Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

§2

Принцип действия

Как следует из сказанного в § 1, двигатель Стирлинга является поршневым двигателем замкнутого цикла с внешним подводом теплоты. Для осуществления рабочего процесса он обязательно должен включать следующие основные элементы: нагреватель (горячий теплообменник), регенератор, холодильник, поршень-вытеснитель и рабочий поршень.

При большом многообразии возможных  конструктивных схем принцип действия двигателя можно проиллюстрировать  на наиболее характерной схеме двигателя вытесняющего типа с ромбической передачей (рис. 6).

Воздух поступает в камеру сгорания, образованную трубками нагревателя 18, через экономайзер 17, позволяющий повысить к. п. д. двигателя за счет подогрева воздуха-теплотой выпускных газов. Топливо подается в камеру сгорания непрерывно специальной форсункой 15. Горение происходит при сравнительно небольшом избытке воздуха, однако непрерывность процесса в сочетании с турбулизацией потока воздуха обеспечивает хорошую полноту сгорания.

Взаимное расположение поршней  на рис. 6 соответствует такту подвода теплоты (см. также фазу движения 2—3 на рис. 4).

Выделяющаяся при сгорании теплота  через стенки трубок нагревателя  передается рабочему газу, который, расширяясь, направляется в полость 12, образованную внутренней поверхностью цилиндра 9 и расположенную над вытеснителем 10 (эта полость носит также название полости расширения или горячей 
зоны). Вытеснитель под действием инерции, накопленной в приводном механизме (или за счет энергии электростартера — при запуске двигателя), движется вниз. Рабочий поршень 6 во время этого такта находится вблизи своей верхней мертвой точки (ВМТ). Так как в предыдущем такте рабочий поршень произвел сжатие рабочего газа (фаза 1—2 на рис. 4), последний перемещается из холодной полости 8 по трубкам холодильника 21 через регенератор 20 и трубки нагревателя в полость расширения.

К концу такта подвода теплоты  основная масса рабочего тела находится над вытеснителем и имеет наивысшие значения температуры и давления при наименьшем объеме.

Следующий такт работы двигателя —  рабочий ход. В течение этого такта осуществляется переход тепловой энергии газа в механическую работу (фаза 3—4 на рис. 4). Сила давления газов на вытеснитель в предыдущем такте достигла максимального значения, и под ее действием вытеснитель продолжает движение вниз. Одновременно давление в полости над рабочим поршнем растет и, наконец, становится почти равным давлению над вытеснителем (за вычетом потерь на деформацию тела вытеснителя и др.). В результате рабочий поршень начинает движение к своей нижней мертвой точке (НМТ) и совершает механическую работу.

В конце рабочего хода газ занимает наибольший объем. Его давление и  температура соответствуют значениям  в точке 4 цикла Стирлинга (см. рис. 1).

Рис. 6. Схема двигателя вытесняющего типа с ромбической передачей.

/ — серьга вытеснителя; 2 —шатун  вытеснителя; 3 — шатун рабочего поршня; 4 — серьга рабочего поршня; 5 — шток рабочего поршня; 6 — рабочий поршень; 7 — шток вытеснителя; 8 — полость сжатия; 9 — цилиндр; 10 — вытеснитель; 11 — впуск воздуха; 12 — полость расширения; 13 — кольцевой бандаж; 14— выпускное отверстие; 15 — форсунка; 16 — горелка; 17 — экономайзер; 18 — трубки нагревателя; 19 — ребра; 20 — регенератор; 21 — трубкн холодильника; 22 — буферная полость; 23—противовес; 24 — синхронизирующая шестерня; 25 — вал.

Далее следует такт отвода теплоты  и накопления ее в регенераторе. Рабочий поршень находится вблизи НМТ, а распреде 
литель движется вверх и перемещает рабочее тело из горячей полости в холодную (фаза 4—1 на рис. 4). Указанное перемещение рабочего тела осуществляется через трубки нагревателя и регенератор. Регенератор образован стаканами, расположенными по окружности снаружи цилиндра двигателя, и заполнен тонкой проволокой. Теплота проходящего газа передается наполнителю регенератора. Затем рабочий газ проходит по трубкам холодильника, охлаждаемым водой.

В конце такта отвода теплоты  рабочий газ находится в холодной полости и имеет низшую температуру цикла, а наполнитель регенератора обладает наибольшей внутренней энергией (имеет наивысшую температуру).

Такт сжатия рабочего газа происходит в холодной полости при движении рабочего поршня вверх под действием  силы инерции. Распределитель находится в области ВМТ.

После совершения описанных выше четырех  тактов рабочий цикл двигателя повторяется. Однако в дальнейшем подвод теплоты к рабочему телу осуществляется не только через трубки нагревателя, но и во время' нахождения его в регенераторе.

Поршень-вытеснитель 10 представляет собой тонкостенный стакан, расположенный в цилиндре с относительно большим зазором. Он не имеет поршневых колец или других уплотнений, поскольку разность давлений в полостях над поршнем и под ним невелика и протечка газа через зазор между поршнем и стенкой цилиндра незначительна.

Рабочий поршень 6 действует при большой разности давлений сверху и снизу и потому снабжен поршневыми кольцами. Однако рабочий поршень не соприкасается с горячим газом, и это облегчает задачу обеспечения надежного уплотнения.

Шток рабочего поршня 5 имеет уплотнение, предотвращающее утечку газа в полость картера. Полость картера, расположенная под рабочим поршнем, образует буферную камеру 22 и обеспечивает плавное изменение крутящего момента за цикл.

Поршень-вытеснитель и рабочий  поршень штоками связаны с  ромбическим кривошипным механизмом, который преобразует возвратно-поступательное движение во вращение вала двигателя и управляет взаимосвязанным перемещением обоих поршней.

Кинематическая связь движения поршней осуществляется таким образом, что поршень-вытеснитель опережает  по фазе рабочий поршень обычно на четверть оборота коленчатого вала.

Ромбический механизм обеспечивает полную динамическую уравновешенность всех поступательно  движущихся деталей в пределах одного цилиндра.

В качестве рабочего газа в двигателе  могут использоваться воздух, гелий, водород и т. д. Физические свойства рабочего газа (плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность) определяют экономичность двигателя. Наибольшую экономичность дает применение водорода, наименее эффективный рабочий газ — воздух. Применение гелия вместо водорода несколько снижает к. п. д. цикла, однако повышает безопасность эксплуатации и исключает диффузию рабочего газа в металл теплообменников.

Вспомогательные узлы, обеспечивающие работу двигателя (нагнетатель, топливный  насос, компрессор для распыливания топлива), работают от вала двигателя. При запуске весь комплекс вспомогательного оборудования приводится в действие специальным электродвигателем, который при работе ДВПТ переходит в режим генератора и подзаряжает аккумуляторную батарею, обеспечивающую во время пуска энергией стартер.

§3

Преимущества двигателя внешнего сгорания.

Область целесообразного применения в судостроении

Основные преимущества двигателя  Стирлинга, вытекающие из его термодинамического цикла и принципа действия, сводятся к следующему.

1. Благодаря внешнему подводу теплоты двигатель может работать практически от любого источника энергии (твердое, жидкое и газообразное топливо, тепловой аккумулятор, атомный реактор, солнечная энергия). Это, во-первых, означает, что для двигателя может быть использован любой сорт топлива, имеющийся на судне. С другой стороны, это позволяет получить установку, для работы которой не требуется атмосферный воздух, т. е. энергетическую установку для подводного транспорта или космических объектов [2, 14, 18, 19, 21, 23, 42].
2. Значительно большая продолжительность сгорания по сравнению с ДВС обеспечивает более полное сгорание топлива и позволяет существенно снизить количество вредных компонентов в выпускных газах.
3. Использование ромбического механизма передачи движения на вал гарантирует практически полную динамическую уравновешенность двигателя даже в одноцилиндровом исполнении.
4. Плавное протекание рабочего процесса обеспечивает меньшую неравномерность крутящего момента за период цикла по сравнению с двигателями внутреннего сгорания (рис. 7).
5. Плавное синусоидальное протекание рабочего процесса, отсутствие клапанов, полная динамическая уравновешенность позволяют получить хорошие виброакустические характеристики двигателя Стирлинга.
6. Имея термодинамический к. п. д., равный к. п. д. цикла Карно, и механический к. п. д. на уровне двигателей внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга отличается высокой экономичностью и может в этом отношении конкурировать с дизелями, наиболее отработанными по рабочему процессу.

7. Работая от внешнего источника  теплоты при поддержании постоянной температуры нагревателя, двигатель Стирлинга практически нечувствителен к кратковременным перегрузкам.

Перечисленные особенности двигателя  Стирлинга обеспечивают возможность его широкого использования в судостроении.

Мкр/ Мкр.Ср.

	Г\		л
	1 \ 1 \ / г		/ \ / \ / \
/	! ^		/ 1
A \J ' \	\ \ *	у л	pf 1
\ 1 \ / \ / \ /	\	\ \
\ /		\ ' \ /

 

Рис. 7. Изменение крутящего момента  за цикл у двигателя

Стирлинга и дизеля.

 двигатель Стирлинга (/ — четырехцилиндровый, 2 — шестицилиндровый);  — дизель.

Малошумность, неприхотливость к  сорту топлива, нечувствительность к кратковременным перегрузкам, высокая равномерность крутящего момента двигателя наилучшим образом проявляются при использовании его в качестве привода в судовых электростанциях. Возможность работы от внешнего источника теплоты, независимость от атмосферного воздуха делают двигатель Стирлинга весьма перспективным для применения на подводных аппаратах [35, 39, 42].

Двигатели Стирлинга небольшой мощности с успехом могут быть применены на прогулочных катерах, где особенно ценны их малошумность, динамическая уравновешенность и чистота выпускных газов.

Таким образом, йрй определенной стадий разййтйя, характеризуемой освоением серийного производства, двигатель Стирлиига сможет найти применение практически на судне любого назначения, вытеснив другие типы традиционных установок, и в первую очередь двигатели внутреннего сгорания.

Глава

II

КОНСТРУКЦИИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

§4

Классификация конструкций

Двигатели Стирлинга, выпускаемые  или разрабатываемые зарубежными  фирмами, можно классифицировать по степени совершенства конструкций, характеризуемой форсировкой рабочего процесса, удельными массогабаритными характеристиками, а также технологичностью производства. Основные технические характеристики двигателей приведены в приложении.

Двигатели Стерлинга, которые можно  отнести к первому поколению, были конструктивно оформлены и отработаны к концу 60-х годов. В этот период были созданы двигатели Стерлинга агрегатной мощностью до 265 кВт различного назначения (рис. 8). Среди них модели 4-235, 4-S-1210, 4-615, 4-400 и др. Характерными конструктивными особенностями двигателей первого поколения являются:

• раздельные камеры сгорания для каждого цилиндра;
• наличие в каждом цилиндре двух поршней (рабочего и вытеснительного), обеспечивающих термодинамический процесс;
• использование ромбической передачи для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности.

Эти конструктивные особенности хорошо видны на компоновочной схеме двигателя типа 4-615 (рис. 9), разработанного фирмой Юнайтед Стерлинг (Швеция).

Удельная масса созданных образцов двигателей (без вспомогательных агрегатов) находится в пределах 3,8—10,2 кг/кВт, а эффективный к. п. д. достигает 30—38%.

Наиболее характерным представителем этой группы является двигатель фирмы Филипс модели 4-235, на базе которого было разработано несколько модификаций различного назначения с разной степенью форсировки. Модель 4-235 представляет четырехцилиндровый двигатель с рабочим объемом каждого ци-

265 кВт.

 

 

Рис. 9. Компоновочная Схема двигателя  типа 4-615 фирмы Юнайтед Стирлииг (Швеция).

 

линдра 235 см³, развивающий мощность 147 кВт при номинальной частоте вращения валов отбора мощности 3000 об/мин. Среднее давление рабочего тела (гелия) достигает 220 кгс/см². 
 

Ресурс двигателя до первой переборки (определяемой сменой уплотнений) равен 10 000 ч.

В настоящее время в результате широких экспериментальных и теоретических исследований по оптимизации параметров рабочего процесса, накопления опыта эксплуатации образцов, а также благодаря конструктивному совершенствованию отдельных узлов и элементов конструкции созданы двигатели Стирлинга второго поколения. Эти двигатели характеризуются существенным увеличением цилиндровой мощности и повышением эффективного к. п. д. до 40% и выше. Удельная масса двигателей составляет 2,6—3,4 кг/кВт, а для отдельных конструкций — около 1,2 кг/кВт [39, 42].

По удельным показателям  двигатели внешнего сгорания находятся на одном уровне с дизелями той же мощности и назначения, а в некоторых случаях и превосходят их, обладая при этом рядом выше упоминавшихся преимуществ.

Основными конструктивными  отличиями двигателей второго поколения являются:

• использование единой камеры сгорания на все цилиндры или группу цилиндров, что упрощает конструкцию, а также способствует уменьшению массы и габарита двигателя;
• наличие в цилиндре одного поршня двойного действия, выполняющего функции рабочего и вытеснительного;
• применение в качестве силовой передачи разнообразных конструкций, таких, как косая шайба, роторно-эпитрохоидаль- ный механизм, а также кривошипно-шатунный крейцкопфный механизм.