Двигатели Стирлинга. Описание

Двигателями Стирлинга называют двигатели с внешним подводом теплоты, работающие по регенеративному циклу. Патент на такой двигатель был получен Р. Стирлингом еще в 1816 году. В 1845 году в Англии был запущен двигатель Стирлинга мощностью 50 л.с., проработавший в течение трех лет. В 1880-1890 гг. было изготовлено несколько образцов двигателей малой мощности. После этого в течение долгого времени двигатели Стирлинга не производились, так как имели очень низкий коэффициент полезного действия: около 5%.

В первых образцах двигателя рабочим телом служил воздух при атмосферном давлении, поэтому они были тяжелы и громоздки. Позднее введение в схему цикла двигателя регенераторов позволило снизить потери теплоты и поднять КПД до 30%. Использование водорода под давлением до 200 атмосфер позволило уменьшить удельную массу современных двигателей Стирлинга до 2 кг/кВт, а отдельных конструкций — до 1,2 кг/кВт.

Большие успехи в развитии двигателей внутреннего сгорания надолго затормозили развитие двигателей Стирлинга. Только в 1938 году были проведены работы, позволившие затем в 1960-1970 гг. развернуть широкие исследования и начать промышленные разработки этого двигателя. Основные работы в этой области были проведены в лабораториях фирмы «Филипс» в Нидерландах, но в дальнейшем во многих странах мира (США, Швеции, Германии, Японии и др.) была начата разработка двигателей Стирлинга для их применения в различных областях техники. В настоящее время в России также ведутся работы в этой области.

Широкие исследования по применению данных двигателей за рубежом вызваны рядом их принципиальных преимуществ, основными из которых следует назвать:

— возможность использования для работы различных источников тепла, в том числе и не связанных с горением;

— пониженные требования к качеству углеводородного топлива (зольность, октановое число и др);

— относительно низкий, по сравнению с ДВС, уровень воздушных шумов (снижение на 20...40 дБ) и вибраций (снижение на 5...30 дБ) за счет плавного процесса горения топлива, протекающего в двигателе непрерывно;

— высокий КПД (0,3...0,44), особенно на частичных нагрузках, позволяющий сэкономить до 20% топлива по сравнению с ДВС;

— низкая температура и токсичность выхлопных газов, состоящих в основном из СО2 и водяного пара;

— малое тепловыделение в отсек;

— отсутствие системы зажигания, впускных и выпускных клапанов в рабочих цилиндрах;

— мало изменяющийся вращательный момент двигателя. Отношение текущего и среднего вращающего момента за оборот коленчатого вала у двигателя Стирлинга составляет от 0,95 до 1,05, а у ДВС эта величина меняется в диапазоне 0,9...3,7;

— малый расход масла, поскольку оно не соприкасается с продуктами горения и не окисляется.

Широкое внедрение двигателей Стирлинга пока сдерживается их высокой по сравнению с ДВС стоимостью, необходимостью обеспечения конструкционными материалами, работающими при высоких температурах, и сложностью регулирования.

Двигатель Стирлинга — поршневой, но в нем, в отличие от других поршневых машин (дизеля, бензинового карбюраторного двигателя), теплота для подогрева газа, находящегося в цилиндре, подводится извне. В основу рабочего процесса двигателя заложен принцип получения полезной работы за счет расширения газов при высокой температуре и сжатия при низкой, который осуществляется в так называемом внутреннем контуре.

Внутренний контур включает в себя холодную и горячую полости, нагреватель, холодильник и регенератор (рис. 10.17).

Необходимый закон изменения объемов полостей в двигателе обеспечивается за счет согласованного движения рабочего поршня и вытеснителя. Наиболее распространенные типы приводных механизмов в двигателях Стирлинга — ромбический, кривошипно-шатунный и аксиально-поршневой. Считается, что ромбический приводной механизм позволяет наиболее полно уравновесить инерционные силы, возникающие при работе двигателя, и, таким образом, конструктивно обеспечить минимальные уровни шумоизлучения. В качестве рабочего тела во внутреннем контуре двигателя используются водород, гелий, углекислый газ, воздух.

От физических свойств рабочего тела (плотности, вязкости, теплоемкости и теплопроводности) зависит мощность и экономичность двигателя. Наибольшую экономичность обеспечивает применение водорода, наименее эффективен — воздух.

Считается, что применение в качестве рабочего тела углекислого газа позволяет создать двигатель Стирлинга, массогабаритные характеристики которого близки к аналогичным показателям дизеля, при меньших уровнях шумов и токсичности выхлопных газов.

Использование водорода в качестве рабочего тела затруднено, главным образом, из-за его способности проникать через металлы, которые при этом становятся хрупкими. Рабочее тело в двигателе Стирлинга находится под давлением, средняя величина которого за цикл достигает 20 МПа. С увеличением давления рабочего тела полезная мощность двигателя возрастает. Для снижения среднего давления рабочего тела без потери мощности используется двухкомпонентное рабочее тело: одним из компонентов служит газ, например воздух, другим — жидкость, например вода. При переходе из полости сжатия в полость расширения жидкий компонент превращается в пар, высокая плотность которого компенсирует падение мощности за счет снижения давления цикла, что позволяет использовать освоенные конструкционные материалы, улучшить теплообмен, смазку и уплотнение в двигателе.

Внешний контур в двигателе Стирлинга служит для подвода тепла к рабочему телу. Наибольшее распространение получили двигатели, использующие в качестве источников теплоты химическую энергию жидких углеводородных топлив. В этом случае внешний контур двигателя состоит из камеры сгорания и нагревателя.

Широко применяется двигатель Стирлинга в сочетании с аккумуляторами тепла. По данным фирмы «Дженерал моторе», энергоемкость системы «двигатель Стирлинга — аккумулятор тепла» с теплоаккумулирующим веществом AI2O3 в 8 раз выше, чем классической системы «свинцово-кислотная батарея — электродвигатель» при одинаковых массогабаритных показателях [74].

Наибольшего прогресса в создании энергетических установок для подводных лодок с двигателем Стирлинга достигли в Швеции. В 1988 году были проведены ходовые испытания переоборудованной подводной лодки «Нэккен». При переоборудовании в прочный корпус ПЛ непосредственно за ОВУ был врезан отсек длиной 8 метров с блоком энергосистем на базе двух двигателей Стирлинга мощностью по 110 кВт в качестве вспомогательной установки, работающих на дизельном топливе и кислороде. Двигатели работали в качестве привода генераторов постоянного тока, питающих ГЭД.

Отсек с двигателями Стирлинга, включая генераторы, системы жидкого кислорода и топлива, полностью автономен, имеет нулевую плавучесть. Система хранения жидкого кислорода включает теплоизолированный бак, обеспечивающий минимальный уровень поглощения тепла из отсека. Продолжительность хранения кислорода на борту ПЛ достигает нескольких месяцев. Испытания показали, что при подводном ходе малой скоростью двигатели Стирлинга обеспечивают пребывание ПЛ под водой в течение 10...14 суток, что в два раза больше чем у обычной ДПЛ.

Шведскими специалистами прорабатывался также вопрос о создании единой всережимной установки с двигателями Стирлинга. В надводном положении двигатели должны работать на атмосферном воздухе, а в подводном — на жидком кислороде. Однако для таких установок требуются двигатели значительно большей мощности.

Окончательный вывод о целесообразности оснащения неатомной ПЛ двигателями Стирлинга может быть сделан после нескольких лет их эксплуатации на ПЛ и сравнения результатов с результатами эксплуатации анаэробных установок с ЭХГ, ДВС замкнутого цикла и др.