Перечислим основные особенности работы двигателя:

1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование теп­ловой энергии в механическую посредством сжатия постоянно­го количества рабочего тела при низкой температуре и после­дующего (после периода нагрева) его расширения при высо­кой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень со­вершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабаты­вает полезную механическую энергию.

2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

3. Необходимое изменение температуры рабочего тела обес­печивается наличием разделенных холодной и горячей полос­тей, по соединительным каналам между которыми под дей­ствием поршней перемещается рабочее тело.

4. Изменения объема в этих двух полостях должны не сов­падать по фазе, а получающиеся в результате циклические из­менения суммарного объема в свою очередь не должны совпа­дать по фазе с циклическим изменением давления. Это - усло­вие получения механической энергии на валу двигателя.

Таким образом, принцип Стирлинга - это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном простран­стве рабочего тела. Чтобы наглядно представить, как этот про­стой принцип реализуется на практике, рассмотрим сначала элементарную систему поршень - цилиндр, в которой рабочее тело изолировано от внешней среды жестким поршнем, меха­нически соединенным с кривошипом (рис. 1.4).

По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабо­чего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться впра­во под действием расширяющегося рабочего тела (рис. 1.5).

При расширении рабочего тела давление в цилиндре па­дает. Для компенсации охлаждения рабочего тела при его рас­ширении подвод тепла продолжается, благодаря чему процесс

Протекает при постоянной температуре. Когда поршень дости­гает своего крайнего правого положения (нижней мертвой точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение головки цилиндра с помощью какого-либо внешнего источника (рис. 1.6).

В процессе охлаждения давление продолжает падать. Затем поршень начинает перемещаться влево, сжимая газ. Процесс

Рис. 1.8. Завершение рабочего цикла.

Охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать на­грев при сжатии, так что и сжатие протекает при постоянной температуре (рис. 1.7).

Когда поршень достигает своего крайнего левого положения (верхней мертвой точки) охлаждающее устройство заменяется источником тепла (рис. 1.8).

Эту последовательность можно изобразить на диаграммах термодинамического состояния (рис. 1.9).

Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охла­ждением, двигатель совершает полезную работу Однако такой метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен, так как теплоемкость материалов, из которых изготавливается го­ловка цилиндра, слишком велика для реализации требуемых
быстрых изменений температуры. Тем не менее основная кон­цепция попеременного нагрева и охлаждения изолированного рабочего тела при различных давлениях для получения меха­нической работы изложена здесь вполне точно.

Объем А

Возникает проблема воплощения этой концепции на практи­ке. Очевидным решением было бы поддерживать на одном тор­це цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом - постоянную низкую. Однако в этом случае невозможно было бы использовать систему поршень - цилиндр, упомянутую при описании рабочего цикла, поскольку рабочее те­ло одновременно и получало, и отдава­ло бы тепло в сменяющих друг друга фазах процесса. Роберт Стерлинг пре­одолел эту трудность, введя вытеснн­тельный поршень, или вытеснитель, расположенный последовательно с пер­воначальным поршнем, получившим

Теперь название «рабочий поршень». Вытесннтельный поршень предназначен для перемещения рабочего тела между локально расположенными горячей и холодной полостями (рис. 1.10).

Вытесннтельный поршень свободно размещен в цилиндре, так что рабочее тело может обтекать его со всех сторон, как показано на рис. 1.11, где действие вытеснительного поршня иллюстрируется безотносительно к рабочему поршню.

При движении вытеснителя вверх, к горячему концу ци­линдра, нагретое рабочее тело поступает в холодную полость через кольцевой зазор у боковых стенок вытеснительного
поршня. При этом давление рабочего тела вследствие охлажде­ния понижается. В цилиндре отсутствуют клапаны, поэтому, если не принимать во внимание небольшого, практически пре - небрежимого падения давления в кольцевом зазоре вокруг вы - теснительного поршня, давление во всех зонах цилиндра будет одинаковым. При движении к нижней мертвой точке вытесни - тельный поршень заставляет рабочее тело перемещаться через холодную полость и кольцевой зазор вокруг боковой поверхно­сти поршня в горячую полость для подогрева. Поскольку при

Движении вытеснительного поршня давление у обоих его тор - цев всегда одинаково, на это движение работа не затрачива­ется.

Движение вытеснительного и рабочего поршней не совпа­дает по фазе. Объяснение этого с позиций термодинамики бу­дет дано ниже. Однако уже сейчас нетрудно понять, что если все рабочее тело в какой-то фазе цикла должно быть в горя­чей полости, а в другой фазе цикла - в холодной, то оба порш­ня не могут находиться в одной фазе. Чтобы получить такое не совпадающее по фазе движение поршней, необходим. меха­низм привода, отличный от общепринятого. Пример механизма, использованного самим Стирлингом, показан на рис. 1.12.

Необходим еще один элемент, чтобы получить двигатель Стирлинга в том виде, в каком он известен сейчас. Это реге­нератор, или «экономайзер», как его первоначально назвал Стирлинг. Когда вытеснительный поршень перемещает расши­ряющееся рабочее тело в холодную полость (рис. 1.11), оно должно пройти через горячую полость где из-за продолжаю­
щегося нагрева получает избыточное тепло, которое необходи­мо отвести в холодильник. После того как рабочее тело сжато, оно перемещается в горячую полость через холодную, дополни­тельно охлаждаясь. Следовательно, рабочее тело поступает в горячую полость более холодным, чем требуется, а в холод­ную - более горячим.

Если в кольцевом зазоре вокруг вытеснительного поршня, по которому перетекает рабочее тело, установить сетку из стальной проволоки, то рабочее тело, проходя через этот зазор из горячей полости в холодную, будет иметь бо­лее высокую температуру, чем сетка, и, следовательно, будет отдавать теп­ло этой сетке. В этом случае сетка действует как предварительный холо­дильник, снижая термическую нагруз­ку основного холодильника. После процесса сжатия рабочее тело будет перетекать в горячую полость, нагре­ваясь при прохождении через сетку, т. е. будет вновь получать тепло, ра­нее отданное сетке. Теперь регенера­тор действует как предварительный нагреватель, уменьшая требуемое ко­личество подводимой энергии. Описанная система в целом по­казана на рис. 1.13.

Хотя схема, показанная на рис. 1.13, находит практическое применение во многих двигателях, проблема быстрой передачи энергии остается нерешенной, поскольку необходимо еще пре­одолеть тепловую инерцию стенок цилиндра. При проведении работ по усовершенствованию двигателя Стирлинга фирмой «Филипс» были применены трубчатые теплообменники для на­гревателя и холодильника, и, хотя при этом потребовалось уплот­нить вытесннтельный поршень, основная цель была достигнута. Полный рабочий цикл теперь можно описать с помощью рис. 1.14. На рис. 1.14 легко различаются составляющие процессы рабо­чего цикла, изображенного на диаграмме давление - объем (рис. 1.9, а).

На рис. 1 14, а рабочий поршень находится в крайнем ниж­нем положении, вытеснитель - в крайнем верхнем положении, и все рабочее тело заключено в холодной полости. Затем под действием внешних сил рабочий поршень начинает переме­щаться вверх, сжимая рабочее тело в холодной полости, при­чем температура рабочего тела поддерживается на минималь­ном уровне. В точке 2 (рис. 1.15) вытесннтельный поршень все еще находится в крайнем верхнем положении, рабочий
поршень заканчивает свое движение вверх, и процесс сжатия за­вершается (рис. 1.14,6). Рабочий поршень остается в своей верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень начинает движение вниз, перемещая рабочее тело в систему холодиль­ник - регенератор - нагреватель и далее в горячую полость. Объем рабочего тела в этом процессе остается постоянным, а давление возрастает. В процессе между точками 2 и 3 рабоче­му телу передается тепло от регенератора. Точка 3 соответ­ствует пребыванию всего рабочего тела в горячей полости, при

Этом рабочий поршень все еще остается в своей верхней мерт­вой точке. Следует отметить, что вытеснительный поршень в точке 3 еще не достиг своего крайнего нижнего положения.

Теперь рабочее тело, находясь в горячей полости, получает тепло от трубчатого нагревателя и расширяется. Воздействуя на вытеснительный и рабочий поршни, расширяющееся рабочее тело заставляет их совместно перемещаться вниз, пока они не займут свое крайнее нижнее положение. В процессе между точ­ками 3 и 4 совершается положительная работа. Точка 4 соот­ветствует пребыванию обоих поршней в своих нижних мертвых точках. Рабочий поршень продолжает оставаться в этом поло­жении, а вытеснительный поршень перемещается вверх, вытес­няя расширившееся рабочее тело через систему нагреватель - регенератор - холодильник в холодную полость. При этом ра­бочее тело отдает остаток своего тепла регенератору. В процес­се 4 - 1 объем остается неизменным, а давление падает. Так осуществляется цикл Стирлинга в том виде, как он показан на двух диаграммах состояния (рис. 1.15).

Сравнивая движение поршней относительно друг друга в последовательных процессах (рис. 1.14), легко заметить, что их движение на протяжении всего цикла не совпадает по фазе.

Для обеспечения протекания такого цикла в соответствии с его описанием, приведенным выше, необходимо прерывистое перемещение поршней. Этот вывод можно наглядно проиллю­стрировать диаграммой перемещений поршней (рис. 1.16).

Рис. 1.15. Термодинамические диаграммы состояния идеального цикла Стир­линга.

Горячая полость расширения определяется переменным объемом VE между головкой цилиндра и верхним торцем вы­теснительного поршня. Она об­разуется исключительно благо­даря перемещению вытесни­тельного поршня. Холодная по­лость сжатия определяется пе­ременным объемом Vc между нижним торцем вытеснитель­ного поршня и верхним тор­цем рабочего поршня. Объем нагревателя, холодильника, ре­генератора и примыкающих к ним патрубков является не­рабочим объемом и называет­ся объемом мертвого простран­ства (мертвым объемом) V D . Любой мертвый объем умень­шает мощность, вырабатывае­мую двигателем, и его необходимо сводить к минимуму, допу­скаемому конструктивными особенностями двигателя. Однако в некоторых условиях путем увеличения мертвого объема можно увеличить КПД двигателя.

Теперь следовало бы рассмотреть проблемы термодинами­ки, газодинамики и теплообмена, которые необходимо решить для реализации принципа Стирлинга. Не ппеодолены также
трудности, связанные с высокой сложностью механизма при­вода и необходимостью обеспечить достаточную балансировку двигателя.

На рис. 1.16 показана зависимость изменения объема от угла поворота кривошипа, при выполнении которой реализует­ся идеальный цикл Стирлинга. Основной функцией механизма привода является наиболее точное воспроизведение этой зави­симости. Однако полное удовлетворение требований термоди­намики возможно только при прерывистом движении поршней, а механическое устройство не в состоянии точно воспроизвести такое движение. Хотя в принципе и можно создать механизм, воспроизводящий закон изменения объема, близкий к идеаль­ному, при его проектировании необходимо учитывать и другие факторы, а именно: простоту конструкции, компактность, дина­мические факторы и возможность установки системы уплот­нения.

Чем больше в механизме привода движущихся частей, тем меньше, как правило, механический КПД; при этом преимуще­ства, обусловленные воспроизведением закона изменения объ­ема, близкого к идеальному, могут быть сведены на нет низ­ким общим КПД двигателя. Кроме того, большое число дета­лей приводит к повышению стоимости изготовления механизма привода, общей стоимости агрегата и затрат на эксплуатацию, а также к снижению надежности по сравнению с механизмами привода обычных двигателей внутреннего сгорания. Простран­ство, в которое должен «вписываться» двигатель Стирлинга, также может быть определяющим фактором, а это поставит конструктора перед выбором, что предпочесть: громоздкий ме­ханизм привода, обеспечивающий почти идеальный закон изме­нения объема, или более компактный механизм, но воспроизво­дящий закон изменения объема с меньшей точностью.

Динамические факторы, которые необходимо принимать во внимание при конструировании, можно разделить на две груп­пы: связанные с динамической нагруженностью и связанные с динамической балансировкой движущихся частей двигателя. Динамические нагрузки оказывают решающее влияние на оп­ределение основных размеров двигателя Стирлинга. Термоди­намический анализ работы двигателя предъявляет определен­ные требования к рабочему объему, длине шатуна и др., одна­ко количественно эти требования выражены безразмерными параметрами и, следовательно, не устанавливают каких-либо реальных размеров. Определение размеров этих компонентов основывается на последующих динамических расчетах, включа­ющих определение нагрузок на подшипники, величины изгиба­ющего момента на шатуне и т. п. Двигатель Стирлинга благо­даря используемому в нем замкнутому циклу по своей приро­
де является бесшумным, и если в нем предусмотреть свобод­ный от вибраций (а следовательно, динамически уравновешен­ный) механизм привода, то потенциальные возможности его практического применения существенно расширятся. Некото­рые механизмы привода, разработанные для двигателей Стир­линга, удовлетворяют этим требованиям.

И наконец, в двигателях Стирлинга большого литража воз­никает проблема уплотнений, отделяющих цилиндры двигате­ля от картера и изолирующих картер от избыточного давле­ния. Таким образом, мы перечислили основные факторы, влия­ющие на выбор механизма привода двигателя Стирлинга.

В двигателях Стирлинга чаще всего используются: криво - шипно-балансирный механизм, ромбический привод, косая шайба и кривошипно-шатунный механизм.

Первым в двигателе Стирлинга был использован криво - шипно-балапсирпый механизм привода (рис. 1.17), в котором балансир сочленяется посредством двух рычагов с рабочим и вытеснительным поршнями, а рабочий поршень приводится не­посредственно от коленчатого вала. При таком типе привода неизбежно избыточное давление в картере, и поэтому он при­годен только для небольших двигателей. Такой привод не обес­печивает также динамической балансировки одноцилиндрового двигателя.

Увеличение мощности двигателя Стирлинга в процессе его совершенствования привело к необходимости изолировать ци­линдры от картера, чтобы избежать избыточного давления в картере. Эту проблему решает установка ромбического приво­да (рис. 1.18), разработанного фирмой «Филипс» в 50-е годы. Преимуществом такого привода является также возможность динамической балансировки даже в случае одноцилиндрового двигателя. Основными его недостатками являются сложность ме­ханизма, поскольку он состоит из большого числа движущихся частей, трущихся по­верхностей и т. п., и наличие в механизме двух находящихся в зацеплении зубчатых колес.

Косая шайба (рис. 1.19) применяется главным образом в двигателях, предназна­ченных для установки на автомобилях, где решающим фактором является компакт­ность силового агрегата. Такой механизм динамически сбалансирован при определен­ном угле наклона шайбы. Он также позво­ляет легко изолировать цилиндры от кар­тера. Однако в случае установки двигателя на автомобиль возникает проблема надеж­ности уплотнений в условиях быстрой сме­ны большого количества циклов. Косая шайба позволяет также управлять мощно­стью двигателя изменением угла наклона шайбы, что ведет в свою очередь к изме­нению величины хода поршней двигателя. В этом случае двигатель динамически сба­лансирован только при одном значении угла наклона шайбы.

Кривошипно-шатунный механизм (рис. 1.20) в течение мно­гих лет используется в двигателях внутреннего сгорания. Он исключительно надежен, и к настоящему времени накоплен большой опыт его эксплуатации. Этот механизм широко при­меняется в двигателях Стирлинга двойного действия как с крейцкопфом, так и без него. Преимуществами механизма явля­ются его надежность и простота изготовления, однако динами­ческая балансировка двигателя с таким механизмом привода практически недостижима.

Кривошипно-шатунный механизм, как мы могли убедиться, не является простым решением проблемы привода в случае, когда рабочий и вытеснительный поршни последовательно рас­положены в одном цилиндре. Однако такой механизм широко

Применяют в компоновочной модификации двигателя Стирлин­га со сдвоенными цилиндрами. Первоначально в такой модифи­кации использовали рабочий и вытесннтельный поршни, распо­ложенные в двух цилиндрах, соединенных коротким патрубком (рис. 1.21).

В XIX в. такой двигатель был построен Хенричи и Робин­соном . В литературе по двигателям Стирлинга, начиная с (>0-х годов нашего века и позднее, этот вариант часто назы­вают гамма-конфигурацией. Дальнейшие усовершенствования

Двигателя со сдвоенными цилиндрами были предложены Рай - дером , что привело к существенному увеличению удельной мощности по сравнению с другими модификациями двигателя Стирлинга, созданными к тому времени. С этого времени дви­гатели со сдвоенными цилиндрами получили всеобщее призна­ние. В модификации Райдера применены два полностью уплот­ненных в цилиндрах поршня вместо системы поршень - вытес­нитель. Теплообменники типа «нагреватель - регенератор - холодильник» встроены между двумя цилиндрами, образуя со­единительный канал (рис. 1.22).

Такая компоновка расширила возможности создания раз­личных конфигурации двигателя, реализующих принцип Стир­линга; например, цилиндры могут располагаться один против другого горизонтально или вертикально, параллельно один другому, в форме буквы V (рис. 1.23) и по другим схемам.

Все двигатели, о которых говорилось выше, по своему об­щему принципу действия являются двигателями простого дей­ствия. Следует подчеркнуть, что это название относится к дви­гателю, а не к поршню, поскольку, несмотря на то что
вытеснительныи поршень может производить двойное действие, когда его верхняя и нижняя поверхности управляют перемеще­нием газа, двигатель в целом при этом все еще может опреде­ляться как двигатель простого действия. Термины «двигатель

Простого действия»» и «двигатель двойного действия» примени­тельно к двигателям Стирлинга используются для характери­стики двигателя в целом. Например, как показано ниже, не-

Сколько агрегатов простого действия можно объединить в дви­гатель двойного действия. Этот способ мы проиллюстрируем на примере расположения цилиндров, предложенного Райдером и называемого также компоновочной модификацией альфа (рис. 1.24).

Цикл простого действия обеспечивается совместным дей­ствием верхней поверхности одного поршня и нижней поверх-

Ности другого поршня в соседних цилиндрах. Рабочее тело цир­кулирует между этими двумя цилиндрами. Оно не перемещает­ся через всю систему - от первого цилиндра до четвертого. Таким образом, поршень в каждом цилиндре выполняет функ­ции как рабочего, так и вытеснительного поршня, и при этом

Каждый поршень одновременно участвует в двух рабочих циклах. Следовательно, в четырехцилиндровой компоновке (рис. 1.24) одновременно протекают четыре отдельных цикла:

Этот тип двигателя Стирлинга был первоначально предло­жен английским инженером Сименсом и независимо от него голландскими инженерами Рини и Ван-Вееном в период их работы в фирме «Филипс», где он был усовершенствован. Двигатель двойного действия особенно эффективен среди ■устройств, вырабатывающих механическую энергию, из-за своей высокой удельной мощности, получаемой благодаря тому, что при каждом обороте коленчатого вала в каждом цилиндре поршень совершает полный рабочий ход.

Сказанное означает, что в двигателе двойного действия пор­шень выполняет две функции (или имеет двойную функцию):

1) заполнение рабочим телом двух полостей переменного объема и вытеснение рабочего тела из этих полостей;

2) передачу усилия на выходной вал.

Двигатели Стирлинга двойного действия неизбежно должны быть многоцилиндровыми, поскольку для получения сдвинутых по фазе процессов расширения и сжатия (необходимость тако­го сдвига отмечалась ранее) требуется не менее трех порш­ней. На практике же применяются обычно не менее четырех поршней, соединенных с одним коленчатым валом, причем соседние поршни дей­ствуют совместно в паре, чем и до­стигается двойное действие. Меха­низмы привода двигателей двойного действия должны. выполнять упомя­нутые выше две функции. Наибо­лее подходящим для этого представ­ляется обычный многоопорный ко­ленчатый вал рядного двигателя

Рис. 1.26. Соосная конфигурация ]РИС" L25)- Этот тип механизма осо - двигателя двойного действия. бенно подходит для крупногабарит­ных силовых агрегатов.

Лучшую компактность обеспечивает расположение ци­линдров в квадрате, так называемое соосное расположение (рис. 1.26), которое позволяет не только использовать общую систему сгорания, но и применять различные типы механизмов привода. Большинство пригодных для таких двигателей типов механизмов привода представляет собой модификации криво - шипно-шатунного механизма, однако фирмы «Филипс», «Дже­нерал моторе» и «Форд» потратили значительные усилия на со­вершенствование механизма с косой шайбой. Оптимальная кон­струкция привода этого типа обеспечивает механический КПД. превышающий 90 %.

Конфигурации двигателя Стирлинга в сочетании с различ­ными механизмами привода показаны на рис. 1.27. Разумеется, основанием для выбора того или иного механизма привода яв­ляется не только его компактность, но и другие факторы. Эти факторы подробно рассмотрены в разд. 2.5.

Во всех до сих пор рассмотренных двигателях использова­лись механизмы привода, в которых поршни жестко соединены друг с другом с помощью различных кинематических звеньев, а эти звенья в свою очередь жестко связаны с выходным ва­лом, служащим для передачи механической энергии от двига­теля. Двигатель Стирлинга может работать и без механической
. ииHi между поршнями. В этом случае рабочий и вытеснитель - iii. iii поршни называются свободными поршнями. Эта концеп­Ции может быть использована не только в двигателях Стар­инна, однако только применительно к таким двигателям ее п. чоп. успешно реализовать. Впервые ее воплотил в реально

I "m I Ч Mi.............. и.Im приводи, применяемые в двигателях Стирлинга. ||||||||"||||||ми<| ни rviniuil; t> ромбический; в - дезаксиалышй крнвошипно-шатунный; | . inn nil iii. itiiiiuV, l кршшшшшо-кулисный; e- крнвошипно-балансирный (механизм г. . .1 связанных с поршнями. Шток вытеснительного поршня - по­лый, открытый со стороны своего нижнего торца, так что ра­бочее тело, находящееся внутри вытеснительного поршня, по­стоянно сообщается с рабочим телом в так называемой буфер­ной полости, где все время поддерживается постоянное давле­ние. Эта полость служит газовой пружиной и, как будет пока­зано ниже, выполняет функцию, аналогичную функции коленча­того вала в обычном двигателе Стирлинга. Положение вытеснительного и рабочего поршней в начальный момент рабочего цикла показано на рис. 1.29, а весь цикл последо­вательно показан на рис. 1.30- 1.32. В начальном положении давление и температура рабоче­го тела во всем агрегате одина­ковы, причем давление равно его величине в буферной полости рв По мере передачи энергии рабо­чему телу в расширительной по­лости от трубок нагревателя тем­пература рабочего тела возрас­тает, что влечет за собой воз­растание давления до величины Pi (состояние 1). Это в свою оче­редь заставляет вытеснительный и рабочий поршни начать свое движение вниз. Чтобы двигатель развивал полезную мощность, необходимо обеспечить сдвиг по фазе движений обоих возвратно-поступа­тельных элементов. Поэтому вытеснительный поршень имеет меньшую массу, чем рабочий. Воздействие рабочего тела на рабочий и вытеснительный поршни приблизительно одинаково, однако из-за меньшей массы вытеснительный поршень движет­ся с большим ускорением. Благодаря этому рабочее тело вы­тесняется из полости сжатия и по соединительному каналу (в котором может находиться регенератор) перемещается в го­рячую полость, вызывая дальнейшее повышение давления; со­ответственно увеличивается разность давлений относительно давления в буферной полости, создающая движущую силу. В конечном счете вытеснительный поршень вступает в контакт с рабочим поршнем (состояние 2), и дальнейшее движение вниз оба поршня совершают совместно. Очевидно, что, как только оба поршня соединились, вытес - m мне рабочего газа из холодной полости сжатия прекращает - » я п соответственно прекращается поступление газа в расши - 1 Давление в буферной полости I"m I "I I Id. iu/ki fiih - поршнем н начальный момент рабочего цикла свободно- II |1|||||> lull и НИИ ИГ.1Я < "г1111."11111[ .1. I | Г1 I I II мп II. 1 MI"HI lll. nl III) МП и. Л буферная полость. 1>и It - Ц. м Hi Пи 1"и Ii . | ■ I Mi I момента давление в двигателе на­Чиним н.| I . Mi . In I . I | I . Ii - Iii Ii Pcini Рабочего тела Однако это ми мчим in I i mi" iiprni. iiii. ier давление в буферной полости, и Рис. 1.32. Полный рабочий цикл свободнопоршневого двигателя Стирлинга. 1 - горячая полость; 2- холодная полость; 3 - буферная полость. Сначала лишь замедляет направленное вниз движение возврат­но-поступательно движущихся элементов. Поскольку вытеснн­тельный поршень легче рабочего, он останавливается быстрее, отделяясь от рабочего поршня; при этом вновь начинает обра­зовываться полость сжатия. Рабочий поршень продолжает дви­гаться вниз и после остановки вытеснительного поршня (со­стояние 5), при этом рабочее тело начинает перетекать из рас - Ширшелмюи полости в полость сжатия, вызывая дальнейшее imi. hi" быстрое падение давления в рабочих полостях и соот - III-11-1 nyioni. ee увеличение направленной вверх силы, действую­Щем на поршни. # Иы геенн гельный поршень теперь очень быстро перемещает - » » и in рмиою часть цилиндра, вытесняя дополнительное коли - 411 ню рабочего тела из расширительной полости в полость I /К, м и» Наконец, вытесннтельный поршень достигает своего конечного положения (состояние 6) и остается в этом положе­нии нее время, пока давление в буферной полости превышает ми. ieНпе рабочего тела. Тем временем рабочий поршень, дой - III in своего крайнего нижнего положения (состояние 7), начи - и. h i перемещаться вверх, сжимая рабочее тело, заключенное Mi I i верхней поверхностью рабочего поршня и нижней по - ||| pMnu"ii. ii) in, I гее нательного поршня. В процессе сжатия дав - II щи раоочею тела возрастает по сравнению с давлением в ||п piiiiiiПо. кнмп п в результате возникает сила, перемещаю - 1н, in miieeiini(.цапли поршень вниз. Изолированное в рабочем ним ме рабочее тело перетекает в полость расширения, сооб - IIIни ими мппе п. ному поршню дополнительное ускорение, под Lelii |пнем ыиорого он догоняет рабочий поршень (состоя - IIiii М| la им |>,|(нI"niii цикл повторяется. IniiiiM ini|iii him, рабочий цикл сноболпоноршневого двигате - hi < шр ими I ночш полностью идентичен циклу двигателя, в I. пиром p. ioiiMim и ныкчииге. и.иын поршни механически свя - I. MII. I upuiioiiiiiiiiiuMMi xaiiiiImom обычного типа. Этот вывод не I пинком иео/китан Ун и. ям hil l, изучая ромбический привод, м 1.1 и .1 Ii И 1М. т привода, а один из студентов Била впервые построил птп пщощпп свободнопоршневой двигатель . Конфигурация ныитшпельпый поршень - рабочий поршень» в свободно - iiiipiiiiienoM двигателе, по существу, является колебательной си - iieMi. H масса - пружина, и эта система настраивается на ра­ню г резонансной частотой, которая и является рабочей ча - I иной ишгателя. Однако необходимо заметить, что двигатель liii ia может работать и в таком режиме, при котором вытесни - h и. in, hi поршень будет совершать не простые гармонические (| пни-пичальные) колебания, вызываемые резонансом, а коле- оання. график которых имеет более прямоугольную форму. I". ном случае двигатель работает в так называемом режиме наш банг». Это название, может, и не строго научное, очень П. И.1ЯДИО отражает физическую природу работы двигателя. Как и двигатель Стирлинга с обычным кривошипным при­ми юм, свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различ­ные модификации, определяемые методами отбора мощности, ра ншваемой двигателем. Классификация этих модификаций часто вызывает затруднения, так как, несмотря на название, в некоторых случаях свободным является только вытеснитель­ный поршень, а в других - движущийся цилиндр. Во всех слу­чаях рабочий цикл одинаков, однако динамика движущихся ча­стей различна, что связано с различными модификациями си­стемы масса - пружина. Попытаемся обойти эти затруднения двумя путями: во-первых, используя определение, которое про­сто констатирует, что свободнопоршне - вым двигателем Стирлинга называется двигатель, в котором отсутствует механи­ческая связь между элементами, совер­шающими возвратно-поступательное дви­жение; во-вторых, мы дадим краткое опи­сание трех существующих модификаций свободнопоршневых двигателей. Первые две - это двигатели Била, третья пред­ставляет собой двигатель со свободным вытеснителем, известный также как «ха­руэллская машина». Если считать схему на рис. 1.28 и 1.29 основной формой двигателя Била, то главной проблемой такого двигателя ста­новится отбор и использование развивае­мой им мощности. Один метод представ­ляется особенно эффективным. Он заклю­чается в превращении рабочего поршня в постоянный магнит. Если разместить вокруг цилиндра обмотку, то при пере­мещении поршня внутри обмотки будет генерироваться электри­ческий ток. Фактически устройство в этом случае будет линей­ным генератором переменного тока (рис. 1.33), и его можно классифицировать как двигатель Била, буквально соответствую­щий названию свободнопоршневой. Цилиндр двигателя также можно использовать в качестве элемента, передающего мощность, если сделать цилиндр исклю­чительно легким, а поршень - исключительно массивным. Поршень в этом случае будет действовать как опора, оставаясь практически неподвижным, а вытеснитель и цилиндр станут свободно перемещаться. Тогда цилиндр можно использовать в качестве постоянного магнита или в более привычном вариан­те присоединить к рычагу привода гидравлического насоса (рис. 1.34). Гидронасос в свою очередь можно использовать для привода гидромотора, что делает возможным установку свободнопоршневого двигателя на автомобиле . Однако, несмотря на множество возможных вариантов применения сво­боднопоршневых двигателей, наиболее перспективным являет- I ii использование такого двигателя в качестве привода гидро - иагпга. 15 эгом направлении и проводятся многочисленные и 1 ппипмг разработки. I im одним типом свободноноршневого двигателя является ирмолкхапический генератор (ТМГ). Этот вариант - один из 11 vi i. i ммм пени, | i. i ip. iiiiiT. niiiUN группой сотрудников Центра im iiiiMiiun >iic111 им и Харуэлле (Англия) под руководством Км Яроори. 1МГ, 1МИ харуэллском машине, как его иногда мл ii. iuaioi. иомлощена идея свободных поршней, однако рабочий inipiiiem, здесь заменен металлической диафрагмой, и упругость Mcia. i.ia усиливает действие газовой пружины. Схема этой мо - пп||||кац|ш показана на рис. 1.35. Вместо поршня, перемещающегося в цилиндре вверх и вниз, в ТМГ установлена металлическая диафрагма, обычно изготав­ливаемая из нержавеющей стали. Эта диафрагма колеблется под действием изменяющегося давления рабочего тела. С диаф­рагмой жестко связан постоянный магнит, который колеблется в обмотке генератора, возбуждая электрический ток. Действие пружины, соединенной с вытеснителем, дает возможность си­стеме совершать резонансные колебания при частоте, равной I-радиатор; 2 - охлаждающий змеевик; 3-вытеснитель; 4 - якорь; 5 - диафрагма; 6 - пружина; 7-горелка. Частоте собственных колебаний системы. Частота колебаний легко регулируется подбором пружины и движущихся масс, что позволяет «подстроиться» под любую частоту в системе элек­троснабжения. Первоначально ТМГ предполагалось использо­вать в сочетании с источником тепла на радиоактивных изото­пах, но в настоящее время в таких двигателях используют про - пановые горелки (рис. 1.36). Замкнутый металлический цилиндр, содержащий рабочее тело, нагревается со стороны днища пропановой горелкой и охлаждается с внешней стороны диафрагмы, расположенной в верхней части цилиндра, охлаждающим змеевиком. Рабочий цикл полностью идентичен циклу двигателя с рабочим и вы - теснительным поршнями, за исключением того, что здесь вытес­нитель приводится в действие пружиной, расположенной между ним и корпусом цилиндра. Диафрагма совершает колебания с амплитудой, не превышающей нескольких миллиметров, ноэто- м (. 1я приведения в действие вытеснителя появилась необхо - I и мое I ь установки пружины. Все спободнопоршневые устройства легко герметизируются, ииски. п.ку из них не выступают движущиеся детали, например 111.11 мы п т. п. Можно обойтись и без поршневых колец, сведя к минимуму зазоры между движущимися частями за счет жест­ких ишусков. Отпадает необходимость в трубчатых нагревате - 1я, мня они и могут быть использованы. Появляется возмож - Ц|» и. использования регенерирующего действия кольцевого за- шра никрм вытеснителя, так называемой щелевой регенера­ции lli ск. иапного следует, что свободнопоршневые устройства I "ll! I I/ " м мп пии III II "I" III iii I. Illll I i << |i»i "i-ttt ii Im mihhiim in минным ap. iMi рпешкам сходны с двигателями 1 iup nun, I и 11 in ршшача. п.пых вариантах. It и pi н[г(ч с район, I над устройствами, действующими по и и к. I < I пр. шпга, группа ученых из Харуэлла помимо ТМГ | I . I ipaiuiI ала новый тепловой двигатель «Флюидайн», относя - пиин я к классу двигателей Стирлинга с двумя поршнями (дви - I л 11Iям Райдера). Отличительной особенностью нового двига - имя является изменение рабочего объема вследствие пере - мг i не 11 п я столбов жидкости, а не поршней, изготовленных из nirpiux материалов (рис. 1.37). < >i повой двигателя «Флюидайн» являются две U-образные |рпы (которые могут быть изготовлены из стекла), связанные < фсмя рабочими полостями, соединенными между собой. Что - iii. i понять принцип работы этого двигателя, допустим, что жид - Mirib в нем невязкая. Допустим также, что U-образной трубы < D не существует и что холодная полость герметизирована. Когда жидкость в U-образной трубе А - В (трубе вытесните - 1я) перемещается по часовой стрелке, левый столб жидкости поднимается, горячий газ перемещается в холодную полость, и явление рабочего газа понижается. Когда же столб жидкости движется против часовой стрелки, холодный газ возвращается в горячую рабочую полость, и давление газа возрастает. Та­ким образом происходят циклические изменения объема и дав­ления, но полезной работы в этом процессе не производится. Однако при наличии выходной трубы появляется эффект изме­нения суммарного объема газа при его колебаниях и так же, как и в других двигателях Стирлинга, при наличии меньшего чем 180° сдвига по фазе колебаний вытеснителя относительно колебаний выходного элемента возникает термодинамический цикл, в котором вырабатывается полезная работа. Эта полез­ная работа передается на мениск С столба жидкости в выход­ной трубе. Колебания столба жидкости в выходной трубе яв­ляются вынужденными и вызываются разностью давлений в двух рабочих полостях - С и D, в то время как колебания столба жидкости в трубе вытеснителя являются свободными, поскольку на мениски А и В действует одно и то же давление. Нетрудно заметить, что в случае вязкой жидкости ее колеба­ния в трубе вытеснителя постепенно бы затухали. Причиной стабильной непрерывной работы двигателя «Флюидайн» явля­ется «перекачка» энергии вынужденных колебаний в выходной трубе к свободным колебаниям в трубе вытеснителя. Эта энер­гия компенсирует действие вязкого трения и поддерживает устойчивые колебания. Существует по меньшей мере три наи­более распространенных способа перекачки энергии: 1) с помощью разности давлений (рис. 1.38, а); 2) с помощью качающегося стержня (рис. 1.38,6); 3) с помощью реактивной струи (рис. 1.38,в). В двигателе «Флюидайн», использующем способ перекачки энергии с помощью разности давлений, в отличие от схемы, рассмотренной выше, холодная полость выходной U-образной трубы совмещена с холодной полостью вытеснителя. Столбы жидкости, связанные с холодной и горячей полостями, разли­чаются по длине и, следовательно, имеют разные частоты соб­ственных колебаний. Рабочая частота всей системы заключена между частотами собственных колебаний горячего и холодного столбов жидкости. Возбуждающая сила, поддерживающая ста­бильные колебания, обусловлена разностью давлений на от­крытом торце выходной трубы и в рабочем газе. Система с качающимся стержнем имеет пружину, с по­мощью которой поддерживается равновесие системы относи­тельно фиксированного шарнира. В процессе работы колебания в выходной трубе вызывают смещение центра тяжести систе­мы относительно его первоначального положения и поворот си­стемы относительно шарнира. При сжатии и растяжении пру­жины возникает восстанавливающая сила, действующая на си-

I"m". 1.38. Варианты двигателя «Флюидайн» с различными способами «пере­дки» энергии.

Ра. шость давлений; б качающийся стержень; в - реактивная струя; 1 - горячая теть; 2 - холодная полость; 3 -шарнир; 4- восстанавливающая пружина.

«■тему. Система совершает угловые перемещения, и, поскольку темпа» конструкция является жесткой, эти угловые перемеще­ния передаются столбам жидкости вытеснителя, где они ней­трализуют вязкие потери и поддерживают устойчивые коле­бания.

В двигателе «Флюидайн» с реактивной струей, так же как ii и двигателе, использующем разность давлений, имеется объ - (чиненная холодная полость. Холодная и выходная трубы со­единяются с горячей трубой у ее основания. Такое соединение обеспечивает эффект реактивной струи. При перемещении вниз
мениска в горячей полости часть жидкости отводится по на­правлению к холодной полости, что заставляет столб жидкости в холодной трубе перемещаться вверх, а при обратном ходе жидкость, направляющаяся в горячую трубу, заставляет поток из холодной трубы двигаться в вытеснителе с ускорением. Тем самым как при ходе вверх, так и при ходе вниз достигается

	V //////>/ J

Рис. 1.39. Последовательные этапы «самозапуска» двигателя «Флюидайн».

А - начальное положение перед пуском; б - фаза расширения; в -первичное перерегули­рование: г-вторичное перерегулирование; д - фаза самовозбуждения.

Эффект реактивной с, труи. Однако реальные процессы, проте­кающие в этом гидравлическом соединении, исследованы еще недостаточно . Несмотря на это, модификация с реактив­ной струей является наиболее распространенной среди двига­телей «Флюидайн». Рабочий цикл двигателя с реактивной струей будет рассмотрен ниже.

Теперь же подробнее рассмотрим процессы, последователь­но протекающие при пуске двигателя «Флюидайн», поскольку одна из важнейших его особенностей - возможность «самоза­пуска».

Последовательность процессов при самозапуске показана на рис. 1.39. В положении предпускового равновесия уровни жидкости hu h 2 и h 3 определяются величинами статического давления в трубах. Если давление в рабочих полостях пере-
мсиного объема равно атмосферному, то все уровни одинако­вы (отметим, что уровни hi и h2 в этот момент всегда одина­ковы). При подведении тепловой энергии к правой трубе 1емпература рабочего тела возрастает, и оно расширяется. Дав - и"ние в рабочих полостях также возрастает, и из-за этого уров­ни жидкости в горячей и холодной трубах также начинают снижаться. Одновременно повышается уровень жидкости в вы­ходной трубе. Следует отметить, что все изменения уровня жид­кости весьма незначительны. Первичное расширение приводит к самозапуску устройства только по достижении критического шачения параметра Tss , зависящего от основных значений па­раметров, определяющих условия работы двигателя:

Эта формула основана на анализе явления, подробно рассмат­риваемого в разд. 1.6. Для большинства двигателей «Флюи - 1айн» Tss ~ 0,1.

По окончании фазы первичного расширения уровень жидко­сти в выходной трубе продолжает повышаться благодаря инер­ции движущейся жидкости. Уровень жидкости на горячей сто­роне продолжает падать, пока не будет достигнуто равнове­сие между жидкостью и рабочим телом. В этот момент уровень жидкости в трубе с холодной стороны выше, чем в трубе с горя­чей стороны. Это состояние, заключающееся в последователь­ности фаз, сменяющих друг друга при пуске двигателя, полу­чило название «первичное перерегулирование».

Как только под действием силы тяжести прекращается дви­жение жидкости вверх в выходной трубе, стабилизируется и ровень жидкости на горячей стороне; одновременно появляется тенденция к выравниванию уровней жидкости на горячей и хо­лодной сторонах. Следовательно, уровень жидкости в горячей трубе повышается, а в выходной понижается. Одновременно объем нагретого газа и его давление в рабочей полости умень­шаются из-за понижения температуры в этой полости, обуслов­ленного повышением уровня жидкости в горячей трубе и соответствующим уменьшением количества рабочего газа, под­вергающегося нагреву. Этим процессам способствует продолжаю - цееся движение вниз уровня жидкости в выходной трубе, вызы­вающее существенный динамический напор в гидравлическом соединении и дополнительное повышение уровня в трубе на го­рячей стороне. Действуя совместно, эти процессы вызывают возрастание уровня жидкости в трубе на горячей стороне до величины, превышающей уровни в других двух трубах. Это состояние называют вторичным перерегулированием. Оно приво­дит к дальнейшему возрастанию гравитационного потенциала между менисками.

В этот момент система находится в состоянии неустойчиво­го равновесия, и уровни жидкости начинают перемещаться в направлении к состоянию устойчивого равновесия. Уровень жид­кости на горячей стороне понижается, что позволяет большему количеству рабочего тела получать энергию от источника энер­гии. Рабочее тело расширяется, и процесс начинается вновь,

Однако теперь колебания становятся самовозбуждающимися и устойчивыми.

Рабочий цикл, описанный выше, имеет ту же физическую основу, что и цикл системы с двумя U-образными трубами.

«Флюидайн» может работать как в «мокром», так и в «су­хом» режиме. В первом случае существует контакт между вы­тесняемой жидкостью и рабочим телом. Во втором поверхности жидкости и рабочего газа разделены либо слоем «инертного» газа, либо механическим поплавком. Энергия в «Флюидайне» вырабатывается в виде колебаний жидкости в выходной трубе, и это особенно удобно для использования двигателя в качестве нагнетательного устройства. (История техники знает очень по­хожее устройство - насос Хэмфри с незамкнутым рабочим цик­лом.) Нагнетательный эффект достигается двумя основными способами, известными как прямое и косвенное нагнетание . В первом случае выходная, или резонансная, труба полностью преобразована в нагнетательную часть насоса, в то время как при косвенном нагнетании резонансная труба остается в перво­начальном виде, а нагнетательный эффект достигается с по­мощью отдельного канала, соединенного с холодной полостью (рис. 1.40, 1.41).

В случае косвенного нагнетания трудно осуществить «само - tanycK» и необходимы специальные дополнительные устройства, такие, как сливной тракт, встроенный параллельно выходной грубе и действующий как первичное нагнетающее устрой­ство .

Необходимо отметить также, что в «мокром» «Флюидайне» невозможно установить регенераторы с насадками, поскольку они не слишком эффективны в атмосфере тумана, образуемого

Парами жидкости. Отсутствием регенератора в «мокром» «Флюи - 1айне», вероятно, можно объяснить, почему такие двигатели имеют очень низкий КПД. Однако следует принять во внима­ние и то, что «мокрый» «Флюидайн» может работать только при температурах порядка 350 К (77°С) и разности температур при подводе и отводе тепла не более 25°С. При таких условиях КПД цикла Карно меньше 10 %.

15 двигателях Стирлинга, рассмотренных выше, использова­лось газообразное рабочее тело; даже в «мокром» «Флюидайне» рабочее тело в подавляющем большинстве случаев газообраз­ное. В настоящее время выдвигают предложения по использо­ванию рабочих тел с изменяющимся фазовым состоянием, на­пример таких, которые применяют в паровых машинах и па­ровых турбинах, однако пока нет сведений о том, что такие устройства успешно работают или по крайней мере разработа­ны. Английский инженер Мелоун еще в 30-е годы построил пшгатель возвратно-поступательного действия с замкнутым никлом, используя в качестве рабочего тела жидкость . Уокер предполагает, что двигатель Мелоуна в действитель­ности является двигателем Стирлинга, и единственная публи­кация Мелоуна как будто бы дает дополнительные основания

4 Зак. 839 для такого предположения. Однако более внимательный анализ и последовавшее детальное обсуждение этого вопроса в коллек­тиве исследователей, работающем в этой области под руковод­ством проф. Уитли в Калифорнийском университете (Сан-Ди­его, США), привели к выводу, что скорее всего двигатель Мелоуна работает по циклу, напоминающему цикл двигателя Стирлинга, однако имеющему существенные отличия. В то же время двигатель Мелоуна после небольшой модификации может в точности соответствовать двигателю Стирлинга. Тем не ме­нее остается невыясненным ряд вопросов относительно принци­пов работы двигателя Мелоуна даже в его первоначальном виде, поэтому мы считаем преждевременной попытку описания его рабочего цикла.

Рабочие циклы различных форм двигателя Стирлинга, пре­образующих тепловую энергию в механическую, уже нами описаны. Все эти двигатели имеют одни и те же основные принципы работы, однако есть и некоторые различия в конст руктивном воплощении, особенно там, где дело касается спо­собов использования вырабатываемой энергии. Схематические диаграммы и детальные описания, хотя и весьма полезные для облегчения понимания основных принципов, на которых осно­ваны эти двигатели, не всегда облегчают дело, когда надо определить, относится ли рассматриваемое устройство к двига­телям Стирлинга. В следующем разделе приводятся фотогра­фии и описания уже построенных двигателей Стирлинга раз­личных видов, что позволит устранить эти трудности.

Двигатель Стирлинга - это агрегат, который преобразует тепло в механическую энергию. Его можно подключить к генератору и получать электричество. Или к насосу, циркулярке, короче, к любому потребителю механической энергии. Он, в перспективе, очень хорошо подходит для стационарного автономного энергоснабжения. Почему?

1. Может работать на любом топливе. В том числе, на дровах, опилках и т.п. Может сделать Стирлинг, работающий от солнечного тепла или от разности температур воздуха и воды (хотя последний вариант я не рассматриваю всерьез, об этом будет отдельный пункт).

2. Тихая работа и большой моторесурс. Малый расход масла.

3. Простота в обслуживании (особенно, по сравнению с ближайшим аналогом - паровой машиной).

4. Относительно высокий КПД. Гораздо выше, чем у паровой машины, но ниже, чем у ДВС. На получение 1 кВт*ч электроэнергии от хорошо сделанного, мощного любительского Стирлинга будет расходоваться примерно 3-4 кг дров. Можно сравнить это со стоимостью той же энергии, полученной от бензогенератора.

5. Хотя КПД и ниже, чем у ДВС, можно использовать отходящее тепло для нагрева воды. Это повышает суммарную выгоду, извлекаемую из данного двигателя - она оказывается гораздо больше, чем у ДВС. Справедливости ради нужно сказать, что в ДВС такое использование тоже возможно, но для этого нужен дополнительный теплообменник.

На сегодня в серийном производстве по доступной цене таких двигателей нет. Я поставил перед собой задачу разработать такой двигатель, доступный для изготовления силами любителей.

О чем эта страничка

Некоторые мифы о двигателях Стирлинга

КПД двигателя Стирлинга равен КПД цикла Карно? Это не так. КПД ЦИКЛА Стирлинга равен КПД цикла Карно. Но в поршневой машине цикл Стирлинга реализовать невозможно. Тот цикл, который реализуется в двигателях Стирлинга - довольно сильно отличается от цикла Стирлинга. Кроме того, имеются неизбежные потери.

Нужен водород или гелий под страшным давлением? Нет, не нужен. Водород или гелий под большим давлением нужны для двигателя, имеющего такие же массогабаритные показатели, как автомобильный ДВС. Если снизить требования к массогабаритным показателям, то можно снизить давление и использовать другие рабочие тела. Известны случаи применения воздуха, аргона, углекислого газа и я даже слышал про пропан, хотя это вызывает сомнение.

Движущиеся части и уплотнения подвержены высокой температуре? Высокой температуре подвержена только одна движущаяся часть - верхняя часть "горячего" поршня. Поршневые кольца размещаются в холодной и охлаждаемой полости. Поэтому, условия работы уплотнений в двигателе Стирлинга гораздо легче, чем в ДВС. Тут, правда, есть не совсем еще понятная мне проблема теплоотвода от "горячего" поршня, о которой я нигде ничего не читал. Но во всяком случае, известно, что уплотнения для Стирлингов делали из фторопласта и такие уплотнения показывали хороший ресурс. Также могут работать обычные уплотнения, с чугунными поршневыми кольцами и смазкой маслом.

Смазка создает непреодолимые трудности? Нет. Нужен только подбор масла. Фирмой Phillips были выпущенными мелкими сериями двигатели серии 102C, имевшие масляную смазку. Поскольку масло с воздухом могут образовывать взрывоопасные смеси, это все же налагает определенные ограничения на давление, достигаемое внутри машины - насколько я знаю, его боятся поднимать более 6 атмосфер. В истории фирмы Филлипс был случай, когда большой двигатель Стирлинга на воздухе взорвался и убил человека. Впрочем, если внутри будет не воздух, а газ, не поддерживающий горение, например, азот, то масло вроде бы не должно взорваться (это лучше уточнить у химиков). Предпринимаются попытки использовать разные другие материалы для уплотнений поршней - фторопласт, материалы под названием "Рулон", "Витон", графит, композиции графита и стекла. При этом, картер делается сухим. Вроде бы, все это может работать достаточно долго, во всяком случае, пару тысяч часов. Также обсуждалась смазка водой и даже делалась машина с такой смазкой, но нет данных о результатах ее испытаний.

Эффективные двигатели были созданы только в XX веке? Нет. Еще братья Стирлинги создали двигатель мощностью 42 л.с. и КПД порядка 18%, работавший в кузнице (можно предположить, что каждый день по многу часов) около 3 лет. В то время не было никаких хороших сталей, никакой термодинамической науки, только опыт и интуиция. В конце XIX века серийно выпускались двигатели малой мощности (до 1 л.с.), которые не отличались высоким КПД, зато очень тихо работали, были весьма надежны, долговечны, нетребовательны к топливу и просты в обслуживании, что позволяло им держать определенную нишу на рынке вплоть до второй мировой войны.

Чего нет в книге Уолкера

Книга Уолкера была написана достаточно давно, с тех пор тема развивалась. Вот - краткий обзор того, что было достигнуто.

Двигатели с приводом Рингбома

Как известно, в двигателе Стирлинга - не менее двух подвижных поршней (либо один поршень и один вытеснитель). Это дает достаточно сложный механизм привода. Двигатели с приводом Рингбома - это двигатели (гамма или бета-типов), в которых вытеснитель приводится в действие с помощью пневмопривода. При этом, сам пневмопривод работает от перепада давления в газовом тракте машины. См. патент США №856102 Была разработана теория таких машин, которая позволила создавать хотя бы работающие прототипы. Зачастую эти прототипы делались путем переделки одноцилиндровых ДВС. Родной поршень ДВС используется как ползун, к нему добавляется шток и второй поршень, который уже является рабочим поршнем двигателя Стирлинга. А привод вытеснителя пневматический, поэтому никаких изменений в конструкцию ДВС больше не нужно. Прототипы такого рода были построены. Однако до практического внедрения, насколько я знаю, дело не дошло. Вся эта история описана в книге James R.Senft "Ringbom Stirling Engines", которую можно купить где-то в Америке. Я покупал ее с помощью пластиковой карты, кажется, она называетcя Visa Electron, и книжку мне доставляли по почте. Все это работает, так что рекомендую.

С моей точки зрения, двигатели с приводом Рингбома не настолько просты, как кажется. Их преимуществом я вижу более подходящий, чем чистые синусоиды, закон движения поршней. Особенно это важно в случае низкого перепада температур. Другое преимущество - это простота кинематического механизма, впрочем, она отчасти компенсируется дополнительными деталями, необходимыми для привода вытеснителя. Недостатком мне кажется то, что пневматически управляемый вытеснитель движется с большим ускорением - его на каждом такте выстреливает, как пробку из бутылки. Впрочем, ударные нагрузки гасятся пневматическими амортизаторами и скорее тут стоит безпокоиться не о прочности, а об уравновешивании и вибрациях. Поскольку закон движения вытеснителя, управляемого пневматически, заранее неизвестен и зависит от конкретных условий в каждый момент (от температуры нагревателя, числа оборотов, нагрузки), то нельзя предусмотреть даже никаких дополнительных балансирующих приспособлений. То есть, можно быть уверенными, что двигатель с приводом Рингбома вовсе не поддается балансировке.

Ну и вообще, тема двигателей с приводом Рингбома - это тема для изследований. При ориентации на практический результат нужно следовать уже опробованным образцам. Поэтому меня эта тема интересует не слишком сильно.

Единственное, что еще хочу отметить, что двигатели Рингбома в чем-то родственны свободно-поршневым двигателям, но они гораздо проще в плане реализации. Оказывается, свободно-поршневые двигатели исключительно сложны из-за того, что закон их движения допускает слишком много степеней свободы. Заставить их при этом работать стабильно, с учетом изменчивости нагрева, нагрузки и деградации уплотнений - задача сверхсложная. Двигатели Рингбома лишены этого недостатка - поршень у них движется за счет механизма, а пневмопривод вытеснителя в определенном режиме работает устойчиво.

Низкотемпературные двигатели

Это - двигатели, работающие на разнице температур от нескольких градусов. Такие двигатели делаются исключительно гамма-типа, у них - плоский вытеснительный цилиндр, вытеснитель с очень коротким ходом, а объем рабочего цилиндра во много раз меньше объема вытеснительного. Они обладают очень маленькой мощностью. Например, машина с вытеснительным цилиндром диаметром в 25см, с приводом Рингбома, при разнице температур в 90 градусов выдавала всего 1 ватт. Много интересных моделей такого рода придумано и реализовано Хубертом Стерховым (Hubert Stierhof), например http://www.geocities.com/hustierhof/MC_SOLAR.html

В основном, они изучаются для использования солнечной энергии. Тут нужно сделать важное замечание, что любой двигатель Стирлинга можно до определенной степени улучшить, увеличивая давление газа. Если бы этот же двигатель можно было накачать газом на 100 атмосфер, то он выдал бы уже 100 ватт. Напрямую это сделать невозможно, так как прочность материалов ограничена, а также ограничена теплопроводность поверхностей подвода и отвода тепла. Однако, это указывает некоторую перспективу для создания низкотемпературных двигателей значительной мощности. Если чуть-чуть пофантазировать на эту тему, то можно представить себе низкотемпературный двигатель сделанный с вогнутым или выпуклым дном, например, на основе баллонов от сжиженного газа. Например, 5-литровый пропановый баллон имеет диаметр порядка 25 сантиметров и его можно накачать до 10-15 атмосфер. То есть, можно себе представить, что из него получится двигатель примерно на 10 ватт при перепаде температур в 90 градусов.

Двигатели с одной движущейся деталью

Такие машины тоже были придуманы. У них есть настоящий рабочий поршень, но вытеснитель в них - "виртуальный". Во-первых, это машина "замедленного нагрева" или Thermal lag engine. В чем ее смысл? Рабочий поршень и стенки рабочего цилиндра - холодные, но из цилиндра имеется переход в горячую камеру - нагреватель. Сначала происходит сжатие воздуха рабочим поршнем, и он вытесняется в горячую камеру. Пока поршень находится в верхней мертвой точке, газ успевает нагреться и его давление увеличивается. Тогда происходит рабочий ход - газ расширяется и толкает поршень. При этом он выходит в рабочий цилиндр и охлаждается. Это охлаждение происходит за то время, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Картинку рисовать не буду и даже не просите, но есть патент США Тайлера за номером 5414997, где все написано и нарисовано, правда, по английски. Более того, в патент включено чуть ли не полное описание, как сделать машину, со всеми основными размерами, и показатели ее производительности.

Эта машина просто подкупает своей простотой. Самое приятное - то, что нет никаких особых требований к точному изготовлению горячих частей. А эти горячие части зачастую делаются из нержавейки, должны сочетать в себе точную форму, устойчивость к коррозии, высокую теплопроводность в одних местах и низкую в других, имеют сложную форму и должны держать давление. Уфф, сколько требований.

Но... на самом деле ее рабочий процесс происходит не совсем так, как хотелось бы. Нагрев и охлаждение газа происходят более интенсивно в тот момент, когда газ движется. То есть, следует ожидать, что газ начнет нагреваться уже во время фазы сжатия, а охлаждаться он начнет уже во время фазы расширения. Также, при отсутствии регенератора происходит постоянный контакт нагретого и охлажденного газа между собой, а это ведет к большим термодинамическим потерям.

Я не думаю, что от этой машины можно ожидать сколько-нибудь существенного КПД. Видимо, автор патента столкнулся с этой проблемой на практике, поэтому в патенте нарисована не только самая простая схема, но и более сложные. Работающую машину такого рода с регенератором люди тоже сделали. http://www.stirlingengines.org.uk/thermo/lamina.html Насколько я могу себе представить, там подобный процесс "замедленного нагрева" и "замедленного охлаждения" происходит не только в нагревателе и холодильнике, но и в каждой точке регенератора. Поскольку при этом температурные градиенты между газом и стенкой меньше, то и КПД такой машины должен быть больше (именно эти градиенты ведут к потерям КПД). Может быть, она может быть вообще серьезной машиной, но это нужно пробовать.

Если кто-то когда-то захочет такую машину построить, то пишите - обсудим, что можно сделать. У меня есть еще кое-какие (довольно сырые) идеи на тему того, как сделать машину подобного рода, но обезпечить сдвиг фаз другим образом. Например, используя двухцилиндровый мотоциклетный двигатель с малым фазовым углом между цилиндрами. Основная идея - что в районе верхней мертвой точки газ (уже сжатый) резко прокачивается через нагреватель, имеющий большое гидравлическое сопротивление. Этот процесс чем-то подобен процессу сгорания в ДВС, но сгорание тут внешнее. А вот как охлаждать газ в такой машине - я так до сих пор и не придумал.

Следующая машина с одной движущейся деталью - это термоакустическая машина. Она, по своей сути устроена почти так же, как и машина замедленного нагрева с регенератором, но там колебания поршня происходят со звуковой частотой, и в игру вступает фазовый сдвиг между давлением и перемещением в звуковой волне. В качестве поршня в такой машине можно использовать просто микрофон соответствующей мощности, резонансная частота которого совпадает с частотой звуковых колебаний в цилиндре.

Примеры двигателей, которые могут послужить прототипами

Источники информации здесь:

1. The Phillips Stirling Engine, C.M.Hargreaves, Elseiver, 1991

Пара слов о масштабировании

Вопросы конструирования

Гильза горячего цилиндра - нужна ли она

Альфа, бэта или гамма?

Так ли вредно вредное пространство?

Некоторые закономерности, взаимосвязи и компромиссы

Материалы нагревателя

Нагреватель - где же узкое место?

Усилитель нагревателя

Регенераторы

Уплотнение поршня, смазка, взрывоопасность

Варианты привода

Картер под давлением, без давления, или вообще без картера

Нужна ли горячая шапка на поршень и цилиндр?

Моя программа расчёта

ссылка

Ущербность метода Шмидта, адиабатной модели и расчёта по числу Била

Метод Шмидта полностью игнорирует все вопросы теплообмена. То же делает и адиабатная модель. Хотя от адиабатной модели есть минимальная польза - она хотя бы позволяет оценить один вид потерь. Расчёт по числу Била говорит о том, что можно ожидать от хорошо сделанной машины, но не даёт никаких указаний на то, как же сделать такую машину.

Сильные стороны программы Simple

Программа simple др.Уриели содержит существенные элементы расчёта теплообменников. Особенно хорошо обстоит дело с расчётом сетчатого регенератора - в неё заведены аппроксимации экспериментальных данных по продувке сеток. Так же очень важно, что посчитаны потери на трение газа в теплообменниках.

Слабые стороны программы Simple

Расчёт нагревателя и холодильника вряд ли удовлетворителен - используется метод аналогии Рейнольдса, который пригоден для развитого турбулентного течения. Числа Рейнольдса в нагревателях могут быть довольно низкими, особенно для машин низкого давления, и соответствовать переходному или ламинарному режиму

Не учитывается такой важный вид потерь, как челночные потери. Величина челночных потерь велика и они могут существенно снизить КПД

Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.

Цикл работы двигателя Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Поскольку теоретические объяснения удел ученых мужей, слушать их временами утомительно, поэтому перейдем к наглядной демонстрации работы двигателя Стерлинга.

Как работает двигатель Стирлинга
1.Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх.
2.Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3.Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
4.Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90 градусов относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 градусов машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Еще одним изобретением Стирлинга, увеличившим КПД двигателя стал регенератор, который представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой для улучшения теплоотдачи проходящего газа (на рисунке регенератор заменен ребрами радиатора охлаждения).

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %.

Достоинства двигателя Стирлинга:

1. Всеядность. Можно использовать любое топливо, главное создать разницу температур.
2. Низкая шумность. Поскольку работа построена на перепаде давления рабочей жидкости, а не на поджоге смеси, то шумность по сравнению с двигателем внутреннего сгорания существенно ниже.
3. Простота конструкции, отсюда высокий запас прочности.

Однако все эти достоинства в большинстве случаев перечеркиваются двумя большими недостатками:

1. Большие габариты. Рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массы и размеров за счёт увеличенных радиаторов.
2. Низкий КПД. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников, соответственно потери КПД велики.

С развитием двигателя внутреннего сгорания двигатель Стирлинга ушел...нет не в прошлое, а в тень. Он с успехом эксплуатируется в качестве вспомогательных силовых установок на подводных лодках, в тепловых насосах на теплоэлектростанциях, в качестве преобразователей солнечной и геотермальной энергии в электрическую, с ним связаны космические проекты по созданию силовых установок работающих на радиоизотопном топливе (радиоактивный распад происходит с выделением температуры, кто не знал).Кто знает, возможно однажды двигатель Стирлинга ждет большое будущее!

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно . Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники . К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 - График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.

Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору .

Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:

Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

Список использованных источников

М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, детальное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций, показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.

При движении вытеснителя в бета-конфигурации изменение состояния рабочего тела происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных стирлингах, ниже потери на трение, т. к. давление на поршень более равномерно. Схожая картина в альфа-стирлингах с разным диаметром поршней. Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку, равномерно распределённую между поршнями, т. е. между рабочим поршнем и штоком вытеснителя.

Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого теплообмена, кроме передачи тепла от рекуператора рабочему телу. И этот нагрев тут же совершает полезную работу При изобарном сжатии происходит отдача тепла рекуператору.
В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.

Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

• Альфа-Стирлинг - содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

• Бета-Стирлинг - цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

• Гамма-Стирлинг - тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра - один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Также существуют разновидности двигателя Стирлинга не попадающие под вышеуказанные три классических типа:

• Роторный двигатель Стирлинга - решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, т.к. двигатель роторный) .

Недостатки

• Материалоёмкость - основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела - водород, гелий.

• Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно , а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

• Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

• «Всеядность» двигателя - как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
• Простота конструкции - конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
• Увеличенный ресурс - простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
• Экономичность - в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.
• Бесшумность двигателя - стирлинг не имеет выхлопа, а значит - не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).
• Экологичность - сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Применение

Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока

Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим компактный преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Термоакустика – раздел физики о взаимном преобразовании тепловой и акустической энергии. Он образовался на стыке термодинамики и акустики. Отсюда такое название. Наука эта очень молодая. Как самостоятельная дисциплина она возникла в конце 70-х годов прошлого века, когда швейцарец Никалаус Ротт закончил работу над математическими основами линейной термоакустики. И всё же она возникла не на пустом месте. Её возникновению предществовали открытия интересных эффектов, которые мы просто обязаны рассмотреть.

С ЧЕГО ЭТО НАЧИНАЛОСЬ
Термоакустика имеет длинную историю, которая берёт своё начало более двух веков назад.

Первые официальные записи о колебаниях, порождаемых теплом, сделаны Хиггинсом в 1777 г. Он экспериментировал с открытой стеклянной трубкой, в которой акустические колебания возбуждались с помощью водородной горелки, расположенной определённым образом. Этот опыт вошёл в историю, как «поющее пламя Хиггинса».

Рисунок 1. Поющее пламя Хиггинса

Однако, современным физикам более известен другой эксперимент, получивший название «трубка Рийке». В процессе своих опытов Рийке создал новый музыкальный инструмент из органной трубки. Он заменил водородное пламя Хиггинса на подогреваемый проволочный экран и экспериментально показал, что самый сильный звук рождается в том случае, когда экран расположен на расстоянии четверти трубки от её нижнего конца. Колебания прекращались, если накрыть верхний конец трубки. Это доказывало, что для получения звука необходима продольная конвективная тяга. Работы Хиггинса и Рийке позже послужили основой для зарождения науки о горении, которая сегодня применяется везде, где используется это явление от

Рисунок 2. Трубка Рийке.

горения пороховых шашек до ракетных двигателей. Явлениям, протекающим в трубке Рийке посвящены тысячи диссертаций во всём мире, но интерес к этому устройству не ослабевает до сих пор.

В 1850 г. Сондхаусс обратился к странному явлению, которое наблюдают в своей работе стеклодувы. Когда шарообразное утолщение из горячего стекла гонит воздух в холодный конец трубки стеклодува, генерируется чистый звук. Анализируя явление, Сондхаусс обнаружил, что звук генерируется, если нагревать шарообразное утолщение на конце трубки. При этом звук изменяется с изменением длины трубки. В отличие от трубки Рийке трубка Сондхаусса не зависела от конвективной тяги.

Рисунок 3. Трубка Сондхаусса.

Похожий эксперимент позже осуществил Таконис. В отличие от Сондхаусса он не подогревал конец трубки, а охлаждал его криогенной жидкостью. Это доказывало, что для генерации звука важен не подогрев, а перепад температур.
Первый качественный анализ колебаний, вызванных теплом, был дан в 1887 г. Лордом Рэлеем. Сформулированное Рэлеем объяснение перечисленных выше явлений сегодня известно термоакустикам как принцип Рэлея. Он звучит примерно так: «Если газу передать тепло в момент наибольшего сжатия или отобрать тепло в момент наибольшего разряжения, то это стимулирует колебания. » Несмотря на свою простоту, эта формулировка полностью описывает прямой термоакустический эффект, то есть преобразование тепловой энергии в энергию звука.

Вихревой эффект

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect ) - эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. В конце 1931 г Ж.Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как труба Ранке). Получить патент удается только в 1934 году в Америке (Патент США № 1952281). В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода.

С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.

Существуют и применяются вихревые теплогенераторы и микрокондиционеры.

В этом мире есть вещи гениальные, непостижимые и совершенно нереальные. Настолько нереальные, что кажутся артефактами из некой параллельной Вселенной. К числу таких артефактов наряду с двигателем Стирлинга, вакуумной радиолампой и чёрным квадратом Малевича в полной мере относится т.н. "турбина Тесла".
Вообще говоря отличительная черта всех подобных вещей - абсолютная простота. Не упрощённость, а именно простота. То есть как в творениях Микеланджело - отсутствует всё лишнее, какие-то технические или смысловые "подпорки", чистое сознание, воплощённое "в железе" или выплеснутое на холст. И при всём при этом абсолютная нетиражность. Чёрный Квадрат - это своего рода "орт" искусства. Второго такого написанного другим художником быть не может.

Всё это в полной мере относится и к турбине Тесла. Конструктивно она представляет собой несколько (10-15) тонких дисков, укреплённых на оси турбины на небольшом расстоянии друг от друга и помещённые в кожух, напоминающий милицейский свисток.

Не стоит и объяснять, что дисковый ротор намного более технологичен и надёжен, чем даже "колесо Лаваля", я уж молчу о роторах обычных турбин. Это первое достоинство системы. Второе состоит в том, что в отличие от других типов турбин, где для ламинаризации течения рабочего тела необходимо принимать специальные меры. В турбине Тесла рабочее тело (которым может быть воздух, пар или даже жидкость) течёт строго ламинарно. Поэтому потери на газодинамическое трение в ней сведены к нулю: КПД турбины составляет 95%.

Правда следует иметь в виду, что КПД турбины и КПД термодинамического цикла - несколько разные вещи. КПД турбины можно охарактеризовать, как отношение энергии, преобразуемой в механическую энергию на валу ротора турбины к энергии рабочего цикла (то есть разнице начальной и конечной энергий рабочего тела). Так КПД современных паровых турбин так же весьма высок - 95-98%, однако КПД термодинамического цикла в силу ряда ограничений не превышает 40-50%.

Принцип действия турбины основан на том, что рабочее тело (допустим - газ), закручиваясь в кожухе, за счёт трения "увлекает" за собой ротор. При этом отдавая часть энергии ротору, газ замедляется, и благодаря возникающей при взаимодействии с ротором кориолисовой силе, подобно чаинкам в чае "скатывается" к оси ротора, где имеются специальные отверстия, через которые осуществляется отвод "отработанного" рабочего тела.
Турбина Тесла, как и турбина Лаваля преобразует кинетическую энергию рабочего тела. То есть превращение потенциальной энергии (например сжатого воздуха или перегретого пара) в кинетическую необходимо произвести до подачи на ротор турбины с помощью сопла. Однако турбина Лаваля, имея в целом достаточно высокий КПД, оказывалась крайне неэффективной на низких оборотах, что заставляло конструировать редукторы, размеры и масса которых многократно превышали размеры и массы самой турбины. Фундаментальным отличием турбины Тесла является тот факт, что она вполне эффективно работает в широком диапазоне частот вращения, что позволяет соединять её вал с генератором непосредственно. Кроме того, турбина Тесла легко поддаётся реверсированию.

Интересно, что сам Никола Тесла позиционировал своё изобретение, как способ высокоэффективного использования геотермальной энергии, которую он считал энергией будущего. Кроме того турбина без каких-либо переделок может превратиться в высокоэффективный вакуумный насос - достаточно раскрутить её вал от другой турбины или электродвигателя.

Технологичность турбины Тесла позволяет изготавливать её варианты буквально из чего угодно: дисковый ротор можно сделать из старых компакт-дисков или "блинов" от вышедшего из строя компьютерного "винчестера". При этом мощность такого двигателя не смотря на "игрушечные" материалы и габариты получается весьма внушительной. Кстати о габаритах: двигатель мощностью 110 л.с. был не больше системного блока нынешнего персонального компьютера.

Устройства на эффекте Ранка

Эффект Ранка с самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации - в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы - его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто - добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам. Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение - например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».

Суть эффекта Ранка

При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) - область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.

Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил - стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!

Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее - возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.

На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».