Выбор компоновочной схемы для двигателей Стирлинга двойного действия

3. Выбор компоновочной схемы для двигателей двойного действия.

Наибольшее число двигателей, доведенных или нацеленных на доводку до состояния промышленного производства, выполняются четырехцилиндровыми двойного действия. Большое и все увеличивающееся число реализованных вариантов говорит о том, что и в этом вопросе не достигнуто четких понятий о лучшем варианте. Пожалуй только наиболее простой случай, — рядный, крейцкопфный, — не встречался в работах последнего десятилетия. В 1970-х годах подобные двигатели, в том числе в 4-х и 6-ти цилиндровые, разрабатывались исследовательской группой MAN-MWM, а в 1980-х годах четырехцилиндровый двигатель с заклинкой 1-2-4-3 был разработан и испытан французским предприятием ЕСА. Все эти двигатели предназначались для подводных технических средств.

Один из мировых лидеров в области двигателей Стирлинга шведская фирма United Stirling в 1970-е годы ввела понятие «квадратная четверка», понимая под этим четырехцилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными параллельно друг другу по углам квадрата, с единой камерой сгорания и с общим торообразным нагревателем, собранным из четырех секторов. Первые исполнения таких двигателей имели два синхронизированных параллельных коленчатых вала (U-образная компоновка). Именно такими были первые варианты известных двигателей Р-40 (4-95) и Р-75 (4-275). Стремление избавиться от зубчатых пар, уменьшить механические потери и массо-габаритные показатели привода привело к появлению модификаций этих моторов в V-образной компоновке. Одним из таких двигателей стал V4-275R, успешно примененный на подводной лодке SAGA I. Двигатель Р-40 в новом исполнении разрабатывался фирмой MTI (США). Первая модификация, названная Mod I, оставалась еще U-образной, а последующие, начиная с Mod II, — V-образными [4, с.430], [8]. На этой стадии одними из важнейших стали вопросы профилирования трубок нагревателя и коллекторов, связывающих нагреватель с цилиндром и с регенератором [3, с.3.203]. По сути в этих работах эффективность и мощность двигателя были в наибольшей степени предопределены уровнем применяемых технологий. К негативным качествам V-образных двигателей необходимо отнести неравномерную схему заклинки коленвала, вызванную необходимостью организации фазового сдвига между сопряженными цилиндрами на равный угол независимо от величины угла развала цилиндров. Это приводит к необходимости применения соответствующих мер по балансировке и уравновешиванию двигателей (проблема, стоящая и для U-образных двигателей).

Следующим шагом в развитии V-образной компоновки стал двигатель Mod III (MTI Inc.) (рис. 2) [5, с.69], [8], в котором отказались от общего пространства камеры сгорания, единого сегментного нагревателя. В нем каждая цилиндро-поршневая группа выполнена подобно конструкциям по β-схеме с кольцевыми теплообменными аппаратами. В результате значительно сократился мертвый объем нагревателя, упростились практически все элементы в горячей части двигателя. Важно, что эти упрощения относятся к наиболее сложным и дорогим элементам двигателя. Из проблем, которые привнесены новой компоновкой, следует отметить две: необходимость синхронного регулирования четырех камер сгорания, а также организация увязки конструкции на двойное действие через элементы холодной зоны. Особенность последней задачи заключается в том, что дополнительный мертвый объем в холодных полостях негативно отражается на мощности двигателя примерно так же, как вдвое больший объем в горячих полостях.

Двигатель Стирлинга двойного действия

Двигатель Стирлинга двойного действия

Рис. 2. Двигатель Стирлинга двойного действия MOD III

1 — запальная свеча, 2 — газовый штуцер, 3 — газовая горелка, 4 — изоляция, 5 — преднагреватель, 6 — вход воздуха, 7 — выхлопной патрубок, 8 — регенератор, 9 — охладитель, 10 — главное уплотнение, 11 — шток, 12 — крейцкопф.

Разработан Mechanical Technology Inc. в 1994 г. Мощность 108 кВт, частота вращения 2800 мин-1, 4 цилиндра размером 117/30 мм, угол развала 40º, рабочее тело — гелий, среднее давление 15 МПа, температура нагревателя 1048 К, эффективный КПД 36 %.

Стирлинг-генератор на его основе — мощность 75 кВт, частота вращения 1800 мин-1, масса 523 кг.

Приведенные размышления иллюстрируются таблицей 1. К приведенным в ней данным следует относиться с осторожностью, поскольку они собраны из большого числа публикаций и относятся к двигателям в различных условиях. За 20 лет при схожих размерах кинематического механизма мощность двигателя увеличилась в 2,7 раза. Причем наиболее существенным оказался переход от Mod II к Mod III. Хорошие показатели двигателя 4-95 образца 1984 года, по-видимому, являются следствием применения водорода в качестве рабочего тела [9].

Таблица 1

Развитие двигателей на базе Р-40

Модификация

P-40

4-95

Mod I

Upgraded Mod I

Mod II

Mod III

Год создания

1973

1984

1981

1983

1986

1994

Схема механизма

U

U

U

U

V

V

Размеры цилиндров D/S, мм

50/48

55/40

73/30

117/30

Рабочий объем, см3

4х94

4х95

4х123

4х126

4х323

Среднее давление, МПа

15

20

15

15

15

Температура нагревателя, К

973

993

993

1093

1093

1048

Максимальная мощность, кВт

40

52

54,4

62,2

62,3

108

Частота вращения, мин-1

4000

4000

4000

4000

4000

2800

Эффективный КПД, %

26…32

29.4…41

34,5…37,7

33,5…39

38,5…39

36

Удельная масса, кг/кВт

4,5

6,3

3,8

3,38

Другое направление при создании двигателей двойного действия — аксиально-поршневые с механизмом типа наклонная шайба — было выбрано фирмой Philips. И хотя в настоящее время Philips сконцентрировала свои усилия в области машин Стирлинга на криогенных холодильно-газовых машинах, работы по аксиально-поршневым двигателям настойчиво продолжаются с учетом ее опыта на вновь организованной фирме Stirling Thermal Motors (STM Inc., США) [1]. Главной особенностью созданного здесь двигателя STM 4-120 является гидравлический механизм изменения угла наклона шайбы, позволяющий воздействовать на величину хода поршней и таким образом регулировать мощность двигателя не прибегая к системам изменения давления рабочего тела или мертвого объема. По степени доведенности, а также по эффективности и массо-габаритным показателям этот двигатель находится в одном ряду с двигателями фирмы Kockums и так же, как и последние, был опробован в самых различных областях применения. Кроме того, на его базе были разработаны рефрижераторная и криогенная холодильно-газовые машины [5, с.209], [5, с.321].

Двигатель Стирлинга двойного действия

Двигатель Стирлинга двойного действия

Рис. 3. Двигатель Стирлинга двойного действия WG 3000

1- камера сгорания, 2- преднагреватель. 3 — нагреватель, 4 — поршень, 5 — регенератор, 6 — верхняя плита, 7 — охладитель, 8 — основной корпус, 9 — балансир, 10 — качающееся звено, 11 — корпус генератора, 12 — вал отбора мощности, 13 — ротор генератора, 14 — статор генератора, 15 — привод для стартера.

Разработан Whisper Tech Ltd и Кентерберийским университетом (Новая Зеландия) для применения на яхтах и в малой энергетике в составе когенерационных установок. Электрическая мощность 2,7 кВт, частота вращения 2000 мин-1, 4 цилиндра размером 10,16/5,08, рабочее тело — азот, среднее давление 2 МПа, температура нагревателя 1023 К, камера горения на пропане.

Среди приводных механизмов двигателей двойного действия новейших типов следует выделить три: отмеченные выше KS15D концерна DaimlerBenz и датский двигатель SM-3 мощностью 40 кВт, а также WG 3000 новозеландской фирмы Whisper Tech Ltd.

Приводной механизм датского двигателя интересен тем, что в принципе состоит из достаточно простых звеньев и допускает использование подшипников качения. В основе его лежит известный многозвенный механизм Росса. Особенностью, помимо отмеченных ранее, является применение обратных шатунов, благодаря чему значительно увеличивается база для восприятия звеном «ползун-шток» перекашивающего усилия, и, как следствие, до технологического минимума уменьшается нагрузка на штоковые и поршневые уплотнения [6, с.353].

Двигатель WG 3000 (рис. 3) является сочетанием аксиально-поршневой компоновки с кинематическим механизмом на подшипниках качения (без наклонной шайбы) [5, с.87], [7, с.169]. Механизм последовательно состоит из одноколенного вала с наклоненной вращающейся шейкой колена, двух карданных пар и штоков поршней. Карданные звенья, сидящие на шейке вала, движутся синхронно подобно качающейся шайбе, а вторые карданные звенья, — балансиры, — качаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях на неподвижных осях, Сочленение штоков с поршнями в публикациях не приведено, вероятно, это одно из ноу-хау, хотя ранее фирмой Philips конструкции такого типа применялись. По приведенным изображениям видно, что штоки двойные: наружный в виде трубы, выполняющий направляющую роль ползуна и обеспечивающий работу уплотнений, и внутренний — силовой, — совершающий при проворачивании механизма относительно малые смещения от оси цилиндра (до 0,4 мм). Большое число силовых подшипников является недостатком этого механизма, но отсутствие ползунов обыкновенного типа и применение исключительно подшипников качения значительно повышают механический КПД и позволяют выполнить механизм на консистентной смазке.

Литература.

1. Hargreaves C. M. The Philips Stirling Engine. — Amsterdam, Elsevier, 1991.

2. Maurer T. Stirlingkonzept mit doppeitwirkender Kreuzkolbenmaschine. Universitat Kassel, 1994.

3. Proceedings of 20th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Miami Beach, Fl., 1985.

4. Proceedings of 21st Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., San Diego, 1986.

5. Proceedings of 6th International Stirling Engine Conf., Eindhoven, Netherlands, 1993.

6. Proceedings of 7th International Conf. on Stirling Cycle Machines, Waseda University, Tokyo, 1995.

7. Proceedings of 8th International Stirling Engine Conference and Exhibition. — University of Ancona, Italy, 1997.

8. Steimle F. Stiling-Maschinen-Technik: Grundlagen, Konzepte und Chancen. — Heidelberg, Muller, 1996.

9. Stine W. B., Diver R. B. A Compendium of Solar Dish/Stirling Technology /SAND93-7026 UC-236 Unlimited Release, Sandia National Laboratories, USA, Alburquerque, 1994.

10. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1998, Osnabruck 24-26 Februar 1998.

Статья опубликована в журнале «Двигателестроение», 2002, № 2, с. 3-6.

Добавить комментарий

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