Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

В двигателях второго поколения существенно улучшена технология изготовления и повышена эффективность всех теплооб- менных аппаратов (нагревателя, экономайзера, холодильника и регенератора).

Примером двигателей второго поколения  может служить двигатель фирмы Юнайтед Стерлинг модели V4X мощностью 48 кВт при частоте вращения коленчатого вала 3600 об/мин. Модель дефорсирована, среднее давление составляет 105 кгс/см², однако благодаря V-образной компоновке двигателя, применению поршней двойного действия и единой камеры сгорания удельная масса двигателя составляет всего 2,6. кг/кВт.

17

Фирмами начаты интенсивные исследовательские  работы по созданию перспективных двигателей третьего поколения. Исследования направлены главным образом на снижение удельной массы двигателей за счет дальнейшей форсировки рабочего процесса. Проводятся работы по усовершенствованию теплообмен- ных аппаратов, внедрению принципиально новых конструкций (например, двухфазного регенератора) и применению конструктивных элементов, которые позволили бы повысить эффективность использования двигателей Стирлинга,— таких, как тепловые трубы и тепловой аккумулятор. 
 

Основные компоновочные схемы

По принципу действия и компоновочной  схеме разработанные двигатели  Стирлинга можно разделить на следующие основные группы:

• двигатели вытесняющего типа, включающие рядные с ромбической передачей и V-образные двигатели с крейцкопфным механизмом;
• двигатели двойного действия, включающие рядные и V-образные двигатели с крейцкопфным механизмом, двигатели с барабанным расположением цилиндров и косой шайбой.

Ниже описаны характерные особенности  двигателей каждой компоновочной схемы.

Рядный двигатель вытесняющего типа с ромбической передачей. Принципиальная схема работы этого типа двигателей изложена в § 2. К преимуществам компоновки следует отнести полную уравновешенность сил инерции и соответственно плавную работу машины. Наличие двух коленчатых валов обеспечивает четыре точки отбора мощности. Буферное пространство, действуя как аккумулятор энергии, обеспечивает выравнивание кривой крутящего момента по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Большое количество однотипных деталей (на каждый цилиндр приходится два поршня, два уплотнения, два штока, два коромысла в сборе, два коленчатых вала и четыре шатуна) обеспечивает умеренные затраты труда при крупносерийном производстве двигателя. Немалым преимуществом является и то, что двигатели этой схемы наиболее отработаны по сравнению со всеми другими конструктивными компоновками.

Недостатками двигателя являются прежде всего его увеличенный габарит и сложность передаточного механизма, особенно при многоцилиндровом исполнении. Кроме того, при малосерийном производстве большое количество деталей обычно влечет за собой пропорциональное возрастание стоимости.

V-образный двигатель вытесняющего типа. Конструкция двигателя обеспечивает полное подобие газового тракта с рядным двигателем, описанным выше. Вытеснитель и рабочий поршень заключены каждый в свой цилиндр. Полость расширения — это объем цилиндра над вытесняющим поршнем, полость сжатия — объем цилиндра над рабочим поршнем плюс объем цилиндра под вытеснителем плюс объем соединительных каналов.

Принятая компоновка позволяет  снизить массу двигателя по сравнению  с рядным двигателем. Поскольку сэкономить на массе за счет деталей и узлов, образующих теплопередающие поверхности, при заданной мощности двигателя не представляется возможным, всемерно сокращено количество деталей картера. Еди 
ная шейка коленчатого вала используется для обоих шатунов. Картер находится под средним давлением рабочего газа, что устраняет необходимость в сальниках, штоках поршней и крейцкопфах. Юбки поршней имеют самосмазывающиеся тефлоновые пояски. Подшипники коленчатого вала — роликовые с масляной набивкой, удерживаемой сепараторами. Выход коленчатого вала из картера уплотнен гидродинамическим винтовым сальником.

Экспериментальный двигатель мощностью 1,1 кВт при

Рис. 10. Схема работы двигателя двойного действия. / — полость расширения; 2 — нагреватель; 3 — регенератор; 4 — холодильник; s — полость сжатия; б — рабочий цилиидр; 7 — шток; 8 — газовый тракт.

 

105 кгс/см². Его масса без маховика и системы сгорания составляла 5 кг. Минимальное количество деталей и малая масса явились преимуществами конструкции. Недостаток ее заключается в том, что функционально этот двигатель — одноцилиндровый, имеет повышенные колебания крутящего момента по углу поворота коленчатого вала, необходима установка маховика. Конструкция сальников коленчатого вала требует большой точности изготовления и монтажа. Применение картера под давлением позволяет использовать данную конструктивную схему только для двигателей небольшой мощности [9, 11, 30].

19

V-образный двигатель двойного действия с крейцкопфным механизмом. Схема работы двигателя двойного действия представлена на рис. 10. Отдельные цилиндры не являются самостоятельными с точки зрения осуществления термодинамического процесса, как это было у описанных выше двигателей. В каждом цилиндре имеется по одному поршню, выполняющему двойную роль — вытеснителя и рабочего поршня. Пространство

2* 
над поршнем является полостью расширения, а пространство под поршнем — полостью сжатия. Полость сжатия каждого цилиндра внешним каналом через холодильник, регенератор и нагреватель связана с полостью расширения соседнего цилиндра.

Необходимые фазы опережения полостей расширения по сравнению с полостями сжатия достигаются соответствующим

заклиниванием кривошипов. Для четырехцилиндрового  двигателя оптимальное заклинивание кривошипов — через 90° от ВМТ, при последовательности цилиндров 1—3—4—2—1.

Конфигурация коленчатого вала позволяет сбалансировать возвратно - поступательные силы инерции; остается только момент инерции, уравновешиваемый противоположно вращающимися противовесами.

Двигатель двойного действия может  иметь и V-образную компоновку, как показано на рис. 11. Основное отличие его от двигателя с рядным расположением цилиндров — размещение блока теплообменников (регенератора и холодильника).

Преимущество многоцилиндрового двигателя двойного действия по сравнению с двигателем, имеющим ромбический привод, состоит в сокращении количества деталей.

Двигатель двойного действия с косой шайбой. Если цилиндры двигателя двойного действия расположить параллельно вокруг общей оси (рис. 12), значительно упрощается внутреннее соединение цилиндров между собой, необходимое для обеспечения непрерывной последовательности действий. Исчезает существующая в рядном двигателе проблема соединения последнего цилиндра с первым. Барабанное расположение цилиндров позволяет уплотнить компоновку двигателя.

Фазовый угол между полостями расширения и сжатия смежных цилиндров, образующих единую термодинамическую си- 360°

11

Рис. 11. Конструктивная схема V- образного  двигателя с крейцкопфным механизмом двойного действия.

1 — блок-картер; 2— шейка коленчатого вала; 3 — шатун; 4 — крейцкопф; 5 — шток; б — уплотнение; 7 — полость сжатия; 8 — поршень; 9 — полость расширения, 10 — трубкн нагревателя; // — камера сгорания; 12 — кожух; 13 — регенератор; 14 — холодильник; 15— газовый канал.

стему, равен 180° , где п — число цилиндров. С учетом 

Таблица 1

Показатели	Двигатели вытесняющего типа			Двигатели двойного действия
	одноцилиндровый с ромбической  передачей	рядный с ромбической передачей	V-образиый с крейцкопфным механизмом	рядный с крейцкопфным механизмом	с барабанным расположением цилиндров и косой шайбой
Степень отработки конструкции	Наибольшая	Повышенная	Ограниченная	Ограниченная	Ограниченная
Удельные габаритные размеры	Максимальные	Умеренные	Малые	Умеренные	Малые
Форма	Вертикальный	Вертикальный	V-образиый	Горизонтальный	Цилиндрический
М 1ПКр- макс Отношение —  мкр- среды	4 : 1	1,05 : 1 *	4 : 1	1.09 : 1 *	1,09 : 1 *
Уравновешенность	Уравновешенные
Сложность приводного механизма	Высшая	Высшая	Средняя	Средняя	Низшая
Главное преимущество	Уравновешенность	Наибольшая степень отработки	Минимальная масса	Минимальное количество деталей	Форма
Главный недостаток ♦ Для четырехцили	Неравномерный крутящий момент идрового двигателя	Сложность конструкции	Ограниченная мощность	Меньшая степень отработки

Сравнительные характеристики двигателя Стнрлинга различных конструктивных схем

 

этого соотношения можно спроектировать двигатель с числом цилиндров  от трех до семи.

В качестве приводного механизма в  двигателе с барабанной компоновкой  цилиндров выгодно использовать «косую» шайбу. Экспериментальные исследования такой шайбы, специально спроектированной для двигателя мощностью 18,4 кВт, показали [30], что механические потери на ней составляют всего 1,38 кВт, или 7,3% мощности двигателя. Э^о доказывает перспективность использования косой шайбы как системы преобразования движения.

Рис. 12. Схема двигателя двойного действия с косой шайбой. 1 — блок регенератора и холодильника; 2 —полость расширения; 3 — поршень; 4 — полость сжатия; 5 — шток; 6 — подшипник; 7 — косая шайба; 8 — вал.

 

Основными преимуществами двигателя  с косой шайбой являются его малые размеры и хорошая уравновешенность, а также меньшее количество деталей по сравнению с другими типами двигателей.

В табл. 1 приведены сравнительные  характеристики рассмотренных типов двигателей. Каждая из машин имеет свои преимущества и недостатки, и выбор типа двигателя должен определяться спецификой предъявляемых требований.

§6

Механизмы передачи движения

Механизм передачи движения в значительной мере определяет конструктивную форму двигателя. Поэтому поиск новых технических решений, направленных на повышение компактности двигателей и улучшение их эксплуатационных характеристик, связан с применением новых и разнообразных типов механизмов передачи движения. Ниже изложены основные особенности передаточных механизмов в порядке их появления.

Ромбическая передача. Техническая проблема обеспечения требуемого закона изменения объемов горячей и холодной полостей впервые получила решение в результате работ фирмы Филипс Глоеилампен фабрикен (Нидерланды), которая в 1953 г. реализовала ромбический силовой механизм, обеспечивающий привод рабочего поршня и вытеснителя, передвигающихся в одном цилиндре. Схема ромбического силового привода понятна из рис. 6. Передача представляет собой полностью симметричный механизм. Отбор мощности производится на два выходных вала 25, вращающихся в противоположных направлениях. Собственно механизм состоит из следующих элементов: штока рабочего поршня 3, соединенного с серьгой 4, и штока вытеснителя 7, соединенного с серьгой 1. Рабочий шток имеет трубчатую конструкцию, так что шток вытеснителя свободно перемещается внутри него. Обе серьги попарно соединены шатунами 2 и 3 с коленчатым валом 25. Полная уравновешенность ромбического силового механизма даже при одноцилиндровом исполнении обеспечивается равенством суммарной массы деталей, движущихся соответственно с рабочим поршнем и вытеснителем.

Момент инерции вращающихся  масс уравновешен противовесами 23, расположенными на синхронизирующих шестернях 24. При такой конструкции силового механизма обеспечивается полная уравновешенность двигателя, исключаются боковые усилия на поршень, сведено до минимума трение в уплотни- тельных кольцах и в целом обеспечивается высокий механический к. п. д.

Кривошипно-шатунный крейцкопфный механизм. Применение кривошипно-шатунного крейцкопфного механизма в сочетании с блочной компоновкой двигателей двойного действия позволяет обеспечить весьма благоприятные массогабаритные характеристики. Конструкция механизма передачи движения этого типа показана на рис. 11.

Основные детали силового механизма  — коленчатый вал и шатуны —  заимствованы из дизелестроения. Уравновешивание  достигается применением специального балансирного вала. Картер — открытого типа (давление в картере близко к атмосферному). Юбки поршней оборудованы самосмазывающимися тефлоновыми (фторопластовыми) истирающимися кольцами. Коленчатый вал установлен на роликовых подшипниках с масляной пропиткой в маслоотделителях. Преимуществами этой конструкции передаточного механизма является малое число основных движущихся деталей. Так, например, у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга их десять: четыре поршня, четыре шатуна, один коленчатый вал и один балансирный вал.

Механизм с косой шайбой. Наиболее плотная компбнойкй двигателей Стирлинга может быть получена при использовании в качестве силовой передачи механизма с косой шайбой, принципиальная схема которого приведена на рис. 12.

Первые модели двигателя Стирлинга ,с косой шайбой, выполненные фирмой Дженерал Моторс (США), имели большие потери на трение и вследствие этого низкий механический к. п. д. Используя методы современной гидродинамики, фирма разра-

Рис. 13. Схема двигателя с роторно-эпитрохоидальным силовым механизмом.

/ — ротор; 2 — неподвижная шестерня; 3— эксцентриковый вал; 4 — шестерня ротора; 5 — корпус; 6 — уплотнение; 7— коллектор; 8 — золотниковый клапан; 9 — холодильник; 10 — регенератор; 11 — нагреватель.

 

ботала конструкцию специальных  подшипников с гидродинамической смазкой, работающих под давлением. Механические потери в последних модификациях силового механизма с качающейся шайбой, по данным фирмы, не превышают потерь в кри- вошипно-шатунном механизме.

В результате дальнейшего развития механизмов этого типа была создана  конструкция со сферическим подшипником, примененная французским изобретателем Жироденом в компрессорах [10].