Реферат: Двигатели стирлинга. Области применения

2) Свободным от масла рабочим пространством;

3) Отсутствием клапанного механизма;

4) Передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.

Данное определение является обобщенным для большого семейства машин Стирлинга, различающихся по своим функциям, характеристикам и конструктивным схемам. Эти двигатели могут быть роторными и поршневыми различной степени сложности. Указанные машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки и генераторы давления. Вместе с тем, существуют машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины более точно могут быть названы двигателями Эриксона - по имени изобретателя.

Между двумя типами этих машин, как правило, не делается никакого различия, поэтому название "двигатель Стирлинга" употребляется для всех без исключения регенеративных машин.

Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершающих механическую работу на выходном валу при подводе к ним тепловой энергии. Полезная работа в рабочем цикле Стирлинга совершается, как и в других тепловых двигателях, посредством сжатия рабочего тела (гелий, водород) при низкой температуре и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре. Основные термодинамические процессы, протекающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, поглощение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в том, как протекает процесс поглощения тепла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).

В ДВС распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания), в то время как в двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (Схема 1) . Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или отверстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.

Скорость двигателя Стирлинга можно регулировать, изменяя количество газа в двигателе или величину среднего давления. Применяя эти средства регулирования скорости, необходимо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не составляющих с ними одно целое. При этом клапанный механизм имеет другое назначение и другие характеристики по сравнению с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания.

Работа двигателя Стирлинга по замкнутому циклу определяет как его преимущества, так и недостатки. Например, поскольку рабочее газообразное тело постоянно находится в полости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник, в то время как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу, производится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по сравнению с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стирлинга требуется более развитая система охлаждения, как это видно из структуры энергетического баланса (Схема 2). В системах, предназначенных для транспортных средств, где экономия занимаемого двигателем объема является определяющим фактором, необходимость использования радиатора с увеличенным рабочим объёмом является недостатком, в то же время это может стать преимуществом в системах, потребляющих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник больших размеров может увеличить КПД системы.

Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга существенно и работа без периодических взрывов означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и тем самым более приемлемым с точки зрения социальных требований, а также перспективным для применения в военных целях.

Хотя двигатель Стирлинга и получает энергию извне, его нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего сгорания, поскольку любой источник тепла с подходящей температурой, например сфокусированная солнечная энергий, аккумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяющая при горении металла, ядерная энергия и т.п. может быть использована для этой цели. В настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо из-за простоты его использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки.

В двигателях Стирлинга применяются регенеративные теплообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по которым газ перемещается между горячей и холодной зонами двигательной установки. Функцией регенератора является попеременное накопление и возвращение части тепловой энергии, полученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пульсирующему газовому потоку должна происходить таким образом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в то же время поддерживать на заданном уровне мощность, снимаемую с вала. Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого типа - существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на практическое применение.

Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлинга как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регенеративному циклу (Схема 3). В основе конструкции двигательной установки Стирлинга лежат принцип разделения горячей и холодной рабочих полостей и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной полости в другую. Управлять эти потоком, искусственно поддерживая разность давлений в полостях, нежелательно, поскольку энергия, вырабатываемая двигателем Стирлинга, почти прямо пропорциональна давлению цикла, и, следовательно, падение давления уменьшает величину полезной механической работы, совершаемой двигателем. Поэтому для создания необходимых газовых потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих полостей. Естественно предположить, что для этой цели требуется система поршень - цилиндр, а не система турбина - сопло. Особенно подходит такая система для создания возвратно-поступательного движения, хотя можно предположить, что роторный двигатель типа двигателя Ванкеля также пригоден для реализации принципа Стирлинга. Все двигатели Стирлинга, как уже сконструированные, так и разрабатываемые, основаны на принципе возвратно-поступательного движения. Имеются различные способы осуществления такой формы движения, и именно это помогает классифицировать различные типы двигателей Стирлинга.

2. Классификация двигателей

Предлагаемая схема классификации и идентификации двигателей Стирлинга включает следующие три признака:
а) режим работы;
б) способ соединения цилиндров;
в) способ соединения поршней.

Каждый признак включает несколько подпризнаков и в пределах каждого подпризнака возможны еще дополнительные деления. Очевидно, что предлагаемая схема не сможет охватить всех форм двигателя, однако классификация по трем основным признакам могла бы в конечном свете помочь систематизировать все существующие и будущие его формы.

а. Режим работы

Выделены следующие шесть режимов работы двигателей Стирлинга:

1а) двойного действия;

1б) простого действия;

2а) однофазный;

2б) многофазный;

3а) резонансный;

3б) нерезонансный.

Термины «однофазный» и «многофазный» относятся к физическому состоянию рабочего тела. До появления «мокрого» «Флюидайна» не было необходимости в описании фазового состояния, однако после успешной разработки «Флюидайна» ряд исследований выявил преимущества использования многофазного рабочего тела и в двигателях Стирлинга других видов. Аналогично с изобретением свободнопоршневых форм двигателя потребовалось выделение третьей группы режимов работы. Такие двигателя могут работать при скоростях, соответствующих резонансной частоте упругой системы, которой является такой двигатель, или же в нерезонансном режиме, известном также как режим «банг-банг». Двигатели «Флюидайн» также могут быть рассчитаны на работу при резонансной частоте системы. В двигателях с обычными кривошипно-шатунными механизмами необходимо избегать резонансных режимов. Поэтому третья группа режимов обладает меньшей степенью общности, чем первые две. Итак, конкретный двигатель может быть описан при помощи комбинаций трех терминов из шести, как показано на схеме 4.

б. Способ соединения цилиндров.

Классификация по второму признаку включает в себя классификацию, раннее предложенную Керкли и Уокером. Эта классификация идентифицирует способ компоновки пары вытеснитель-поршень по отношению к рабочим полостям переменного объема. Имеются три типа соединения цилиндров:

1) альфа;

2) бета;

3) гамма.