Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Января 2013 в 12:05, реферат

Описание работы

В работе изложены принципы работы поршневого двигателя внешнего сгорания, особенности его термодинамического цикла. Рассмотрены основные конструктивно-компоновочные схемы, а также нагрузочные, экономические и виброаккустические 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.

Файлы: 1 файл

Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга).doc

— 864.50 Кб (Скачать файл)

Роторно-эпитрохоидальный механизм. В качестве механизма передачи движения в двигателе Стирлинга можно использовать роторно-эпитрохоидальный механизм Ванкеля.

Принципиальная схема этого  механизма показана на рис. 13.

Два ротора 1, совершающих планетарное  движение в корпусе 5, установлены на эксцентриковом валу 3. Выходные патрубки 7 соединены последовательно через нагреватель 11, регенератор 10 и холодильник 9 таким образом, что двигатель может работать по циклу двигателя Стирлинга двойного действия.

В приведенной двухроторной схеме  осуществляются два полных цикла за один оборот эксцентрикового вала. Применение роторно-эпитрохоидального механизма позволяет значительно снизить массу и объем двигателя Стирлинга по сравнению


Рис. 14. Схема двигателя с бесшатунным  силовым механизмом.

/ — поршень; 2 —шток; 3 — ползун; 4 — направляющая ползуна; 5 — нагреватель; 6 — регенератор; 7 — холодильник; 8 — уплотнение; 9 —коленчатый вал; 10 — шарнир; 11 — вал отбора мощности.



 

с конструкциями, где в качестве привода использован криво- шипно-шатунный механизм. Конструкция уплотнений двигателя  Стирлинга с роторно-эпитрохоидальным механизмом аналогична конструкции  уплотнений двигателя внутреннего сгорания Ван- келя. Однако материалом для радиальных и торцевых пластин служит тефлон, который работает без смазки. Двигатели Стирлинга роторного типа разрабатываются в лаборатории Университета Калгари (США), а также фирмой Даймлер-Бенц (ФРГ) [23].

Бесшатунный силовой механизм. Одним из возможных вариантов силовой передачи в двигателе Стирлинга является бесшатунный механизм, предложенный советским ученым и изобретателем С. С. Баландиным [1, 2]. Он имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с крйвошипно-шатунным механизмом. Отсутствие шатунов и прямолинейное движение поршневых штоков позволяют сократить размеры картера и максимально приблизить рабочие цилиндры к валу, благодаря чему значительно уменьшается поперечный габарит двигателя. Положительной особенностью бесшатунного механизма является то, что он позволяет конструктивно просто осуществить двусторонний рабочий процесс в цилиндрах.

Принципиальная схема двигателя  Стирлинга с бесшатунным силовым  механизмом Х-образной компоновки показана на рис. 14. Поршни 1 каждой пары цилиндров соосно по обе стороны картера соединены общим штоком 2. В средней части штоков имеются ползуны 3, скользящие по направляющим 4, расположенным в картере. Ползуны связаны с шейками коленчатого вала 9, который, в свою очередь, с помощью шарниров 10 соединен с кривошипами вала отбора мощности 11. Направляющие 4 и коленчатый вал 9 обеспечивают прямолинейное возвратно-поступательное движение штоков и связанных с ними поршней строго по взаимно перпендикулярным осям соответствующих цилиндров. Поршни и цилиндры при этом полностью освобождены от боковых сил при работе двигателя.

Полости расширения и полости сжатия рабочих цилиндров последовательно  соединены с помощью газовых  каналов через нагреватели 5, регенераторы 6 и холодильники 7. Уплотнение рабочих полостей осуществляется по схеме с чулочным уплотнением.

§7

Уплотнение рабочего контура

Одной из важнейших задач, стоящих  перед конструкторами двигателей внешнего сгорания, является решение проблемы создания надежного уплотнения рабочего контура с большим ресурсом работы. Наибольшее распространение получила конструкция уплотнения с выворачивающимся чулком (roll sock), разработанная фирмой Филипс в 1960 г. Принципиальная схема чулочного уплотнения и его основные элементы приведены на рис. 15. Конструкция обеспечивает герметичное, достаточно надежное уплотнение между полостью высокого давления 1 и картером 11 при движении штоков вытеснителя и рабочего поршня (на принципиальной схеме показан один шток 2). Уплотняющий элемент, представляющий собой тонкую фасонно- кольцевую оболочку из синтетического материала (обычно из специальных сортов полиуретана), неподвижно закреплен манжетами на штоке и верхней части картера двигателя. Синтетическая оболочка (чулок) 3 опирается на масляную подушку 6. Во время работы уплотнения размеры синтетической оболочки должны оставаться постоянными. Объем масла в масляной подушке в течение хода также не должен изменяться. Эти условия обеспечиваются при соблюдении соотношения

df—dl = dl—dl, 

где di — максимальный диаметр масляной полости; cf2 — минимальный диаметр масляной полости; d3 — максимальный диаметр штока, или

di + di

Вследствие равенства (или малого перепада) давления газа в рабочей  полости и давления масла в  подушке оболочка испытывает сравнительно малые механические нагрузки. С целью удаления газа, диффундирующего через чулок в масляную подушку, масло непрерывно обновляется. Подача масла на каждый шток осуществляется насосным кольцом 7 с помощью пружинного кольца 9 или специальным маслоподаю- щим насосом. Перепускной (регулирующий) клапан 4 одновременно отводит то же количество масла по каналу 8 в картер, поддерживая таким образом заданное давление в масляной подушке. Перепад давления между полостью высокого давления газа и масляной подушкой в известных конструкциях двигателей Стирлинга составляет до 5 кгс/см2. Перепускной клапан выполняет также дополнительную функцию: при остановленном двигателе верхняя запорная игла 5 поднимается и гелий поступает под оболочку. Таким образом исключается повреждение оболочки из-за падения давления в масляной подушке.

i2

■d3.

Рис. 15. Принципиальная схема чулочного уплотнения.

/ — полость высокого давления; 2 — шток; 3 — уплотнение; 4 — регулирующий клапан; 5—.запорная игла; 6 — масляная подушка; 7 — насосное кольцо; 8 — канал стока масла; 9 — пружинное кольцо; 10 — смазка разбрызгиванием; // — картер.

Ресурс разработанных к настоящему времени оболочек из синтетических  материалов приближается к ресурсу  всего двигателя. Например, чулочные уплотнения, установленные на двигателе типа 4-235, обеспечивают ресурс 10 000 ч до первой переборки. Имеются сведения об образцах из специальной резины, способных работать при температуре 100° С более 30 000 ч. На лабораторных образцах двигателей фирмы МАН/МВМ моделей 1-400 и 4-400 наблюдались случаи выхода из строя уплотнений из-за нарушения расчетного перепада давлений между рабочей полостью и масляной подушкой, вызванного отказом регулирую 
щего клапана, а также насыщением масла газом. Естественно, что попадание стружки или других механических примесей в масло также вызывает быстрый износ уплотнения. Поэтому систему уплотнения нельзя признать окончательно отработанной. Она продолжает оставаться одной из проблем, решение которой поможет обеспечить реализацию серийного выпуска надежных двигателей внешнего сгорания с большим ресурсом.

§8

Нагреватель

Рис. 16. Эволюция конструкции нагревателя  двигателей фирмы Филипс Глоеилампен  фабрикен.

ботающих на углеводородном топливе, теплообмен происходит между газообразными продуктами сгорания и рабочим газом через стенки трубчатых каналов. Разница давлений газов дости-

В нагревателе теплота горячего источника передается рабочему газу (гелию или водороду), имеющему высокие теплофизи- ческие свойства. В выполненных конструкциях двигателей, ра- 
гает 100—180 кгс/см2, температура стенок трубок нагревателя зависит от расчетного режима и принятых материалов и, как правило, составляет 700—800° С. Повышение температурного уровня на 1° при работе ДВПТ на гелии, согласно данным зарубежных исследований, дает увеличение к. п. д. на 0,03—0,04 %, а при работе на водороде — на 0,01% [30], поэтому разработчики применяют для нагревателя наиболее жаропрочные стали. Од-

Рис. 17. Цилиндр в сборе с теплообменником двигателя фирмы МАН.

  1. — U-образный переходник;
  2. — трубка нагревателя; 3— оребрение; 4 — головка цилиндра; 5 — канал нагревателя; 6 — кольцо; 7 — втулка цилиндра; 8 — корпус; 9— рубашка охлаждения: 10 — канал охлаждения; 11 — водяная полость холодильника; 12 — трубки холодильника; 13 — корпус холодильника; 14 — набивка регенератора; 15 — корпус регенератора.

нако задача выбора жаропрочного материала  решается конструкторами с учетом технологии обработки, предельных нагрузок, а следовательно, надежности и стоимости конструкции.

В ДВПТ первого поколения наибольшее распространение получила конструкция  нагревательной головки, разработанная  фирмой Филипс. Эволюция этой конструкции  показана на рис. 16. Трубки нагревателя  смонтированы вокруг каждого цилиндра, образуя в целом цилиндрическую поверхность, причем, как правило, в целях увеличения поверхности нагрева трубки запаивают с петлевым изгибом. Технология сборки такой нагревательной головки достаточно сложна и трудоемка.

Более технологичной является конструкция так называемого плоского нагревателя, разработанная исследовательской груп 
пой МАН/МВМ (ФРГ). Элемент конструкции, показанной на рис. 17, состоит из четырех трубок (одна из них имеет оребре- ние) и U-образного переходника. Из таких элементов, примыкающих один к другому фрезерованными сторонами оребрения, набираются батареи нагревателей. Соединения трубок через переходник, а также соединения элементов в батареи выполнены на резьбе. Между элементами при сборке оставляют щели для прохода потока газа-теплоносителя (продуктов сгорания). К недостаткам такого нагревателя следует отнести несколько большую массу по сравнению со сварными или паяными нагревателями.

Наиболее эффективная с точки  зрения теплового к. п. д. и массогабаритных  показателей конструкция нагревательной головки (рис. 18) разработана фирмой Юнайтед Стерлинг для

ДВПТ модели V4X [17]. Для передачи теплоты из камеры сгорания к рабочему телу двигателя использованы тепловые трубы. Головка нагревателя выполнена единой для всех четырех цилиндров двигателя. Коллекторы I, отводящие рабочий газ из блока регенератора-холодильника, и коллекторы 2, подводящие по каналам 3 нагретый рабочий газ в цилиндры двигателя, размещены вертикально, параллельно друг другу, и образуют пары, которые соединены батареями тепловых труб 4 таким образом, что двигатель работает по циклу Стирлинга двойного действия. Тепловые трубы расположены по образующим всех коллекторов. Для каждой пары коллекторов они изогнуты по дуге окружности так, что в целом пары коллекторов всех цилиндров, соединенные тепловыми трубами, образуют цилиндрическую полость, причем сами тепловые трубы находятся внутри, а коллекторы снаружи цилиндра. Эта цилиндрическая полость одновременно является стенкой камеры сгорания. Рабочее тело циркулирует через коллекторы тепловых труб, причем работа капиллярных сил в тепловых трубах значительно улучшает транспортировку гелия и, как следствие, повышает эффективность нагревателя в целом. Форсунка размещена в центре камеры сгорания.

Рис. 18. Принципиальная схема нагревательной головки двигателя V4X.

Используемый в данной конструкции  принцип движения теплоносителя (рабочего тела) в тепловых трубах обеспечивает практически изотермические условия процесса подвода теплоты в цикле двигателя. Это способствует увеличению к. п. д. Способность тепловых труб выравнивать температурное поле сни 
жает вероятность прогорания элементов нагревателя, т. е. увеличивает ресурс и надежность.

Головка нагревателя испытывает высокие  тепловые напряжения и является одним из элементов, лимитирующих ресурс двигателя. Рабочей группой фирм МАН/МВМ выполнены расчеты температурного поля нагревателя (рис. 19). С учетом температурных напряжений и перепада давлений на стенках трубки было рассчитано напряжение и определен срок службы трубок из условия ползучести. Применяемые в опытных образцах дви-

Ресурс, v


ползучести) трубок нагревателя двигателя МАН/МВМ. / — нержавеющая сталь (18% Сг, 8% Ni); 2 — мультимет (20% СО, 20% Сг, 20% N1).



 

гателей трубки из нержавеющей стали (18% Сг, 8%Ni) имели небольшой ресурс (около 100 ч); эксперимент подтвердил результаты расчетов. Применение мультимета (20% Со, 20% Сг, 20% Ni) должно обеспечить ресурс нагревателя около 10 000 ч при максимальной температуре стенки трубки около 850° С.

§9

Регенератор

Регенератор является одним из основных элементов двигателя, определяющим возможность его экономичной работы. На установившемся режиме работы около 60—75% теплоты рабочего цикла подводится в изохорном процессе и, следовательно, только около 25—40% в изотермическом процессе.

Регенерация теплоты, участвующей  в изохорных процессах, обеспечивает высокую экономичность работы двигателя. 

Термодинамический анализ цикла показывает, Что при 100 % - ной регенерации теплоты  к. п. д. идеального двигателя Стирлинга равен к. п. д. цикла Карно. Степень регенерации современных регенераторов ДВПТ достигает 95%. Известные конструкции регенераторов состоят из корпуса с набивкой, имеющей достаточно большую теплоемкость. В числе требований, предъявляемых к материалу набивки, выдвигается требование обеспечения малых гидравлических сопротивлений и возможно меньшей тепловой инерции.

В качестве материала набивки широко используется так называемая «путанка» из медной проволоки малого диаметра (0,03—0,015 мм). Толщину проволоки и ее массу выбирают с учетом количества теплоты, участвующей в изохорных процессах, и времени перетекания газа между горячим и холодным пространством двигателя.

Информация о работе Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)