ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Условия работы рабочих и вытеснительных поршней из "Двигатели Стирлинга " Различные компоновочные схемы механических систем двигателей Стирлинга с возвратно-поступательными элементами рассмотрены в гл. 4. Возвратно-поступательные элементы можно разделить на две группы рабочие поршни и вытеснители. На рис. 3.4 представлена схема с рабочим поршнем и вытеснителем в одном цилиндре. [c.63] Верхняя часть цилиндра над вытеснителем с высокой температурой рабочего тела называется полостью расширения, а пространство между нижней частью вытеснителя и рабочим поршнем с температурой рабочего тела, приблизительно равной температуре окружа-юш.ей среды, — полостью сжатия. Между собой полости соединяются через теплообменники (нагреватель, регенератор и холодильник). [c.64] Назначение рабочего поршня — преобразовывать энергию газа в механическую энергию двигателя. Это осуществляется непосредственно (в свободнопоршневых двигателях) или через кривошипно-шатунный или другие механизмы. Рабочий поршень испытывает нагрузки от давления газа, сил трения и инерции. [c.64] При работе на поршень действует разность давления, существующая между рабочей полостью цилиндра и картером. Поэтому уплотнения поршня выполняют двойную роль — предотвращают утечки рабочего тела из рабочей полости и не допускают попадания в нее масла из картера. Последнее является чрезвычайно важным обстоятельством, так как попадание масла ухудшает характеристики регенератора и способствует выходу его из строя. [c.64] Температура газа над рабочим поршнем и под ним приблизительно одна и та же — близка к среде, окружающей двигатель поэтому рабочий поршень не подвержен тепловому воздействию, за исключением термического расширения в радиальном направлении. [c.64] Из изложенного выше следует, что рабочий поршень работает при значительном перепаде давления и практически постоянной температуре, т. е. при Ар Ф О и АТ 0. [c.64] Условия работы вытеснителя совершенно иные и характеризуются отсутствием перепада давления и наличием градиента температур, т. е. Ар О и АТ Ф 0. Имеющийся небольшой перепад давления на вытеснителе определяется лишь гидравлическим сопротивлением теплообменников. Поэтому вытеснитель имеет легкую конструкцию, выдерживающую лишь небольшой перепад давления й испытывающую незначительное воздействие инерционных сил. [c.64] Современные двигатели с высокой удельной мощностью имеют высокое давление рабочего тела. Так, в автомобильных двигателях Стирлинга давление рабочего тела (водорода) может достигать 20 МПа. Здесь важным обстоятельством является состояние внутреннего объема вытеснителя, который может находиться под давлением или не испытывать его. В последнем случае во избежание смятия стенки обечайки должны быть достаточно прочными. При высоком давлении рабочего тела это приводит к увеличению массы вытеснителя, росту инерционных сил и повышению тепловых потерь вследствие теплопроводности. Один из возможных вариантов конструкции — вытеснитель под давлением, заполняемый рабочим телом. Такой вытеснитель имеет толстые стенки, рассчитанные на значительные перепады давления. [c.65] Лучшим альтернативным решением является создание вытеснителя с небольшим круглым отверстием, равным примерно 0,254 мм, что позволяет выравнивать давление газа внутри полости вытеснителя сдавлением в цилиндре двигателя. При установившемся режиме работы двигателя расход газа через отверстие должен быть незначительным, а его давление внутри вытеснителя приблизительно равным среднему давлению в цикле. Этим объясняется небольшой диаметр самого отверстия. Важно также ограничить впуск и выпуск газа из вытеснителя, так как в противном случае его внутренний объем обусловливает увеличение общего мертвого объема двигателя, что приводит к снижению эффективной мощности и КПД. [c.65] Для уменьшения конвективных тепловых потерь внутренний объем вытеснителя должен быть заполнен тепловой изоляцией из пористых, волокнистых или порошковых материалов, способных выдерживать высокие температуры. Как показывает практика, наилучшим материалом является порошковый. [c.65] Поперечные силы, действующие на поршни. Для преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение вала в двигателях Стирлинга могут применяться различные кинематические механизмы, которые вызывают поперечные силы, действующие на рабочий и вытеснительный поршни и прижимающие их к боковым стенкам цилиндра. Примером может служить простейший кривошипно-шатунный механизм (рис. 3.5, а). Усилие С, действующее по оси шатуна А—В, может быть разложено в подшипнике В на вертикальную V и горизонтальную Н составляющие. [c.66] Горизонтальная составляющая Н, как поперечная сила, действующая на поршень, вызывает переменную по величине и направлению силу сопротивления D движению поршня в цилиндре и способствует износу трущихся поверхностей трения. Значение этой силы пропорционально коэффициенту трения р, и определяется зависимостью D = iH. Направление силы сопротивления всегда противоположно вектору скорости поршня. [c.66] Износ поверхностей трения независимо от наличия или отсутствия поперечных сил всегда нежелателен. Особенно это важно в тех случаях, когда поршневые уплотнения должны обеспечивать постоянный высокий перепад давления. Поэтому для уплотнений необходимо создать такие условия работы, при которых возможно разграничение их функций на собственно уплотнительные и на воспринимающие усилия от действия поперечных сил приводного механизма. Одна иа таких возможностей разграничения функций предусмотрена при использовании ползуна в приводном механизме (см. рйс. 3.5, б), применяемого фирмами MAN/MWM и Юнайтед Стирлинг в выпускаемых ими двигателях. Об этом подробнее описано в гл. 12 и 13. [c.66] Механизмом, исключающим действие поперечных сил в цилиндропоршневой группе, является ромбический привод (см. рис. 3.5, в), широко применяющийся в одноцилиндровых двигателях Стирлинга фирмы Филипс . Описание этого двигателя приведено в гл. 10. [c.67] Вернуться к основной статье