Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

§5

§ 10

Э. Л. МЫШИНСКИЙ, М. А. РЫЖКОВ-ДУДОНОВ

СУДОВЫЕ ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

(двигатели Стерлинга)

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СУДОСТРОЕНИЕ» ЛЕНИНГРАД.1976

УДК 621.431.74 М96

Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стир- лннга). Мышинский Э. J1., Рыжков-Дудонов М. А. Л., «Судостроение», 1976 г. с. 76.

В брошюре изложены принципы работы поршневого двигателя внешнего сгорания, особенности его термодинамического цикла. Рассмотрены основные конструктивно-компоновочные схемы, а также нагрузочные, экономические и внброакустнческие характеристики на установившихся и динамических режимах работы.

Особое внимание уделено судовым  энергетическим установкам, созданным  на основе двигателей внешнего сгорания, сделан анализ их преимуществ перед  установками других типов, определены рациональные области их применения.

Рассмотрены последние достижения в исследовательских и конструкторских работах зарубежных форм, связанных с созданием двигателей внешнего сгорания различного применения.

Совокупность приведенных в  книге материалов позволяет читателю получить наиболее полное представление об основных особенностях, состоянии развития и перспективах энергетических установок с двигателями внешнего сгорания.

Круг читателей: инженеры н научные  работники, занимающиеся исследованиями в области судовой энергетики и созданием транспортных двигателей.

Ил. 43. Табл. 4. Литерат. 46 назв.

Рецензенты: инж. Г. X. Баракан и инж. В. А. Королев.

31805 063 ₃₆_₇₆ Издательство «Судостроение», 1976 г.

048(01)—76 ^

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние десятилетия достигнуты значительные успехи в развитии традиционных типов транспортных двигателей (двигателей внутреннего сгорания н газовых турбин) — в частности, в повышении экономичности, уменьшении массы н габарита, улучшении эксплуатационных качеств. Вместе с тем эти двигатели сохраняют ряд специфических недостатков, связанных с самим принципом их работы: это высокие уровни вибрации и шума, необходимость в высококачественном топливе, а также большое количество продуктов неполного сгорания в выпускных газах. Устранение перечисленных недостатков при достигнутых экономических и массогабаритных показателях позволило бы значительно расширить область использования двигателей и улучшить условия работы обслуживающего персонала. Эта задача может быть решена, если применить в энергетических установках двигатель внеш- лего сгорания, работающий по циклу Стерлинга.

Исследовательские работы по созданию и отработке такого двигателя  в последние годы получили широкое  развитие за границей. Патент на тепловую регенеративную машину Роберт Стирлинг получил еще в 1816 г. (патент США № 4081). В 1818 г. был создан двигатель, работающий на горячем воздухе. В качестве топлива использовался уголь; двигатель развивал мощность около 2 л. с.

Повышенная экономичность по сравнению с паровыми машинами того времени, видимо, явилась основной причиной того, что в период с 1818 по 1905 г. было построено несколько тысяч подобных двигателей мощностью от 0,1 до 45 л. с. Развитие в начале XX в. двигателей внутреннего сгорания, имеющих большие удельные мощности, надолго приостановило разработку двигателей внешнего сгорания.

К идее двигателя Стерлинга вернулись  в 1938 г., когда голландская фирма  Филипс начала усиленно работать над  этой конструкцией, имея конечной целью создание маломощного бесшумного источника электрической энергии для питания радиоприемников. Электрификация сельской местности устранила необходимость в подобного рода автономных источниках тока для радиоприемников, однако фирма продолжала вести интенсивные работы, обнаружив в двигателе Стерлинга ряд качеств; выгодно отличающих его от других широко распространенных двигателей. К преимуществам Двигателя внешнего сгорания следует отнести высокую экономичность, малый уровень шума, многотопливность, малую токсичность выпускных газов, возможность работы практически от любых источников теплоты, нечувствительность к кратковременным перегрузкам. Изобретение ромбического механизма передачи движения на вал обеспечило динамическую уравновешенность двигателя внешнего сгорания даже в одноцилиндровом исполнении.

Разработка двигателей различного целевого назначения в широком диапазоне мощностей показала, что преимущества двигателя Стирлиига наиболее полно проявляются при использовании его в качестве:

• приводного двигателя в корабельных, судовых, а также в армейских электростанциях (малый шум и вибрация) [14, 18, 19, 21, 30, 39, 42];
• двигателя городского транспорта (малая токсичность выпускного газа);
• двигателя подводных аппаратов (возможность работы без использования атмосферного воздуха).

Достигнутые фирмой Филипс успехи вызвали  интерес к этому двигателю  и в других странах. Лицензии иа право  производства двигателей Стирлиига  были куплены: в 1958 г.— фирмой Дженерал Моторс (США), в 1968 г.— фирмой МАН (ФРГ), в 1969 г.— тремя шведскими фирмами, образовавшими дочернее предприятие фирму Юиайтед Стерлинг, в 1972 г.— фирмой Форд (США). Исследования и разработку лабораторных образцов двигателей Стирлиига ведут различные иаучиые учреждения в США, в частности Университет Калгари, Массачусетский технологический институт и др.

В настоящее время, по официальным  даииым, испытаны двигатели цилиндровой мощностью от 10 до 100 л. с. (агрегатной мощностью до 400 л. е.). Ведется разработка двигателей мощностью до 5000 л. с. Фирмы Филипс и Юиайтед Стирлииг планируют начать серийное производство двигателей мощностью 160—240 л. с. для иужд городского транспорта [43].

В отечественной печати о двигателях внешнего сгорания появлялись только отдельные публикации с описанием  принципа их работы и перечислением преимуществ по сравнению с другими двигателями. В настоящей книге сделана попытка систематизироваино изложить конструктивные особенности двигателя, возможные компоновочные схемы, проанализировать результаты выполненных экспериментальных исследований, а также рассмотреть возможные типы судовых энергетических установок с двигателем Стирлиига.

В книге широко использованы материалы  зарубежных публикаций, а также даииые и материалы, полученные одним из авторов при посещении фирмы Юиайтед Стирлииг.

Гл. I и III, а также § 16, 19—21 иаписаиы Э. Л. Мышииским, гл. II и. § 17, 18—М. А. Рыжковым-Дудоиовым.

Глава

I

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

§1

Термодинамический цикл

Теоретически наиболее выгодным термодинамическим  циклом является цикл Карно, включающий два изотермических и два адиабатических процесса. Другие термодинамические циклы, состоящие, например, из двух изобар и двух политроп или двух изохор и двух политроп (что характерно для различных типов двигателей внутреннего сгорания), менее экономичны, поскольку количество подводимой и отводимой теплоты в них, естественно, меньше, чем в цикле Карно при равных экстремальных температурах цикла.

Цикл Карно является эталоном для  термодинамических циклов, но он не реализован в тепловых машинах.

Однако существует принципиальная возможность осуществления термодинамического цикла, имеющего к. п. д., равный к. п. д. цикла Карно. Для этого следует соблюсти два условия: цикл должен включать два изотермических процесса, и, кроме того, должна быть обеспечена совершенная регенерация теплоты, участвующей в двух других процессах.

Три цикла, отвечающих этим требованиям, приведены на рис. 1. Там же для  сравнения показан цикл Джоуля, состоящий  из двух изобар и двух адиабат¹.

Цикл Стирлинга может быть осуществлен  в поршневом двигателе, в котором, в отличие от других поршневых машин (дизеля, карбюраторного бензинового двигателя), теплота для подогрева газа, находящегося в цилиндре, подводится извне через стенку и отводится также через стенку цилиндра. Это, кстати, и дает основание называть двигатели, работающие по циклу Стирлинга, двигателями с внешним подводом тепла (ДВПТ), или двигателями внешнего сгорания.

Ввиду того что нагревать и охлаждать  газ путем подогрева и охлаждения стенки невыгодно, Стирлинг предложил  циклически перемещать газ между пространством с постоянной высокой температурой и пространством с постоянной низкой температурой. Во избежание бесцельной потери теплоты предусмотрен регенератор, поглощающий теплоту из газа при перемещении его из горячего пространства в холодное и возвращающий теплоту газу при движении его из охладителя в нагреватель. Таким образом можно попеременно нагревать и охлаждать газ практически без потерь теплоты в процессе.

Поскольку в двигателе осуществляется внешний подвод теплоты, находящийся в рабочем контуре газ участвует в цикле

Циклы:

процессы.

 

многократно и количество его в  замкнутом контуре сохраняется  постоянным. При этом давление газа будет высоким, когда большая  часть его окажется в горячей  полости, и низким, когда большая часть будет находиться в холодной полости. Рабочий процесс осуществляется двумя поршнями — вытеснителем, перемещающим газ между горячей и холодной полостями, и рабочим, сжимающим газ при низкой температуре и совершающим работу расширения при высоких параметрах газа. Схема воздушного двигателя Стирлинга конструкции изобретателя (патент 1816 г.) показана на рис. 2.

Принципиальная схема осуществления  цикла Стирлинга в поршневом  двигателе дана на рис. 3. Основные фазы идеального цикла, соответствующие точкам 1—4 на рис. 1, показаны на рис. 4.

Изотермическое сжатие газа (1—2) происходит в результате движения рабочего поршня от НМТ до ВМТ без перемещения  вытеснителя. Газ имеет низшую температуру  цикла 

Рис. 2. Схема воздушного двигателя  Стирлинга (патент 1816 г.).

 

 

ПодВод теплоты \ /\/

Отбод теплоты

Рис. 3. Принципиальная схема поршневого двигателя, работающего по циклу Стирлинга.

Рис. 4. Фазы движения поршней в двигателе Стирлинга.

 

1 — нагреватель; 1 — полость  расширения; 3 — полость сжатия; 4 — рабочий поршень; 5 — вытесиительиый поршень; 6 — холодильник; 7 — регенератор. 

Изохорный подвод теплоты (2—3) с соответствующим  повышением давления рабочего тела происходит при движении вытеснителя вниз и перемещении газа из холодного пространства в горячее через холодильник, регенератор и нагреватель

^2-3 ^{= c}v (^шах ^min)'

Изотермическое расширение (3—4) при  высшей температуре цикла происходит при совместном движении вытеснителя  и рабочего поршня вниз

'з

Изохорный отвод теплоты (4—1) осуществляется при перемещении газа из горячей полости в холодную через нагреватель, регенератор и холодильник в результате движения выгеснигель- ного поршня к ВМТ:

^4—1 ⁼ су (^min ^max)'

Поскольку |<74-i| = | <72-31, то при условии полной регенерации теплоты теплообмен рабочего газа с внешней средой осуществляется только при изотермических процессах 1—2 и 3—4:

^ _ 1 ² __ 1  Тmin

Чз-i Т_т ах

и к. п. д. цикла равен к. п. д. цикла  Карно.

Исследование термодинамического цикла, по которому работает двигатель внешнего сгорания, впервые было проведено Г. Шмидтом. Шмидт учел, что в связи с непрерывным взаимным перемещением рабочего и вытеснительного поршней цикл не имеет чистых изохорных процессов и фактически соответствует циклу Рейтлингера.

При расчете параметров идеального цикла принимаются следующие допущения.

1. В регенераторе отсутствуют тепловые потери.
2. Отсутствуют гидравлические потери, т. е. давление газа во всех точках рабочего контура в один и тот же момент времени одинаково.
3. Рабочее тело удовлетворяет закону состояния идеального газа (pV = GRT).
4. Масса рабочего тела постоянна, утечки газа из двигателя отсутствуют.
5. Изменение объема в цилиндре при движении поршня происходит синусоидально.

При этом применительно к упрощенной кинематической схеме двигателя (рис. 5) можно написать:

масса газа в рабочем объеме двигателя

G = + = +

Я 7-1 RT_t 

поскольку При отсутствии гидравлических потерь то

G = ^v*

R \Т_г Г₂ давление газа в цилиндре

GR

Чнагр~ t Ц^Н

Регенератор

90 180° 270° 360 а 1-1)

 

 

360 а

Рис. 5. Построение индикаторной диаграммы двигателя внешнего сгорания.

 

или, учитывая объем регенератора,

GR

Yr

Tr

изменение объема в цилиндре рабочего поршня

 

1 + sin (а —

я di

Vi = ri-

\ 2 

изменение объема в цилиндре вытеснительного  поршня

яd\ .

a-\f +у

Уг = г_г-±\ 1+sin

где гх и г₂ — радиусы кривошипов; y — фаза опережения вытеснителя относительно рабочего поршня; а — угол поворота коленчатого вала.

На рис. 5 приведены кривые изменения  рабочего объема и давления газа по углу поворота коленчатого вала, а  также диаграмма р—V рабочего цикла, по которой можно вычислить индикаторную работу.

Разработаны и более подробные  теории идеального цикла двигателя  Стирлинга, например [32, 37, 38, 40], однако все они дают практически одинаковую точность. Действительный цикл с тепловыми  и гидравлическими потерями, с неравномерными скоростями движения газа сильно отличается от идеального, но всегда существует возможность точной корреляции между параметрами реальной машины и расчетными по идеальному циклу.