Как работает двигатель Стирлинга

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА [c.21]

Хотя проблемы, относящиеся к двигателю Стирлинга, до некоторой степени освещались в технической литературе, все же, как показывает опыт авторов, в инженерных и промышленных кругах имеется весьма слабое представление о двигателе Стирлинга, принципах его работы, диапазоне возможных областей его применения и той роли, которую мог бы сыграть этот двигатель в решении задачи экономии энергии. Дело, однако, не в недостатке литературы по вопросам конструирования и работы двигателя Стирлинга, а в том, что многие из опубликованных работ (а их около тысячи) имеют весьма специальный характер и требуют от читателя определенной предварительной подготовки для усвоения их содержания. Работы общего характера по двигателям Стирлинга встречаются весьма редко и неизбежно велики по объему. Нужно иметь достаточно большую заинтересованность в предмете, чтобы прочесть такую работу полностью. Сжатое изложение отдельных вопросов, принятое в подобных работах, часто оказывается препятствием для читателя, не имеющего первоначальных знаний по двигателю Стирлинга. [c.8]

Работа двигателя Стирлинга по замкнутому циклу определяет как его преимущества, так и недостатки. Например, поскольку рабочее газообразное тело постоянно находится в полости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник, в то время [c.18]

Задача о проницаемости трубок нагревателя начинает получать некоторый теоретический фундамент, поскольку сейчас проводится очень серьезная работа специалистами в области материаловедения, которые занимаются осуществлением программы автомобильных двигателей Стирлинга в США. В атомной промышленности также ведутся некоторые исследования проницаемости стенок при использовании в качестве рабочего тела водорода. Однако, хотя соответствующие работы заслуживают внимания, в них не рассматриваются условия работы двигателя Стирлинга с периодически изменяющимся течением высокотемпературного газа под большим давлением. Температура является важным фактором, влияющим на скорость фильтрации. Но, как мы уже отмечали, высокотемпературная среда влияет также и на физические характеристики материала трубок на- [c.262]

В технической литературе, посвященной тепловым двигателям, обычно основное внимание уделяется термодинамическим и тепловым аспектам работы и конструкции двигателя и практически не рассматривается динамика машины монографии, посвященные двигателям Стирлинга, не являются исключением в этом смысле. В качестве механизма привода в обычных тепловых двигателях с возвратно-поступательным движением почти всегда применяются кривошипно-шатунные механизмы, в то время как в двигателях Стирлинга применяются самые различные механизмы привода (рис. 1.27). Поэтому следует уделить должное внимание динамике и кинематике механизмов привода двигателя Стирлинга. Подробное описание механики и динамики механизмов, применяющихся в двигателе Стирлинга, потребовало бы много места мы ограничимся лишь рассмотрением некоторых специфических особенностей, с которыми придется столкнуться. [c.268]

Как уже указывалось, тепловые трубы обеспечивают работу двигателя Стирлинга от различных нетрадиционных источников энергии. Тепловые трубы можно использовать с любым источником тепловой энергии, благодаря чему система с двигателем Стирлинга становится многотопливной. В будущем в связи с топливной проблемой и необходимостью использования всех источников энергии система тепловая труба — двигатель Стирлинга [c.398]

Формирование теоретического анализа работы двигателей Стирлинга связано с определенными допущениями и предположениями. Простейший анализ работы двигателей относится к идеальному циклу Стирлинга, состоящему, как известно, из двух изотермических и двух изохорных регенеративных процессов. Однако из-за значительной идеализации процессов цикла по сравнению с действительными такой анализ справедлив лишь для элементарных предварительных расчетов, [c.36]

По-видимому, изложенная выше теория применима в разумных пределах к регенераторам, используемым в газотурбинных двигателях и подогревателях воздуха, но непригодна для регенераторов двигателей Стирлинга. Эта теория основана на таких предположениях, которые неприменимы к работе двигателя Стирлинга, в основном так как время прохождения частицей насадки регенератора мало по сравнению с полным периодом дутья. В двигателях Стирлинга периоды дутья чрезвычайно малы. Например, при относительно небольшой частоте вращения 1200 об/мин (20 циклов в секунду) время дутья в 10 раз меньше, чем минимально допустимое время в газовой турбине. Ранее отмечалось (см. рис. 5.4), что периоды дутья столь малы, что ни одна частица не проходит через насадку. Из рис. 5.5 следует, что реальное общее время прохождения потока через насадку составляет примерно половину времени полного цикла оставшееся же время расходуется или на заполнение, или ьш опустошение мертвого объема. Процесс теплоотдачи в этом случае представляется весьма сложным, так как он связан с повторяющейся от цикла к циклу контактной связью между насадкой и рабочим телом подобно передаче ведра из рук в руки при тушении пожара. Другие существенные допущения теории состоят в том, что параметры на входе (температура, массовый расход и скорость движения рабочего тела) считаются постоянными во времени. Очевидно, для любого регенератора системы с циклом Стирлинга эти допущения невыполнимы, Из рис. 5.4 видно постоянное изменение условий на входе в регенератор, а на рис. 5.5 приведено предельное изменение проходящего через нее массового расхода потока, [c.113]

Другой областью возможного применения, подробно изученной еще в конце 60-х гг., явилось производство небольших автомобилей для торговых фирм и автомобилей городского цикла с коротким пробегом. Часть этой работы включала как исследование двигателя Стирлинга мощностью 18 кВт с приводом от косой шайбы, так и [c.259]

Как мы уже говорили, изобретение № 166202 еще не осуществлено в металле. Но изобретатели успели подметить некоторые его слабые стороны и нашли способ их устранить. Дело в том, что газовая постоянная увеличивается не только при нагреве перед турбиной в результате диссоциации, но и при сжатии в компрессоре. Газа как бы становится больше, и на его сжатие приходится затрачивать больше работы. При расширении в турбине — картина обратная. Эти обстоятельства несколько снижают к.п.д. двигателя. Чтобы избавиться от таких нежелательных явлений, нужно весь процесс сжатия и расширения тоже производить при постоянной температуре, изотермически. Но как раз так и происходит в двигателе внешнего сгорания—двигателе Стирлинга. Поэтому именно в нем целесообразнее всего использовать диссоциирующее рабочее тело, например треххлористый алюминий или смесь метана с углекислым газом (авторское свидетельство № 213039). [c.274]

С середины XX в. указанные преимущества двигателей Стирлинга вызвали к ним повышенный интерес, и на первый план была поставлена задача создания действующих и конкурентоспособных двигателей. При этом многие технические решения, оправдавшие себя при конструировании двигателей внутреннего сгорания, газовых и паровых турбин, оказались непригодными из-за специфических условий работы деталей и узлов в двигателе Стирлинга. Ряд агрегатов и систем (нагреватель, механизмы отбора мощности, системы уплотнений и др.) пришлось создавать заново, так как им не было аналогов. [c.5]

В процессе конструирования и доводки двигателей Стирлинга все сильнее ощущалась нехватка в теоретических и экспериментальных исследованиях в области прикладной термодинамики, нестационарной газодинамики, конвективного теплообмена при быстром изменении направления течения. Выявилась необходимость комплексного решения термодинамических, газодинамических, тепловых, механических и технологических проблем. Однако в большинстве работ, посвященных этим проблемам, рассматривались, как правило, сугубо специальные вопросы, а немногие работы общего характера велики по объему и в целом трудны для понимания. [c.5]

Мы решили не включать в книгу перечень примерно 1500 работ, на которые можно было бы сослаться при изложении материала, однако в каждой главе привели список литературы, с которой необходимо ознакомиться прежде, чем начинать какую-либо работу в данной области. Более того, учитывая, что ученым и исследователям нужна иная литература, нежели лицам, рассматривающим возможность практического использования двигателей Стирлинга, в гл. 7 даны отдельные списки рекомендуемой литературы. [c.13]

В настоящей книге мы намеренно предпочли термин двигатель Стирлинга термину машина, работающая по циклу Стирлинга . Это сделано по двум основным причинам. Во-первых, ни один двигатель цли машина в действительности не работают по циклу Стирлинга, хотя при определенных изменениях в конструкции полостей переменного объема можно достичь протекания процессов сжатия и расширения в соответствии с идеальным циклом. Такие модификации имеют общее название изотермические двигатели [2]. С большей точностью, вероятно, можно было бы применить термин машина, работающая по принципу Стирлинга . Во-вторых, машина, работающая по принципу Стирлинга , может функционировать в различных режимах, а именно в качестве механического привода, как тепловой насос [3], холо,а,ильная машина [4] и газогенератор [1]. Все эти режимы можно получить на одном и том же двигателе, чему авторы этой книги были свидетелями при посещении исследовательских лабораторий фирмы Филипс в Эйндховене (Нидерланды). Следовательно, термин машина, работающая по принципу Стирлинга охватывает весь диапазон соответствующих механизмов. Поскольку данная книга посвящена исключительно вопросам получения механической энергии на валу, термин двигатель Стирлинга представляется более подходящим. [c.13]

Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершающих механическую работу на выходном валу при подводе к ним тепловой энергии. Полезная работа в рабочем цикле Стирлинга совершается, как и в других тепловых двигателях, посредством сжатия рабочего тела при низкой температуре и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре. Основные термодинамические процессы, про- [c.16]

Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и тем самым более приемлемым с точки зрения социальных требований, а также перспективным для применения в военных целях. [c.18]

Поскольку конструкция двигателя Стирлинга не испытывает резких циклических ударных нагрузок, можно предполагать, что расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание таких двигателей будут существенно снижены. Однако для работы с удельными мощностями, как у дизельного двигателя и газовой турбины, двигатель Стирлинга должен иметь среднее давление цикла 10—20 МПа. При таких давлениях требуется весьма совершенная система уплотнений для предотвращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода), а также попадания смазочного масла в рабочие полости, где оно будет загрязнять теплообменники, вызывая возрастающие потери давления и снижение выходной мощности. [c.19]

В устройствах, работающих по замкнутому циклу, в том числе и в двигателе Стирлинга, необходимо избегать потерь рабочего тела, поскольку такие потери снижают среднее давление цикла и, следовательно, выходную мощность. Имеется много путей для просачивания рабочего тела из внутренней полости двигателя например, водород под действием высоких давлений и температур будет диффундировать сквозь металлические перегородки, изготовленные из больщинства металлов и сплавов (особенно это относится к нержавеющей стали). Однако чаще всего основной причиной утечки является просачивание газа под давлением около поршней и их штоков. На первый взгляд такую утечку можно ликвидировать, установив обычные уплотнения, т. е. металлические кольца или кольца из шнура, поскольку, например, газовые компрессоры работают при давлениях, превышающих давление в двигателях Стирлинга. Однако рабочие температуры в двигателях Стирлинга выше, чем в компрессорах, и это усложняет решение проблемы уплотнений. В двигателях внутреннего сгорания рабочие температуры сопоставимы с температурами в двигателях Стирлинга, однако в двигателях Стирлинга уплотнения должны работать в атмосфе ре, не содержащей масла, поскольку при попадании масла из картера в рабочие полости происходит его пиролиз и образование углеродных отложений, засоряющих теплообменники и особенно высокопористые регенераторы. Кроме того, масло в картере может загрязняться просачивающимся рабочим телом. Усовершенствование уплотнений не должно производиться за счет увеличения трения, поскольку это может привести к недопустимому падению рабочих характеристик на валу двигателя. Из сказанного видно, что создание работоспособной конструкции уплотнения для двигателей Стирлинга с высоким внутренним давлением представляет достаточно серьезную проблему. Этот вопрос рассматривается в разд. 1.7. Необходимо уяснить, что использование газообразного рабочего тела, находящегося под высоким давлением, делает чрезвычайно вероятной утечку газа безотносительно к степени совершенства уплотняющих устройств. Следовательно, чтобы поддерживать выходную мощность двигателя на одном уровне в течение длительного периода эксплуатации, такая утечка должна компенсироваться. Практически это означает, что на двигателях Стирлинга с высоким давлением должен быть установлен компрессор, автоматически нагнетающий сжатый газ в двигатель при падении давления цикла ниже определенного уровня иными словами, должен быть обеспечен процесс подкачки . Компрессор может быть расположен как внутри двигателя, так и вне его. В двигателе с косой шайбой Форд — Филипс имеется внутренний поршневой компрессор, состоящий из небольших порш- [c.81]

Подробный анализ различных определений КПД, приведенный выше, может показаться ненужным и даже искусственным, но мы считаем, что подробное освещение различных по своей природе КПД и их составляющих весьма полезно, поскольку в литературе достаточно часты случаи, когда приводимые КПД не оговариваются, и это нередко приводит к излишне оптимистичным заявлениям о преимуществах рабочих характеристик двигателя Стирлинга по сравнению с другими тепловыми двигателями. Поэтому при рассмотрении в этой главе различных аспектов воздействия температуры на рабочие характеристики мы будем тщательно оговаривать, где это возможно, приводимые результаты. Индикаторный, эффективный или какой-либо другой КПД двигателя Стирлинга весьма сильно зависит от уровня температуры, при которой энергия источника передается рабочему телу. Этим объясняется, почему большинство двигателей Стирлинга работает при постоянной [c.86]

Мы рассмотрели влияние фундаментальных термодинамических параметров на рабочие характеристики двигателей Стирлинга. Однако имеются параметры, определяющие режимы работы двигателя и связанные непосредственно с конструктивными особенностями двигателя, которые Также влияют на рабочие характеристики. Наибольшее влияние оказывают скорость двигателя и фазовый угол, характеризующий взаимосвязь между изменяемыми объемами горячей и холодной полостей фазовый угол объемов). Оба этих параметра, как правило, или устанавливаются заранее, или определяются конкретными условиями применения двигателя. Влияние каждого из них будет рассматриваться отдельно. [c.97]

Как уже отмечалось ранее, двигатели Стирлинга, как правило, работают на заранее выбранном рабочем теле при постоянной температуре в трубках нагревателя. В процессе работы нагрузка и скорость могут изменяться, среднее давление цикла может оставаться на заданном уровне или такл<е 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 . [c.104]

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). [c.113]

Хотя двигатель Стирлинга может работать на самых различных источниках энергии, несомненно, что еще и в начале будущего столетия основным источником энергии для наземного транспорта останутся углеводородные топлива. Это не означает, что углеводородные топлива по-прежнему будут получать из существующих источников и что они сохранят современный вид. Этот вопрос предстоит изучить, так как возможны дополнительные экономические выгоды за счет способности двигателя Стирлинга работать на различных видах топлива. Поэтому вслед за обсуждением технологичности двигателя Стирлинга мы рассмотрим возможности использования альтернативных углеводородных топлив. [c.142]

Хотя этот вопрос рассматривается отдельно от стоимости, на самом деле стоимость изготовления прямо связана с технологичностью. Однако для большей четкости изложения удобнее рассмотреть вопросы, связанные с технологичностью, отдельно. Как видно из табл. 1.10, двигатель Стирлинга имеет большую стоимость, чем другие варианты автомобильных двигателей составляющие этой стоимости приведены в табл. 1.12. Основная причина такой относительной дороговизны двигателя Стирлинга — использование высоколегированных сплавов для изготовления теплообменников. Конструкция теплообменников предусматривает применение весьма дорогой технологии пайки и дорогостоящих материалов для пайки, при этом длина паяных швов весьма значительна [37]. Допуски на обработанные поверхности деталей двигателя Стирлинга, как правило, более жесткие, что является следствием применения замкнутого рабочего цикла. Для свободнопоршневых двигателей Стирлинга качество механической обработки является, вероятно, наиболее важным требованием для обеспечения нормальной работы двигателя. [c.142]

Однако к этому времени благодаря усовершенствованиям в аккумуляторных батареях и электронных устройствах уменьшилась потребность в портативных генераторных установках малой мощности. И все же удивительно, что двигатель Стирлинга повышенной мощности не был доведен до стадии серийного производства, хотя еще в 1948 г. двигатель двойного действия У-4 мощностью И кВт был продемонстрирован в лаборатории фирмы Филипс ( г. Эйндховен) крупнейшему изготовителю двигателей — Генри Форду II [9], а аналогичных размеров двигатель двойного действия с косой шайбой был подготовлен к выпуску к началу 50-х годов [95]. Дальнейшему прогрессу двигатель Стирлинга обязан фирме Дженерал моторе , которая предложила фирме Филипс разработать совместную программу разработок таких двигателей, однако в то время Филипс уклонилась от этого предложения [45]. О причинах этого можно только гадать, но фактом является то, что примерно в 1946—1947 гг. в фирму Филипс влилась новая группа исследователей, после чего предпочтение было отдано использованию двигателя в качестве рефрижератора и холодильной машины, а не источника механической энергии. Сразу же начала выполняться соответствующая программа, принесшая фирме Филипс существенный коммерческий успех в этой области. Одноступенчатая машина, построенная в 1963 г., обеспечивала температуру 12 К с охлаждающим эффектом, достаточным для получения сверхпроводимости в пластине из сплава ниобия с оловом, так что стержневой магнит мог висеть в воздухе над этой пластиной. В этот первый период совершенствования двигателя обратного действия (т. е. двигателя, работающего в режиме холодильной машины) были достигнуты важные результаты, связанные с применением в качестве рабочего тела водорода и гелия, что уменьшило потери на перетекание и улучшило рабочие характеристики. Успех работ по холодильным машинам и утрата предполагавшегося рынка для двигателя Стирлинга как источника механической энергии, казалось бы, закрывали перспективы использования этого двигателя для получения мощности на выходном валу. Однако благодаря энтузиазму и энергии Мейера — одного из инженеров фирмы Филипс — эти работы были продолжены, а изобретение Мейером в 1953 г. ромбического привода обеспечило двигателю Стирлинга будущее. Генераторная установка с ромбическим приводом показана на рис. 1.137. [c.189]

Представители руководящих кругов исследовательских организаций и промыщленности, профессора и преподаватели технических дисциплин благодаря занимаемому ими положению могли бы оказать больщое влияние на завтращних инженеров и техников, и поэтому им также следовало бы больше знать о двигателях Стирлинга. Настоящая книга рассчитана и на эти группы читателей. Она построена так, чтобы облегчить понимание основных особенностей работы и конструкции двигателя Стирлинга. Книга дает ответы на вопросы как устроен двигатель Стирлинга, как он работает, где он может использоваться и т. д.—-уже в начале изложения материала (гл. 1). Мы надеемся, что, прочитав эту главу, инженерно-технические работники будут более отчетливо представлять потенциальные возможности двигателя Стирлинга в области преобразования энергии и более внимательно отнесутся к перспективам его использования. [c.9]

До сих иор мы рассматривали особенности работы двигателей Стирлинга и предъявляемые к ним требования без сравнения с другими типами тепловых двигате.лей. Поэтому, чтобы завершить оценку, проведем детальное сравнение с другими двигателями. Помимо таких параметров, характеризующих работу двигателей, как КПД, удельная выходная мощность и т. п., при сравнении будут учтены и такие факторы, как стоимость, технологичность и возможность применения альтернативных топлив. Сравнение с учетом всех этих факторов необходимо для достижения его полноты и объективности. Слишком часто приходится сталкиваться в публикациях с произвольными сравнениями, которые делаются или с излишним энтузиазмом по отношению к двигателям Стирлинга, или со столь же необъективным отрицательным к ним отношением. Авторам первых меньше везло, в то время как предвзятость авторов последних можно легко понять. Сейчас во всяком случае ясно, что нужны не необоснованные II сверхоптимистичные предсказания блестящего будущего двигателей Стирлинга, а конкретные экспериментальные значения рабочих характеристик и результаты расчетов, подтвержденных экспериментальными данными. [c.122]

Теперь рассмотрим, как применяются эти концепции теории балансировки к двигателям Стирлинга, и покажем это на примере трех основных типов механизма привода двигателя — кривошипно-шатунного, ромбического (для одноцилиндрового двигателя), с косой шайбой. Если кривошипы парных цилиндров в рядном двигателе вращаются в иротивофазе, то первичные силы и вторичные моменты уравновешиваются, но вторичные силы и первичные моменты не балансируются. Обычно такая ситуация допустима, но, к сожалению, с точки зрения балансировки наиболее предпочтителен режим работы двигателя Стирлинга со сдвигом фазы около 90°, что при использовании кривошипно-шатунного механизма для двигателя модификации [c.272]

Основные проекты, разрабатываемые в США, уже были рассмотрены достаточно подробно. Более 40 американских организаций осуществляют научно-исследовательские программы, финансируемые правительством, в соответствии с которыми разрабатываются как сам двигатель Стирлинга, так и его элементы. Самые, большие денежные суммы выделены на программы разработки автомобильного двигателя и двигателя на солнечной энергии. Все более интенсифицируются исследовательские работы по созданию больших двигателей для стационарных силовых и энергетических установок общего назначения [8, 9]. Рассматриваются возможности использования камер сгорания с псевдоожиженным слоем и нетрадиционных источников энергии [5]. В работе [5] довольно подробно рассмотрено преобразование дизельных двигателей в двигатели Стирлинга с использованием двигателя типа двигателя Рингбома. Последний является гибридной системой со свободно перемещающимся вытеснителем, связанным поршнем и камерой сгорания на угле. Сотрудники фирмы Фостер — Миллер ассошиэйтс [10] иод-считали, что генератор с двигателем Стирлинга, работающим на угле, мощностью 2,3 МВт позволит сэкономить за год 656 тыс. долл. Все очевидней становится тенденция к созданию более крупных двигателей. [c.407]

Цель книги — дать общее представление о двигателях Стирлинга. Она предназначена для специалистов — инженеров и работников промышленности, заинтересованных в приобретении более глубоких знаний по этому вопросу и в то же время не имеющих возможности тратить усилия и время на выискивание нужных сведений в многочисленных публикациях и на изучение пространных докладов и отчетов. В соответствии с нашими намерениями, изложенными в предисловии, настоящая глава включает краткое предварительное изложение основных вопросов в последующих главах эти вопросы рассматриваются более подробно, описывается практическое применение двигателей Стирлинга и дается характеристика современного состояния конструкторских и исследовательских работ. Там, где это необходимо, выделяются основные тезисы, которые располагаются, как правило, в начале каждой главы или раздела. В разд. 1.2 дается перечень основных принципов работы и отличительных особенностей двигателя Стирлинга. Этот переч"ёнь связан ссылками с остальной частью книги, что дает возможность читателю изучать ее в выбранной им последовательности. [c.12]

Динамические факторы, которые необходимо принимать во внимание при конструировании, можно разделить на две группы связанные с динамической нагруженностью и связанные с динамической балансировкой движущихся частей двигателя. Динамические нагрузки оказывают решающее влияние на определение основных размеров двигателя Стирлинга, Термодинамический анализ работы двигателя предъявляет определенные требования к рабочему объему, длине шатуна и др., однако количественно эти требования выражены безразмерными параметрами и, следовательно, не устанавливают каких-либо реальных размеров. Определение размеров этих компонентов основывается на последующих динамических расчетах, включающих определение нагрузок на подшипники, величины изгибающего момента на шатуне и т. и. Двигатель Стирлинга благодаря используемому в нем замкнутому циклу по своей приро- [c.28]

Единственный, еще не рассмотренный нами двигатель двойного действия, разрабатываемый в настоящее время,— это уравновешенный смешанный двигатель, предложенный фирме ТСА Финкельстайном [28] (фирма ТСА, Беверли-Хилс, шт. Калифорния) [28]. Авторы видели опытную установку по проверке принципов работы этого двигателя в 1978 г. на заводе в Лос-Анжелесе. Однако с тех пор не удалось получить ни подробных чертежей, ни фотографий. По фотографии (рис. 1.66) можно получить представление о реальных размерах силовых установок Стирлинга. Двигатели Стирлинга двойного действия имеют такие же размеры, как и двигатели Дизеля сравнимой мощности. [c.73]

Специалисты ведущей фирмы в США по программе разработки автомобильного варианта двигателя Стирлинга Микени-кел технолоджи инкорпорейшн (МТИ) установили, что каждые 10 К прироста температуры холодильника дают 5 % потери мощности. Из приведенных данных по температурам, так же как и из уравнения Карно, следует, что двигатель Стирлинга должен работать при максимально возможной температуре со стороны подвода энергии и минимально возможной темпера-Рис. 1.76. Влияние температуры в туре со стороны отвода энергии, холодильнике на КПД двигателя Последняя в значительной степени определяется температурой окружающей среды, а в случае установки на автомобиле — и эффективностью радиатора. Температура источника тепловой энергии лимитируется характеристиками материала нагревателя при высоких температурах, наиболее известной из которых является точка плавления. Однако, если температура материала ниже точки плавления, допустимый уровень температур должен определяться с учетом и других свойств материала. Наиболее существенными факторами, которые необходимо учитывать при выборе материала нагревателя, являются [c.90]

Результаты, представленные объединением MAN — MWM, характеризуют относительное влияние мертвого объема. Возникает вопрос имеется ли оптимальная величина мертвого объема Простой термодинамический анализ цикла Стирлинга показывает, что такой оптимальный объем должен быть равен нулю. В современных двигателях Стирлинга, как уже говори-.лось, мертвый объем неизбежен. Казалось бы, объем теплооб-.менника (нагреватель — регенератор — холодильник) необходи-, Мо свести к минимуму. Однако имеются взаимоисключающие требования, влияющие на практическую величину мертвого объема. С чисто конструкторской точки зрения количество материала теплообменника определяется необходимостью противостоять возникающим напряжениям, особенно в нагревателе. Необходимо также обеспечить достаточную площадь теплопередачи нагревателя и холодильника (как наружную, так и внутреннюю) для подвода и отвода соответствующего количества тепловой энергии в процессе работы двигателя. Следовательно, если при данной длине теплообменника необходимо увеличить площадь теплопередачи, единственное, что можно сделать, это увеличить внутренний или внещний диаметр трубок или оба диаметра. При этом мертвый объем будет увеличиваться про-шорционально квадрату внутреннего диаметра. В реальных [c.95]

Наши знания о влиянии мертвого объема на характеристики двигателя ни в коей мере нельзя считать удовлетворительными, и требуются дополнительные исследования по этому вопросу, как теоретические, так и экспериментальные. Например, при выполнении анализа адиабатного цилиндра методом, известным как полуадиабатный метод, поскольку в нем принято считать теплообменники внутренне изотермическими, авторы установили, что индикаторный КПД конкретного двигателя можно увеличить, увеличивая мертвый объем в этом двигателе, если дополнительный объем разместить в холодной зоне. Этот не предполагавшийся заранее результат тем не менее легко объясним. При наличии дополнительной холодной полости большее количество рабочего тела будет подвергаться действию пониженных температур цикла, и как прямое следствие основных термодинамических зависимостей, выраженных уравнением (1.2), КПД увеличится. Однако если дополнительный объем располагается в горячей зоне, то, поскольку двигатель Стирлинга работает при постоянной температуре нагревателя, не будет условий для повышения КПД дополнительный объем будет влиять в сторону понижения температуры в горячей зоне и, следовательно, КПД. Влияние увеличения мертвого объема на выходную мощность будет в обоих случаях одинаковым безотносительно к месту расположения дополнительного объема мощность будет уменьшаться. [c.96]

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 установ- [c.102]

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. [c.121]

Основная часть информации по уплотнению свободнопоршневых двигателей является собственностью организаций, занимающихся их изготовлением и испытаниями, однако в работе [33] имеется несколько глав, посвященных конструкции свободнопоршневых двигателей, написанных разработчиками и изготовителями таких двигателей, что помогает составить более полную картину методов уплотнения, применяющихся в этих двигателях. В свободнопоршневых двигателях нет многих трудностей, связанных с уплотнениями, которые встречаются в двигателях с кривошипно-шатунным приводом. Так, например, нет проблемы уплотнения штоков, поскольку весь агрегат можно заключить в герметичный корпус, как это делается в линейных генераторах переменного тока и инерционных компрессорах. Однако остается проблема уплотнения поршня, хотя она и упрощается благодаря отсутствию значительных боковых сил и нагрузок на подшипники, поскольку нет механического привода, что позволяет применять в таких двигателях газовые подшипники. Применение газовых подшипников делает невозможным установку обычных эластичных колец, даже изготовленных из тефлона, поскольку микрочастицы, отделяющиеся при работе таких колец, выводят из строя эти подшипники. Поэтому в свободнопоршиевых двигателях для уплотнения в цилиндре рабочего поршня и вытеснителя, а также уплотнения штока вытеснителя в рабочем поршне используют уплотнения за счет жестких допусков. Это требует полировки всех скользящих поверхностей, и эти поверхности часто покрывают анодированным алюминием или окисью хрома [85]. Без сомнения, секрет успешной работы свободнопоршневых двигателей Стирлинга заключен в высоком качестве механической обработки. [c.169]

Роберт Стирлинг начал совершенствовать свой двигатель, работающий на подогретом воздухе, примерно в то же время, когда войска Наполеона и Веллингтона встретились в битве при Ватерлоо, за 6 лет до публикации знаменитой статьи Карно о термодинамике и за 42 года до рождения Рудольфа Дизеля. К 1908 г. двигатель Стирлинга был уже настолько усовершенствован, что по обе стороны Атлантического океана широко использовались регенератор и принцип двойного действия в нем. Обсуждение возможных областей применения и перспектив этого двигателя регулярно проводилось в известных журналах, таких, как Труды института инженеров-механиков (Великобритания). С середины XIX в. и до начала первой мировой войны воздушно-тепловые двигатели как с разомкнутым, так и с замкнутым циклом имели значительный коммерческий успех, удовлетворяя технические потребности человечества в чрезвычайно широком диапазоне — от энергетических установок на судах до приводов швейных машин, ирригационных насосов и агрегатов для подачи воздуха в церковные органы. Эта последняя область применения была, пожалуй, первым случаем, когда основанием для применения двигателя была бесшумность его работы. Удивительно, что до сих пор существует довольно много таких двигателей, и они находятся в хорошем рабочем состоянии. Области применения некоторых из них кажутся почти неправдоподобными. Совсем недавно один из авторов этой книги, обсуждая с поставщиком вопрос о материалах для двигателя, неожиданно узнал, что у того имеются два двигателя Стирлинга, изготовленные в прошлом веке, один из которых ранее использовался в качестве источника энергии для вращения контейнеров с молоком при изготовлении творога на молокозаводе, а с помощью другого в парикмахерской вращались щетки для укладки волос Однако, хотя двигатель Стирлинга в отличие от паровой машины был вполне безопасным. [c.185]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...