Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

Недостатком медной путанки является малая жесткость, в результате чего под действием знакопеременных тепловых напряжений проволока работает на истирание. Однако конструкции подобных регенераторов, по сведениям зарубежных источников [27, 35]', работают удовлетворительно в течение 9-Ю⁹ циклов (ари частоте вращения 1500 об/мин в течение 100 000 ч).

§ Ю

Тепловые трубы

В работе двигателя Стирлинга с  тепловым аккумулятором важную роль играют тепловые трубы, передающие теплоту  от аккумулятора к двигателю, а также  обеспечивающие эффективную теплопередачу в самом нагревателе двигателя.

Тепловая труба представляет собой замкнутую герметичную полость, содержащую рабочее тело (теплоноситель). Процесс переноса теплоты основан главным образом на фазовых превращениях теплоносителя.

Схема простейшей тепловой трубы показана на рис. 20. Цилиндрический корпус 3 выложен изнутри капиллярно-пористым материалом — так называемым фитилем 2. Теплоноситель 4 в тепловых трубах находится в двух фазах: жидкая фаза заполняет фитиль, паровая — остальное пространство, называемое паровым каналом 5. Теплота подводится в испарительной зоне 1, а отводится в зону конденсации 7. Между ними расположена транспортная (или адиабатная) зона 8, которая в целях уменьшения тепловых потерь покрыта термоизоляцией 6.

Названия зон отчасти раскрывают механизм передачи теплоты внутри тепловой трубы. Теплота, подводимая от источника, затрачивается на испарение жидкого теплоносителя из фитиля. Образовавшийся пар перетекает через адиабатную зону в зону отвода теплоты и конденсируется в ней, отдавая теплоту внешнему 
поглотителю. Движение паров рабочей жидкости происходит за счет перепада давления, возникающего в трубе между зонами. При этом в испарительной зоне давление возрастает, а в зоне конденсации несколько уменьшается. В испарительную зону конденсат возвращается по фитилю под действием капиллярных сил. Таким образом, в тепловых трубах осуществляется циркуляция теплоносителя по замкнутому контуру с изменением его агрегатного состояния. Между рабочими зонами возникает небольшой перепад температур.

С двигателями Стирлинга могут  быть применены тепловые трубы, где в качестве теплоносителя используются расплавы щелочных металлов калия, натрия и лития, рабочие температуры

fX

Рис. 20. Схема тепловой трубы,

/ — испарительная зона; 2 — фитиль; 3 —корпус; 4 — теплоноситель;

5 — паровой канал; 6 — теплоизоляция; 7 — зона конденсации; 8 — транспортная (адиабатная) зона.

 

которых соответственно равны 600, 715 и 1500° С. Материалом корпуса в этом случае могут служить никель, нержавеющие  стали и специальные сплавы. Фитиль может быть изготовлен из стального волокна, медной проволоки, стеклянной пряжи с диаметром от 0,3 до 0,009 мм.

Особый интерес представляют конструкции  газорегулируе- мых тепловых труб, зона конденсации которых соединена  с резервуаром, содержащим определенное количество инертного неконденсирующегося газа. В таких трубах можно регулировать передаваемый тепловой поток.

Тепловые трубы создают ряд  преимуществ [5] по сравнению с другими  системами передачи теплоты. Это, в  частности:

• возможность передачи больших тепловых потоков;
• малые тепловые потери при значительных расстояниях между источниками подвода и отвода теплоты;
• высокая энергетическая эффективность (удельная масса современных батарей тепловых труб при теплопотоке 40—60 кВт составляет 0,18—0,15 кг/кВт);

33

возможность регулирования теплового потока.

3 Заказ № 252 

Примером использования тейловых труб в двигателях Стирлинга может служить конструкция двигателя V-образной компоновки, с бесшатунным силовым механизмом и тепловыми трубами, предложенная Куйбышевским авиационным институтом им. акад. С. П. Королева [1].

§Н

Система внешнего сгорания

В двигателе Стирлинга, работающем на атмосферном воздухе и органическом топливе, имеются два рабочих тепловых контура: внешний разомкнутый, в котором осуществляется под-

Рис. 21. Схемы внешнего контура ДВПТ, использующих атмосферный воздух.

 

/ — схема с приводом нагнетателя  от вала двигателя; // — схема  с приводом нагнетателя от вала двигателя и двухступенчатым сгоранием; III — схема со свободным турбонагнетателем; / — ДВПТ; 2 — нагнетатель; 3 — разобщительная муфта; 4 — нагреватель; 5 — экономайзер; 6—камера сгорания; 7 — турбина.

вод теплоты, и замкнутый внутренний, в котором происходит рабочий цикл. Теплоносителем, осуществляющим связь между контурами, является гелий.

Как уже упоминалось в § 1, рабочий цикл внутреннего контура в идеальном случае должен состоять из двух изотерм и двух изохор. Теплота из внешнего контура подводится по изотерме при наивысшей температуре и отводится при наинизшей температуре цикла. По изохорам происходит теплообмен в регенераторе. Внутренний контур полностью изолирован от внешнего стенками теплообменников. Основные схемы внешнего контура, исследованные к настоящему времени, показаны на рис. 21. Во всех трех схемах воздух подается нагнетателем 2 в камеру 
сгорания 6, предварительно подогреваясь в экономайзере 5. Экономайзер служит для уменьшения потерь теплоты во внешнем контуре с выходящими газами. Передача теплоты от внешнего контура к внутреннему осуществляется в нагревателе 4.

Совершенство внешнего контура оценивается с помощью к. п. д., включающего в себя к. п. д. нагревателя Т1нагр и к. п. д. экономайзера т^к.

В общем виде к. п. д. внешнего контура  может быть записан как отношение теплоты, подведенной в цикл, к теплоте, подведенной в камере сгорания: Цвпетв — QpfQn или Г1внешр= = (Q_T-M)—B/Q_T+A, где Q_T — теплота, выделяющаяся при сгорании топлива; А — теплота подогрева рабочего воздуха выпускными газами в экономайзере; В — теплота выпускных газов за экономайзером.

На основании теплового баланса системы внешнего контура величины А и В выражаются через к. п. д. нагревателя и к. п. д. экономайзера следующим образом: Л = т1эк(1—Лнагр) X X(Qt+/4), (1—Г1эк) (1—Пнагр) (Qt+^4), откуда к. п. д.

внешнего контура определяется как Т1внешн=1—(1—Цак) X X (1—Лнагр).

Эта формула учитывает совершенство конструкций нагревателя и экономайзера с точки зрения процессов теплопередачи. Затраты энергии на привод обеспечивающего работу внешнего контура компрессора должны учитываться механическим к. п. д. двигателя. Однако указанные потери могут быть учтены при оценке к. п. д. двигателя в целом — в к. п. д., учитывающем затраты мощности на приводные агрегаты, Т1прив-

При передаче теплоты из внешнего контура во внутренний возникают  потери; они могут быть оценены  рядом относительных к. п. д., произведение которых дает эффективный к. п. д. двигателя 11е=ЛвнешнЛтермГ1циклГ1мех, где Г1внешн—см. выше; Ц-repM—Pp/Qp — термический к. п. д. т. е. отношение мощности совершенного процесса двигателя к подведенному в цикл тепловому потоку; Ч]щлкл=Р{/Рр — цикловой к. п. д., учитывающий потери теплоты во время протекания процессов; т]мex=P_e/Pi — механический к. п. д. с учетом потерь на вспомогательные приводы.

К системе внешнего сгорания ДВПТ предъявляются следующие основные требования.

Внешний контур является самостоятельной  системой и перед пуском двигателя  должен быть предварительно прогрет. Для  этого нагнетатель воздуха и  топливный насос вначале приводятся от аккумуляторной батареи. При выходе двигателя на режим холостого хода производится автоматическое переключение агрегатов на привод от вала двигателя. Для известных конструкций ДВПТ практически весь процесс пуска занимает около одной минуты [46].

3*

35

 

При работе двигателя температуры  газов на входе в нагреватель  Т_вх и после него Г_Вых должны точно соответствовать энергетическим потребностям внутреннего контура, т. е., согласно [4, 8], через теплообменник должен передаваться потребный тепловой поток Q_p, величина которого определяется из известного выражения

Q_p = kS АТ,

где k—суммарный коэффициент теплопередачи в теплообменнике; 5 — суммарная поверхность теплообменника; АТ — разность температур между горячими газами и гелием.

Потребный поток >Q_P теплоты из внешнего контура во внутренний достигается изменением массы горячих газов, причем с увеличением их расхода потребная температура /вх падает. Однако в этом случае должна возрастать потребная мощность нагнетателя воздуха и увеличиваться поверхность нагревателя. Для увеличения к. п. д. камеры сгорания, а также для уменьшения размеров теплообменников и нагнетателя необходимо снижать массу проходящих газов. Это может быть достигнуто приближением величины избытка воздуха а к стехиометрическому значению. Однако для обеспечения полного сгорания, как показывают экспериментальные исследования [46], не следует снижать значения а меньше чем до 1,3—1,5.

На большинстве ДВПТ, построенных  к настоящему времени, осуществлена конструкция внешнего контура с  приводом нагнетателя от вала двигателя (схема / на рис. 21). Наличие механической связи двигателя с нагнетателем улучшает приемистость и пусковые качества, а также способствует хорошей работе двигателя на переходных режимах. К числу недостатков этой схемы следует отнести дополнительные потери мощности в механизме передачи.

Конструкция ДВПТ с приводом нагнетателя от вала двигателя и двух- или многоступенчатым сгоранием (схема II) обеспечивает более гибкую связь теплообмена между контурами. В этом случае максимальная температура в нагревателе может быть значительно снижена. Однако наличие нескольких камер сгорания усложняет двигатель, в особенности автоматику регулирования. К. п. д. схемы II имеет несколько меньшее значение из-за возросших гидравлических сопротивлений и большей потребной мощности нагнетателя. И все же для достижения высоких к. п. д. на двигателях большой мощности схема II предпочтительна.

По аналогии с дизелестроением, где широкое применение нашел турбонаддув с газовой связью, была исследована схема III. Термодинамическим расчетом показано, что ДВПТ может работать с турбонаддувом только в случае, когда экономайзер уменьшен настолько, чтобы энергии выпускных газов оказалось достаточно для подачи воздуха и покрытия потерь в турбокомпрессоре.

HI

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

§ 12

Система регулирования мощности

В отличие от двигателей внутреннего  сгорания нагрузка двигателя Стирлинга регулируется не подачей топлива, а изменением количества рабочего газа в замкнутом контуре. При таком способе управления температура нагревателя поддерживается постоянной с помощью системы терморегулирования, а температура холодильника изменяется в пределах реального изменения внешних условий.

Принципиальная схема системы  регулирования дана на рис. 22. Дополнительный впуск рабочего газа в цилиндры с целью увеличения крутящего момента осуществляется открытием клапана 1. При этом цилиндры сообщаются с баллоном 5, содержащим газ под высоким давлением. Переключение от холостого хода на полную нагрузку происходит за 0,3 с. Для предотвращения прямых соединений между цилиндрами и исключения их взаимного влияния установлены невозвратные клапаны 3.

Сброс нагрузки осуществляется открытием  клапана 7. При этом компрессор 6, приводимый от двигателя, перекачивает газ из трубопровода 4, имеющего максимальное давление, в баллон 5. Для снижения нагрузки от полной до холостого хода требуется работа компрессора в течение 30 с.

Если крутящий момент двигателя  нужно сбросить до нуля немедленно, следует открыть перепускной клапан 8 и тем самым обеспечить перетекание газа из трубопровода 4 с максимальным давлением в трубопровод 2, имеющий минимальное давление. В результате газ поступает в рабочую полость в фазе низкого давления, а вытекает из нее в период высокого давления, чем обеспечивается эффективное торможение (отрицательная работа). Это хорошо видно на диаграмме р — V, приведенной на рис. 23.

При полном открытии перепускного клапана  тормозной момент составляет 60% номинального крутящего момента двигателя. Перепускной клапан должен быть открыт в течение времени, нужного компрессору для уменьшения давления газа до уровня, соответствующего новой нагрузке двигателя. 

 

Рнс. 22. Принципиальная схема системы  регулирования двигателя внешнего сгорания,

1 — клапан: 2 — трубопровод подачи газа; 3 — невозвратные клапаны; 4 — трубопровод сброса; 5 — баллон; 6 — компрессор; 7 — клапан; 8 — перепускной клапан.

150 -

N

*

U v:

100 -

50-

1 1 1 I

С 100 200 300 VjCM

Рис. 23. Диаграмма р—V двигателя 4-235 для различных режимов работы.

/ — полная нагрузка; 2 — частично открытый перепускной клапан; 3— полиостью открытый перепускной клапан, двигатель поглощает мощность. 

Регулирование мощности двигателя  давлением рабочего газа дает хороший  эффект на частичных нагрузках, поскольку  при этом не нарушается термодинамика процесса.

Приведенные на рис. 28 данные показывают, что при работе двигателя по нагрузочной  и винтовой характеристикам к. п. д. сохраняется практически постоянным в диапазоне мощности от 40 до 100%.

Для больших судовых двигателей может быть использован другой способ регулирования, также обеспечивающий хороший к. п. д. на частичных нагрузках. Он основан на регулировании угла фазы изменения объема при постоянных рабочих давле-