ОСОБЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

При современном развитии техники остро стоит вопрос о не­обходимости создания энергетических установок, в которых мо­гут быть использованы различные источники тепловой энергии, не загрязняющие окружающую среду и имеющие низкий уро­вень шума и вибрации. К таким перспективным силовым уста­новкам можно отнести двигатели Стирлинга.

Поскольку современные образцы двигателей Стирлинга име­ют такие же удельные показатели По расходу топлива, мощно­сти, массе и габаритным размерам, как и двигатели внутрен­него сгорания, а в отдельных случаях и превосходят их, то большое значение приобретают особенности тепловых двигате­лей этого типа, которые следует учитывать При решении вопро­са об их применении. К особенностям двигателей Стирлинга следует отмести высокий к. п. д., возможность использования различных тепловых источников, в том числе и тепловых ак­кумуляторов, малую токсичность (или отсутствие ее), низкий уровень шума и вибрации, незначительный расход смазочного материала, высокий к. п. д. при работе на неномииальном ре­жиме, нечувствительность к пыли в окружающей среде, воз­можность работы со значительными кратковременными пере­грузками, большую теплоотдачу в охлаждающую среду, слож­ность регулирования и пока относительно высокую стоимость, изготовления.

Высокий к. п. д. Возможность получения высокого к. п. д., а следовательно, и большой экономичности является важной осо­бенностью двигателя Стирлинга. Это связано с тем, что терми­ческий к. п. д. термодинамического никла Стирлинга равен к. п. д. цикла Карно. По данным фирмы Филипс, двигатели в диапазоне Мощностей 6—900 л. с. имеют к. п. д. 0,26—0,43, а в диапазоне мощностей 0,014—0,39 л. с. их к. п. д. составляет 0,079—0,14. В настоящее время созданы двигатели Стирлинга с к. п. д. 0,41—0,43, ведутся работы над двигателем с к. п. Д. 0,50, т. е. с удельным расходом жидкого нефтяного топлива около 127 г/(л. с. ч). Предельная величина к. п. д. с учетом достигнутых в настоящее время температур составляет около

0, 6. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть значительные конструктивные и технологические трудности и трудности, связанные с подбором материалов для изготовления деталей двигателя.

Различные тепловые источники. Внешний подвод теплоты, используемый в двигателе Стирлинга, позволяет применять раз­личные тепловые источники без каких-либо существенных изме­нений конструкции Двигателя.

Практически Все ископаемые топлива От твердых до газооб­разных Могут быть Непосредственно использованы в двигателе Стирлинга. Для этого двигатель Оборудуют камерой сгорания с Рекуперативным Теплообменником для подогрева воздушного Заряда теплотой Отработавших газов.

Фирма Филипс построила агрегат постоянного тока мощно­Стью 10 Л. с. с двигателем Стирлинга, который работал на жид­ком топливе различных видов (спирте, этилированном бензине, керосине, дизельном топливе, мазуте, соляровом, оливковом и подсолнечном маслах, сырой нефти) и на некоторых газах (про­пане, бутане, природном газе). При любой нагрузке двигатель переводился без остановки с одного вида топлива иа другой, при этом было зафиксировано незначительное влияние вида топлива на мощность И Экономичность двигателя.

По мере увеличения долговечности двигателя Стирлинга (в настоящее время гарантируемый фирмами-изготовителямн моторесурс составляет 10 000—15 000 ч) все больший интерес вызывает применение ядерного горючего в качестве источника теплоты. В начале 60-х годов в США разрабатывался проект создания судовой силовой установки с двигателем Стирлинга мощностью в несколько тысяч лошадиных сил с атомным ре­актором в качестве источника тепловой энергии [10]. Наряду с высокотемпературными атомными реакторами, пригодными для питания двигателей Стирлинга средней и большой мощ­ности (от нескольких сот до нескольких тысяч л. с.) имеется возможность использовать для питания двигателей Стирлинга малой мощности (0,7—20 л. с.) радиоизотопных источников теп­ловой энергии.

Фирмой Аллисои была спроектирована, построена и испыта­на космическая энергоустановка мощностью 3 кВт с двигателем Стирлинга, использующим в качестве источника тепловой энер­гии солнечную радиацию [10]. В этом случае двигатель полу­чает теплоту от абсорбера, расположенного в фокусе отража­тельного коллектора, концентрирующего лучистую солнечную энергию па абсорбер, в котором нагревается теплоноситель, не­обходимый для подвода теплоты к двигателю. В качестве теп­лоносителя в абсорбере используется калиево-натриевый рас­плав, отдающий теплоту рабочему телу — гелию в нагрева­тельном теплообменнике двигателя. Система имеет также блок аккумуляции теплоты с гидридом лития, который используется в то время, когда аппарат попадает в тень Земли. Энергети­ческая установка оказалась наиболее легкой и малогабарит* ной го сравнению со вссми конкурирующими системами. Она работала более 1000 ч.

В го;.сдал с высокой интенсивностью движения для приме­нения па транспортных средствах большие перспективы имеет двигатель Стирлинга с тепловым аккумулятором.

Влияние на окружающую среду (токсичность, шум, вибра­ции). Очевидно, что о токсичности двигателя Стирлинга (в обычном смысле этого понятия) можно говорить только при использовании теплоты сгорания топлива.

Наиболее широкое распространение в настоящее время по­лучили двигатели Стирлинга, работающие на жидком топливе нефтяного происхождения. Пр и этом источниками выделения токсичных веществ являются продукты сгорания топлива и ис­парения его из системы питания. Двигатель Стирлинга рабо­тает по замкнутому циклу, поэтому в его картере нет продук­тов сгорания и вследствие этого из картера не выделяются токсичные вещества.

Испареиие топлива в атмосферу в двигателе Стирлинга зна­чительно меньше, чем у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, так как топливная система закрытого типа. Практи­чески единственный источник токсичных веществ — продукты сгорания, выходящие в атмосферу из камеры сгорания.

Основными токсичными веществами, содержащимися в про­дуктах сгорания такого топлива, являются окись углерода СО;

Несгоревшие углеводороды СХНУ> окислы азота N0[4] , альдеги­ды, сажа, окислы серы (при использовании сернистых топлив), соединения свинца (для этилированных бензинов) [16].

Оценим токсичность двигателя Стирлинга по выделению оки­си углерода, углеводородов, окислов азота, а также по дымно­сти. На эти выделения имеются или вводятся законодательные ограничения. Токсичные продукты неполного сгорания (СО и СХНУ) являются следствием недостатка кислорода при сгора­нии (при малых общих или местных коэффициентах избытка воздуха).

Сажа в отработавших газах появляется в тех случаях, когда происходит термическое разложение углеводородного топлива (крекинг) при высоких температурах и недостатке кислорода.

Камеры сгорания двигателя Стирлинга подобны камерам сгорания газотурбинных и паровых двигателей. Процесс сгора­ния в них является стационарным. В таких условиях можно обеспечить достаточно хорошее качество смесеобразования. Воз­дух, поступающий в камеру сгорания, подогревается в специ­альном подогревателе отработавшими газами. Очевидно, что вы­деление токсичных веществ с отработавшими газами в двига­теле Стирлинга зависит от коэффициента избытка воздуха при

Рис. 78. Влияние коэффициента избытка воздуха а на основные токсичные компоненты в отработан­ных газах двигателя Стирлинга модели вРШ

Л — несгоревшие углеводороды; 2 — окислы азота; 3 — окись углерода

Сгорании а и температуры воздуха на входе в камеру сгорания Тк. На рис. 78 показано влияние А на концентрацию основных токсич­ных компонентов (СО, СхНу, 1Ох) в отработавших газах.

С увеличением коэффициента избытка, воздуха при сгора­нии уменьшается концентрация N0*, СО и С*Н?/. Рассмотрение массы токсичных компонентов, выделяющихся при сгорании единицы количества топлива, приводит к такому же выводу [16]. Необходимо отметить очень малые концентрации СО и СЖНУ Концентрация N0* уменьшается с ростом А из-за более существенного влияния снижения температуры по сравнению с влиянием увеличения количества свободного кислорода в про­дуктах сгорания. Так как при увеличении А к. п. д. двигателя несколько падает, то рациональное значение коэффициента из­бытка воздуха при сгорании составляет примерно 1,5—1,8.

С повышением температуры воздуха, поступающего в каме­ру сгорания, при постоянном коэффициенте избытка воздуха со­держание продуктов неполного сгорания (СО и СХНУ) уменьша­ется, а концентрация N0* возрастает (рис. 79). К. п. д. двига­теля Стирлинга также увеличивается с возрастанием Тк. Умень­шение концентрации СО и С^Н*, объясняется улучшением усло­вий сгорания в более горячем воздухе. Увеличение концентра­ции N0* вызвано повышением максимальной температуры сго­рания при неизменном коэффициенте избытка воздуха. Темпе­ратура воздуха на входе в камеру сгорания в двигателях Стир­линга достигает 600—800° С [14].

Необходимо отметить, что отработавшие газы двигателя Стирлинга не имеют запаха и практически не содержат сажи [401.

Приведенные выше материалы показывают, что наибольшее влияние на токсичность отработавших газов двигателя Стир­линга оказывают окислы азота. Выделение их может быть умень­шено воздействием на условия сгорания топлива в камере (уменьшением максимальной температуры и концентрации кис­лорода). Для понижения температуры в зоне сгорания подби­рают соответствующие параметры камеры сгорания или при­меняют рециркуляцию отработавших газов (как и в двигате­лях внутреннего сгорания) [16].

Иа рис. 80 показано влияние рециркуляции отработавших газов на токсичность двигателя. Увеличение количества пере­пускаемых отработавших газов более 33% количества поступа­ющего свежего воздуха нецелесообразно, так как при этом су­щественно возрастает концентрация СО, а концентрация N0* уменьшается менее значительно.

7. Токсичные составляющие отработавших газов

Тип двигателя

Токсичные составляющие в ыг/(л. с.-с)

Со

Стирлинга

0,1—0,2

0,05—0,2

0,0015—0,009

Газовая турбина (с регенерато­

0,7—2,0

2,0—3,6

0,0120—0,072

Ром)

Дизель

0,4 2,0

0,2—5,0

0,6—12

Карбюраторный двигатель

0,6-2,0

40—100

15-120

Для оценки уровня токсичности двигателя Стирлинга в табл. 7 приведены удельные выделения токсичных веществ в этом двигателе, в дизеле, газовой турбине и карбюраторном двигателе.

Из приведенной таблицы следует, что даже без принятия специальных мер токсичность отработавших газов двигателей Стирлинга значительно ниже токсичности тепловых двигателей других типов.

Основными источниками шума в двигателях внутреннего сго­рания являются турбокомпрессор, процесс сгорания, процессы впуска н выпуска, механизм газораспределения, кривошипно­шатунный и вспомогательные механизмы (из-за наличия зазо­ров в зубчатых зацеплениях, периодически перекрывающихся зазоров в подвижных соединениях и т. п.). Генерацию шума вспомогательными механизмами в двигателях внутреннего и внешнего сгорания можно принять одинаковой, другие источ­ники шума в двигателях Стирлинга отсутствуют, поэтому уро­вень шума, производимого работающим двигателем Стирлин­га, значительно меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Внешнее сгорание в двигателе Стирлинга происходит непрерыв­но и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сго­рании и выпуске шум почти не генерируется.

Кроме того, давление в цилиндрах двигателя Стирлинга из­меняется плавно, практически по синусоидальному закону. Впу­скные и выпускные клапаны, а также механизм газораспреде­ления в двигателе Стирлинга отсутствуют. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20—30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности.

Двигатель Стирлинга с обычным кривошипно-шатунным ме­ханизмом имеет примерно ту же неуравновешенность, что и дви­гатели внутреннего сгорания. Однако применение в двигателе Стирлинга ромбического приводного механизма позволяет уравновесить почти полностью все инерционные силы и моменты от них. При этом амплитуда колебаний свободно подвешен­ного двигателя составляет 5—8 мкм.

Расход смазочного масла. В двигателях внутреннего сгора­ния попадание масла в цилиндр, с одной стороны, ведет к вы­горанию масла, а с другой, — к его старению вследствие сопри­косновения с горячими газами и деталями двигателя.

В двигателях Стирлинга при применении уплотнения нового типа—свертывающейся диафрагмы масло практически не может попасть в рабочие полости и, кроме того, нигде не соприкаса­ется ни с горячими газами, ни с нагретыми деталями, поэтому не происходит ни выгорания, ни осмолеиия масла. Вследствие этого в двигателях Стирлинга отпадает необходимость в перио­дическом добавлении масла. В принципе двигатель Стирлинга может проработать в течение всего моторесурса с первоначаль­но заправленным маслом (если оно с течением времени не из­меняет своих качеств под воздействием окружающей среды), ко­торое очищается только от абразивных частиц. Для двигателей Стирлинга большой и средней мощности это является важней­шим экономическим преимуществом (стоимость смазочного мас — л а в 8—10 раз выше стоимости топлива). Для двигателей Стир­линга малой мощности это значительно уменьшает трудоемкость обслуживания.

Попадание масла в рабочие полости двигателя Стирлинга крайне нежелательное и чрезвычайно вредное явление, так как при этом парами масла загрязняется набивка регенератора и значительно ухудшается его к. п. д., а также изменяются свой­ства рабочего тела и, как следствие, эффективный к. п. д. дви­гателя. Поэтому в двигателе Стирлинга применяются несмазы — ваемые поршневые кольца, а смазочный материал требуется только для смазки механизма привода и вспомогательных агре­гатов. В качестве поршневых уплотнений в двигателе применя­ются неразрезные кольца из фторопласта или композиционных материалов на основе последнего.

Высокий к. п. Д. При работе на неиомииальных режимах. Топливная экономичность транспортного двигателя в эксплуа­тации характеризуется среднеэксплуатационной экономично­Стью.

В двигателе Стирлинга снимаемая с вала мощность регули­руется путем изменения давления рабочего тела во внутренние полостях двигателя. В то же время температуры нагревателя и охладителя автоматически поддерживаются постоянными. Сле­довательно, при изменении мощности и частоты вращения вала граничные температуры и их отношение остаются постоянными. Благодаря этому экономичность двигателя при работе на нено- мииальном режиме меняется незначительно. Так, при изменении частоты вращения от номинальной до 20% номинальной не­сколько увеличивается эффективный к. п. д. двигателя. Таким образом, установки с двигателем Стирлинга обладают высокой экономичностью.

Надежный и быстрый пуск двигателя при низкой темпера — туре. Двигатель Стирлинга, имеющий большое давление рабо­чего тела во внутренних полостях и достаточно высокую темпе­ратуру трубок нагревателя, легко пускается при любой темпе­ратуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в ка­мере сгорания. Свеча зажигания, которая объединена с форсун­кой в одно целое, практически гарантирует пуск двигателя при любых параметрах окружающей среды.

Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так

Как двигатель Стирлинга — двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из ок­ружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе Стирлинга вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе Стирлинга отсутствует дополни­тельный абразивный износ движущихся деталей механизма при­вода. Кроме того, из-за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших газов в рекуперативном теплообменнике камеры сгорания (подогревателе воздушного л.-цшдл) II и се распыливающем устройстве коррозия этих деталей незначи­тельна.

Работа С Кратковременными перегрузками. Моторесурс дви­гателей Стирлинга определяется скоростью наступления продола ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. С повышением давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя скорость наступления преде­ла ползучести возрастает. Тем не менее, кратковременные пере­грузки, связанные с повышением давления рабочего тела во внутренних полостях, незначительно уменьшают долговечность двигателя, так как температура деталей нагревателя остается неизменной.

В общем случае любой двигатель Стирлинга может гаранти­рованно выдерживать кратковременную 50—80%-ную перегруз­Ку без заметного снижения долговечности.

Теплоотдача в охлаждающую среду. Вследствие наличия В Двигателе Стирлинга замкнутой системы циркуляции рабочего тела теплоотвод практически полностью осуществляется через охладитель, при этом теплоотвод должен происходить при Воз­Можно более низких температурах. Поэтому количество тепло­ты, отводимое в охлаждающую воду, в двигателе Стирлинга приблизительно в 2 раза больше, чем в двигателях внутреннего сгорания, при их одинаковых эффективных к. п. д. Следова­тельно, размеры радиатора системы охлаждения двигателей Стирлинга на транспортных средствах получаются больше, чем у двигателей внутреннего сгорания того же назначения.

В судовых двигателях Стирлинга эта особенность не явля­ется серьезным недостатком.

Сложная система регулирования. Особенности организации рабочего процесса двигателя Стирлинга обусловили сложность его системы регулирования. Об этом свидетельствует большое количество изобретений, связанных с усовершенствованием этой системы. Часть этих усовершенствований связана с улучшением работы двигателя на неустановившихся и переходных режимах.

Высокая стоимость. До недавнего времени стоимость наибо­лее доведенных моделей двигателей Стирлинга была в 2—3 ра­за больше, чем стоимость двигателей внутреннего сгорания та­кой же мощности. Создание двигателей двойного действия су­щественно уменьшило этот недостаток. В настоящее время соз­датели двигателей Стирлинга заняты интенсивными поисками решений, позволяющих существенно снизить их стоимость. Ряд этих решений (создание двигателей двойного действия, привод­ного механизма с косой шайбой, применение отъемного нагре­вателя, и простых по конструкции подогревателей воздуха, упро­щение технологии изготовления и т. п.) уже реализован, . что позволило значительно снизить стоимость двигателя и улучшить его показатели. По оптимистическим прогнозам некоторых ис­следователей можно предположить, что при серийном выпуске доведенных двигателей Стирлинга их стоимость станет одинако­вой со стоимостью двигателей внутреннего сгорания такой же мощности.

Добавить комментарий

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