [44] было выдвинуто предположе­ние, что величина максимально возможного индикаторного КПД не зависит от рабочего тела. Более тщательное и досто­верное моделирование на ЭВМ [34] подтвердило это предпо­ложение. Иными словами, пиковое значение КПД будет одина­ковым для любого рабочего тела при условии, что конструкция
двигателя для выбранного рабочего тела оптимальна. Од­нако характеристики КПД для каждого рабочего тела будут иметь свои индивидуальные особенности. То же можно сказать и о выходной мощности. Например, мощность, развиваемая при использовании воздуха или азота в качестве рабочего тела, бу­дет на 15—20 % ниже, чем мощность, развиваемая при исполь­зовании более легких газов. Эта зависимость имеет существен­ное значение для определения перспектив использования дви­гателя Стирлинга в будущем, о чем более подробно говорится в разд. 1.10. Во всяком случае, совершенно ясно, что выбор

Рис. 1.88. Влияние рабочего тела на характеристики двигателя Стирлинга [29].

Рабочего тела не такая простая задача, как это иногда утвер­ждают. При анализе сравнительных достоинств конкретного рабочего тела необходимо проявлять большую осторожность. Ведь только предполагается, что если двигатель оптимизиро­ван для использования в качестве рабочего тела водорода, то именно водород будет во всех случаях превосходить в этом ка­честве воздух или гелий. Однако несомненно, что более легкие газы будут в целом обладать преимуществами в отношении термодинамических, тепловых и газодинамических свойств и что при заданных значениях температур при подводе и отводе тепла водород обеспечивает более высокие значения удельной мощности. Необходимо тем не менее продолжить исследования других рабочих тел.

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Скорость, ой/мин

Как уже отмечалось ранее, двигатели Стирлинга, как пра­вило, работают на заранее выбранном рабочем теле при по­стоянной температуре в трубках нагревателя. В процессе ра боты нагрузка и скорость могут изменяться, среднее давление цикла может оставаться на заданном уровне или также изме­няться. Поэтому на рабочих диаграммах двигателей Стирлинга обычно представлены зависимости нагрузки (крутящего момен­та) от скорости и давления при постоянных значениях мощно­сти и КПД, как показано на рис. 1.89 для двигателя 4-215 совместного производства фирм «Форд» и «Филипс».

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Рис. 1.89. Рабочая диаграмма двигателя 4-125 совместного производства фирм «Форд» и «Филипс» [40].

среднее давление; общий КПД.

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Спорость йоигатегя, сб/мич

Рис. 1.90. Рабочая диаграмма двигателя Р-40 фирмы «Юиайтед Стерлинг»

Подобную диаграмму имеет также и другой двигатель про­грессивной конструкции —• Р-40 фирмы «Юнайтед Стирлинг» (рис. 1.90).

Отсутствие периодических взрывов и клапанного механизма обусловливает более низкий уровень шума двигателя Стирлин­га по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгора­ния. Это существенное свойство совершенно справедливо отме­чается во многих публикациях, однако, подобно многим другим характеристикам двигателя Стирлинга, и в этом случае обычно приводят общие цифры по уровню шума без сколько-нибудь де­тального анализа. Даже при таком сравнении двигатели Стир­линга на практике имеют меньший уровень шума, чем другие сопоставимые двигатели, которые сами по себе достаточно ти­хие. Результаты измерений характеристик шума и вибрации двигателей Стирлинга были получены главным образом в тече­ние двух промежутков времени: до середины 70-х годов и в конце 70-х годов. В период с 1966 по 1978 г. было выполнено сравнительно мало экспериментальных работ в этой области, и это, возможно, объясняет, почему двигатели Стирлинга счи­тают «тихими», не подкрепляя это утверждение достаточным объемом информации.

Прежде чем делать выводы на основании опубликованных результатов, подчеркнем, что при анализе этих результатов не­обходимо различать вибрации, вызываемые аэро — и газодина­мическими причинами, и вибрации, возникающие в конструк­тивных элементах двигателя. Кроме того, для анализа недоста­точно знать общий уровень шума, не менее важно иметь весь его частотный спектр.

Более ранние по времени испытания на определение уров­ня шума, выполненные фирмой «Дженерал моторе», имели до­статочно детальный характер, поскольку предполагалось ис­пользование двигателей в сухопутных войсках и на флоте США [45]. Эти испытания были сосредоточены на элементах самого двигателя. Сравнительно недавно в США были выпол­нены экспериментальные исследования как часть программы исследования возможности использования двигателей Стирлин­га на автомобилях, и в них основное внимание уделялось уров­ням наружного и внутреннего шума автомобилей с установ­ленными на них двигателями Стирлинга. Все это дает возмож­ность составить достаточно полное представление об общих шумовых характеристиках двигателей Стирлинга.

В обстановке возрастающего внимания к охране окружаю­щей среды двигатель с низким уровнем шума, очевидно, дол­жен привлечь внимание. Как аэродинамический, так и механи­ческий шум можно понизить с помощью шумоизоляции и спе­циального крепления двигателя, поглощающего вибрации.

Рис. 1.91. Сравнение уровней аэродинамического шума двигателя Стирлинга и дизеля [97].

1 — дизель: 2 — двигатель Стирлиига.

Однако такие устройства повышают стоимость и увеличи­вают массу силового агрегата в целом, что нежелательно при его установке на автомобиль. Дополнительные элементы кон­струкции затрудняют также обслуживание двигателя и кон­троль его работы в процессе эксплуатации, в особенности это относится к мощным силовым установкам. Несмотря на это, уровень шума двигателя необходимо снижать для улучшения условий работы в помещениях, где находятся двигатели. Еще в 1964 г. Ассоциацией инженеров Швеции было установлено, что из 182 лиц, занимающих командные инженерные должности на флоте и прошедших обследование на остроту слуха, 86 % имели дефекты слуха. Следовательно, двигатели с низким уровнем шума имеют перспективы не только с точки зрения охраны окружающей среды.

Общие тенденции и обобщенные характеристики

90

10

100

10000

1000 Частота, Гц

До сих пор, рассматривая характеристики двигателей Стир­линга, мы не сравнивали их с другими двигателями. При ана­лизе шумовых характеристик без сравнения не обойтись, по­скольку оценку уровня шума можно получить только сравни­тельным методом. На рис. 1.91 представлены уровни звукового давления, вызываемого аэродинамическим шумом, замеренные на расстоянии 1 м от четырехцилиндрового двигателя Стир­линга мощностью 300 кВт с ромбическим приводом и дизеля «Кертис — Райт». Из приведенных зависимостей видно, что двигатель Стирлинга обладает значительно меньшим уровнем шума: в широком диапазоне частот разница в уровнях шума
достигает 18 дБ. Аналогичные тенденции наблюдаются и для шума, вызываемого элементами конструкции, характеристики которого приведены на рис. 1.92.

Однако на этом графике наблюдается и исключение из об­щей тенденции — при частоте 1600 Гц дизель имеет более низ­кий уровень шума. Показанная на этом графике характеристи­ка шума двигателя Стирлинга снята с двигателя с ромбиче­ским приводом, который, как правило, имеет более низкий уровень шума, чем двигатели Стирлинга с приводами обычного типа. Помимо отсутствия клапанного механизма и взрывов в рабочей полости, что характерно для всех двигателей Стирлин­га, ромбический привод обеспечивает снижение уровня шума благодаря отсутствию ударов поршня о стенки цилиндров, так как на поршень практически не действуют боковые силы. Од­нако в ромбическом приводе имеются шестерни, необходимые для синхронизации движения поршней, которые, очевидно, яв­ляются источником шума. Далее в двигателях Стирлинга, ра­ботающих на жидком топливе, обычно применяются нагнетате­ли для подачи воздуха в камеру сгорания, которые также яв­ляются источниками шума. Это заставляет предположить, что скорость двигателя может оказывать влияние на уровень шума, и такое предположение подтверждается результатами испыта­ний двигателя мощностью 300 кВт (рис. 1.93).

Тем не менее двигатель Стирлинга с ромбическим приводом GPU-3, уже упоминавшийся ранее, выдержал испытания на определение уровня шума, проведенные в соответствии с тре-

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Часгпота, Ги,

Рис. 1.92. Сравнение уровнен механического шума двигателя Стирлинга и дизеля [97].

1 —дизель; 2—двигатель Стирлинга.

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Частота, Гц

Рис. 1.93. Влияние скорости на уровень шума [97].

Бованиями, принятыми в армии США в 1966 г. Эти требования заключаются, в частности, в том, чтобы источник шума не был слышен на расстоянии 100 м в условиях отсутствия шума на местности, где проводятся испытания. Результаты армейских испытаний [45] представлены на рис. 1.94 в сравнении с шумо­вым фоном местности.

Общие тенденции и обобщенные характеристики

24 106 425 П00 6800

X. QJ О

J-‘iol_________ I————- 1————- 1————- 1—- ____________

Частота, Гц

Рис. 1.94. Испытания на определение уровня шума двигателя GPU-3 по про­грамме армии СШЛ [45].

1—уровень шума двигателя на расстоянии 100 м от него; 2—окружающий шумовой фон.

Недавно были опубликованы новые данные [46] по уров­ням звукового давления, создаваемого автомобильными двига­телями Стирлинга. Следует заметить, что эти результаты относятся ко всему автомобилю, а не к одному двигателю. Объ­ектом испытаний был автомобиль фирмы «Опель» с установ­ленным на нем двигателем Р-40. Для сравнения был взят ав­томобиль «Опель рекорд 2100» выпуска 1977 г. с дизельным

0

Двигатель Стирлинга □ Дизель

100 км/ч

90 км/ч

80

ТО им/ч

Км/ч —

‘ 60

Рис. 1.95. Уровни шума, возбуждаемого автомобилем с установленным на нем двигателем Стирлинга. (С разрешения МТИ.)

Измерения на расстоянии 7 м от двигателя: а — при проезде мимо микрофона; б — на холостом ходу; в — внутренний шум.

Двигателем. Испытания проводились в соответствии с суще­ствующими стандартами. В процессе испытаний дизельный двигатель мощностью 45 кВт заменялся двигателем Р-40 мощ­ностью 34 кВт. На рис. 1.95 показаны сравнительные уровни внутреннего шума в автомобиле и внешнего на расстоянии 7 м от него.

Для лучшего понимания результатов, приведенных на рис. 1.95, заметим, что единицей измерения шума (уровня зву­кового давления) является децибел (дБ), определяемый по ло­гарифмической шкале:

Интенсивность (дБ) = 10 lg 1Д, (1.9)

Где /4 — акустическая интенсивность шума, отнесенная к за­данному уровню. Это означает, что два двигателя, каждый из которых имеет уровень шума 65 дБ, будут иметь суммарный уровень шума 68 дБ, а не 65 + 65 = 130 дБ. Отметим также, что уровень шума в децибелах можно было бы определять как 201g/, где I — отношение измеренного акустического звукового давления к заданному. В этом случае суммарный уровень шума двух двигателей с уровнем шума по 65 дБ каждый был бы равен 71 дБ. Из сказанного следует, что, например, при проезде мимо установленных микрофонов шум автомобиля с дизелем марки 2100 эквивалентен суммарному шуму 13 авто­мобилей с двигателями Стирлинга.

W SO

«зГ G

Значительную долю в шуме, генерируемом двигателями Стирлинга, составляет, как мы уже отмечали, шум шестерен

Общие тенденции и обобщенные характеристики

2400 об/мин. (По данным МТИ.)

Ромбического или U-образного кривошипного привода, а также шум нагнетателя камеры сгорания, если в качестве источника тепла используется жидкое природное топливо. Силовые уста­новки, использующие другие источники энергии и не имеющие в своей конструкции зубчатых зацеплений, могут иметь значи­тельно более низкий уровень шума. Если в силовых установках используются шестерни, а для автомобильных двигателей это яв­ляется обычной практикой, то на уровень шума будет влиять и среднее давление цикла, поскольку, чем выше нагрузка на ше­стерни и их подшипники, тем больше деформация деталей. Влияние давления на шум от механизма привода показано на рис. 1.96 и 1.97.

Испытания на определение шумовых характеристик, прове­денные на двигателе Стирлинга мощностью 300 кВт, соединен-

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Частпота, Гц (е диапазоне 1/3 октавы)

Рис. 1.97. Влияние давления рабочего тела на уровень шума при скорости 2400 об/мин. (По данным МТИ.)

Общие тенденции и обобщенные характеристики

90

80

10

60

1000

50

100

10000

Частота, Гц

Рис. 1.98. Влияние нагнетателя камеры сгорания на уровень шума двигателя Стирлинга (97].

1—суммарный шум; 2— шум нагнетателя.

Ном с генератором, показали явное влияние нагнетателя каме­ры сгорания на уровень шума (рис. 1.98).

На основании этих результатов, полученных на опытных двигателях, для которых не предусматривалось специальных изменений конструкции для снижения шума, можно сделать уверенный вывод, что двигатель Стирлинга обладает низким уровнем шума. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга мо­жет иметь существенно более высокий уровень шума при рабо­те в режиме «банг-банг», в то же время двигатель «Флюи­дайн» практически бесшумен. Несомненно, что при введении специальных изменений в конструкцию двигателя Стирлинга уровень шума можно снизить еще больше. Бесшумный двига­тель не только способствует охране окружающей среды, но и создает более комфортные условия работы в машинном отделе­нии и тем самым способствует повышению производительности труда присутствующего там персонала.

Не меньшее внимание, чем шуму, производимому двигате­лем, уделяется выбросам в атмосферу продуктов сгорания. Двигатель Стирлинга может использовать различные виды энергии; например, при использовании солнечной энергии не будет никаких выбросов. Однако в обозримом будущем двига­тели Стирлинга будут использовать существующие природные топлива (газообразные, жидкие и твердые) и, вероятнее всего, менее очищенные и потому более дешевые продукты перегонки сырого топлива. На первый взгляд может показаться, что та­кие выбросы в атмосферу, как окислы азота NO*, несгоревшие
углеводороды НС и окись углерода СО, у двигателей Стирлин­га должны иметь такие же концентрации, как и у обычных дви­гателей внутреннего сгорания. Однако это не так, поскольку двигателю Стирлинга нужен непрерывный приток энергии и, следовательно, непрерывный процесс сгорания. Это позволяет более эффективно управлять процессом сгорания, что предо­ставляет больше возможностей для снижения концентрации вредных веществ в продуктах сгорания, особенно если учесть, что сгорание здесь протекает при атмосферном давлении, а не при повышенных давлениях, как в двигателях с принудитель­ным воспламенением рабочей смеси и дизелях.

В выбросах основное беспокойство вызывают их составляю­щие, производящие загрязнение атмосферы. Это, как уже отме­чалось ранее,— углеводороды, окись углерода и окислы азота. В литературе, опубликованной до начала 70-х годов, часто при­водились данные, показывающие значительное преимущество двигателей Стирлинга в этой области по сравнению с обычны­ми двигателями с принудительным зажиганием, газовыми тур­бинами особенно двигателями Дизеля без наддува. С тех пор была проведена большая работа по снижению токсичности вы­бросов, и сейчас уже недостаточно сравнивать только двигатели в чистом виде: необходимо рассматривать энергосиловые уста­новки в целом. Для сравнения характеристик непрерывного про­цесса сгорания двигателя Стирлинга и прерывистого процесса сгорания двигателей внутреннего сгорания мы использовали фактические данные, полученные для двух различных областей применения энергосиловых установок. Первая из них — это под­земные работы [47] (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Загрязняющие выбросы в атмосферу при подземных работах

Загрязняющие выбросы

Содержание, 10

4 %

Двигатель Стирлинга Р-40

Дизель с прямым впрыском

Дизель с впрыском в дополнительную камеру

Окись углерода СО

1,0

5,8

4,0

Углеводороды НС

0,01

0,74

0,5

Окислы азота N0*

0,5

10,2

8,0

Вторая область — это автомобили. Эту область применения иллюстрируют результаты, полученные при выполнении приня­той в США программы разработки двигателей для автомобилей, в рамках которой проводились исследования как обычных дви­гателей, так и двигателей Стирлинга (табл. 1.3). Выбросы в

8 Зак. 839

Таблица 1.3. Загрязняющие выбросы в атмосферу автомобильных двигателей, работающих на бензине

Содержание, г/км Двигатель ~

НС СО NO„

Двигатель Стирлинга

«Форд Торино 4-215» с косой шайбой «МТИ Спирит Р-40» Прототип двигателя «Форд 4-215» (данные получены на стенде) «Опель рекорд Р-40»

Двигатель с принудительным зажи­ганием (двигатель Отто) «Сааб турбо»

«Хонда» со слоистым зарядом Прототип двигателя Ванкеля фир­мы NSU с УСТ ‘) «Катлесс» фирмы «Дженерал мо­торе» с УСТ

«Вольво-240» с непосредственным впрыском и УСТ

Дизельный двигатель «Турбо Рэббит» фирмы «Фольксва­ген»

«Катлесс» фирмы «Дженерал мо­торе»

«Мерседес-Бенц-ЗООО» Газовая турбина «Крайслер Плимут» «Уильяме Хорнет WR26»

0,36 0,075—0,014 0,063

1,81 1,88-1,47 0,19

0,35 0,37—0,25 0,11

0,14

0,69

0,28

0,14 0,19 0.19

1,56 1,69 0,38

0,46 0,75 0,41

0,39

2,36

0,99

0,12

1,68

"1,12

0,14

0,61

0,58

0,59

1,37

0,70

0,06

0,62

0,93

1,55 0,17

5,34 4,23

0,27 1,80

1) УСТ — устройство для снижения токсичности отработавших газов.

Этом случае измерялись в граммах на километр, что в большей степени соответствует оценке автомобильных выбросов. В таб­лице собраны данные из работ [48—51]. Предельные значения уровней выбросов, установленные стандартами США, приведе­ны в табл. 1.4 [52].

Находящийся в настоящее время в процессе доработки дви­гатель «МТИ Спирит» удовлетворяет требованиям как феде­рального стандарта США, так и стандарта шт. Калифорния. Ни один другой двигатель не удовлетворяет обоим этим стандар­там одновременно. Двигатель с турбонаддувом «Сааб» фирмы «Фольксваген» и роторный двигатель Ванкеля фирмы NSO по уровню выбросов удовлетворяют требованиям федерального стандарта США, вводимым в действие в 1985 г. С учетом объе­ма работ, затраченных на совершенствование, двигатель Стир-

Требования федеральных Требования стандартов шт. стандартов США, г/км Калифорния, г/км Год

Таблица 1.4. Предельные значения уровней выбросов загрязняющих

Веществ для легковых автомобилей и легких грузовиков

Не

Со

NO*

НС

Со

N0*

1973

1,99

24,24

1,86

1,99

24,24

1,86

1975

0,93

9,32

1,86

0,56

5,59

1,24

1980

0,25

9,32

1,24

0,25

5,59

0,62

1985

‘0,25

2,11

0,62

0,25

5,59

0,25

Линга при небольшой интенсивности таких работ превосходит по своим показателям обычные двигатели, совершенствованию которых были посвящены многочисленные развернутые про­граммы, осуществлявшиеся в течение многих лет. Сказанное от­носится прежде всего к преимуществам, обусловленным самой природой непрерывного процесса сгорания. Тем не менее име­ется возможность уменьшить уровень загрязняющих выбросов от обычных двигателей с помощью специальных устройств, та­ких, как каталитические конверторы и рециркуляторы отрабо­тавших газов. К сожалению, использование таких устройств обычно приводит к увеличению расхода топлива, что создает для двигателей внутреннего сгорания трудноразрешимое про­тиворечие.

В энергосиловых установках Стирлинга также имеются свои проблемы, особенно связанные со снижением уровня выброса окислов азота. Дело в том, что для обеспечения на стенках трубок нагревателя постоянной температуры 700 800 °С тем­пература пламени в камере сгорания должна быть значительно выше, чтобы компенсировать падение температуры в процессе передачи тепла от пламени к стенкам трубок. Наличие предва­рительных подогревателей воздуха вызывает дополнительное падение температуры. Все это приводит к тому, что для под­держания температуры в трубках нагревателя в указанных пре­делах температура пламени должна быть заключена в диапа­зоне 1800—2000°С. При таких температурах весьма интенсивно образуются окислы азота. Для снижения уровня концентрации этих окислов первоначально использовали метод рециркуля­ции отработавших газов (рис. 1.99), что уменьшало темпера­туру пламени. В настоящее время предпочитают другой ме­тод—рециркуляцию продуктов сгорания. Основное различие между этими методами заключается в том, что в первом отра­ботавшие газы проходят через предварительный подогреватель воздуха перед тем, как вновь попадают в камеру сгорания, а
во втором отработавшие газы непосредственно попадают в ка­меру сгорания (рис.1.100).

Общие тенденции и обобщенные характеристики

5

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Рис. 1.100. Система рециркуляции продуктов сгорания.

1—нагнетатель; 2—предварительный подогреватель воздуха; 3 — камера сгорания; 4— трубки нагревателя; 5 — эжектор; 6—предварительный подогреватель воздуха.

Общий характер влияния рециркуляции отработавших газов на концентрацию окислов азота показан на рис. 1.101. Недо-

Возйух

1

3

4

Отработав­

Шие газы "

Рис. 1.99. Система рециркуляции отработавших газов.

I—нагнетатель; 2—предварительный подогреватель воздуха; 3 — камера сгорания; 4— трубки нагревателя.

Статком этой системы является высокий уровень расхода через предварительный подогреватель, что вызывает существенное па­дение давления. Те же явления преобладают в нагнетателе ка­меры сгорания, и в конечном счете это приводит к уменьшению

Мощности силовой установки. В системе рециркуляции продук­тов сгорания имеются эжекторы, с помощью которых часть от­работавших газов засасывается обратно в двигатель и смеши­вается с поступающим воздухом, прежде чем попасть в камеру сгорания. В этой системе также имеются потери из-за падения давления при прохождении потока через камеру сгорания, и
если это явление удается компенсировать с помощью эжекто­ров, действующих от проходящего через них подогретого возду­ха, то тогда не только достигается снижение уровня окислов азота до приемлемого уровня, но также улучшаются и рабочие характеристики двигателя по сравнению с тем, что дает систе­ма рециркуляции отработавших газов. Описанные методы сни­жения концентрации окислов азота не единственные, и в этой области имеется достаточное по­ле деятельности для исследова­ний и усовершенствований. В ко­нечном же счете, какие бы мето­ды ни использовались, их цель одна — снижение максимальной температуры в камере сгора­ния.

Хотя инженеры-практики и потребители промышленной про­дукции понимают значение кри­вых, характеризующих КПД двигателя, их больше заботит при покупке тепловых агрегатов (будь то турбина или поршне­вой двигатель) удельный эффек­тивный расход топлива системы в целом во всем диапазоне ра­бочих режимов. В общем слу­чае этот параметр обратно пропорционален КПД системы. Следовательно, если газовая турбина имеет сравнительно высокий удельный эффективный расход при частичных нагрузках, целесообразно объединить в одной установке два или более небольших агрегатов, ко­торые при частичной нагрузке на систему давали бы тре­буемую мощность с приемлемым значением удельного рас­хода за счет работы части небольших агрегатов при полной на­грузке, вместо того чтобы использовать мощный агрегат при частичной нагрузке. Любой двигатель с удельным эффективным расходом топлива, мало зависящим от величины нагрузки на двигатель, будет весьма перспективным для практического при­менения, при условии что сам удельный расход невелик.

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Рог, %

Рис. 1.101. Влияние рециркуляции — отработавших газов на содержа­ние окислов азота при полной на­грузке и избытке окислителя 60 % • (С разрешения фирмы «Филипс».) РОГ —процентная доля отработавших газов, участвующая в рециркуляции.

Удельный эффективный расход топлива двигателя Стирлин­га можно оценить только в сравнении с другими двигателями при условии, что используется жидкое природное топливо. Мы проведем такое сравнение в соответствующем разделе, а здесь отметим лишь общие тенденции. Поскольку, как уже отмеча­лось, удельный эффективный расход обратно пропорционален КПД системы, то для двигателя Стирлинга этот параметр будет
мало зависеть от скорости двигателя, и это действительно на­блюдается на современных двигателях [53] (рис. 1.102).

Работа при частичных нагрузках не является проблемой для двигателя Стирлинга Проблемой остается общий уровень аб­солютных значений удельного эффективного расхода для кон­кретного двигателя. Хотя желательно было бы располагать большим количеством данных, числовой пример также может служить хорошей иллюстрацией. В этой связи мы приведем опубликованные данные по двигателю Р-40, у которого при среднем давлении цикла 15 МПа удельный эффективный расход

0,50 0,48 0.36- 0,24 0,12

S. Е я ~ а

К s ■е к

& С

"I J ‘2 Ё и

£ о — о а Ъ

0 0,5

Мощиость/Макскмальная мощность

Рис. 1.102. Удельный эффективный расход топлива, типичный для двигателя Стирлинга [531-

Топлива составил 0,225—0,275 кг/(кВт-ч) при скорости вра­щения вала 850—2800 об/мин.

О характеристиках крутящего момента уже вкратце говори­лось ранее, и здесь мы только отметим общие тенденции Ре­альные циклические изменения крутящего момента и их разли­чия для двигателей простого и двойного действия будут рас­смотрены ниже. Типичная зависимость крутящего момента от скорости выходного вала для двигателей Стирлинга с механи­ческим приводом показана на рис. 1.103. Для сравнения на том же графике показаны зависимости крутящего момента от ско­рости вала для других тепловых двигателей.

Эти результаты подтверждают сказанное ранее в этой гла­ве о двигателях Стирлинга. Высокие значения крутящего мо­мента при малых оборотах у этого двигателя дают возможность или достичь более интенсивного ускорения транспортного сред­ства, на котором он установлен, при данной мощности, или же сохранить неизменным ускорение при существенно меньшей мощности.

1,0

В заключение этого краткого обзора общих тенденций и обобщенных характеристик двигателя Стирлинга мы приводим типичное распределение потоков энергии в энергосиловой уста­новке Стирлинга. Чтобы стали ясными особенности этого рас­
пределения, оно сравнивается с распределением потоков энер­гии в обычных двигателях внутреннего сгорания — двигателе с принудительным зажиганием и дизеле (табл. 1.5). Предполага­ется, что все сравниваемые двигатели работают на жидком при-

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Рис. 1.103. Зависимости крутящего момента от скорости вращения вала сравниваемых двигателей [53].

N/N*

П

1—двухвальная газовая турбина; 2 — двигатель Стирлинга; 3 — двигатель с принудитель­ным зажиганием и гомогенным зарядом; 4—двигатель с принудительным зажиганием и слоистым зарядом; 5 —дизель с нормальной системой впуска; 6 — одновальиая газовая турбина. N/N* — отношение скорости двигателя к скорости при максимальной мощности; М/М* — отношение крутящего момента к крутящему моменту при максимальной мощности.

Родном топливе. В табл. 1.6 дается сравнительный баланс энер­гии этих же двигателей, причем за основу для сравнения при­няты потоки энергии, характерные для двигателя с принуди­тельным зажиганием.

Таблица 1.5. Распределение потоков энергии в двигателях различных типов

Распределение потоков энергии, %

На выходе в охлаждающую в отработав — (полезиая жидкость шие газы

Тип двигателя

Жидкость

Шие газы

Энергия)

С принудительным зажиганием Дизель

40 44 14

30 20 50

30 36 36

Двигатель Стирлинга

Таблица 1.6. Распределение потоков энергии в двигателях различных типов, отнесенных к потокам энергии в двигателе с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом

Распределение потоков энергии

Тип двигателя…. ш,1хг>пе

Нл выходе в охлаждающую в отработав — (полезиая жидкость шие газы

Энергия)

С принудительным зажиганием Дизель

Двигатель Стирлинга 1,0 1,0 1,0 1,2 0,67′ 1,1

1,2 1,67 0,35

Это помогает лучше представить себе величину потока энер­гии, отводимого в систему охлаждения двигателя Стирлинга, и влияние величины этого потока на размеры радиатора и кон­струкцию холодильника в автомобильном варианте этого двига-

Общие тенденции и обобщенные характеристики

Пойоойимая энергия 100 %

Предварительный подогреватель возйука 43%

Тепловыё потери 5%

Охлаждающая

WH&Kccmt 46%

Мощность на. выхойном eajii} 32%

Рис. 1.104. Схема разделения потоков энергии двигателя Стирлинга.

Регенератор.

43°/»

Отработавшие газы 14 5′

Механические потери 5%

Теля. Схема разделения потоков энергии в энергосиловой уста­новке Стирлинга, показанная на рис. 1.104, не требует специ­альных комментариев.

Все же относительная величина некоторых потоков требует кратких пояснений. Чрезвычайно интенсивен поток энергии, протекающий через регенератор, что наглядно демонстрирует высокую эффективность таких систем повторного использования энергии. Однако связанная с этим высокая тепловая нагрузка ставит перед конструкторами регенераторов определенные проб­лемы. Потери энергии, уходящей с отработавшими газами (14 %), можно снизить, применяя рекуперацию, хотя предвари­тельный подогрев и рециркуляция также позволяют использо-

Вать вновь часть энергии, заключенной в отработавших газах. Однако для маломощных двигателей сложные предварительные подогреватели и системы рециркуляции, как правило, не окупа­ются, и поэтому рекуперация в таких двигателях может оказать существенное влияние на повышение общего КПД двигателя. В Батском университете (Англия) с конца 70-х годов проводятся исследования по использованию рекуперации для маломощных двигателей Стирлинга [54].

Если потери энергии, показанные на рис. 1.104, удалось бы уменьшить, то помимо увеличения части тепловой энергии, пре­образующейся в полезную работу, увеличилась бы и тепловая нагрузка на холодильник, что в автомобильном варианте двига­теля потребовало бы дополнительного увеличения теплового по­тока через радиатор, поскольку, как мы уже говорили, повыше­ние температуры в холодильнике вызывает заметное снижение КПД. Поэтому, когда требование компактности энергосиловой установки является определяющим, то улучшение рабочих ха­рактеристик не только дает преимущества, но и создает опре­деленные проблемы. Поскольку целью продолжающегося совер­шенствования двигателей Стирлинга является улучшение их ра­бочих характеристик, то, по-видимому, необходимо испытать какие-то иные охлаждающие жидкости для использования в силовой установке Стирлинга, например фреон, который благо­даря своим характеристикам, связанным с изменением фазово­го состояния, имеет хорошие перспективы в этом качестве.

Происходящая сейчас во всем мире интенсивная разработка двигателей Стирлинга увеличивает количество эксперименталь­ной и расчетной информации, характеризующей их работу, и, несомненно, потребуется большой срок, прежде чем эта инфор­мация будет должным образом оценена. Общие тенденции, свя­занные с двигателями Стирлинга, которые рассматривались в этой главе, основаны на информации, полученной до конца 1980 г. Мы взяли на себя роль интерпретаторов той информа­ции, которая была в нашем распоряжении. При этом мы пыта­лись дать объективную оценку двигателя Стирлинга с учетом предъявляемых к нему требований, его преимуществ и недо­статков.

В последних разделах этой главы двигатель Стирлинга сравнивается с другими существующими или имеющими шансы на практическое применение типами двигателей, а также прово­дится анализ особенностей двигателя «Флюидайн». Дается обзор типичных характеристик, которые достижимы уже в настоящее время. Этот обзор может помочь тем, кто интересуется практи­ческим использованием двигателей Стирлинга, оценить их по­тенциальные возможности в различных областях применения. Преподавателям инженерных учебных заведений мы уже предо­ставили достаточный материал, из которого можно извлечь по­лезные сведения по конструкции и принципам работы двигателя — Стирлинга. Намечены также перспективные области исследова­ния, которые, как мы надеемся, заинтересуют выпускников выс­ших учебных заведений.

Добавить комментарий

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