/
Text
.,.,.
1 .#
..... .
..
frr
..... , ь..
...........
" .. .........."
, /
I \
\
/ ,
I .\
I 11
,
I ,
I
,
1
Т .
\ \ ,
, - \
\
1I . . .
-
r
. -
.
-
.
- .
. . - I .._
\
\ \ .
- .
" I
\ I
1..
\ ,.. ,...
. I , .
...
'. "
, "
jr . '2
\
,,*1
1,
I
J
I
I
j
/
I
I
I
I
,
I
/
I
.-
,
.....J L'.
1
'-........
.....,.,.........
.
expert22 для http://rutracker.org
&
.с
ИЕ
двиrДТЕЛИ
стиРлинr д
ПОД редакцией
М. r. Круrлова
м О С К В А ,«(МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1 97 7 r..
6П2.2з
Д22
удк 621.48
А в т о р ы: В. Н. Даннличев, С. и. Ефимов, В. А. З'вонов"
М. f. Круrлов, А. f. Шувалов
Ре ц е н 3 е н т д p теХII. наук проф. А. Д. СУСJlОк.
Двиrатели Стирлинrа., Под ред. 1\1. r. Круrлпва. M
Д22 «Nlашнностроение», 1977.
150 с.
На обороте тит. л. авт.: В. Н. Даниличев, С. И. ЕФН}IОВ, В. А. 3во'-
нов И др.
Книrа знакомит читате.1Я с ПОрШН ЫМJ<I ДВиrателями. имеющими 8нешниЙ'
ПОДВОД теплоты. с двиrатслями Стнрлииrа. В ней приведены оведения ИЗ
теории рабочеrо процееса этих двиrателей, рассмотрены их кинематика. Дl1lта-
мика и характеристики. Описаны иекоrсрые коиструкции двиrателей СТИРJlНН.
I"a. а также их особенности и перспектива развития.
Книrа рассчитана на инжеиеРНО 1'ехнических работииков, звиимаЮЩIiХСИ
исследованиями и созданис,м двиrателеti с внешним подводом тепЛоты.
д 30305 150
038(01 ) 77
150 77
6"2.23
@ Издательство «l\.1la:ши'u.О( Т[JOt'IШС», 1977 r'.
ПРЕДИСЛОВИЕ
в последние rоды увеличился интерес к двиrате.llЮ Стирлинrа.
Этот двиrатель, изобретенный в 1816 r., переживает свое второе
рождение, что объ.ясняется рядом ero особенностей, которые
n COJJpt.'MeHHblX УСJ!ОВJlЯХ приобr>етаlОТ важное значение.
РИ:ЧН-Iботкnn и СU:JД811НСМ двнrатеJJСЙ Стирлинrа занимаются
ВО МJlОПIХ ("I'IHiIl8X мира. Изобрстаются все новые схемы дви
u'ателей для реНЛJlзации теРМОДlIнамнческоrо цикла Стирлин а.
Ero пытаются использовать в самых различных областях
науки и техники: создатели подводных и космических аппа
ратов. разработчики МСДИllИНСКОЙ техники, конструкторы aBTO
'мобилей будущеrо и др. Вследствие этоrо двнrатели Стирлинrа
'быстро усовершенствуются. По некоторым показатеtJТIЯМ они уже
u
достиr ли уровня современных дизелеи, но по сравнению с по
слеДIIНМИ HMelOT лучrпие показатели по токсичности II уровню
шума, MorYT работать практически с любым источником теп.
.лоты и т. д. 'lIиверсальиость двиrателя Стирлинrа в отношении
.источника теплоты в сочетании с высоким к. п. д. позволяет
рассчитывать на широкое будущее теплоnоrо двиrателя этоrо
"Типа.
Безусловно, для Toro чтобы двиrате.пь Стирлинrа завоевал
;рынок, I-IеоБХОД О10 еще MHoroe сделать. Одной из r'лавных
задач является определение рациональных областей применения
.двиrателей Стирлннrа Toro или иноrо типа. Это даст возмож
ность не только более рационально подойти к выбору KOHCTPYK
дИИ и параметров двиrателя, но и уменьшить проявление ero
недостатков. Уже первый опыт применения экспериментальных
.двиrателей Стирлинrа позволяет надеяться, что трудности, свя"
занные с их развитием, преодолимы. Необходимо объединить
u
усилия конструкторов, технолоrов и исследователеи при реше
нии ОСНОВНЫХ проблем, преIfЯТСТВУЮЩИХ широкому ИСПОЛЬЗ0ва..
нию этих ДВиrателей. К наиболее важным проблемам относят
я разработка достоверных методов расчета рабочеrо процесса,
-выбор рациоиальных источников теплоты, рабочеrо тела и пара..
:3
метров КОНСТРУКЦИИ двиrателя D зависимости от области ero
применения, создание належных и достаточно простых систем
реrу..ТIирования, разработка и внедрение передовых технолоrиче-
'"
ских методов изrотовления ero детален, дешевых и надежных
u
ма терИао!lОВ, совершенных и долrовечных уплотнении, BЫCOKO
эффективных и ма.1Iоrабаритных теплообменных аппаратов. Pe
Iпение этих и друrих проблем зависит от назначения двиrателя
Опыт создания, доводки, исследований и эксплуатации двиrа
телеи СТИрЛИНrа, который накоплен к настоящему времени
требует обобщения, что ускорит созлание лвиrателей, rодных
для эксплуатации.
Авторы данной кннrи не ставили своей целью. дать исчерпы
вающие материалы НО двиrателям Стирлинrа. ОНИ попытались
раскрыть особенности двиrателя и показать ero потенциальные
возможности, а также привлечь к Двиrателю Стирлинrа вни
мание научно технических KpyroB в нашей страие, чтобы опре.,.
делить ero место в иародНОМ хозяйстве как источника эиерrии
позволяющеrо расширить и улучшить топливный ба.нанс страны"
уменьшить отрицательное воздействие иа окружающую ср.еду.
Все замечания и пожелания читателей авторы примут с бла
rодарностью и учтут в своей дальнейшей работе,
ПРИНЦИП РАБОТЫ
И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ
двиrДТЕЛЯ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИй ци.кп
ДвНrатель Стирлинrа является тепловым rазовым двиrателем
поршневоrо типа с внешним подводом теплоты. ОН работает
по замкнутому циклу. Процессы, протекающие в рабочих поло..
стях двиrатеJlR, леrче понять, если сравнить рабочий процесс
двиrатеJlR Стирпинrа с рабочим процессом поршневоrо Двиrа..
теля внутреинеrо сrорания. С этой целью рассмотрим термо..
.,
динамнческие циклы двиrателеи sнутреинеrо сrорапия и дви.
rателя Стирлинrа.
Для термодинамнческоrо цикла двиrателей BHYTpeHHero cro"
рания (рис. 1) характерно следующее: сжимается холодное
рабочее тело; в конце процесса сжатия и в начале расширения
. "
к рабочему телу подводится теплота Q 1 при V::::::: const и Q 1 при
Р == const; расширяется рабочее тело, HarpeToe до высокой тем
пературы; в конце процесса расширении отводится некоторое
количество теплоты (для возвращения рабочеrо Te tJa в исходное
состоянне, соответствующее параметрам точки а).
При указанных выше условиях осуществления ЦИК 1а работа
расширения Lp больше работы сжатия L сж . Получаемая в цикле
полезиая работа Lt эквивалентна площади диаrраммы acz/zba:
Lt == Lp L сж .
(1)
Принципиально в любом тепловом двиrателе для получения
полезной работы необходнмо сжимать холодное рабочее тело
и расширять ero ПОС.,1е Harpesa. Различие в циклах тепловых
дВиrателей наблюдается лишь в осушествлении отдельных ПРО"
цессов.
В основе работы двиrателя Стирлинrа лежит термодинами
ческий цикл, показанный на рис. 2. Этот цикл состоит из сле
"
дующих процессов: сжатие по изотерме ас с отводом теПЛ9ТЫ Q2;
.
подвод теплоты Ql при V сопst; расширение по изотерме zb
" ,
с подводом теплоты QI ; отвод теплоты Q 2 при V::::::: сопst.
!)
р ./'
z' р
z
а,' ,{
с
с
Ь fJ
a2. I
O2
а
а
V c Vh V У С Vh
V a V
Уа'
Рвс. 1. Термодинамнческий ЦНКJI
ABBraTeJlR BHyтpeHHero сroрания СО
смешанным ПОДВОДОМ теплоты
РИс. 2. Термодинамический Цнкл
II.виrатеЛJl Стнрлинrа
Изотермическое сж'атие происходит при низкой темпера.
"
туре Т 2 и сопровождается, отводом теплоты Q2 (ДЛЯ обеспече
ния ИЗ0термичностн процесса). Изотермическое расширение при
"
высокой темпер атуре Т 1 происходит С ПОДВОДО}1 теплоты Q 1
(для обеспечения изотеР:\1ИЧНОСТИ процесса). Так как в про
цессе Ьа рабочее тело охлаждается от температуры Т 1 дО тем..
пера туры Т 2 , а в процессе подвода теплоты cz наrревается
,
от Т 2 ДО Т 1, количество теплоты Q 2 принципиально может быть
реrенерировано, т. е. сообщено рабочему телу в процессе cz
ero HarpeBa. Реrенерация теплоты является отличительной oco
бенностью цикла Стирлинrа.
Полезная работа цикла Стирлинrа также представляет собой
разность работ: работы, полученной в процессе расширения, и
работы, затрачениой в процессе сжатия; эта разность эквива
лентна площади aczba.
Двиrат"ель Стирлинrа работает по замкнутому циклу, поэтому
ero термодинамический цикл более точно отражает сущность
рабочеrо цикла двиrателя, чем термодинамическнй цнкл двиrа..
теля BHYTpeHHero сrорания ero работу.
ПР,ИНЦИЛ РАБОТЫ дви-r А ТЕЛЯ
Принuип работы двиrателя Стирлинrа леrче понять, если ero
сравнить с принципом работы двиrателя внутрениеrо сrорання.
В двиrателях BHYTpeHHero сrорания определенное количество
свежеrо заряда (воздух в дизелях, смесь топливо воздух в
карбюраторных двиrателях) сжимается поршнем в цилиндре.
В дизелях в конце процесса сжатия в цилиндр впрыскивается
топливо, и смесь топлива с воздухом самовоспламеняется; в
карбюраторных двиrателях в Конце процесса сжатия смесь топ
u
пива с воздухом принудительно воспламеняется от электричеСКОII
6
с Сl?пst
l
Р
w
t1
11
С
1
l':
<'-,::::-
СО/,)
;r
р
р
о;
v
v
о
(
(z
а;' v
...
' I
.. I
I
9, t=
........
I
L... ..J
. .
(J"
16)
"""
а
а
а,
I
"
.
"
r "'""I
I
. .
L.. ........J
а)
1)
z
р
,
i
.....
"
a
Рис. 8. С..... осу..."."".и.
термоди.ам.,ееКDrо ........ С,.мр-
пииrа в порmне80М р,виrатеJlе
искры. Во время сrорания тем пе"
ратура и давление в цилиндре
резко возрастают. Процесс рас..
u
ширения, следующии за сrоранием.
происходит при более высоких дав-
лении и температуре, чем процесс
сжатия. Избыточная работа llИК"
ла равна разности работ: получен
..
нои в процессе расширения и за
траченной в процессе сжа'тия.
Этот же ПРИНllИП сжатия опре..
деленноrо количества рабочеrо те..
..
ла при низкои температуре и рас..
ширеиия ero пр и более высокой
температуре .Jlежит восиове раба-
чеrо процесса двиrателя Стирлин..
ra. Однако в ДВИrателе Стирлинrа теплота подводится к раба..
..
чему телу извне, в простеишем случае через стенку цилиидра.
Для 'Объяснения прииципа работы двиrателя Стирлинrа
воспользуемся рис. З. Пр им ем, что в цикле участвует 1 Kr
рабочеrо тела и утечки отсутствуют. Процесс сжатия (рис. 3, а)
на чинается в момент, коrда объем цилиндра V а;;;:;:;; V та.х, давление
в нем равно атмосферному (Ра;;;:;:;;РО), а температура Та==Т2.
'/
Выделяю щаяся в процессе сжатия теплота Q2 рассеивается
.. '
в окружающем среде, J3Сcllедствие этоrо температура стенки, а
следовательно, и температура рабочеrо тела поддерживается
постоянной и равной Та. Таким образом, в конце процесса сжа..
тия (точка с) температура Тс==Та, объем Vc<V a , давление
Ре> Ра и работа. затраченная в процессе изотермическоrо сжа..
с
v
а
I
2
...
...
.)
7
u ..
тия, пропорциональна площади, оrраниченнои кривом ас, COOT
ветствующпми ординатами и осью абсцисс.
В процессе наrревания (рис. 3, б) теплота через стенку
цилиндра передается рабочему телу. При MrHoBeHHoM подводе
.
теплоты Q 1 К р,абочему телу давление и температура в цилиндре
возрастают. Объем цилиндра при этом принимается постоян
иым: Vе==сопst. Таким образом, в конце процесса подвода теп
лоты в точке z температура Tz== Т., давление pz> Ре и объем
V z == Vc.
в процессе расширения рабочеrо тела (рис. 3, в) ero темпе
ратура поддерживается постоянной (T z == const) за счет иепре
"
pblBHoro подвода к нему теплоты Q J. Объем, занимаемый рабо
чим телом, в процессе расширения увеличивается, а давление
в цилиндре умеиьшается, при этом совершается полезная pa
бота. Таким образом, в конце процесса расширения в точке Ь
температура Tь Tz, объем Vb> V z , даВ.llение Pb<Pz. Работа,
произведенная в проuессе изо.термическоrо расширения, про
порциональна площади, оrраниченной кривой zb, соотвеl'СТВУЮ
щими ординатами и осью абсцисс.
. ,
в процессе охлаждения (рис. 3, (;) теплота Q2 MrHoBeHHo
отводится от рабочеrо тела через стенку цилиндра. При этом
давление в цилиндре падает. Теоретически температура изме
няется при охлаждении скачком от Т ь т z до Т а. а объем
остается постоянным: Vb == V a == const. Тоrда в конце Процесса
охлаждения в точке а температура Та, давление Ра<РЬ н объем
V a == V b == V шах . Таким образом, рабочее тело вериулось в исход
ное состояние.
Полезная работа, произведенная в цикле, Пропорциональна
П..tJощади aczba. При таком способе реализации цикла Стир
..
линrа, она мала и К. п. д. двиrателя низкии, так как повторное
наrревание и охлаждение рабочеrо тела сопровождаются зна
чительными потерями теп.лоты.
Полезная работа за цикл может быть увеличена путем повы
шения начальноrо давления цикла Ра. При этом, чтобы избежать
большоrо одностороннеrо силовоrо воздействия на поршень и
уменьшить работу, затрачиваемую на сжатие рабочеrо тела,
необходимо также увеличить давление пол поршнем. Это
давление может быть поддержано примерно постоянным и
равным начальному даВ.Jlению заполнения в системе путем BBe
дения закрытоrо буферноrо пространства.
К п. д. двиrателя можно увеличить, если видоизменить KOH
струкцию так, чтобы температура стенки цилиндра не изменя
лась с изменением температуры рабочеrо тела.
Роберт Сти.рлинr решил эту проблему, введя в цилиндр еще
..
один поршень, называемым вытеснительным. и разделив между
nоршнями функции перемещения рабочеrо тела, ero сжатия н
расширения (рис. 4). В этом случае назначение вытеснительноrо
8
,
р
l
р
't
а
ь
н
'''а
Lf ;
с
с
а
v
v
v
о
1
2
а)
..
5)
б)
,
\
,
,
поршня перемещать рабочее тело из
v
одиоrо конца цилиндра в друrои через
внешние каналы, причем на это затра
чнвается очень иебольшая работа, так
как давленне с обеих сторон вытесни
теЛЬНоrо поршня практически одинако
вос. Кроме Toro, в реальном двиrатеoJlе
...
вытсспительныи поршень выполняет еще
и функцию тепловоrо барьера между
u u
rорячеи и холоднои полостями цилиндра.
Вследствие этоrо rоловка цилиндра Ha
t>
ходится под воздеиствием постоянно BЫ
Рис. 4. Схема рабо'lЫ Д8И ., u
rатепя СТНрЛИнrа сокои температуры, а противоположныи
..
конец цилиндра под воздеиствием по
станина низкой температуры. Таким образом, полный цикл Teo
ретИчески можно осуществить без потерь теплоты на HarpeBa
ние и охлаждение стенок цилиндра, обладаЮЩIIХ определенной
теплоем костью.
В этой модифиuирова ннол конструкции холодное рабочее
TeJIO сжимается рабочим поршнем 2, движущимся влево
(рис. 4, а), авытеСнительный поршень 1 в это время остается
неподвижным. Затем вытеснительный поршень при неподвиЖ
ном рабочем поршне начинает двиrаться вправо, переталкивая
rаз в rорячую полость над вытеснительным поршнем через
наrреватель н (рис. 4,6). При расширении HarpeToro rаза рабо
u ..
чии и вытеснительныи поршни движутся вместе вправо
(рис. 4, в), причем работу совершает только рабочий поршень,
так как давление rаза с обеих сторон вытеснительноrо поршня
приблизительно одинаково. Коrда вытеСНI-lтельный поршень npIJ
неподвижном рабочем поршне возвращается влево, перемещая
rаз в холодную полость под вытеснительным поршнем через
охладитель о, происходит отдача теплоты холодному источнику
(рис. 4,2). Однако и в этой модифицированной конструкции
происходит излишняя потеря теплоты при перетекании рабочеrо
..
тела из rорячеи полости в холодную.
р
'J
!J
с
Q
у
2)
9
К. П. д. ДБиrателя можно существенно увеличить, еСJ1И .пикви
дировать указаиную потерю теплоты. Это достиrается ПрIl 1ене..
нием в двиrатеJIе Стирлинrа pereHepaTopa р, который ветраи..
Бают между наrревателем и охладите.пем. PereHepaTop накапли..
вает теплоту, отнимая ее от HarpeToro рабочеrо тела при течении
последнеrо в холодную ПОЛОСть и возвращая ее при обратном
ero течении.
Двиrатепь может иметь буфериую полость 3 и уплотнение 4,
отделяющее буферную полость от внешней среды.
АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕскоrо ЦИКЛА
Основными показателями термодина ическоrо цикла являются
..
термическии к. п. д. У)е И среднее давление pt цИКЛа.
Рассмотрим термодинамический цикл Стирлинrа с пропзволь"
ным КОличеством рабочеrо тела а.
ТеР!\1ический к. п. д. любоrо цик.па
'YIt == (Ql r: 2 )/Ql == 1 (Gq2)/(Gql) == 1 (q2/ql),
(2)
[де QJ и ql соответственно КОличество теплоты и удельная
теплота, сообщаемые рабочему телу; Q2 и q2 соответственно
количество теплоты и уде,аьиая теплота, отводимые от рабочеrо
.
тела.
В цикле СТИР"lИПI"а может быть теоретически реrснериро.
вано КОЛичество теплоты Q; или Q'2 (при наличии идеальноrо
pereHepaTopa). Примем, что реrенерация теплоты в цикле OT
сутствует. Т оrда
ql:=: Q; + q; == Cv (Т 1 Т 2 .) + ART ]n (Vb/v'z);
q2 q; + q; == Cl' (Т 1 Т 2 ) + АRТ 2 1п (Va/V c ) ,
, ,
rде ql и q2 уде,,'1ьная теплота, соответственно сообщаемая ра..
бочему телу и отводимая от Hero при постоянном объеме,
" il
ккал/кr; q 1 И q2"""""'" то Же, но при постоянной температуре s
ккал/кr; Су удельная теплоемкость rаза при постоянном
объеме, ккал/ (к[. о С); TI И Т 2 те:мпература соответственно
холодноrо и rорячеrо источников тепдоты, К; А термический
эквивалент механической работы, ккал/(кrс. м); R rазовая
постоянная рабочеrо тела, ккалj (Kr. о С) .
Подставив значения Ql и Q2 В уравненне (2) и учтя, что
V.)V r == V1Jt!z:::::::P, степени сжатия,' С р cv===AR п cp/cv k
покззате.JIИ адиабаты, после неСЛО)I(НЫХ преобразований по
лучим
'1'1 [1 (k 1) In е]
11е == 1 ,
'(1 {l + (k + 1) ln е] 1
"(3)
АО
I 'Н' 1-1 Т 1 /Т 2 степень повышения температуры в термодина
м IJlI('(.' ЮJМ Цикле Стирдинrа.
Например, при Т 1 ==973 К; Т 2 ==333 К; е== 1,5 и k== 1,6 термиче
('I{ИЙ к. п. д. uикла без реrенерации составляет Bcero 0,178, Т. е.
...
очень низким.
Для повышения теР 1ическоrо к. п. д. цикла применяется pe
, .
('енератор. Полную реrенерацию теплоты в количестве Q2 (Q2),
отводимой в процессе Ьа (см. рис. 2), практически осуществить
невозможно. Поэтому введем понятие к. п. д. pe-rенератора
1')р === qц/q;J
(4)
rде Q2p удельная теплота. передаваемая рабочему телу в pe
reHepaTopc.
Для ЛJобой степени реrенерации (к. п. д. pereHepaTopa) Tep
мическнй к. п. д. ЦИК..тIа Стирлинrа
.
...... ) (1 Чр) q; q;
1') t ...... , "
(1 '1р) qJ +- qJ
1 '1'1 (1 IIp) [(1 IIp) (k 1) 1п е}
,
Тl [(1 rJp) + (k 1) In в] (1 IIp)
(5)
('де 'У)р к. п. н. pereHepaTopa.
Если принять, что к. п. д. ретенератора 11р:::::: 1, ТО
1')! === 1 1/Т1'
(6)
Таким образом, при полной реrенерацин теплоты q2 терми
ческий к. п. д. цикла Стирлинrа равен к. п. Д. цикла Карно.
I< этому заключениЮ л-еrко прийти также, рассматривая цикл
Стнрлинrа при полной реr'енерации. Если 1'}р=: 1, то ВСoilедствие
. ,
равеиства количеств теплоты Q 1 и: Q2 теплота в цикле будет
подводиться 11 отводиться только по изотермам, как и в цикле
Карно. При У}р== 1, Т, ::::::973 К и Т 2 ===333 К термический к. п. д.
цикла Стирлинrа Y}t === 0,658, т. е. примерно в 3,7 раза больше,
чем К. п. д. цикла без реrенерации. Это показывает важность
применения реrенерации в двиrателе Стирлинrа.
Среднее давление термодинамическоrо цикла
Ре == Lt/ V 12'
(7)
тде V'i V a V c рабочий объем цилиндра.
читывая, что процессы расширения и сжатия являются изо
термнчески:ми, запишем
Lt == Lp L еж == GR(T 1 .......... Т 2 ) lп е.
rД
G == (P a V a )/(RT 2 ).
(8)
(9)
11
ТZt
{Jt,l<eC/CM 2 РИс. 5. влияние К. п. д. pel'eHepaTopa IIp и
температуры I'ОрRчеro источника теплоты Т I
на величины 'l1 t н р t теРМОдннамическоl'О
цикла СТЯРЛИИJ'а
'+
Тоrда, Принимая во внимание
выражения (8) и (9) II заменяя
Va/Vh==E/(E 1), получаем
Е
Pt === Ра (1:1 ]) lп €.
E l
Из уравнения ( 1 О) ВИДно,
что среднее давление термодина
МичеСКоrо uикла Стир.пинrа за
висит от давления рабочеrо Te
ла в ЦИЛИндре двиrателя в наЧа
Де сжатия Ра, от степени сжа
тия Е, от отношения темпера
1500 Т;,К тур rорячеrо и ХО.J10дноrо источ
ников Tl.
Зависимость давления pt от температуры Т 1 при Ра==::.1 KI"C!CM 2
изображена На рис. 5. Для увеличения Pt необходимо повышать I
давление рабочеrо тела в начале сжатия, степень сжатия и TeM
пературу rорячеro источника.
В общем случае на показатели термодинамическоrо ци1<ла
Стирлинrа влияют температуры rорячеrо Т 1 и холодноrо Т 2
ист()чников, К. п. д. pereHepaTopa 11]}, степень сжатия 8, физиче
ские свойства рабочеrо тела (через показатель адиабаты), а
также п аличие «вредноrо» пространства, включающеrо объемы
u
соединительных каналов и rазовых полостеи наrревателя, pere
нератора и охладите.тIЯ.
Рассмотрим изменение показателей цикла без учет'а «Bpeд
ното» пространства.
Зависимость термическоrо К. п. д. 'Y)t цикла Стирлипrа, опре
деленноrо по формуле (5), от температуры Т 1 рабочеrо тела
при Т 2 == 333 К; Е::::::: 1,5; k == 1,6 И при раз.J1Н чных значениях к. п. Д.
pereHepaTopa ПОI<азана на рис. 5. Как указывалось ВЫШе, к. п. д.
'Y)t увеличивается с ростом к. п. д. pereHepaTopa YJp.
В табл. 1 привсдено относительное изменение термическоrо
к. П. д. цикла Стирлинrа YJt/'Y)o (rде 1l() относительный к. п. Д.
'двиrателя) в зависимости от температуры холодноrо ист()ч
ника Т 2 , к. п. д. per'eHepaTopa 'У)р, ст'епени сжатия в и физичеСКJlХ
свойств рабочеrо теЛа. В качестве исходных к. п. д. приняты
термические к. п. д. цикла при k== 1,6; Т 2 ==333 К; Е::::::: 1.5 и оди
наковых с сопоставляемым циклом к. п. д. pereHepaTopa и TeM
пера турой rорячеrо источника T1. При уменьшении температуры
холодноrо источника Т 2 от 333 до 293 К термический к. п. д.
'Цикла повышается тем значительнее) чеМ выше к. п. д. pereHe
ратара и ниже температура Т}. Со снижением степени сжатия Е
,
'12
2
0,6
о
(10)
0,75
о,ч
0,2
0)5
1р О
о
700
1100
от 1,5 до 1,3 уменьшается терми
ческий К. п. д. цикла наиболее
сильно при малых к. п. д. pereHepa
Тора и высоких температурах ro
рячеrо источника.
Умеиьшение показателя адиа
беты качественно влияет на' Tep
мнческий К. п. Д. цикла Стирлин
1'8 таким же образом, кан и сниже
.rис степени сжатия.
В заключение анализа цикла Стирлинrа сравним ero с цик
JlОМ Карио. При осуществлении циклов в одинаковом интервале
температур. при одинаковом начальном состоянии рабочеrо тела
(1 '10'" ". рис. 6) и равенстве работ цикл Ка рно (acz'Zb" а)
...-И IIMIt.. lиачитеJ1ЫI() БОJн'е высокую степень сжатия.
д.IС'lи"п.ИD, ЦJIКЛ Клрп о ПрJJ ' ТlJX У(, l()I-НJЯХ xapaKTcpH
.yr-Т'еR СТ('П@IIЬЮ СЖ8тrlЯ
а:
;,
ь
ь' ,
o
а' ·
а
I .. 11 (',\('1\1101 термодинамических циклов:
." il't! \L1I1\,:t Стирлинrа без учета -,:вредноrо»
1111." 11 '11111'nHI : а' с' zl ы а' ЦИКЛ Стирп инrа с уче Р
11111' . "рсдн oro» nРОСТрю (стnа; acz ll Ь J' а цикл
J( "1'11IJ
! 4
VI)
v
V o
-
"'1 V а/ У ;t" "": (V a/ V с) (V с/ V 2") ::.;-: Е8а д
rA(1 I-:I1Jl' степень сжатия в адиабатном процессе cz".
J'Jрп повышении температуры рабочеrо тела Т 2 от 333 до
973 I< 11 k== 1,4 степень адиабатическоrо сжатия
'1. ,.1/(1c 1) 14,45.
'. Вли.ине К. П. д. pereиератора ца к. п. д. тер\!одинамиqескоrо цикда СТНрЛИJirа
TI t 1'110
Т2' l( е k Т 1 . К I
't 1 p 1 . О IIp:=::: О , 9 11 ==0,75 fJ]J O' 5 YI c:' О
j Р I р
,
700 1,108 1 .088 1,068 1 ,049 1,032
293 1 ,5 1 ,6 1100 I ,052 I ,04 1 ,030 1 ,021 1.013
1500 1 .034 1 ,026 1,02 1 ,013 1,007
,
333 1.3
700 1 , О
1 .6 11 00 1 , О
1500 1 , О
О,912
0,892
0,883
0,840
0,814
0,805
0,78
0.757
0,748
0.728
0.712
0.706
3..13
I .5
I
1 3
.
700 I ,0 0,85 0,74 0,658 0,590
1100 ) . о 0,818 0,721 0,629 0,582
1500 t ,О 0,805 0.692 0,619 0,567
13
Такое увелнченне степени сжатия приводит к повышению
максимальноrо давления в цикле Карно по сравнению с .циклом
Стирлинrа. /
Возможность получения BblCOKoro термическоrо К. и. д. цикла
Стирлииrа при малом значении степени сжатия облеrчает за
дачу создания таКИХ двиrателей, так как в реальн двиrателях
Стирлинrа объем камеры сжатия весьма значителен по той
причине, что он включает в себя также объемы соединительных
каналов и свободные объемы pereHepaTopa, наrревателя и охла
дителя. Поэтому в двиrателе Стирлинrа невозможно обеспечить
высокую степень сжатия.
РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКOfО ци.КЛА стирлинrА
8 ПОРШНЕ80М двиrАТЕЛЕ
Для практичеСКQrо осуществления цикла Стирлинrа в двиrа..
теле, имеющем замкнутое рабочее пространство, необходимы
циклическое изменение объема рабочеrо пространства, Подвод
теплоты к рабочему телу, отвод теплоты от иеrо и реrенерация
u
некоторои части теплоты.
Рассмотрим условия осуществления термодннамическоrо
цикла Стир..lинrа на примере двиrателя с рабочим и вытесни
тельным поршнями в одном цилиндре (рис. 7). Такой выбор
объясняется ШИрОКИ\1 распространением данной схе\IЫ !3 BЫ .
поднеlIНЫХ к настоящему времени двиrатслях Стирлинrа.
В nроцессе перекачки рабочеrо тела в rорячую полость \lр
ему IЗ pereHepaTope 3 и наrревателе 4 сообщается теплота, а
в процессе перекачки рабочеrо тела в холодную полость V х от
Hero отводится теплота в pereHepaTope 3 и охладителе 2. Для
осуществления этих процессов движение вытеснительноrо порт..
ня 5 сдвинуто по фазе по отношению к движению рабочеrо
поршня 1.
В процессе изотермичеСКОI'О сжатия аС t (рис. 8) от рабочеrо
тела отводится теПoil0та. Поэтому вытеснительиый поршень дол -
жен находиться в в. м.т., объем rорячей полости может БЫТh
4
V z
а
с
z
ь
Рис. 1. Схе.мы ра.спопоже.ниS1
поршней дпя характерных
моментов цик а стнрлннrа:.
a начало процесса сжатия
с начало процесса ПОДво
да теплоты при ПОСТОЯННОl;{
объеме; z начало процесса
расширения; " начало про,
цесса отвода теплоты прu.
постоянном вбъеме
V x
,
14
-4:)
:t:
Q.::
,
"'..
с::: 8./'1 Т.
.,
f
1
I
I
I
I
I
I
':::S
.......
!:::
r с:::
......
'
::J-
..... "",,">-С
t:::J
"c::l
.нм. Т. 'ь
.а
с
z
ff.M. Т.
Ь :
'Рис. 8. Схема нзм еneJl1ll8" o6-ъewo. V r в V х при осуществлеиии термо-
инамическоro цикла Стирлииrа
.
минимальным (Vrmin), а основное количество рабочеrо тела
располаrаться в холодной полости, r де от Hero отводится в
охл адителе теплота.
В пропессе подвода теплоты по изохоре cz рабочий поршень
находится в в. М. т. Вытеснительный поршень перемещается
вниз, у еличнвая объем I'орячей полости, в которую через pere
нератор и HarpeBaTeJ1b поступает HarpeToe рабочее тело. Проис
ходит подвод теплоты к рабочему телу. В момент на lIала
раСIlJирения (точка z) холодная ПО.Jlость имеет минимальный
объем V Xm1n . Затем оба поршня в процессе расширения zb
перемещаются вместе до н. м. т. Объем ХО.i10ДНОЙ полоСти '1:ини
Ma.:leH (величина ero определяется минимально возможным в
проuессе эксплуатации зазором YIежду поршнями), а объем ro
рячей полости увеличивается. Количество HarpeToro рабочеrо
тела возрастает. Происходит подвод теплоты, т. е. обеспечи
вается изотермическое расширение.
В проuессе отвода теплоты по изохоре Ьа рабочиЙ ПОРlпень
'"
находится в н. м. т., а вытесните.пЬНЫI1 перемещается в в. М. Т.,
перекачивая рабочее тело из 'rорячей полости в холодную, rдс
от иеro отводится теплота.
Таким образом, д..1J:Я осуществления теРМОДIlнамнческоrо
ЦИкла СТИРJlинrа движение поршней должно быть прерывистым.
Кроме ТОТО, вытеснительный поршень при движении должен
опережать по фазе рабочий поршень, чтобы, ПрОIfЗВОДЯ пере..
качку рабочеrо тела в соответствующие пол сти, обеспечить в
необходимый момент цикла подвод или отвод теплоты.
Необходимо отметить, что в ДВИrате,!Jе Стирлинrа часть рабо
чсrо тела находится в неизменяе:-'1:ЫХ объе l!ах наrревателя V п ,
охладите.r:IЯ V o , реrеиератора V p и соединительных KaHa..тroB. !!o
этому при температуре рабочеrо т-ел2. в rорячей полости и в Ha
15
l'ревателе, равной Т" средняя температура рабочеrо тела в
замкнутом объеме дпиrателя в процессе расширения будет
ниже т 1. При температуре рабочеrо тела в объеме охладителя
и холодной полости, равной Т 2 , средняя температура рабочеrо
тела в процессе сжатия будет выше Т 2 .
Прн выволе уравнений для термическоrо к. п. Д. (5) и сред..
нето давления (1 О) предполаrалось, что весь rаз, находящиися
в объеме V z , имеет температуру Т 1 , а в объеме V a темпера
туру Т 2 , объем «вредното» пространства равен иулю. Однако.
на.пичие большоrо «вредноrо» пространства прнводит к сущест
венному изменению значений максимальной Т ffitLX иминималь..
ной т m'in температур рабочеrо тела и к уменьшению работы
цикла. Влияние «вредноrо» пространства может быть учтено,
если в уравнение для определения Pt вместо температур Т 1 И Т z
подставить значения Т тах И т min, определенные с учетом «Bpeд
Horo» пространства двиrателя.
Температуры рабочеrо тела в характерные моменты ЦИКЛtf
Стирлинrа с учетом «преДНОI'О» пространства можно опреде
лить с помощью уравнения материал.ьноrо ба.панса. В любоЙ
10MeHT ЦНI\ла общее количество рабочеrо тела в двиrателе.
G == а(} + а х + Он + G r j О р ,
(11,
[де 00, а х _ а н , а т И О р масса рабочеrо тела cootbetc'r-венно
U D
В охладителе, холоднои полости, наrревателе, rорячеи полости и
pereHepa торе.
Используя для каждой полости уравнения состояния р V ==
GRT 11 принимая. что давление рабочеl'О тела во всех полостях
в данный MO 1eHT цикла одинаковое, из уравнения (11) подучаем
V/T :=': V x lT2 + V r /Tl + V O /T2 + Vp/T p V.r! T 1't
rдс V суммарный объем всех ПО.постей двиrателя; Тр темпе
ратура рабочеrо тела в ретенераторе.
Отсюда для любоrо момента цикла средняя температура
рабочеrо тела в ДВИI'ателе Стирлинrа
т == rf{r x /T2 + rr!T} + 'О/Т2 + (р/Тр + rи/Т l ),
(12)
[де ( V/V rmax относитеoJ1.ЬНЫЙ суммарный объем всех полостей
двиrате.пя; ( х , rr, ro, rp и r п относительные объемы COOTBeT
ственно холодной и rорячей полостей, охладителя, pereHepaTopa
IJ наrрепателя.
Термодинамическому пиклу Стирлинrа соответствует преры
вистое движение ПОрlI.Iней. Сохраним ero таковым и при учст
влияния «вредноrо» пространства (рис. 9).
Основными парамстраМИ t которые определяют соотноtиени
объемов различных полостей, являются "х тах, относительныи
1.
l I 11
х л )(
)( х
Х )(
х
)( х
}I;
)()(
! r--.. "1-... I \ I ! : I
х ? " .. 11,;::
)( )( .., '''', I " :,( 'х \
)( х:х'" l\ Х Х )( 1'.., " ? х ,
х )()/'v Х х ) """ "'1' I L Ч 11' ..... :
х х)('Х хх l' ......
х )/ Х х: х ?- х -?х х х >.), ,...... 1}(. }<. ,
ххх "... Хх.;?'\Ь
х ХхХ ху'" :Х)( )( XJ
Х Х Х ,)( Х Х Х
Х fxXZxYx «<z х х
Nx/'h '
, )( )(х )( -'
УХ хх -'
хх. 2\. -'
...... X у-,
-"1
-'
;:ii
.
!
,
:-I:::
""
"'"
а
\ ..
........
"С.
::..:
с
z
ь
о.
.
Рис. 9. Схема иsмене8ИJl объема V r и V х в ДRиrатеJlе Стнрлинrа
при r x m;a x J
объем «вредноrо» пространства r B и относительныЙ', рабьчий;'
объем 'л [18, 39, 55]. Объем «вредноrо» пространства
V В === V:p '+ Jt7 о + V н r V r m in 1 V х m in,
rде V rm ln Н V x mlIl МtiНИ!\1альпыс объемы, которые можно при
пять равными пулю.
При выводе уравнения среднеЙ температуры рабочеrо те.,lа,
принимаем rхmшх== 1 и '13== 1, что достаточно хорошо COOTBeT
ствует двиrателю Стирлинrа с рабочим ивытеснительным:
поршнями в одном цилиндре [18] (в действительности их вели..
чинЫ изменяются: rxmarx::::::O,4 7 1,6 !-:1 , 8 ::::::О,5 7 1,5). Тоrда при
V р :::::::о r рв t/ Н == r Р V r щах, V н == 'ЕВ '\;r в == r 11 V r тах, \/ () ::::::: r 1) в ,т в == r о V.r тах П o
лучасм
V в =:= (, рВ + r ив + roo) VI' шах == r BVr шах'
rде rрв+rИR+rов==r в ; rpB, rИВ и 'О В относительные «вредиые
объемы Соответственно pereHepaTopa, наrревателя и ох.пади":>
теля.
С учетом принятых обозначений и допущений уравнение (12)
принимает вид
Т==
r
,
rx/Ta + 'r/Tl + А' ..
rxl T 2 + rrjT. + (rpB/T р + rив/Т! t топ/Т'}.)
rде А' ==rpB/T p +rIlB/T 1 +roB/T 2 .
Полный объем рабочей ПОЛОСти двиrателя
V == V r max (r1>8 + r IIB + rf)JII) + V): r У.. == rQ.Vr.ma.x V x + V r .
Окончательное уравнение для средней температуры рабочеr"о
тела в любой момент цикла. 32.ПИЦl ется в. С.[Iедующем виде:
т === 'I! +"х + т,.
, 1t/ T 4J .r r./T 1 + ".4' ·
( (3).
17
Д.IJЯ харан:терных моментов цикла двиrате:IЯ Стнрлинrа прп
учете «вредноrо» пространства получим уравнения для темпе
ратур
T 1 'в -1 'х тех .
а===
'х ma x l T 2 + А' '
(14)
'й+'хmаХ 'h .
(r]C тах rh)!T 2 + А' ,
1 + r B rh
.
,
(1 rlt)IT t + А!
(15)
,
Те===:
,
Tz
(16)
T == l+rB .
liTl + А'
(17)
Температура рабочеrо тела в предположении линейноrо из
менения ее по длнне pereHepaTopa
т р === (Тl T 2 )!ln Т 1 == Т 2 (Т 1 1)!Iп Т1"
(18)
Средиие температуры рабочеrо тела в процессе расширения
fТ шах ) и сжатия (Т min) находятся по уравнениям:
т miп (T + Т;)/2;
т тах (T + T ) /2.
.
(19)
(20)
Такой метод определения температур т шin И Т шах широко
используется в термодинамике при сравнении ЦИК<il0В тепловых
двиrателеtr [36].
Температуры Т тах И Т Шn можно было бы определять как
средиеинтеrральиые (среднеПvlаниметрические) температуры. rIo
при относите.,1lЬНО небольших изменениях температур в процес
сах сжатия и раСIlIирения в цикле двиrателя Стирлпнrа ПрII
..
учете «вредноrо» пространства, эти температуры с достаточнои
точностью можно определять как среднее арифметическое. Дей
ствительно, при соотношении объемов rазовых ПО<il0стей pere
нератора. охладителя и наrревателя, ТИПИЧНО'1 дЛЯ двиrателя
Стирлннrа, при Т. ==700 К и Т 2 :=::333 К среднеарифметические
температуры т mln 420 1\ и Т тах==554 1\" а среднеинтеrральные
TmJn 425 К И Ттах::::::562 1(. Поэтому при анализе цикла ДВиrа
те.ЛЯ Стирлинrа с учетом «вредноrо» пространства мо)кно IIOJIb
зоваться уравненнями (19) и (20).
Для оценки влияния «вредноrо» пространства на показате.,1lН
цикла двиrате.пя Стирлинrа при:мем: 'р==0,62; r и ==0,23; '0==0,15
[39, 55]. После подстановки значений , р, r н, r о уравнения (14)
(17) для определения температур в характерных точках цикла
8
11 Р" JI(J"lIlЧIIlI «вредноrо» пространства будут IIмеп> СJ1еДУЮIЦИЙ:
HII;
:
T
=::: 2Т 2 /О
А'Т 2 ); т; =::: 1,3Т 2 /(О,З + А'Т 2 );
T
== 1 ,3Т 1 i(О,З
А'Т 1 ); T
=::: 2T 1 /(1 + А"Т 1 ).
РеЗУ,,1ыаты подсчетов этих температур цикла Стирлинrа при
различных значениях температуры Т. прнведены в табл. 2.
2. Температура в характерных точках цикла Стирдинrа
I , , . ,
Т%о К Е k T J , К Та' К T i .. К 1z. К ТЬ. К
.
700 397 443 530 580
333 1,5 1,6 1100 431 513 680 785
1500 545 565 810 970
Из табл. 2 ВИДНО, что при наличии «вредноrо» пространства
, ,
темпер
атуры Т а И т с рабочеrо тела в точках а н с больше
, ,
те
1пературы Т 2 , а Т z и Т ь В точках z и Ь меньШе
теУ[пера
туры Tl. Очевидно, что с увеJlичением объема «вредноrо» про..
странства (уменьшением степени сжатия) это раЗЛlIчне будет
возрастать. С учетом ВЛИЯНИЯ «вредноrо» пространства TepMO
динамнческпЙ цикл двнrателя Стнрлинrа изобразится замкну
той кривой а' с' z' ы а' (см. рис. 6).
с учетом влияния «вредноrо» пространства прн l1р
1,0'
среднее даВ"lение термодинамическоrо цикла снижается в 3
4 раза (д.ая указанных выше объемов полостей) по сравнению'
си средним давлеНIIем никла, определенным без учета влияния
этоrо прuстранства.
expert22 для http://rutracker.org
РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС двиr А ТЕЛЯ
.
ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ
двиrДТЕЛЯ
Принципиально цИкл Стирлинrа может быть реализован в дви
rателях, выполнеиных по схема:м, показанным на рис. 10 [54].
Основнымн конструктивными элементами двиrателя Стир
линrа являются рабочий поршень 1, вытеснительный поршень 5
(только д.пя схем на рис. 10, а и б), наrреватель 4, pereHepa
'Тор 8, ОХ.падитель 2.
Рабочая Полость двиrателя Стирлннrа включает объем uи
линдра (или ЦП..тJиидров) вад рабочим и вытеснительнЫм порш
иями (СУМ:МУ объемов V r и V x ), а также заполненные рабочим
телом объемы наrреватеoilЯ, pereHepaTopa, ох.падителя н соединн
-тельных каналов. I 1з схем видно (рис. 1 О, а и б). что [[ереме-
щение вытесниrельноrо поршня не приводит к изменению
.объема рабочей ПО.;'IОСТИ двиrателя. Сжатие и расширение рабо.
чеrо тела осуществляется только Б результате перемещепия
рабочеl О поршня. На схеме 1 О, в кажд,ЫЙ поршень выполняет
функции рабuчеl'О и вытесннте.пъноrо поршней.
Рабочий объем ДIЗиrатеoilЯ (СМ. рис. 2) представляет собой
разницу между 1аксн:мальным и минимальным объемами рабо
чей полости двиrате.JIЯ. Для схем ДВиrателя с вытеснитеJ1ЬНЫМ
поршнем (рис. 10, а и б) рабочий объем равен uбъему, который
()писывает рабочий поршень при перемещении из одной мертвой
точки 13 друrую. Таким образом, назначение рабочеrо П,ОрllIIIЯ
Б двиrате.пе Стирлинrа совпадает с назначеиием поршия в дви
rателе виутреннеrо сrорания.
Практически преРЫВИС10е движенне поршней осуществить
невозможно. В реальном двиrате.пе Стнрлинrа закон движения
..
паршиеи определяется типом и конструктивными сооrношеНlIЯМИ
кривошипно шатунноrо иди какоrо либо ДРуrоrо механизма,
преобраЗУЮlцеrо один вид движения в друrои.
В настоящее время широкое распространение имеет двиrа
тель Стирлинrа с рабочим и вытесните.пьным поршнями, разме
щенными в одном цилиндре. Сущность процессов. протекаЮlIIИХ
в двиrателе, рассмотрена выше. Отметим лишь следуюшее.
20
н реальном двиrателе поршни персмещаются плаВIIО. ()K()II
1I{'ремещения поршней и измеиеиия объемов rорячей и ХОJIОДНОЙ
tlолuстей такото двиrателя показан на рис. 11. Так как дви-
"
жсние поршнеи непрерывное, то происходит перекрытие отдель
IIЫХ процессов ЦИКЛа. Поэтому в процессе сжатия объем холод-
110Й полости больше объема rорячей, а в процессе расширения
Jlаоборuт.
Диаrрамма изменения давления в рабочей полости двиrателя
u U
JIIHI непрерывном ДDижении поршнеи имеет скрутленныи вид
( рис. 12).
Рядом исследований установлено, что Jlучшие показатели
двиrатель Стирлинrа имеет при рациональном опереж'ении ДВИ
жения вытеснительноrо поршня по сравнению с движением
рабочеrо [39, 55]. очевидно, что при отсутствии опережения дви
жения поршней по фазе работа, совершаемая двиrате.пе 1, равна
IIУЛЮ.
4
V z
V x
1
,,5
2
1
I
I
1
У5
У О
а)
о)
В)
'-не, 10. nplllullnl.....II... КОIlСТР)'КТII8ные схемы двиrаТСJlсf!: Стирлинrа:
.1 ..... J'lRt\очнА It IWTeeHHTl!lIhHhIn порu.ши РВСПОllожены в UДIIQМ IJ,ИЛИllдре; б рабочий и
htllТССlштельныn IIUрШИ" РIСIЮIII1ЖСШol n ОТДС.1luШalХ IШЛИllдrНIХ: в два поршня расп()
,110)1<('(11>1 Б отдельных I ИJ1ННДрПХ
v
р
I
-t
'
о
180
3БОа, о
v
.....
I)ис. 11. ДИ8.rрамма изменеиив объемов V полоетеА ДВИI'8.теля Стирлинrа:
1. 2 и 3 соответственно рабочая. холодная и rорячая ПОJЮСТН
I)ис. 12. Диаrp8.ММIII. нзмевеиий давления р в рабочей полости двиrlll.тепя Стир.лИнrа
21
f
.
Рис. 13. Диаrр&мма изменении объемов V по..
лостеil двИrателя Стирлииr&:
1. 2 :и 3 соответственно рабочая, ХО.'10дная И!
rорячая ПОЛОСТИ
:;
в двиrателе с двумя рабо '
чими портнями (см. рис. 10, в))'
................. движение поршней сдвинуто пО'
фазе примерно иа 900 уrла пово
рота коленчатоrо вала. На.
рис. 13 ПCJказано изменение
270 CX z " CYMMapHoro объема рабочей
полости двнrателя (двух свя
занных между собой цнлинд
роз) и изменение объемов ro
рячей и холодной полостей. Видно, что изменение объемов, а
с.ледовательно, и протекание рабочеrо процесса принципиаль"
но ничем не отличается от paCCMoTpeHHoro выше для двиrа...
теля с рабочим ивытеСнительным поршнями. При сжатии ос..
новное количество рабочеrо тела находится Б холодной поло
..
ети, при расширении в rорячеи.
Характерным для двиrателей Сtирлинrа (как и для любоrо
тепловоrо двиrателя работающеrо по замкнутому циклу) яв...
ляется отвод болыпеrо (примерно в 2 2,5 раза) количества
ТСП"lОТЫ в охлаждающую среду по сравненню с двиrатеЛЯМlf
BHYTpCHHero сrорания. В последних основная часть тепЛоты
ОТВОДИТСЯ в окружающую среду с отработавшими rазами.
Так как двиrатель СТИР"lинrа работает по замкнутuму циклу,.
рабочее Te.i'O в начале процесса сжатия может находцться под..
повышенным давлением. У современных двиrателей это давлеиие
достиrа ст 1 oo 150 Krc/cM 2 , что необходимо для увеличеиия HX
индикаторной работы.
Энерrия, требуем ая для осущеСТВJlения процесса сжатия,.
накапливается не только маховиком (как обычно у двиrателей
BHYTpeHHero сrорания), но и в буферной полости Vб (рис. 10
при движении рабочеrо поршня к Н. м. т.
с:
s
, 1 + !
........ х.--- ...... i
'/ ./ " "
./ '\ '\
2/
....../
:::'
QQ
:>
о
90
180
РАСЧЕТ Р АБОЧЕrо ПРОЦЕССА ДВИr А ТЕЛЯ
С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИТЕльно.rо ЗАКОНА
ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЕЙ
ОСНОВНЫМИ показателями работы двиrателя являются эффектив.....
ный к: л. д. двиrатедя 1lс, эффективиая мощность N e , среднее-
эффективное давление Ре.
Эффективные показатели двиrателя связаны с индикатор
НЫl\1И показате.JIЯМП с помощью механическоrо к. п. д. двиrателя:
lle === 1l11lM === llfi'Y)ollM;
p == PillM == Pn'Y)ollbl t
22
(21 )
(22)}
V z V H У р V o V x
1 2 "3 . 4 {j Б 7
J ff ,,1 IV У VI VI(
\
1
\
ТЕ;>.
\
,
\
\
7i lНl
\
\
\ ш
\
,
T FH
Тр
70,
т,о 101
\
\ \
Тх 7f}(
.мс. 14. Расчетиаи схема. двиrателя СТИР.llинrа:
1..... rорячая пмостъ; 2 зона наrревзтеля, сообщающаЯСJl с rОРRчеА полостью; 3 зона
IIlrревателя. сообщающаяся с pereHepaTopoM; 4 pereHepaTop; 6 ЗОНа охладителя,
Clообщающаяся с pereHepaTopoM; 6 зона ОXJI8дите.пя. сообщаlOщаl . со ХОЛОДНОЙ по--
IIОСТЬЮ; ? холодная полость; Т Fr и т РХ температура стенок rоричеfi и холодной
nОJIостей; TJ' Т Х н Т р температура раБО1ilеrо тела . rОрJlчеА и хо.пОДИОЙ полостях
8t В pereHepaTope; т Иl и Т В2 температура рабочеro теп8 '. иаrpевsте.llе со стороны
rорячей ПОЛОСТlI и СО сТороны pereHepBTopa; Т Рв н 7'Fo .... температура стеиок HarpeBa
,еля и охладителя; r 01 R Т 01 ..... температура рвбочеrо те.па в охпадителе СО сторонЫ
pereHepaTopa и СО стороны хоподиой полости
('де индексы i, м, t и о означают нндикаторные, механические,
термические и относитс.п:ьные к. п. д. Н давления.
:Индикаторные показатели MorYT быть определены ОПЫТНЬО1
u u
Ilутем по эксперимента.rrьнои индикатор нои диаrрамме или aHa
u u
JIнтическим путем по расчетнои индикаторнои диаrрамм:е.
Расчетная схема рабочеrо процесс а двиrатеJIЯ Стирлинrа
наказана на рис. 14.
Изменеиие давления в рабочей полости двиrателя зависит
от: 1) закона движения поршней и сдВиrа их по фазе, что
определяет закон изменеиия объемов rорячей и ХО.JlОДНОИ по
лостей в цилнндре двиrателя; 2) теплопередачи в наrревателе.
охладителе и pereHepaTope; 3) теплообмена между рабочим
телом и поверхностью цилиндра, а также между поверхностью
цилиндра и окружающей средой; 4) перетекания рабочеrо те.па
нз одной ПОoilОСТИ В друrую в течение рабочеrо пикла (под дей
ствием перемещения вытесните.пьноru пuршня); 5) качества Прu
цесса сrорания в камере сrорания (от ее к. п. д.) .
Время, отводимое иа эти процессы, мало, так как частота
вращения коленчатоrо вала двиrателя Стирлинrа достиrает
3000 об/мин и более. Поэтому Все указанные процессы ЯПЛЯIОТСЯ
необратимыми. Уточненный расчет рабочеrо процесс а ДI3пrатсля
должен, таким образом, вк лючать расчет процессов в отдсльных
УСтройствах и учнтывать перетекание рабочеrо тела из одной
полости в 'друryю. Методика 'такото расчета разработана Т.,Фин
кельштейном [38]., r лавные ее положения даны в разделе «OCHO
вы уточненноrо расчета рабочеrо процесс а I двиrателя».
23
Однако надежные методы расчета нестационарноrо теплоо6..
мена между рабочим телом и поверХНОСТJlМИ в наrревателе,.
охладителе, цилиндре и pereHepaTope пока oTcyтcrB ю:r. ПОЭТ9МУ.
широко примеияются упрощенные методы расчета . . 39, 54, 55J.
При упрощенных методах расчета темпера, t рабочеrо j
тела в 'наrреваТt:ле н охладителе принимают рав ,> ! пературе'
соответственно rорячеro и холодноrо источников, .& *змененне
температуры рабочеrо тела по длине pereHepaTopa ...J. rt линей..
ному закону.
Сушествующие упрощенные методы различаются rлавным
образом тем, какой процесс (адиабатный или изотермический)
изменения состояния рабочеrо тела принимается в холодной и
rорячей полостях цилиндра дВиrателя. Действительиый процесс,
u
происходяшии в этих полостях, отличается и от ИЗ0те рмическоrо,.
и от адиабатноrо. Поскольку более простая методика расчета
получается при изотермических процессах цэменения состояния
рабочеrо тела в полостях цилиидра, то ннже приводится ее
изложение. Результаты расчета прн Этом незначительно .отли
чаются от результатов расчета при адиабатном иЗменений co
стояния рабочеrо те"тта в тех же по.достях двиrателя. '
Расчет проводится прн следующих допущениях: 1) темпера...
тура раБО4еrо тела в наrревателе и rорячей полости ЦИЛИНДра
равна температуре наrревателя; 2) температура рабочеrо тела
.. .
в охладителе и в холоднои полости цилиндра равна TeM
пературе охладителя; 3) к. п. д. pereHepaTopa равен 100 о/о; это
означает, что температура рабочеrо тела, выходящеrо из pe
тенераторв в наr'реватель, равна температуре наrревателя,.
а температура рабочеrо тела, входящеrо в охладитель, равна
температуре охладителя; 4) температура рабuчеrо тела по ДЛине
pereHepaTopa измеияется по линейному закону; 5) rидравличе
ское сопротивление pereHepaTOpa и теплообменников (HarpeBa
теля и охладителя) отсутствует. т. е. давление рабочеrо тела,
во всех полостях двнrэ.теля в любой момент времени u икла
прннято одинаковым; 6) рабочее тело в двиrателе подчиняется
уравнениJo состояния идеальноrо rаза.
Для опреде.ления Давления и температуры в рабочей полости
двиrателя ИСПользуем уравнения (11) и состояния pV===GRT.
В уравнение состояния входят средняя температура rаза
в рабочей nолос'Ти и объем V, включаЮЩИЙ объемы rаза во-
всех полостях,
v =:= V x + VO + V'J' + V и V p .
(23).
в СООТ'веТсТБИ'И с допущеннями 1 и 2 температура рабочеrо
тела равна Т 2 в объемах V x н V o и Т} в объемах V r и VB'
В объеме 'V p температура рабочеrо тела равна Т р и опреде
JJяется по уравн нию (18).
2
В уравнении СОСТОЯНИЯ неизвестное отношение TjV выразим
1(3 выражения (11). следующим образом. Используя уравнеиия
состояния для отдельных полостей, заПИШем
.lY... == р (УХ + У О ) + р (У !" + УН) + pV p
RT RT#j RT 1 RTp
"
rllJ!,И
1'IT == [(V x + У о )!Т 1 + (Vl' + V и ) + V p T 1 !T p J/T 1 == V np /T 1 , (24)
Jfде V пр приведенный 1< температуре rорячеrо источиика объем
rаза в рабочей полости ДБиrателя, т. е.
II пр == (V x + V J Т 1 + (V r + V п ) ,+ V p Tl/Tp == V»np + VxTl + Vf' (25)
rrде VBnp==,VO't'[ + V п + VpT[/rp приведенный объем рабочеrо тела
'8 полостях наrревате,ля, охладителя и pereHepaTopa; 1:р=:::=' TyiT2.
С учетом выражений (24) и (25) уравнение для определения
.давления запишется В виде
Jl =::: OR.T l/(V впр + V JI: 1:1 + V [')'
(26)
После определения давлеиия в рабочей полости двиrателя
В функции уrла поворота коленчатоrо вала (от KOToporo зависят
.объемыIvхx и V r ) по уравненню состояния можно определить
среднюю температуру рабочеrо тела в двиrателе.
Для расчета давления и температуры рабочеrо тела в фУНК
uии уrла поворота коленчатоrо вала необходимо знать законы
Jl,вижения портней или изменения оБЪе ов rорячей и холодной
полостей (см. раздел «Кинематика И динамика двиrателя»). Во
Мноrих случаях при анализе рабочеrо процесса принимают, чтО
изменение объемов холодиой и rорячей полостей происходит по
'rармоническому (синусоидальному) закону.
П() изложенной методике можно определить давление и TeM
рературу в рабочей полости двиrателЯ в функции уrла ПОБорота
Itолеичатоrо вала, построить диаrрамму цикла и найти работу
UИкла. Для определения по данной методике индикаториоrо
1(. п. д цикла можно воспользоваться формулой
" == ALtl/QI' =:== 1 (Qx/Qr),
(27)
rде [ н индикаторная работа, определяемая по расцетной ин..
"икаторной диаrрамме; Qr и Qx количество теплоты, COOTBeT
Отвенно подводимой к рабочему телу и отводимой от Hero в
"ействительном цикле.
На ОСНОВанИИ первоrо закона термодинамики теоретический
,"пловой баланс двиrателя Стирлинrа, пренебреrая разницами
Между кинетнческими энерrиямн втекающеrо в полость и BЫ
25
текающеrо из нее рабочеrо тела, МОЖно представить сдедуJO..
щнм образом:
dQ + idG == dU + AdL + iRdG 1P
(28)
rде dQ кОличество теплоты, получаемое рабочим телом вслед...
ствие теплообмеиа со стенками; i и G удельная эитаJ1ЬПИЯ и'l
масса рабочеrо тела, поступающеrо в Полость; U виутрення
энерrия рабочеrо тела; L работа, совершаемая рабочим телом j
il{ и а н удельиая эитальпия и масса рабоЧ'еrо тела, выо.riя
щеrD из полости.
. [Iрименительно к рабочему телу в rорячей полости за ВремЯ
одноrо цикла уравнеиие принимает вид
QI' ф il'dO == Ф dU + А Ф pdV r + Ф i r J!1 0 R.
(29)
Выше было принято, что температура рабочеrо те.па в rоря
чей полости неизменна и 'равна TI. Поэтому энтаoJ1ЬПИИ рабочеrо
тела, Бходящеro Б полость и выходящеrо нз нее, одинаковые
(ir irH). Кроме Toro, при работе двиrателя на. установившемся
режиме по уравнению расхода
Ф d(} dG R ,
.
а и менение внутренней энерrии рабочеrо тела в rорячей полости
за цикл dU O.
С учетом еказанноrо из уравнения (29) количество теллоты
поJ1учаемое рабочим телом в rорячей Полости вследствие тепдо, ,
об fеllа за цикл,
Qr А Ф pdV r ,
(ЗО
[де интсrра.,l Ф pdV r соответствует плошади индикаторной диаl ,
u
rpa MMbl для rорячеи полости.
Подобным же образом МОlКНО определить количество те-п
ло'fЫ, отведенное от рабочеrо тела в холодной полости з-а цикл,.
Qx == A' pdV x .
(3.1 )
Следовательно, при принятых допущениях площади индика,..
.. .. ..
торных диаrрамм rорячеи и холоднои ПОлостеи соответствуют
кодичествам подведенной Qr и отведенной Qx теплоты.
в то же время работа двиrателя за цикл paRHa разности
работ в процессах расширения и сжатия. Изменеиие общеrо
объема рабочей полости двиrателя Связано тО'лъко с переме-.
щением рабочеrо поршня. Для схемы двиrателя с рабочим J!
БЪ1теснительным поршиями прн принятом выше допущении о pa
венстве давлений во всех полостях в любой момент цикла р аБО l1
I
вытеСНlIтельноrо поршня (если пренебречь п..тrощадью ПопереЧi
HOro сечения штока) можно не учитывать.
26
Р. l(&с!с,..,2 P/PтlX f
I
'УО
72 0,8
54
.36 0.6
18
о
55 130 195 О
а)
65 130 jg5 460 525
6) 6)
CM"
0."
о
165
JJO
v.C,..,l
,
Рис. 15. Иидика.торные двмраммы ХOJlодильs.ой машииы Стирлииrа (верхний раА при
.давлении заполиеНИА 26 KI'C/CM2; иижний рвд при Давлении 11 KrcjcM2; 8"C
периментальиые ,Циаrраммы; расчетные .п.иаrраммы):
(J расширительиа.я полость; б компрессорная полость; в..... рабочее пространство
машины
,
РИс. 16. Расчетиые ИНАик.торные АиаrраММhI ДIIиrатеllа СТИрлвиrа ири а.диа.ба.тиом
(сплошные линии) и изотермическом (штриховые ..ииии) законах изменеНlI1I температуры
абочеrо тела. в rорячей И ХОЛОАИОЙ пол стих
в расчетах индикаторную работу цикла удобно определять
по формуле
Ltl == (Qr........ Qx)/ А..
в заключение отметим с.п:едующее. Упрощенные расчеты
цикла двнrателя Стирлинrа с двумя поршнями В одном ци..
.линдре показали, что при сохранеиии неизменным уrла сдвиrа
по фазе между момеитами, соответствующими максимальным
-объемам холодной и rорячей полостей, работа и к. п. Д. цикла
зависят от законов перемещения поршней незначите.пьно [18].
Сравнение экспериментальиых диаrрамм с расчетными для
холодильной машины Стирлинrа, полученными по описанной
выше методике, приведено на рис. IS [14]. Давление измеРЯ.,10СЬ
только в расширнтельиой полостн. Для построения дпаrрамм
,.давления в компрессорной полости и общей диаrраммы цикла
было ;ПРИНЯТО t что rндравлические потери отсутствуют 11 изме.
Iпение объема рабочеrо пространства подчиняется синусоидаль
НОМУ закону. Расчетиые диаrраммы Ilикла несколько отличаются
-от экспернмеитальных.
Сравиенне расчетных' диаrрамм цикла двиrателя Стирлинrа
ос Vh == 197 см З при изменении объема рабочеrо пространства по
инусоидальному закоиу и изотермическом или адиабатно
законе изменения температуры рабочеrо тела в rорячей и холод
ной ПОЛОСТЯХ двиrателя изображено на рис'. 16 [55]. СовпадеНJiе
,
диаrра м м у дов-летворительное.
27
Дальнейшее уточнение методики расчета рабочеrо процссса
в дви:rателе Стнрлинrа связано с уточнение:\1 методикн расчета
perCHepaTopa и друrих теплообменников.
Для определения индикаторноrо к. п. д. двиrателя Стирлинrа
необходимо найти относительный к. п. д. 110. С учетом прннятых
допущений
110 llн'r'YIух'Ylт у f1ут'У1I'ИДР'
(32)
rде 'YlrlT и Чух К. П. Д., учитывающие потери теп.п:оты в камере
СI"ораИ)J}I соответственно из за неполноты сrорания топлива и
u
С уходящими rазами 'YlTy K. п. д., :учитывающии потери теплоты
ВС,,'1еДСТ13не теплообмена; llYT к, п. д., учитывающий влияние
утечек рабочеrо Тела; llп др к. п. д., учитываЮIЦИЙ потери теп
лоты при перетекании рабочеrо тела.
Для повышения точиости расчета индикаторных показателей
необходимо накапливать стаТИстические данные по отдельным
состанляющим Относительноrо к. п. д. И рассчитывать рабочий
'процесс с учетом теплообмена ,и перетекания рабочеrо тела.
у сущеСТВУЮIЦИХ двиrателей Стирvlинrа эффективный к. п, Д.,
определяемыЙ по формуле (21), достиrает 0.38 0,42. Это ОЗIlа
чает. что при работе на режпмах максимальной экономичности
при Tl 973 l( и Т 2 ==293 К произведеllие
f)ollM ')lel'Ylti 0,42;0,70 == 0,6.
.
Среднее эффективное дав.п:ение определяют по формуле (22)
Эффективную МОIЦНОСТЬ Двиrателя Стирлинrа ВЫЧИСЛЯЮТ, как
и для двухтактноrо двиrатеJ1Я (в л. с.):
N ::;::::: PeVh in ( 33 )
е 450'
rде Ре эффективное давление, KrcjcM 2 ; V h рабочий объем
.
цилиндра, л: l число цилиндров; n частота вращения колен
чаrоrо вала, об/мин.
ВЛИЯНИЕ wдзооо,rо сдвиrА ПОРШНЕЙ
НА пОКАЗАТЕJl,И 'РАБОЧЕrо ПРОЦЕССА
Обычно в качестве параметра для оценки сдвиrа поршней при-
ннмают сдвиr по фазе между моментами цикла, соответствую'.
щими максимальным объемам rорячей и ХОJ10ДНОЙ ПОЛОСТСI
(от этоrо параметра зависнт эффективность продесса).
На рис. 17 показана зависимость безраз-мер.ной удельноi
работы L ti L ii / (GRT) и индикаторноrо к. п. д. цикла l1ti 01
уrла ер фазовоrо сдВиrа моментов, соответствующих максималь,
ным объемам rорячей и холодной полостей [55]. Эти даНИЫЕ
получены при расчете цикла при указанных выше допущения
(см. раздел «Расчет рабочеrо процесса двиrателя с учетом дей
ствительноrо закона движения поршней»), за нсключеИ1:\ .,..\ Toro
28
что принято: а) объемы rорячей
V hr Н холодной V'iX полостей ци-
линдра изменяются по синусон-
дальному закону и б) изменение
..
состояНия rаза в rорячеи и хuлод-
u
нои полостях происходит по
адиабате. В расчете "['1 ===3,0 и
V 1:,х! V hr === 1.
Расчеты показали, что в исследованном диапазuне измене
ния (}) показатели цик.па изменяются ПСЗllачительно. Максималь
ная работа цикла соотвеТСТЕует (р == 90+ 1 000 уrл а поворота KO
"
ленчатоrо вала, а индикаторныи к. п. д. '1и незнаЧIIтельно воз
растает с увеличением ()) от 72 до 120°.
у ВЫполненных ДnИI'ателей Стирлинrа обычно ч:,=:::90 7 120 С r
РI1С-. 17. Зависимость удельной приведеНtlOR рабо-
ты L t i (сплошные линни) и индикаТОРНОf"О
К. п. Д. 1] t i (штриховые линии) I.t.икла СТИРЛИНf"а
от уrла СДВИf"а поршней ПО фазе ер:
1 r в """'0,25; 2 r в ==0.50; 3 r' l -1,\1:), -, r 1\
== 1.50
ДВИЖЕНИЕ Р АБО4Еrо ТЕЛА
в полостях ДВИr А ТЕЛЯ
Lti
"и
0.3
--
0.2
,
...
...,...
D,f
0.55
.
,"
о
O
tJlJ
100
IfJ.Q
ДJIЯ определения rидравлических потерь прн перетекании рабо--
..
чеrо тела нз одНОи пОлости В друrую, а также для расчета
процессов теплообмена в наrревателе, pereHepaTope и охлади
теле необходимо знать скорости втекания рабочеrо тела в rоря
чую 11 ХОЛОДНУIО полости цилиндра двиrате<l1Я и вытекания
нз них.
Количество рабочеrо тела в любой полости при равновесном
..
состоянии в каждыи момент времени определяется по ypaB
нению состояния. Дифференцируя ero по времени, получаем
уравнение скорости изменения количества rаза в полости
о == dG =:::: d ( Р V )
d/ dt RT'
(34)
Для rорячей полости это уравнение имеет вид
dG r d ( PV r )
O'r == dt :=-: dt RTr '
rде 01' и Tr масса и температура рабочеrо тела в rорячей
полости.
С учетом принятых выше допущений о равенстве давлення
р в данный момент времени во всех ':полостях рабочеrо прост
29
ранства двиrателя И о постоянстпе те:\lператур рабочеrо тела
ТС' ПО lучаем
>(1:=:; 1 ( dV r . + v d P )
l' RT r Р dt l' dt .
Ана.ll0ПIЧНЫМ образо:м для холодной ПU.,10СТП
1 ( dV х ' V d P )
'а Р ,
х RT х df т Х dt ,. t
rде т х температура рабочеrо тела в холодной полости.
Используя уравнение (26), находим
dp ==:: GRT djdt (V впр + v х "С 1 + V r) :::::: 't1dV x!df + dVr!dt
df 1 (V впр + Vx't 1 + V r )2 Р V впр -+- VX't 1 + V r .
При опреде.,'Iении изменения давления в полости по уrду
:поворота КО.llенчаТОI'О вала а это уравнение мо)кно представить
-в виде
dp 6пр
Да
't]dV x/dCG + dV r/dCG
.
v FШР + v х "С 1 + V r
(35)
(36)
(37)
(38)
в уравнениях (37) и (38) принято, что Tl, Tl Н Tx T'2.
Д.llЯ решения уравнений (35) и (36) необхuдимо знать ве.rIИЧII .
вы dVx/dt и dVr/df (и.пи dVx/d,a и d Vr/da). Они опредсляются в
.зависимости от схемы ПрИБода.
На рис, 18 изображено ИЗ).1енение относительноЙ СI-\:ОРОСТИ
IIз:иенения количества рабочеrо тела за один ЦИК.l Б rорячеЙ
a r н холодной ах полостях для oAHoro из двиrателеii Стирлин
ra [38], у KOTOpOl'O объе 1 рабочих пространств нзменяется по
синусоида.пьно:му закону с фазовым СДвиrом 900. отношение
температур в рабочем пространстве Тl 2; относительныЙ
объем f r тах== 1, '0=::0,333; , н =:::0,333; 1 p:::=O,333. Расчеты произ
лзедены ПО уточненной методике расчета замкнутых обратимых
..
реrенеративныx циклов с учетом о."раничении, налаrаем:ыx На
процессы теП.7Jопередачи в теплообменных аппаратах, HeCOBep
:шенства процессов в pereHepaTope и потерь давленая при пере
теl{ании рабочеrо те.ла из одной полости в ДРУI'УЮ [38]. Поло
..
жительныи знак ве"ттичины O'r И ах И]\'lеют пои двп)кении I"аза
...
.из холоднои полости В rорячую.
Л.нализ результатов расчета позволяет сделать следующпе
выводы.
1. Массовая скорость потока ИЗ).1еняется по уrлу поВорота
КО..ттеичатоrо вала двиrателя. Она выше На «холодной» CTOpO
1-Ie, Что объясняется неравномерностью ИЗ).1енения объемов ro
рячей и холодной полостей ДВНrателя, разностью Т'е),1ператур
:рабочеrо тела в этих полостях и нзлнчпем «вредноrо» объема
рабочеrо пространства двиrатедя.
30
6,J<l/C
б
[J,ч r 1 ................. T r
6. ,
I
, 0,16 . t r
H 0,72 r
о.;' I
]. ;; 1,
?
0,08 .'
I
о ООч
I ,
! О
60 f?() i 5О(} C( O!"
,
o.2' ao"
, ,
I !
I { O8 t
D4L ! t
I
o/? L
.
}
Рис. 18. Относитс.r:rЬН8.я скорость <1 изменения I(ОJlнчества рабочеrо тела в rОрЯ'lеА Jt xo
зодноА ПО ОСТЯХ двиrателя Стирлинrа
РИс. 19. Зависимость СКОРОС"И изменения количества рабочеrо тела в rорячеА а r и Xo
ЛОДНОЙ АХ ЛО.::Jостях двиrателя Стнр.лJtнrа ОТ yrJl8 поворота коленчатоro вала а
2. Диаrраммы массовых скоростей потока несимметричньr
..
даже при синусоидальном законе движения поршнеи.
3. Дпаrраммы сдвинуты по фазе. В результате Н 1еIОТсЯ'
I\:ороТкие периоды, коrда поток ВЫХОДИТ из обоих концов pere
нератора lloJllI входит В Hero с обеих сторон, т. е. в теплообмен
никах ДВlIrателя пронсходит I{uлебатсльное движепне рабочеrо
тела.
На рис. 19 приведены скорости изменения количества рабо
u u
чеrо тела за один цикл в rорячеи и ХОJlОДНОИ полостях двиrа
те.rrя СТИрЛJIнrа с учетом действительноrо закона движения
портней, рассчитанные по упрощенной методике illмпдта
Кирклп, изложенной выше [41].
Сопоставление результатов расчетов показывает, что OCHOB
lIые качественные закономерности остаются такими же, как If
при расчете массопотоков по уточненной меТОДИI{е. Однако п
эта методика дает только приближенное представление о про
цессах, протекающих в полостях двиrателя Стирлннrа. Вместе'
u
с тем она позволяет с достаточнои степенью точности произ
вести анализ качественноrО влияния конструктивных пара 1ет .
ров двиrателя на движение рабоЧеrо тела в ero 'полостях.
ВЫБОР РАБОЧЕrо ТЕЛА
На мощность н экономичность ДВИI'ателя Значительное влия
ние оказывают такие свойства рабочеrо тела, как КОЭффНIlиент
теплопроводности, теплоемкость, плотность и вязкость.
Увеличение коэффициента теплопроводности способствует
приБJlижению температуры рабочеrQ "{'еда к температуре rоря
31
Чеrо и ХО.J10дноrо ИСТ()ЧIIНКОВ теплоты, а увел и Ч<.'lIне ТСПJJоем
кости возрастаlIrlIО количества воспринимаемоЙ р(jБОЧrIМ Te
ЛОМ за цикл тсплоты LIЛИ уменьшению количества ра()очс[у) Te
,ла в цилиндре двиrате.ПЯ при ОДIIнаково.\1 КОЛIt'I('(.тве ('ооб
Щаемой теплоты. Уменьшение вязкости рабочеrо тела IIрНВОДИТ
К уменьшению I'идраВJlических потреь при :перетекаНИI1.
С учетом сказанноrо в качестве рабочеrо тела для JlBlll'aTe
ля Стнрлинrа можно использовать водород. Как показал ОIIЫТ,
действительно, при использовании водорода двиrатеulЬ Стир
.тIHHTa имеет наиболее высокие эффективные показатели рабо
чеrО процесса.
При выборе рабочеrо тела должны учитываТI->СЯ также Tpe
оования безопасности эксплуатации двиrателя, наде}кности ero
работы, малой стоиМости рабочеrо тела и ero недефНI{IIl'НОСТН.
Применение водорода в каЧсстве рабочеrо тела в двнrаТе
,.п:ях Стирлинrа связано с рядом затруднений. ВОДИРОД облада
ет способностью при высоких температурах диффундировать
через стальные стенки наrревателя, поэтому позникает необхо--
ДИМ ость или постояННО пополнять систему водородом, или при--
менять специальные дороrОСТОЯlllие материалы для изrОТОВ,,1е
ния на rревате..тJЯ. Пополнение системы водородом может IIрО
u
изводиться сравнительно леrко из дополнительном e 1KOCTH, по
это связано с увеличением rабаритов и массы установки.
КрОМе Toro применение водорода в ДDиrателях, работаю
щих в оrраничеННО 1 пространстве, нецелесообразно по услови--
ям взрывобезопасности. Это вызывает дополнительные TPYД
Ности при rерметизапии системы. Хотя ВНУТРИ двиrателя ИСIIОЛЬ
зуется относительно :небольшое количество водорода (около
150 r для двиrате.пя мощностью 200 л. с.) и просочившийся
rаз быстро рассеивается в атмосфере, все же еще неясно, [{a
кие меры нужно принимать для uбеспечения безопасной
эксплуатации такото двиrателя.
Вследствие этоrо во мноrих случаях в качестве рабочеrо
тела в двиrателях используют rелий. В.пияние различных рабо
'чих тел (водорода, rелия и вuздуха) на эффективный К. п. д.
двиrателя Стирлинrа при давлении рабочеrо тела 11 О [{rCfCM 2 ,
температуре в наrревателе 7000 С, температуре охлаждаЮlIlей
воды 250 С и К. п. д. камеры сrорания 0,85 показано на
рис. 20 [45]. Применение rелия (кривая 2) и особенно BOДOpO
да (кривая 3) в качестве рабочеrо тела В.\1есто воздуха (крп
вая 1) позво..rrяет значительно увеличить литровую МОЩIIОСТЬ
двиrателя при высоком к. П. д.
r е.пий обладает большей теплоемкостью п лучшей теп.по
проводностью по сравнению с воздухом. При одинаковых дaB
лениях и температурах плотность rелия примерно в 7 ра:-з
меньше ПJIОтНОСТИ воздуха, поэтому :можно увеличить скорость
потока rелия в каналах теплообменников в 2' 3 раза без cy
,32
rze 500
750 I
i
ДЧО 1О0О J
250 I 1250
,
I
,
.1 ( п=150000/МUН
1
0,30
I I
, 20
20 1;/) 50 N ел . л.с./л
D
Рис. 20. ВЛ}{Яllие раЗJIИЧНЫХ рабочих Te.'l На эффективный к. п. д.
'tle двиrателя Стирл:инrа
щественноrо сни}кения давления. Увеличение КОЭффИllиента
теплопередачи при использовании rелия вместо воздуха поз во..
дяет сократить rабаритные раЗ:\1ерЫ теплообменных аппаратов
примерно в 2 3 раза.
ПрпменеНlIе rе.,'JНЯ плп друrоrо HHepTHoro rаза D установках
замкнутоrо цикла, что IIСК.'lючает IЗозможность ero окисления.
ПОЗЕО<ilяет ИСIlО.1ьзоват() таl{НС м таллЫ, KaI{ ниобий или молиб
,цен или ero СП.Т"lавы. Эти материалы в нейтраJlЬНОЙ атмосфере
1I ПрlI очень высоких температурах допускают напряжение до
40 KrcjI\IM 2 . Опыт эксп.'уатаЦ(НI Уl<а занных жзРопrочных MaTe
риа 10В в друrпх отрас.п:ях техники дает достаточные OCHOBa
ния для примснеНlIЯ rеЛllЯ в высокотемпературных двиrатслях
Стирлинrа. Кроме Toro, в С.lучае lIСПО.rrьзования в качестВе пс
u u
точнпка теп.JIОВОИ эн рrИИ aToMHuro реа ктора rедии ЯIЗoi1яется
единственным рабочим телом, которое не становится paДl10aK
тивным во внутреннем контуре реактора. 'Чистый rелий, пrохо
дя через активную зону aToMHoro реактора, не становится ра..
Дllоактнвным, и поэтому возмuжнО создание реакторов с Te l
llературой rаза на выходе БО<!lее 1000° с.
По данным расчетов и испытаний выпо.ilненныIx фирмой
Дженерал 1\10ТОрС двиrателей С<ilедует) что IЗ случае IIСПОЛЬЗО
вания в качестве рабочеrо тела rедия вместо Rодорода для
обеспечения требуемой МОIЦности рабочий объем ДВlIrателя
ДО.1)кен быть увеличен на 40 О/О [26].
в качестве рабочеrо теЛа в дпиrаТС.1ЯХ Стир.n.инса примс
НЯСТся также aproH и уrлекис.;rтый rаз. При работе дв[п'ате<!lЯ
на apruHe к. 11. д. двпrате.пя на 370/0, а уде.льная МОПIНОСТЬ на
32 [Ъ nbIUle, чем ври использовании воздуха [14].
Расчет двиrателя СТИрЛИНrа мощностью 20 л. с. при п==
::::::4000 об/мин, работаIощеrо на уrлекислом rазе, при м:акси
МCl.!IЫ(ОЙ 6500 С и минимальнuй 600 С температурах, механи
ческом к. п. д. 0,95, к. п. д. реrеиератора 0,9 11 минимальном
i1,() В...1Е'ННIf цпкла 40 I<тс/см 2 показал, ЧТQ к. П. д. ЦНК,,1а СТIIРЛИН
1'::} I1pH степенях повышения давления 2 н 3,33 дост(н"ает 0,422
2 3.н;: 4(58
зЗ
11 0,536. COOTBeTCTBeHJlO эффективный к. п. д. равен 0,336 и
0,438 [37].
Дvт:Iя повышсния удельноЙ МОЩНОСТИ необходимо увеличить
массу рабочеrо тела. С этой целыо ето наrиетаlОТ в систему
под даВ.Jlение 'I. Ма ксимальное давление рабочеrо тела незави..
симо от ( ro вида (водород иди rе,,1ИЙ) должно быть 70
210 KrcjcM 2 , так как МОЩНОСТЬ двиrателя данноrо рабочеrо
объсма изменяется практически ПрЯ:\10 пропорцноналыlo 1aK
симальиому давлению рабочеrо тела. Однако повышение дав..
ления ЦИК",1а прн:водит к увесIJичению наrрузок на кривошнпно"
u
шаТУНIIЫИ механизм, а с.:rтедовательно, к росту eru размерuв и
массы. П рн высоком давлении цикла требуется так}ке ИСПО.}IЬ
зование дороrостояших жаропрочных \1зтериалов. Например\,
фирма USS (Шпеция) ПОСТрОИ.Jlа ДБиrате.:rть со средним рабо
чим давление!\1 217 KrcjCM 2 . Сеичас он(] работает пад снижени
ем ero до 110 l\rc/cM 2 , чтобы для пронзводства двиrателя ис
ПО.."Iьзовать обычныс нержавеющие стали.
ТСП':lофизические свойства водорода, rСJJИЯ и воздуха при
рааJIИЧНОЙ температуре Т приведены Б табл. 3 [34].
3. Теплофизические свойства водорода, rелия и воздуха
Т, 1\
ВОДОРОД
Воздух
rеJ1ИЙ
АБСОJJю'rнос цаfiле}fJl . Krc/ cM2
.
1 100 :2 00 I J 100 200 1 100 200
280
500
700
900
300
БОа
900
ТепЛОС.'vf,КОСf1lЬ Ср, I\.кал!(кr. ОС)
3,39 3,-16' 3,50 1,24-03 1 ,240З 1 I ,2103 0,240 0,284! 0,315
3,46 3,48 3,49 1,24031,24031,2403 0,24б (),2565 0,2645
3,49 3,49 3,49:1 1 :2403 1,240: 1,2403 О, ? f)б5 0,2615 0,266
3,53 I 3,54 I 3,54 1 ,2,1031,2-}ОЗ 1,2'103 0,268 0,271 0 271
Коэффицuетп теплопроводности ' 1 03, ккал/(м, ч. СС)
157,3 1 G3 170,2 128,5 132,2 136,81 22. Б 27 , I
229 233 237 190.5192,5190.2 1 35,1 17,3
3054 3.JG 2.57,5 ] 288,3 289 3 290.5 19,27 50.G
I 33}:
,
40 2
.
5 1 Q
t 1 , .....
ДинаАшлеская вязкость р.! 011, Krc, cjM2
30О 91 ,3 92 7 95 197,5 198,5 200 : 188 209 242
,
500 129 129,6 131 285 284 283 275 285 299
1000 205 204,8 206 424 423,3 -123,3 432,5 437 443
I
Теплоемкость rеJlИЯ в интервале температур от О до 30000 С
и в интервале даВ.,lений ОТ 1 до 200 ктс/см 2 может быть приня
та постоянной, а именно С р :::::: 1,2403 ккал/ (КТ' о С). Поrрешность
значениЙ теплоемкости при это:м не более 0,2 О/О [34]. J(оэффи
3,1
цнепт теплопроводности rеЛIIЯ прн атмосферно:м давлении 8
интеrвале температур о зоооо С определяется по уравнению
[в ккал/ (м . ч . о С)]
)'t == 0,1365 (8 0,8536)0,69 + 0,757 е ,
Во + 128
rде в t/320; t температура, о с.
Коэффициент теплопроводности rелия при давлении р и
температуре t может быть определен по формуле
.}\J :::::: Л t + 2,00. 1 O 4 fJ + 2,05 . 1 o () р2,
rде /\,t коэффициент теплопроводности rелия при атмосфер..
НО:\1 давлении и температуре t; р плотность rеoJ1ИЯ при давле..
нии р и температуре t, Kr/cM 3 .
Динамическая вязкость rелия при атмосферном давлении в
I1HTepBaJle температур о зооо о С (IЗ Krc. с/м2)
:;;::: h ( 8 + о 8536 ) 0,69 + 0,908. lO 7
J1t · 1 , 78 + u t
rде Ь == 0,2062. 1 0 5.
При давлении р и температуре t динамическая вязкость
rелия
J.L == tt + 0.272 . 1 0 IOp2,
rде М! динамическая вязкость rе.J1ИЯ при атмосферном давле
нии и температуре t.
ОСНОВЫ РАСЧЕТА БУФЕРНОЙ ПОЛОСТИ
При политропном изменении состояния рабочеrо тела в полос..
ти двиrате.;rIЯ работа сжатия
L ож == PcVc ( ] 1 ) === PaVa (Eпl 1 1), (39)
n 1 1 €пl 1 п 1 1
rде пl ПОI<азате.пь Полнтропы сжатня.
4. Работа сжатия дизеля и двиrателя Стирлинrа
Двиrатель V h . Jl Т й' К Р(l' У а , л L сж ,
8 п 1
I{rcicM 2 Ю'С'М
д
д
изе.'IЬ 1 15 f 330 1,37 1 , О 1,07 50
виrа reль С тир- 1 1 t 5 330 1 .3 100 3,0 1300
JIинrа
в табл. 4 прпведены подсчитанные по формуле (39) значе..
ния работы, затраченной в процессе сжатия в дизеле и в дви"
2* 35
rателе Стнрлинrа. При расчете принято, что рабочий объе:м у
обоих ДВИf'ателей одинаковый.
IJз таблицы видно, что работа с:zкатия в ДБиrате.ilе Стир
линrа во MHoro раз больше, чем у дизелей. Пuэтому це.песооб..
разно испо,пьзовать также энерrию с:tкатия, которая специаль
но аккумулируется в буферной полости объемом V б (см.
рис. 1 О). Такие полости имеются во всех двиrателях Стирлпн
..
ra простоrо ДеИсТВИЯ.
В качестве буферных полостей в ДБиrателях иноrда НСПО"lЬ
зуется rерметичный картер. Буферная полость заполняется
тем же рабочим телом, что и цилиндр двиrателя, и сообщается
с erO рабочей ПОо!10СТЬЮ через капиллярную трубку [47]. Это
обеспечивает аВтоматическое реrулирование давления в буфер..
ной полости в зависимости от давления в рабочем пространст
ве, которое зависит, в свою очередь, от наrрузки двиrателя.
При расширении 8 рабочей полости ДвиrатеtilЯ (движении
рабочеrо поршня к н. м. Т.) В буферной полости пронсходит
сжатие rаза, Т. е. аккумулирование энерrии, которая в даль..
нейшем используется для сжатия рабочеrо тела.
Для установившеrося режима работы двиrате"lЯ без учета
потерь можно записать
L еж ::=::: L pu ,
rде LРб ' работа расширения в буферной полости.
Этот энерrетический баланс может быть обеспечен
личных объем ах буферной полости.
Работа расширения Б буферной полости
.
при раЗ'..
L б ::::=: Рб min V б тах [ ( Рб т8х ) (пб [)/пб 1 ] == Рб min V б тах (еnб 1 l),.
р nб 1 Рбmiп nб 1
rде Рб m1n И Рб тах соответственно минимальное и макси..
мальное давления в буферноЙ полости; d б тах максимальный
объе),1 буферной полости; nб показате.пь ПОti'IИТРОПЫ процес..
са В буферной полости.
Тоrда объем буферной полости
v ==: L сж (nб 1)
б шах l [.
Рб min ({/ б max/ V б min) пб 11
(40)
Отношение макси:мальноrо и минима,,1ьноrо давлений в бу
ферной полости зависнт от ее объема. Для уменьшения потерь
теплОТЫ в окружающее пространство от стенок буферноЙ по
u
,,10СТИ желательно У:\1еньшать перепад даВо!lенни, т. е. уве",lПЧИ
вать объе:\1 буферноЙ ПОЛОСТИ. В 1ноrоцилиндровых ДВIIrате
.пях Стирлинrа это достиrается объединение между собой бу
ферных полостей отдельных цилиндров.
36
5. Давление в рабочей и буферной
полостях ДвиrатеЛя Стирлинrа
(в KfC/CM?)
в табл. 5 прнведены дaB
.пения в рабочей и буферноЙ
полостях сушествующеrо дви
rателя Стирлинrа мощно
стью 40 л. с. с диаметром
цилиндра D==88 мм н ходом
поршня S:::::60 ММ [25].
Среднее давление Рср оп
ределялось как средиее ариф
метическое Ртах и РПlin. Пе
репад давлений в буферной
полости меньше, чем в рабочей, а средние даВ.Jlения в этих по..
лостях близки друr друrу по величине.
Есди объем буферной полостн выбран из конструктивных
соображений, то изменение давления в ней можно определить
по формуле
ПО.ТlOС1Ъ Ртах Pmin Р ср
Рабочая 100 50 75
Буферная 85 55 70
L еж == L рб ::::::: Р6miп V бrnах [( V6тax ) пб 1 1 ] .
nб 1 V б rnin
Прн выбранном V б тах И Vб mln== Vб max Vh находят мнни
мальное дав.пение в буферной полости Рб m1n. Затем по ypaBHe
нию ПОoJ1итропноrо изменения состояния rаза определяют теку-
щее даВoJlение р в буферной полости.
На рис. 21 показано изменение давления в буферной подости
в функции уrла повuрuта коленчатоrо вала для двиrателя, име
Ющеrо V h ==2140 см 3 ; V c ==7130 см3; Vб тах == 8428 см 3 ; л=:::R/L==
== 0,3; (rде R раднус кривошипа, L длина шатуна) ; k ==
==e/R (rде e дезаксиал I{ривошнпно шатунноrо механизма);
8==1,3; R==4,6 см; S/D==0,8 (rде S ход поршня, D диаметр
цилиндра); диаметр штока D шт ==2,0 см; работа сжатия в бу
ферной полости Lсw.б == 176 200 Krc. СМ.
Изменение давления rаза в буферной полости необходимо
знать д.пя расчета rазовых сил, действуюших на рабочий пор
шень.
Pt. K8C jcM 2
100.
80
50
О
ЬО
120
I
180
2чО
300
J600. :
Рис. 21. Изменение ДaJмения в буферной лолости Рб ДВНrате.lSl
Стирлннrа
37
1ЕПЛОВОЙ БАЛАНС двиr А 1ЕЛЯ
.
Уравнение общеrо тсплоВоrо баланса двиrате"Т'[я, показываю
...
щее распределсние теплоты, выде.Jlяе 10И при сrораllJlИ топлива
,в камере сrорапия, па полезную работу и различные потери,
:можно предстаВIIТЬ в следующем ВИде:
QT === Qe + Qw + Qrаз + QM + QИС --f QOCT'
тде Qc ' теплота, эквиваЛентная эффективной работе двиrате-
,ля; Qw теплота, передаваемая в СIIсте:\1У охлаждения; Qrаз
теlIлоrа, уносимая продуктами сrорания; QM теплота, переда-
ваемая смазочному маслу; QHC потери теплоты вследствие
неllО.п:ноты сrорания топлива; QOCT остаточный член, характе-
...
ризующии неучтенные потери теплоты.
Наиболее точно величины состаВЛЯIОЩИХ тепловоrо баланса
MorYT быть опреде.лены только экспериментальным путем.
В большинстпе С4J1учаев тепловой ба.папс составляют в ОТНО-
СlIтельных величинах (в долях иди процентах) , Т. е. относят ето
составляющие к количеству распо.rrаrаемой теп.ilОТЫ. В этоМ слу-
чае уравнение тепловоrо баланса имеет вил
100% === qe + qw + qrаз + qM + QHC + qOCT"
Распределение располаrаемой теплоты топлива в двиrателе
Стирлипrа при N e ::=:40 .,1]. с., п::=: 1500 об/мин и Ртах::=:] 40 KrC/CM
наказано па рпс. 22 [48].
Сравнение этих данных с теП,,10ВЫМ ба.пансом, например, че
TbIpexTaKTHoro дизеля при работе по внеПJней характеристике
(рис. 23) показывает, что тепловой баланс двиrателя Стирлин
ra существенно отличается от теПЛОПОI'О баланса дизеля. По
с;:.1
1/,%1 't5' q,%
QZ{J3 I
qzоз
/]0 80
I I J
,БО
l БО
.1{.0 J цО
I I
20 t 20 $?
ба
Рис. 22. ТепловоА
.лане двиr8тепя Стир-
ЛИНI'а:
5 10 15 Pe,I<i:C/CM 2 О 1000 2000 а при ...
раооте с п
а} о) п,оtijМl1Н const; б при работе
с р шах const
,38
10
о
t5
;
!
,
....
I
I
,
'"
D 51(
r
I П,'WХ
5
"\.
"'
о, , 0"0
Обп
O;rr
{)шrрс
п б()
{}ле (}r
r
o.lJH
11 /)'
ппn
!!
3 , s
,,'/
иН1 11 , ',.
О,,;: I .ц
J
.1 Illf(,' , /J I1 П
't , о
а х I
11 /
"
, '-}II
/J Wf 1 Jl}
I
1/'
(1r?
w, (11/..... ,
. I
/'
1
{
(/, о/с
",'
б
/
/30
7
.
fj
/
"?
"()
/
БО
(l иХ fJ j1
40
"
,(, с)
О;"'?
"
п"
!
V"l
Or.'
()
1{)ои
1
O(}
2000
П.10д/Мl1Н
О , О/{
1'1 ...,
Рис. 23. Тепловой баланс lJeTLlpeXTaKTHoro дизе.1Я при работе по внешнеii характеристике
Рис. 24. Схема дли составления теП.1:0воrо бат:шса двиrателя стирлинrа с камЕ:'РОЙ cro
рюши для жидкоrо топлива:
1
хо.:'юдная полость ;:щиrателя; 2
'Компрессор; 3
rорячая полость двиrателя; 4
воз
;J:ухоподоrре.ваТfЛЬ; 5
камера сrорания; 6
liarpen3Tellb; 7
rазовая ПОЛОСТЬ рСl'Е:'ие.
ратора; 8
насаДIШ реrеператора; 9
аХ.'1эдитеJJЬ
сравиеНJlIО с дизелями в двиrателях Стирлинrа значительно
меньше ОТВ()ДIlТСЯ ТСIIЛ()ТЫ С продуктами сrорания qra'J И значи..
тельно больше в систему охлал{дения q1Vo Так как теплорассеи..
...
ванне этан части теплоты в ОКРУJI<ДIОIДУIО среду осуществляется
при малых температурных перепадах, то двнrатель СТИРcilИНI'а
ДОJIЖСН быть оборудован системоЙ охлаждеНIlЯ со значптельно
бо.пыпеil теплопередаlощей повсрхносты.. Это обстоятеЛhСТВО, в
частности, является ОДНИМ из нсдостаткоп ДВИI'зтсле1"'! СТJIrлин
ra при их ПСПО..:lЬЗ0ваНIIИ на транспортных среДСТВ<1Х.
Для анализа процессов в отдельных контурах пли отдель
пых aI'peraTax двиrателя СТИр.тIннrа состаВЛЯI{)Т соответствую
ЩIIС теПловые балансы. Схема для составления тепловоrо балап
r::a двиrателя Стирлннrа с вытеснительным поршнсм, оборудо.
BaHHoro
камерой старания, работающей на :ЯПIДКОМ топливе,
изобра)кена на рис. 24. Направления тепловых пот'оков обоз на..
чены стрелка:\1И.
При составлении тспловоrо баланса двнrателя обычно ВЫДС"
u u
ЛЯIOт внешнни разомкнутыи контур подвода теплоты, внутрен..
ний контур двиrателя (в котором происходит рабочий цикл) и
39
expert22 для http://rutracker.org
внешний контур ОТБода теплоты от двиrателя (который ВКЛЮЧ(1--
ст системы отвода теплоты от охладителя 9 и нз системы смаз
1\: и ) .
Процесс подвода теплоты во внешнем контуре осущеСТDЛЯ
ется следующим образом. Воздух, поступающий в компрессор 2,
вносит теплоту QBO, опреде,,1JЯ МУЮ разностью энтальпий возду
ха при измеиении температуры ero от О о С до температуры на
ВХОде в компрессор. После сжатия В компрессоре воздух с теп
лотой Qп поступает в воздухоподоrреватель 4, rде он получает
дополните..1JЬНУЮ теп.JIОТУ от продуктов сrорания топ..1ива, BЫ
шедших из наrревателя 6. Поступающие В воздухоподоrрева
тель продукты сrорания топ.пива вносят теплоту Q' пс, а на BЫ
ходе из воздухоподоrревателя ими выносится теплота QHbIX. Теп..
лота, вносимая вnздухом в камеру сrорания 5, равна Qв:rr. До..
полнительна в камеру сrорания вносится физическая теплота
топлива QTO и теплота QT, выделяемая при полном сrорании
топлива.
Продукты сторания, выходящие из Ka epы сrорания, имеют
теП"IJОТУ Qnc; часть теплоты от сrорания топлива QIIC теряется
вследствие неполноrо ero cropa ния. Часть теплоты продуктов
сrорания Q' вн передается 130 13нутрениий тепловой контур рабо--
чему телу при постоянном nбъеме через стенки наrревателя, а
друrая часть Q" ВИ при постоянной температуре через стенки
ци.пиндра rорячеЙ ПОЛОСТI1 3. Некоторое количество теП,,10ТЫ
продуктов сrораиия QOlФ.С отводится во внешнем тепловом KOH
туре в окружающую среду.
.равнение теп.повоr'О баланса внешнеrо контура подво;:r,з
теп.;lоты может быть записано в виде
. "
QBR + QTO + QT == QBH + Qвн + QBblX -1 QHC + OKP.C'
rде QDbIX ---------о теп.пота, уносимая продуктами сrорания из воздух(,
подоrреватедя.
l\\етодика составлеиия тепловоrо баланса виутреннеrо теfiЛО
Boro контура иичем не отличается от прнведениой выше. Во
внутреннем тепловом коитуре теп.пота Q' ВН Н Q" ВII расходуется
на совеРlllеиие эффективной работы, которой эквивалентна тсп
лота Qe, И на привод компрессора QH' Kpo e Toro, отводится в
систему охлаждения Qш со смазочным маслом Q I и в окружаI{)
IЦУЮ среду QORP,p.
УраDнение теП.JIовоrо баланса виутреннеrо теП.'10воr'о контура
нмеет вид (индекс «1» соответствует подводу теплотЫ, индекс
«2» отводу теП.JIОТЫ; штрих процессу теплообмена при пос
тоянном объе\1е; два штриха пропессу теплообмена при пос
'Тоянной температуре) :
, n I 1" ",.,
Свн + Qпн + QtllI + Qw2 + QM == Qe + Qli + QwI + Qw2 +
"
QM + QOKp,p.
40
Тепловой баланс может Быlъ cocTaB&lleH отдельно для каждо
[о узла двнrателя, например для воздухоподоrревателя, камеры
сrорання, на[реDателя и т. д.
Рассмотрим выражения для отдельных СОСтавиых частей
тепловоrо баланса за час работы двнrателя.
Располаrаемая теплота топлива опредедяется низшей теп
лотой сrорания ТОП.ПИва Ни И часовым расходом тОП,,'Iива G T :
Q"f == н иОТ.
Эффективная работа, совершенная ДВl1rате..1Jем, выраженная
в тепловых единицах:
Qe == 632N€"
Теплота, воспринимаемая от рабочеrо тела ВlIутреННIIМИ IIО
верхиостями цилиндра в холодной полости и стенками ОХ,,1Jади
Теля, отводится в окружающую среду при помощи охлаждаю-
u
щеи жидкости и определяется по расходу охлаждающеи жид-
I(ОСТИ И измеиеНИIО температуры :ее при входе в систему и на
выходе из нее:
Qw == QWl + QW2t
rде
, .,
QWl :::::=: Qwl Qw == OWl6.t 1 c w ;
. ,.
Q 'W2 === Qw2 Qw2 == О W2tJ..t2C w;
G lc1 И G 1c2 расходы охла)кдающеЙ ЖИДКОС'flI соответственно
u
через систему охлаЖдениЯ холодном полости ДВНrа теля и CHCTe
му ох.паждеllИЯ охладителя; дt I и !J.t2 изменение температуры
u
ЖИДКОСТИ соответственно в СИС'I'еме охлаждения холодно и полос..
ти ДDнrателя и в систеМе охлаждения охладителя; C w тепло
'-'
еМКОС1Ъ охлаждаюшеи жидкости.
СО СМЗЗ0ЧНЫМ маслом теплота 1'еряется только в картере
'-' "
,J,виrателя, так как в rорячеи н ХО&llОДИОИ полостях ero движу
щиеся детали Не смазываются, а теплота трения передается
..
только охла.ж-:даюшеи жидкости.
Теплоту, воспринимаемую маСЛО 1:, определяют по расходу
lасла G rrr и изменению ero температуры дt м при выходе IIЗ си
стемы и при входе в нее
1, .
QM == QM QM == 0MD..fMc M ,
I",.J,e См теплоемкость масла.
Теплоту, уносимую продуктаМII сrорания топлива, вычнсля
ют пn разности теплоты QBLIX отработавших rазов за выпускным
трубопроводом, теплоты поступаЮU1.еrо 8 двиrатель воздуха
QBO и подаваемоrо в Ka.l1:epy сrорания топлива QTO:
Qrзз == Q.wx Qao QTG'
l
[де Qвых== GвыхСр'тtш.IX; Qll(J G вз с' рт}о; QTO GrrCT(T; G вых , G вз Н
О'Т маССа соответствснно отработаВllJИХ rазов, воздуха и топ
,
лива; С рт . И С pт среДНИе удельные теплоемкости COOTBeTCTBeH
ио отработавших rазов и воздуха при ПОСТОяниОМ давлении;
t вых , t o и t T температура соответственно отработавших rазов
за выпускны трубопроводом, окружающей среДЫ и топлива,
поступающеrо в форсунку камеры сrорания; CoT : УДельная теП
..'10емкость топлива.
Процесс сrорания топлива обычно происходит при коэффи
циенте избытка воздуха в зоне rорения не менее 1 ,3 1 ,5. Для
обеспечения надежной работы деталей rорячей полости двиrа
теля температура продуктов сrорання перед HarpeBaTe,,1eM не
.,
должна превыlI ать определеннои ве.;lИЧИИЫ в зависимости от
физических свойств материала наrревате.;lЯ. Поэтому к продук
..
там сrорания после зоны rорення ПОДВОДится вторичныи воздух
В КОЛИЧеСТВе. достаточном для Доведения их температуры до He
обходимой по условиям надежности работы наrревателя. В свя
зи С ЭТИМ общий коэффициент избытка воздуха может быть
больше 2. Потери теплоты от неполн6rо сrорания опреде яются
по даипы:м анализа продуктов сrорани:я, элсментарному составу
ТоПЛJJва и ero расходу. Остаточный член теПoJl0воrо баланса xa
..
раI(теризует количество теплоты, теряемом двиrателсм в резуль
тате теплообмена с окружающей средоЙ, и неУЧТСНllые потери
теП,}10ТЫ. .
Эти потери расчету точнО не полдаIОТСЯ и I MorYT быть
прнбдизите.'1ЬJJО опредслены то.пько экспериментальным путем
на реальных дпиrателях.
Количество теплотЫ, передаваемой нз внешнеrо контура во
u
внутреннии, зависит от наl'рУЗКИ па двпrатель и определяется
ус.rrОВИЯ!\ПI теплообмена ме}кду Этими контурами
, '"
QEH + QBH == k T F l l1t 1 + kTF2 t2'
rде k' т, k fl Т коэффициенты теплопередачи между продуктами
сrорания и рабочим телом соответственно в наrрепателе и в
rорячей полости; Flt Р 2 поверхности теплообмена COOTBeTCT
ВеНно наrревателя и rорячей полости; tl, , t2 срсднеинтеr
pa.ТIЬHЫC разности температур между продукта 1И сrорания и
рабочим т'елом соответственно в Harpena теле и в rорячей поло
сти.
Процессы теплообмена в Двиrателе нестационарныс. OДHa
ко опыт показывает, что в течение одноrо цикла средняя теМПе
ратура стенок цилиндра и трубок наrревателя изменяется нез
начитсльно и она может БыIьь принята постоянной. При измеНе
нин режима работы двиrателя обычно стремятся сохранить зна..
t.J .,
чение этон температуры так}ке постаяннои, реrулируя COOTBeT
СТВУIОЩИМ образом IIОДачу топлива и воздуха, что позволяет
поддерживать к. п. д. ДБиrателя на достаточно высоком уровне.
42
Основная ТРУДНОСТЬ заI\лючается в расчете КОЭффННIIСПТОВ
теплопередачи, Te 1 более что характеристики теПЛОПСJ1еД()L(И
определенные при стаиIIонарном режиме, не совпадают с харак"
теристика и для циклических процессав.
Температура продуктов сrорания выIеe маКСН 1альной TeM
пературы рабочеrо TCJIa, поэтому тепловой поток Всеrда направ..
..
лен НЗ внешнеrо тепловоrо I\oHTyp.a во внутреннии.
В rnрячую ПОЛОСТЬ двиrатсдя теплота Q" иl (рис. 24) посту..
пает с рабочим TeJ10M. втекающим в подость из наrревателя, а
отводится теплота Q' HI рабочим тедом, вытесняемым из rорячеЙ
полости и Поступающи в наrреватель. Часть теплоты Qп OTBO
дится из rорячей полости в ХО"Т'Jодную путем теплообмена с xo
u U
ЛОДНОИ полостью через вытеснительныи поршень и стенки IIИ
линдра. Потерями тепJ10ты Qпр вследствие перетекания части
р абочеrо тела из rорячей ПО"Т'Jости в холодную через зазор меж
ду степками цилиндра и вытеснитеollЫ:lЫМ 'IInpUJHeM нельзя пре
небреrать, так ка:к при равенстпе кОличеств рабочеrо тела, Пере
текающеrо через зазор между Стспками цилиндра и поршнем из
торячей ПОЛОСТIl n ХО<iТIUДIlУIО 11 обратно, тепловой пОтоК из rоря
чей ПОЛОСТJI в ХОЛОДIIУIО ПО ЛСЛlIчине больше потока в обратном
направлении. При ПеретекаНИII рабочеrо тела из rорячей Полос
ти в хо...lодную из наrретзателя отводится теплота Q'п2t которая
частично передается насадке pcreHepaTopa в количестве Q'p,
частично теряется в окружающую среду и отводится рабочим
телом в охладитедь в количеСтве Q'XI. При обратном движении
рабочеrо те.аа к ТСПoll0те Q' xl, вносимой Iрабочим Te"TIoM, посту
lIаЮЩН 1 из охладителя в реrеиератор, в пос.педнем прибавляет
Ся теПЛОта Q"p. Однако Q"p<Q'p, таи: как часть тепдnты QOHP.P.
из реrеператора теряется в окру)кающую среду.
Таким образом, теплОвой ба..'1анс pereHepaTopa представится
в ВИДе (индексы СМ. на стр. 40).
, '1 '1 , 11 ,
Qи2 + Qp + (\1 == Qp + QH2 + QHI + QOKP_P.
При установившемся режиме работы дпиrателя, коrда и:оли-
чество рабочеrо тела, Ilоступающеrо в каждую полость Двиrа-
..
те,,1Я, равно ко.пичеству рабочеrо тела, выходящеrо из полостеи,.
l' I tI , п ,
Qи2 < Qи2; Qp < Qp; Qxl < Qxl.
Количество теплоты, ПередаваеМОЙ насадке pereHepaTopa t в
"
иеСКО.iIЬКО раз превышает количество теплоты, отводимои из
внешнеrо тепловоrо .контура во внутренний [6].
Тепловой баланс охладитс"Т'JЯ
, п I rr 1, I
Qx2 + Qx2 + Qw2 == QXl + QШ2 + ()х2.
в этом уравнении
, , " " 11 ,
Qx2 < Qxl; Qxl < Qx2; Qw2 > Qw2,
43
потому что от охладителя теплота РТВQДИТСЯ охла}кдающей
ЖИДкОСТЬЮ как nplI ПРЯМОМ, так и при обратиом движении pa
бочеrо тела через охладпте.пь н она равиа разности энтальпии
охлаж:дающей жидкости на оыходе из ОХ..1Jадителя н на входе
в н ero_
Во внутрением теП.J10ВОМ контуре, кроме указанных ВЫШе.
имеются также потери теплоты, обусловленные аэродииамичес
ким треиием при перетекании рабочеrо тела из одной полости в
друrую. Так как проuессы в рабочем пространстве двиrате..'1Я
Стир.линrа ЯБ.ПЯЮТСЯ циклическими, то эти потери также зави
сят от времени. Теплота, выделяемая при аэродииамическом
трении, частично теряется через стенки, оrраничивающие рабо
чее пространство двиrателя, а частично расходуется на Harpen
рабочеrо тела, что наиБОoJlее сильно отражается на параметрах
rаза в ХОЛОдной полости двиrате..'1Я. Потери иа аэродинамичес
кое треиие наиБО.J1ьшие в иаrревателе (около БОй/о), а наимень
шие в pereHepaTope (примерно 10%) [48].
Часть теплоты, преобразуемой в индикаторную работу дви
rателя, расходуется иа привод вспомоrательных механизмов.
Эта затрата теплоты обычно больше, чем в двиrателях BHYTpeH
Hero сrорания (из за подачи БОльшеrо кОличества воздуха в Ka
меру сrораНJlЯ и большеrо расхода охдаждающей жидкости).
Однако в двиrателях Стирлинrа практически отсутствует расход
.
с азочноrо масла вслеДСТВИе выrорания, поэтому экоиомич ская
эффективность этоrо двиrатедя выше (расход масла в Дизе.lIЯХ
составляет 2 3 rf (л. с. ч) [48], а стоимость масла ПримерНО в
1 О раз выше стоимости дизе.пьноrо топлива) . СледоватеoJ1ЪПО,
при сравнении дизе.llЯ с двиrатеЛями Стирлинrа к удельиому
расходу топлива дизелем следует прибавить еще 20
30 r / (.11 - С . ч) .
Величины отдельных составляющих тепловоrо баланса зави
сят от типа двиrателя, режима работы, температуры поверхно
сти трубок наrревателя и охладителя.
Как уже отмечалось выше, иаибольшие трудности Представ
ляет определение составляющих BHYTpeHHero тепловоrо балан
са двнrатедя. Имеющиеся данные показывают. что повышение
температуры стенок Т Fи наrревателя увеличивает мощность 11
к. П. д. двиrателя (рис. 25), а повыI1ениеe температуры t OB ox
лаждающей воды на входе в охладитель умеиьшает мощность
н к. п. д. ДВиrателя (рис. 26) [48].
При повышении температуры стеНОК наrревате Ля возраста
ет работа расширения, а при увеличении температуры охлажда:
ющей воды работа, затрачиваемая на с}катие rаза в рабочеи
ПО..'10СТИ.
Применяемые в настоящее время для изrотовления HarpeBa
теля материалы ПО3ВО.J1ЯЮТ повышать температуру стенок до
7000 С. Прн изменении режима работы двиrателя температура
44
.., п
f.fe" "L.
'7
Не//. r.
30
!
n. Не
, ,
17e I
,
i
'7,
30
46
20
о,ф
0,6
70
2
20
0."
о
200 ЗОО 4fJO 5fJO 600 700 tfH, "С
70
10
20
30
40
O,Z
50 tN ОС
Оf//
Рис. 25. Изменение эффективноА мощности N е и зффеКТНlIноrо К. П. Д. 1J e Двиrателя
СТИР.'Iинrа в зависимости от температуры стенок H8rpeBaTeJIR t Ftl пр" n == 1500 об/мин
11 Ртах == 140 Krc/cMl
РИС. 26. Изменение эффективной МОщИЩ:ТН N е и sффеКТМDноrо к. п. Д. 'I1e Двиrатедя
Стирлинrа ОТ температур.. ОХJIаждающеА ВОД" t 08 на входе в ХОЛОДИЛЬНИК при
n==1500 об/мнн и Ртах ....140 Kr/cM
u
стенок наrревателя поддерживается ПОСТОЯННОи, а мощность pe
rУ,,'1ируется изменением давления рабочеrо тела в uилиндре.
При постоянной частоте вращения ко.пенчаТОI О вала снижение
даВJlеНИЯ rаза в рабочем пространстве двиrателя ухудшает yc
ЛОвия теп.пооб:мена и К. п. д. двиrате.пя уменьшается. При пос
тояином макси альном давлении рабочеrо тела уве.аичение
частоты вращения до некоторых пор способствует улучшению
теп.пообмена между внеllIНИМ и внутрениим контурами и к. п. д.
..
двиrате.пЯ возрастает; при дальнеишем увеличении частоты
вращения сокращается время, отводимое иа осуществление
цикла, услnвия теп.пообм на ухудшаются, а также повышаются
8ЭРОДIIнамнческие потери в двиrателе и к. п. д. ero начинает
поннжаться (СМ. рИС. 22).
ЛРОЦЕССЫ В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ
Д.lIЯ уве.iIl1чения МОIЦНОСтИ, к. п. д. и друrих показателей двиrа
Те.ЛЯ необходимо стремиться к повыIениюю температуры рабоче
...
ro тела в rорячеи полости и к СНИ}КеНию ero температуры в xo
v
",10ДНОИ, а также к росту к. п. д. pereHepaTopa н уменьшеиию
размеров и массы охладителя и наrревателя в оптимальных
пределах. Степень форсирования дриrателей орrаничивается не
только механическими напряжениями в ero деталях, но и тем
пературными напряжениями, зависящими от температурных rpa
диентов. Поэтому дальнейшее форсирование двиrателей по
Среднему эффективному давлению и частоте вращения в зна
чительнои мере зависит от COBepUJeHCTBa процессов в теП.r100б..
Меиных аппаратах.
45
о
Рис. 27. Измеление скорости Подвода Ten.:IOTbl B
roрячей q tl" 11 ХО.:Iодной q tx полостях двиrате
ли СТИр инrа ь зависимости ОТ уrла ПОВороТа KO
ленчатоro вала а
rft} 11/f ОЛ/(СМ 3 '00jМШ f )
1,0
0,5
Для теп.,тIовоrо расчета ЦИК"l3'
реалЬ'ноf'О двиrателя необход:имо
знать аналитические з ав1J.СИ мости
местных коэффициентов теП.:1nПе
редаЧtи, т'идрав.пичеС'ких СОПрОТИВ
., .
лении rазовых т'ра'Ктов и друrих
пара метров от времени. Все это,
у.сложняет 'расчеты и требует BHe
u
сеиия ряда допущенrии и ОI1рани--
необходимых размеров поверхностей
60
o.5 \
1
.....1.0
..
чении при ОПределении
теплообмена.
Из четырех основных теплообменных аппаратов двиrатепя
TO.}IbKO в одном воздухоподоrревателе процесс теплообме..
на при устаНОВlIвшемся режиме работы двиrате"lЯ стациоиар--
ный. Поэтому Методика расчета этоrо теплобменннка ничем
не ОТoIlичается ,от методики расчета извеСТНЫХ теплообменных
аппаратов подобноrо типа. IlpoueccbI теплообмена в друrих теп
.J100бменных аппаратах ДВиrатеv1Я можно исследовать, исполь
зуя законы движения :vraCCOBbJX потоков в отдельных полостях
ДВиrате..'1Я (см. раздел «Движение рабочеrо тела в ПО,,10СТЯХ
двиrателя»). Скорости потока в различных сечениях теПvlооб
менных аппаратов ОIIреде..'1ЯЮТ по мтновенным расходам рабо..
u
чеrо тела при перетекании из однои полости В друrую.
Используя Iуравнение энерrетическоrо баланса, можно най
тн скорость подвода теплоты к рабочему теду в любой полости
ДВиrатеЛЯ. КО,;lичество подведениой тепдоты
qt == dr;j/dt dU/dt + ApdV/dt (dG/dt) i. (41)
С,читая рабочее тело идеаЛЬНЫМ rазом и принимая темпе
ц u
ратуру ero в даннои полости постояниом, получаем
qt == (С р cv) иТ + ApdV/dt.
rде с р удельная теплоемкость рабочеrо теда при постоянном
давлеНИIl.
l-Iспользуя уравнение изменения кОoJlичества rаза в полос
тн двиrателя
(f (I/RT) (pdV/dt + Vdp/dt).
..
получим уравнение измеНения количества подведеннои тепло
ты для полости двиrатедя
qt == (С р Cv) Т (1/ RT) (pdV/dt + V dpjdt) +, ApdV/d(
46
< учетом, что cp cv=:::AR, имеем
qt == AV dp/dt. (42)
Величину dpjdt можно найти по уравнеНИЯ 1 (37) или (38).
Из енение скорости подвода и отвода теплоты в rорячей
qtr и холодной qtx ПОЛОСТЯХ дЛЯ одноrо нз двиrате,пей Стирлп:и
I'а [39], определенное по рассмотренной выше методике, приве
дено на рис. 27.
На оснОвании этих расчетов МОЖНО Iсд.елать ,следуюшие 'BЫ
.воды.
1. Подвод и отвод теп.;rJОТЫ 'во всех полостях .происходит в
,одни и те Же IПериОДЫ, так IKaK давление в ПОЛОСТЯХ изменяет,ся
'по ОДНОМV И тому же закону.
2. Маrысимальное количествО подведенной теПЛОТЫ значи
тельно превышает ее среднее значение, поэтому поверх'Ности
теП.ilообмена следует рассчитывать по Mf1HO'BeHHbIM, а не по
-средним ,скоростям подвода теплоты.
ОСНОВЫ УТОЧНЕнноrо РАСЧЕТА
РАБОЧЕrо ПРОЦЕССд двиrАТЕЛЯ
,До,статочно хорошее ,совпадение 'ра'счеrных и э сперимента.J1Ь
'НЫХ данных получается при расчете процеосов, если объем rаза
разделить на ряд ма..ттых' элементов {35]. Массовый переБОС и
об 1ен энерrией между элементами и ,стенками определяют в
\фуН"КIIИИ времени. Дав.пение 11 темпе.ратуру rаза в выделенном
эле еНТе 'рассчитывают для каждоrо промежутка 'Времени по
У'РавнеНИЯ11 движения, баланса ма,сс и состояния. Течение rаза
.считают ламинарным, уста нови-вшимся, а те1'рпературу ,стеиок
ци.пиндра и наrревателя постоянными.
Хорошее ,совпадение 'расчетов с эк,оперименталыными данны"
'ми дает, наiПриме1р, MeToдwкa, лр'едложенная Т. Ф'инкельштей..
HO [38]. При этом !Принимают 'Следующие допущения: рабочее
.,
тело идеальныи rаз и состояние ero -в ПОЛОСТЯХ рав'Новесное;
u u
температуры -в rорячеи и холоднои полостях одинаковые по
всему объему и за'висят только от времени; температуры по..
верх:ностей теплообменииков постоянные и рапные 'средним
значеН'иям; тепловое 'сопротивление материала стенок 'OTCY CT"
вует, а коэффициенты теплопередачи постоянные. к,роме Toro,
'\пренебреrают перетеканием rаза из одной .полости в друryю
поми:мо теплообменных аппаратов, 3 rидра!вл.ические потери
-считают 'пропорциональиыми мrиовеиным расходам рабочеro
тела.
Расчет 'Производится с учето действитеЛbJНЫХ законов изме
'нения объемов rорячей 'и холодиой :полостей двиrателя., реаль..
rHbIX коэффициентов теплопередачи и к. п. д. реrеиератора, а
также .с учетом из енениЯ даВЛения 'в отдельных полостях
47
ра6О'чеIО' пространства двиrате.J1Я из за аэрО'динамическоrО' CO'
ПРОТИlвления 'при перетекании рабочеrО' 'тела из О'.щиой полости
I
В друrую.
Расчет процессО',в теплО'обмена в двиrателях Стирлинrа 'пО'
методиrке, описаниой Т. ФинкелыlIтеwнО'м, требует испО'льЗова..
иия ЭВ,М. Расчетная схема ДБиrателя показаиа на рис. 14.
Для определеиия изменения' теА'lпературы в пО'лостях рабо..
чеrО' 1Пространства двиrаТеЛЯ используется уравнение энерrеТИ"
ческоrо баланса
dQ + d/ ==:AdL + dU,
(43)
rде / эитальпия раБО'чеrо тела.
После ряда преО'бразованнй уравнение
виду
dT =::= [ arF (Т р Т)
dt Q С р
(43) привО'дит,ся К
+ ф ( dG ) dG (T1' Т)} ART
dt dt рС р
dp
dt '
rде ar кО'эффициент теплоО'тдачи О'т .стенок rорячей полости
ДВиrателя 'к рабочему телу; F ПЛО'll{адь tJlоверхности теП.Jl0'"
О'бмена; T F температура поверх.нО'сти стенки; Tr темпеJ1а
тура ра.бочеrо тела Б rорячей пО'лости; Ф (dG/ di) .спеппаль..
ная ступенчатая функция, учиты,вающая изменеНие количества
раБО'чеrо тела -в полости в за,висимО'сти ОТ .направления ДВиЖе--
ния ero пО'тО'ка.
ДаннО'е уравнение может быть примененО' как к rорячей.,
та'К и 'К ХО'.Jl0ДНО'Й 'полостям двиrателя. Для rорячей ПО'.}'IОСТН
ДВиrате.пя уравнение в безразмернО'й форме имеет вид
dTr/ da = (l/gr) [al,F r (а) (1 't 1' ) + Ф(dg,/da.) '"[РН"Нl Tr)]
+ ((k l)jk] 171' (dПr/dr:J..)jП r .
rде 'tr== T/Tr lприведенная температура рабочеrО' тела 'Б ro
рячей 1J10ЛОСТИ; а уrО'л ПОБорота коленчатО'rО' 'вала; gr== Gr /G
приведе.нная маоса раБО'чеrо тела 'в rорячей ПО,;10СТИ; ar==
:::= arFrmax/ (GCpmUJ) прИВеденный кО'эффиuиент теплО'от да чи
О'т пО'верхиости ,стенО'к rорячей полости к раБО'че:му телу;
F rmilx ма'ысимаЛЬtИая поверхность теплО'О'бмена стеиО'к rоря
чей IПОЛ.ОСТИ; С рт средНяя удельная теплО'емкО'сть раБО'чеrо
тела при [JOCTOHHHOM давлении; (J) уrло-вая с'корость коленча
TOrO' вала; 'Fr(a) безразмерная фу,нкция, О'пределяющая из-
u
мене:ИИе пО'верхности rорячеи ПО'лО'сти в зависимО'сти О'Т yr ла
повО'рО'та коленчатО'rО' Ba..1Ja; 'tFH== тр.н/Т Fl' и тнl == Т нtlТ Fи mри
ведениые температуры 'сО'ответ,ственнн CTeJНO'K наrреваrеля и
раБО'чеrО' тела в нем; T1i'H 'и Т Р!' температуры CT HO"K СО'ОТБет
ствеино Iнаrре'Вате..1JЯ и rО'рячей .полости; Т н1 те пература
раБО'чеrо тела в 'наrреваrеле сО' стороны rо'рячей пО'лО'сти; П r ==-
48
.; (Pr V х тах) I (G R . т Fr) прнведенное давление в rорячей по
.:JОСТИ; Т Fr температура C'reHoK rорячей ПО.JIОСТИ.
В аналоrичной форме можно ,представить и уравнение эиер:--
I'стическоrо баланса для холощной полости двиrателЯ.
Расчет 'наrревателя IПроизвЬдят исходя из предположения
что температура ero стенок 'BЫЦIe температуры рабочеro Тела
находящеrося в полостн Iнаrpева'теля. Следовательно, темпера
тура 'рабочеrо тела 'иа выходе из IнаrреватеJ1Я должна быть BЫ
Ille температу,ры рабочеrо тела на 'Входе в Hero, т. е. при из
менении fнапраlВлеиия движения rаза справедливы неравенства
т н1 Т 112, rде т н2 теМ1пература 'рабочеrо TecJla в иаrрева теле-
со 'стороны холодной полости. Измеиеиия температуры rаза В;
иаrревателе и охладителе оБУС..тIовлены теплообменом между
rазом 'и раЗВИТЫ 1И JIоверхностями стенок каналов, по КОТОрЫ11
движется rаз. Зависимость ;между !конеч.ны 'И температурамИ"
рабочеrо тела 'в !HarpeBaTe0l1e имеет вид
а.
1 Т И2 ::=: (1 - 'т н1 ) е dgr/dCi' ,
rде Тн2 'Приведениая темпер ату ра рабочеrо тела в наrревате.пе-
со стораны pereHepa-vора; а н == aHFнI (GCpт<iJ) безразмерный
коэффициент теплоотдачи от Iповерхности стенок tНаI1ревателя 'К:
рабочему телу; ан коэффициеит теплоотдачи от 'стенок Ha
rре:вателя к рабочему телу; Р Н поверхность -стенок HarpeBa 4
т ел я.
Соотвеreтвующее уравнение Iприменяется и при определении
зависимости между тем'перату'рами рабочеrо тела в охлади
теЛе.
Измеисиие температуры рабочеro тела в rорячей и холодной'
...
пnлостях цилиндра двиrателя, определениое .по этон MeToдwкe"
ПрНrведено на IpHC. 28 [38]. 3начение относитеЛI>НОЙ теМiпературы
't, равное 1, с{)ответствует температуре стенок цилиндра. В ro
рячеи ПОЛОСтИ -среДНЯЯ относительная температура ииже 1, а'
в холодиой выше. При Т 1 == 873 I(
и Т 2== 288 К средиие ОТКЛонения 't
u
т'е:мператур в rорячеи iПОЛОСТ1и co
ставляли 12 К, а .в холодной поло
сти 6 К {38]. К. п. Д. pererHepaTopa, O!;
по опытным данным, достиrает 99%
[45]. 1,00
Как показы.вает анализ, при :BЫ
СОКНХ значениях к. 'п. Л. pere;HepaTo
..
ра уточнеиныи расчет ero может 0,95
\ I
+ TXt!!.... i
\1
.....
,
.......
/1
/ f
;/ l
L
'\ Тх
\'
/
/
Tr lP
,
I
'Cr
РИс. 2В. Изменеиие пр1tВfдеяной температуры ra
за n rоJtllчеlli 't r Н холодноii 't x полостях ДВИrа
Тtля Стирлипrа в завис.имости от уrла поворота
ко енчатоrо .a a а
Ц9
О
JilJ
i
180
270
0:0
,
.( ,
не ПРОИЗБОДИТЬСЯ. В этом случае достаточно оuенить к. IП. л. 'Pe
reHepaTopa, ооновы,ваЯIСЬ ,на до:пущеJПIЯХ о ПОСТОЯ fстве темпе..
ратуры по.ступающеrо \в pereHepaтop рабочеr'О тела и количества
ero во время Iкаждоrо цН'кпа. Такой :метод расчета ие [JРИВОДИТ
"к БОЛЬШ1i ошибкам при о\Пределении температур rаза в основ..
ных ПОЛОСТЯХ рабочеrо пространства двиrат-еля .с учетом уело..
-вий теплообмена в реrеиераторе. Tarк, например, для половины
рабочеro пространства двиrателя между сечеНИЯ' 1И 1..1 и IV..IV
(см. 'рис. 14) 'безразмерное ураннение, ,связывающее теМ1перату"
ры рабочеl'О тела .в различных ,сечениях. ИЛ1еет вид
(Tr "FHTlJl) Ф(dgr/da) ["r 'FH'Hl + '"2 (1]р +
'""' Ро ) ]
tJp . О,
'[11;' Рн
"t Рп
'""'1 "t Рн
['де Тро приведенная температура стенок охладителя.
i\10ЖНО Iсоставить 'СООТВетствуюшее уравнение для половины
,рабочсrо про'странства двиrателя и между сечениями lV IV
и VII VII.
ИЗ'\1енепие дав,,'!ения при перетекании ра'бочеrо ТС,;lа из од..
..
нои По.по'сти в друrую вследствие аэродинамическоrо сопротив
дС'ния учитывается 'с помошью коэффициентов аэродинамиче
CKoro ,сопротивления, зависящих от ДавлеНия rаза и ero режима
течения. Расчет ведется отдельно для двух половин канала,
т. е. для сечений / / /V /V и /V..IV VI / Vl/. Для 'Первых
сечений потери давления в безразмерной форме представ.пя"
Ются в Виде
r (dgr/da) Пр (Пр Пr),
[де I'=::: r (V х шах) 2 ы / (R2GT2 x ) безразмерный приведенный IKO"
эффициент аЭрОДИНа мическоrо сопротивления на уча,стке между
сечеинями /../ 1 V..l V; 'КОЭффИllиент аэродинамическоrо
сопротивления на участке между сечеНиЯми 1..[ /V../V;
V x шах максимальный объе 1 ХО,;10ДНОй ПО,;10СТИ; ТХ теМПе
ратура рабочеrо Te;Ia в холодной полости; Пр===' рр V x шах! (GR Х
х т Рх) безразмерное [1риведеиное давление в ;сред'нем Iсече
нии pereHepaTopa; pp давление рабочеrо тела в pereHepaTope;
ПI ПРИlведеННое давление рабочеrо тела в .сечении [ 1.
СоотвеТ1ствующее уравнение ,состаВ..1Jяется и для участка ме.ж..
.ду Iсечениями lV /V VII V//.
По расчетам маRсимальное отклонение даВ.Jlения рабочеrо
u ц
тела в rорячеи и холоднои Полостях, 'получающееся !8'следствие
.,
rидравлических 'СОпр{)тивлении охладителя, pereHepaTopa и на..
.rреватеЛЯ t ,составляет 'не БОoJ1ее 5 6 О/О [32].
,50
Рис. 29. Изменение приведенноrо .цавления rаза П
в rорячеА Л r и хо.1JодноА Л х поло!t!ях двиrате I
.1Я Стирлинrа в 5авнсимости ОТ уела поворота
коленчатоro вала а
Р б 1.0
аспределение массы ра очеrо h
тела по отде,ilЬНЫМ по.п'Остям «В'p.eд
иоrо» -пространства ДВиrате.тrя ОiПре
де.пяют в предположениш, что cpeд 0,5
няя температура рабочеrо тела в
наrревате.пе 'равиа темпеrатуре mo
верхности ero стенки, С р едняя TeM
Iпература рабочеrо те,па 'В охладите.. IJ'
ле температуре поверхности ero
стенки, а давлсние ра,вно Рр. При вычислении 'средней темпера
туры рабочеrо тела ;Б pereHepaTope прииимают линейный закон
изменения ero температуры по длине pereHepaTopa. С учетом
этих допущении общая Malcca rаза в рабочем пространстве дви
rателя в безразмерной форме определяет,ся уравиением
+ п [ V и V p 19 ('t 1 'tFH!'t Fo ) . У О ] 1
gr , ех I IV 't 't 't' 't l' + l' ,
1 РН 1 Рв Ро Ро
rде gx Ох/О прнведенная ма,сса рабочеrо тела в холодной
поло.стн Д'виrате.пя; fl rv приведеНlное давление рабочеrо тела
в сечении IV lV v п == \/н/"'Т х шах; Т' p "p/Vx шах; V o == VU/"'TX тах.
А нализ физических ,процессов в рабочем пространстве Дви
rателя пронзводится по результатам решения 'системы диффе
..
ренциа.rrьв:ых уравнении, 'связы,вающих изменеиия давления.
температуры и количества рабочеrо тела В различ.ных объемах
системы с изменением объемов ,полостей в зависимости от за
u
кона движения лоршнеи.
Из рафИ'ка изменения да:вления в полостях рабочеrо ПРОСТ--
ранстна OAHoro из двиrате.пеЙ (рис. 29) видно, что для холод
НОй 'ПО.JIо'сти характерен 'несколl!КО больший диапазон измене
..
ния давления, чеl\1 для rорячеи, вс.педствие 3Toro у.величиваетсЯ'
работа, затрачиваемая на сжатие, и уменьшается работа pac
UlиреlПИЯ.
Изменения температуры рабочеrо тела в rорячей и холодной
полостях (см. 'рис. 28) вызывают,ся не только увеличением или
уменьшением давления rаза в Iних. 'НО также измеиением усло
вий теплообмена.
С помощью диаrрамм измеиения давления и температуры
рабочеrо тела в полостях рабочеrо прострa'Hc'r.Bа двиrателя
можно определить индикаторную работу, потери энерrии вслед
ствие аэродинамическоrо СОШРОТlIвления при перетекании rаза
u
н 'количество теплоты, передавае}10И через 'ст'еики в отдеЛbJИЫХ
'полостях двиrателя. В результате Lпонвляеrся возможность вы"
числить отдельные составляющие тепловоrо баланса виутреи
1
.i
I
L
П7
....
1
I
O
180
I
!
21{)
0<(1
I
5t
Jfero тепловоrо коитура двиrателя. Цри этом иеобходимо пра
/
-ВИЛЬНО выбрать соо"ветствующие К9Эффициенты теплоотдачи
JI -сопротивления движению 'рабочеro тела. Однако нмеющиеся
-В настоящее время данные еще 'недостаточны, тем более, что
.для ра'счета д.ействительных II1роцессов иеобходимо знаиие за
.коиов теплопередачи в ПУЛl10ирующем потоке с изменением ero
направления движения. На иитеисивностъ теплообмена влияют
]f пульсации давлеиия в потоке, KOJlOpbIe наблюдаются при ра..
-боте двиrателя Стирлииrа. Пульсации давления интенсифиuи
-руют теплоотдачу, но IВ то же время повышают сопротивление
!Каналов. Отмечеио, что при нал\ичии пульсации давления уве..
.личеиие коэффициента теплоотдачи lIостиrает 500/0 и более [24].
Коэф фициенты теплоотдачи оТ внутренней ,поверXlНОСТИ pa
-бочеrо ЛрОС'Dpанства двиrателя к рабочему телу {)бычно зиачи
l'ельно выше, чем от теплоносителя, например, п'родуктов cro
раlНИЯ топлива, во виешнем те.пловом контуре, из за более
высоких 'Скоростей и плотн{)сти рабочеrо тела каналах тепло
обменных аlпnаратов двиrателя Стирлинrа. Поэтому представ
lяется более целесообразным 'Принимать в rкачестве определя
..
ющих те ператур не температуру поверх'ностеи стенок тепло
обменников, а средние температуры продуктов сrорания и
...
охлаждающеи жидкости, омывающих ,cooTBeTcТ1ВeНlHo наружные
Iповерхиости rорячей полости, иаrревателя и охладителя. Cpeд
яяя температура поверхиости набивки реrеиератора 6есколько
-различна для двух -направлений движеиия Iрабочеro тела, что
ДО"т:Iжио быть учт ио при определении ero тем'пературы /На BЫ
ходе 'Из pereHepaTopa при изменении 'направления движеиия в
рабочем пространстве двиrатеЛя и при определ нии К..n. д. pe
:reHepaTopa.
,
,
\.
КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА
ДВИr А ТЕЛЯ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Наличие 'в двиrатеoilе Стирлинrа двух синхронно из.меняющихся
объемов (т'орячеrо и холодноro) IПОТiребовало пр.именения меха
низма, выпол.няющеrо одиовременно ФУ'нкции 'сиихр онизатора
.движения Iпорш!Ней и ,снловоro ;преобразователя.
По орrан:изацпи Iизм.енения объемов и распределению Harpy
зок IHa детали механизма существуют три основных вариа!нта
двиrа теля:
..
двиrаТель простоrо деиствия, f10рячая и холодная 'полости
KOToporo замкнуты «rорячим» И «ХО.JlОДИЫМ» поршнями, каждая
в СБоем uилиндре (рис. 30, а);
ц
двиrате.п.ъ ВЫтеснительноrо типа ос rорячеи и холоднои по
.лостями, fрасположеиными в ОДНОМ (рис. 30, 8 Н 31) иЛИ IB двух
(рис. 30, б) цилинДрах 'и 'разделениыми 'вЫтеснительным порш
Нем; общее замыкание рабочеrо .пространства осуществляет
рабочий 1flоршеиь;
двиrатель ДБОЙноrо деЙствия, каждый рабочий объем ,KOTO
poro замкнут двумя !Поршнями, раоположенными в разиых ци
JIИiндрах, причеМ каждый порш,ень разделяет два рабочих объе
ма (рис. 30, 2, д, е).
Для всех механизмов характерно следующее:
а) rорячая ПО.,10СТЬ ра'сположена иа максимальном у дале
вии от вала отбора мощности, ее объем определя-ется ,переме
щеиием «rорячеrо» порш'Ия (рис. 30, а), поршня (рис. 30, 2 e)
ИЛи вытесиительноrо 'поршия (рис. 30, б и в и рис. 31) отиоси
...
тельно их !положении в В.м.т.;
б) объем холодной по.;rIОСТИ определяется rIеремещен'Ие
о{{холодноrо>} поршия ОТ:НОСиТеЛЬ'ио ero положения в в.м. т. (рис.
.30, а); перемещеНИем поршня относительно er'o положе'Ния в
Н.м.Т. (рис. 30, 2 e); отно.сительным перемещением рабочеrо
,и ,вытеснительноrо поршней (рис. 30, б, 8 И рис. 31);
IВ) су марный объе рабочих полостей двиrателя опреде
.ляет,ся относитеЛЬНЫМ перемещением «rорячеrо» И «холод,поrо»
поrшней (рис. 30, а) или поршией, распол,оженных 'Б смежных
;цилиндрах (рис. 30, 2 e); 'Перемещением 'рабочеrо nоршия OT
53
.
,)
3.
8)
5
О)
Е)
е)
Рис. 30. Кинематические схемы порwпевых двиrатеJ1еА СтирJ1ииrа:
а V образныil двиrатель n'рОСТ'ОI'О ДеЙСТВИЯ, допускающий реверсирование вращения
вала; 6 V образный двиrатель nытеснительноrо типа; в рЯДНЫЙ .двиrатель Бытесип
тельиоrо типа, допускающпй ОДНQЦИJJипдровое исполнение; z звездообра3ный двиrа
тмь двойиоrо дейст'Вия с КрИВОШИПНО illатунным меха низмо.м; д звездообразный дви
rатель ДВОЙНОТО действия с механизмом С, С. Баландпна; е барабанный ДБиrатель
ДВОЙНОI'о Действия с ш йбовым механизмом (продо.пъное и поперечное сечения) i 1 ro
РЯЧI-IЙ nopilleHb; 2 холодный поршень; 3 вытеснительный поршепъ; 4 рабочиfi nop
шепь; 5 nOpille!:lb
носитеЛbJНО ero положения в В.М. Т. (рис. 30, б и в и рис. 31).
На.ибольшее 'распространение IB iНастоЯшее время получили
лоршневые дВ'иrатели ,С rкривошипно-шатунными механизмами.
А'ксиаль'ные (или 'с Iмалы'ми дезаксиалами) ряд'Ные, V-образные
и звездообразные кривошипно шатунные механизмы с цeHT
ральными и прицепными шатуна ми, а также 'бесшатунный Me
ха'низм с. с. Бадаидина достаточно -подробно опИсаны в л'Ите
'ратуре [1, 19, 22], Шайбовые механиз.мы /не имеют широкоrо
с>
распространения в ДБиrателестроении из за иедостаточнои до"
веденностн конструкции (высокие конта'ктные напряжеlJIИЯ. зна-
чителЬ'ный ИЗ1НОС, 'СК,ЛОНносТь к заткЛ'иниванию из за больших
боковых сил). Однако невы,сокие Iстепени повышения давления
н ,сравнитеЛbJНО lиебольшие 'скорости измеиения давления 'в pa
бочих 'полостях двиrателя Стирлинrа, Т. е. «мяrкость» рабочеrо
процесса, позВоляют считатъ перспективиым и мехаииз:и ЭТО
то типа.
54
78 r
....
Тл
",- н
'"
L{' .
""-- Iff
28 .
,
-... k.;y
Ji/ '. ,
1 r
I ,
I I
а)
ff)
8)
Рис. 31. I\инема.тические схемы рЯДНЫХ ДDиrатепеR Стирлииrа с=. различными вариантами
,ромбнческоrо меха.низма:
а со сложным коленчатым валом; б с п.рицеПllЫМИ шатунами ко,мпnекТ'8. вытесНИ
тельноrо порШНЯ; в симметричный; / rорячая полость; Il холодная' попость;
/11 буферная полость: / V картер
Совершенно овой -схемой, впервые примененной фнр 'ой
Филипе 'в 1953 r. lС!пециаЛfjНО Д.;1Я двиrате<Jlей Стир-лииrа" явля
ется схема ромбическоrо механизма Ф. .J1анчестера (1898 r.).
Так как а'НаЛОrич:ные 'схемы (рис. 31) 'не ИСПОЛЬЗ0вались при
..
1КонструирО'вании тепловых Iпоршневыx .д.виrателеи, то ,в даль
неi1шем основное В'ни ание БУДСl уделено именно ЭТИ 1 'схемам.
Примеиите.;IЬНО к р'ассмат'риваемон IcxeMe ромбическоrо Me
ханизма :введем дополнительно условные обознач,ения: 1 pa
бочий иди выеснитедьныый .поршеиь, 2 шток, 3 травер,са,
4 палец, 5 шатун, к5 крышка большой (КРИВОUIНПНОЙ)
roловки шатуна, 6 ца'пфа кривошипа, 7 противоВес, 8
коленчатый вал, 9 синхронизирующая шестерия, п, детали,
оТ'носящиеся к механизму раб()чеrо :поршня, в детали, OTHO
сящиеся к механизму вытеснитель,ноrо порш'Ня. Эти обозначе
иия в да.ilЬ'нейшем исподьзуются rкaK индеысы в расчетных фор
му ла х.
Ромбический мехаиизм (рис. 31, а) 'состоит из двух вращаю
щи хея в противоположных направлениях ,коленчатых валов 8,
соединенных синхронизирующими шестернями 9. Направле
ние вращения коленчатых вадов должно обеспечивать опере.
жающее движение вытеснительноrо :nоршня. Штоки 2п и 2в
рабочеrо 'и 'ВЫ'flесииТельноrо Iпоршней соединены 'с соответству"
ющими траверсами 3п 'и 38, а последние через шатуны 5п и 5в
с.вязаиы ,С КО.пенчатыми валами. под .рабочим поршием lНaxo
дится буферlJ1ая полость //1.
Двиrатель, выПОлнеНный по описанной 'схеме, я,вляется дви
rаТеле 1 вытеоиительноrо типа, rде поршни вы,полияют 'следую..
щие функции: 'рабочий nоршеиь Несет силовую иа рузку н
55
своим положением опредсляет суммарный объем рабочих поло..
стей; вытеснителЬ'ный поршень воспринимает тепловую наrруз..
ку и своим полоЖение определяет распределение объема llи
... u
Л1иидра между холодном и rорячеи IllОЛОСТЯМИ.
Ромбический механизм симметричен от,носнтельио оси ци
...
линдра 'в плоскости, перпендикуляр-нои к осям коленчатых
валов, и представляет собой -совокупность четырех кинематиче..
СКИ связзwных дезаксиальиых Iкривошипно шатунных механиз
мов. Необходимые для 'работы д'виrателя законы измеиения
объемов rорячей V r и холодной V х l!Iолостей мож'но получить
лишь IПри з,наЧителыных дезаксиалах механизмов рабочеrо и
U ...
вытеонителъноrо 'Поршнеи, IПрИ которых силы, деиствующие в
кривошипио-шатуниых мехаинзмах перпеНДИКУЛЯРIИО осп ци
oilИ1ндра, 'резко у,величиваю'f1СЯ. Преимуществом ромбическоro
меха.низма явлЯе'flСЯ то, что перпендикулнр'ные -К оси ЦИ.J'I'индра
сиЛЫ двух tCимме'f1РИЧ'НЫХ дезаксиалниых ривошипно шатунных
U ...
:мехаиизмов воспринимаются соотвеТС'Iiвующеи травер,сои н не
, наrружают цилиндро 'Поршиевую rруппу.
Симме'flРИЯ ромбичес.коrо механизма в продольной плос
кости (рис. 31, в) позволяет приблизить 'конструкцию к ypaBHO
вешениой. Вследствие больших rеоме'Iiрических размеров КОМП
",lf!KT вытесиитеЛьноrо поршня имеет ;б6льшую массу, чем KOM
П.пект ра60чеrо поршия. Как будет локазано 'Ниже, ПО.Jlное-
динамичеcrкое уравиовешивание механнзма даже ОД1Ноцилин"
дровоrо двиrателя ВО3МОЖ 1 ИО лишь IПрН определенном соотно",
шении этих масс (в частном 'случае 'симметричноro ромбиче..
cKoro м-ехаиизма IПрИ их ра.венстве), н .соответствующем раз..
мешени.и противовесов ;на коленчатых валах.
РаЗlНОВИДНОСТЬЮ ромбическоrо механизма является Mexa
ннзм, в котором ша туны ,комплекта 'вытесннтел:ыноrо поршия
Бы'пол'Нены прицепными (рис. Зl, б), что :поз,воляет получить,
характер изменения объемов rорячей и хоЛОДlJ10Й подо'стей, при
ближаюшиЙся к трапецеидальиому. Конст-руктивио такой Me
ханизм в целом несколько 'СЛОжиее, чем механизм с централь
оНыми шатуиами, но более простую конструткцию имеет кол€,нча
...
ТЫН вал.
Особый интерес ,вызывает схема двиrателя с рабочи и 13ы
теенителЬ'ным 'Поршнями palB'HbIx диаметров и симметричиым
ромбиче,ским еханизмом с центраЛЬНЫ 1И ша'f'Y!нами (рис. 31, в) L
ОтЛ'ичаясь КОНСJ1РУКТИВНОЙ простотоЙ И технолоrичностью по
сравнеиию с друrими р.омбическими мехаиизмами (одиоцаmфо
вые кривошипы, одинаковые шатуны, травер.сы .ра'виых раз
мероВ, бесступенчатый цилиндр), симметричный 'ромбический
механизм .пОЗВО.тIя-ет 'получить вполне приемлемые законы из
менения объемов рабочих полостей двиrателя при полной ero
..
динам,ическои ура'В'новешениости.
Бы-вод аиаЛИ1'ических кинематических зависимо-стей для об
щеrо случая ромбич'еСlКоrо механизма 'Принципиально 'Ничем не.
56
отличае'flСЯ от приводимоf'O ниже вывода их для симметрич.ноrо
ромбическоро мехаиизма, однако является более rромоздким,
а ,сами зависимости менее приспособленными для наrляД'Но"
ro а'иаЛиза. Поэтому ииже раСС'М8треи .симме'I1РИЧНЫЙ ромби..
..
ческии механизм.
Ю1НЕМАТИ,КА дви,rАТЕЛЯ
Основные кинематические параметры механизма. Симметрич"
ный ромбический Iмехаиизм (рис. 32. а) имеет четыре одинако
.
вых дезаК'сиал ных крИВОШИпно шатунных механизма, которые
характеризуются тремя постояиными величи,нами: радиусом
,кривошИ'Па R, ДЛИНоЙ шатуна L и дезаrксиалом е; деза сиал
u
.считается ПОЛожительным, если плоскость движения оси малои
roловки шатуна 'смещена от оси kОJIеичатоrо вала -В сторону
,расположения оси цилиидrpа. При рассмотренин кинематиче
Crких зависимостей вместо размер,ных паР8метров L и е удоб...
!нее польаоваться безразмериыми: оmосительной длиной
шатуна l/л:::=.L/R и относительным дезаксиалом k=::.e/R.
у rловая скорость к,оленчатых валов 'ПР1инята :постоян-
ной: <u == :лn/ЗО :::=. const, а уrол поворота коленчатоrо вала
изме.ияется пропорционально времеии: a==rot. Уrол сх. отсчиты
вается от HeKOToporo началЬ'ноrо положения механизма, IПрИ
котором rплоскости И1ривошипов обоих валов параЛ.Jlельны оси
цилиндра, причем 'рабочий поршень в этот момент иаходится
вблизи ICВOero =положения в В.м.т. Переход 1< любому друrому
началу отсчета 'состоит в замене 'в функциональных зави'симо..
стях зиачения а на а+ сх.о, rде ао }тол, соответствующий I}-IO
Qc:,
r
I
I
1::;'
:t::. ,
,
.
ct:!
"'<
1::1
s:
J
с:;
......
s:
.....' <:: ""с
0...,;,
'.....
I s: s: s:
::t::: С::
;
,
а,} а4 05 аб
й)
01 а]
о)
Рис. 32. РомбическиА механизм:
а основные кинематические параметры: 6 ха-
рактерные положения мехаНИЗ"'ff:i
57
ВОМУ нача,,1У о счета -по отноше-нию к IПрИН "i'ОМУ в !направле..
нии вращения коленчаrorо Iвала.
Кроме указаиных параметр'ов при расчете ,coBMeCTHoro дви"
i'кения рабочеrо и вытеснителыноro Jпоршней необходимо учиты"
..
вать Дли-ны штоков -ра-сстояН'ия ВДО,,1Ь оси цилиндра от осеи
u
отверстии в траверсах 'Под шатунные па,,1ЬЦЫ до плооких днищ
(IПРИiНЯТО у,словно) ПОРШtней; эти Д.;lIПIЫ такж.е можно вы'разить
безразмер:ными величинами: Ьп==Вп/R и bB==BB/R. Однако дли
ны штоков зависят от конструктивных особенностей двиrа теля
и при кинематическом ра-счете определены быть не MoryT. ,Поэ
..
тому введем дополните.ПЬНЫИ :параметр разность Д.;lИН што..
'К-о В , минимал:ыное значение KOToporo определяет'ся расчетным
путем, I1Ь ==,AB/R== (Вв Вп) /R.
На рис. 32, 6 показаны зависимости 'положения нижней
..
кромки Д'нища вытеенительлоrо -порш'ня и веРХlнеи RРОМ'КИ дни..
u
ща Iраоочеr о поршня относит-ельно IПЛОСКОСТИ, в 'Которои pac
поло)кены оси коленчатых валов, в Фу,нкции уrла поворота ко..
леIIчатоrо вала а. Раесмотрим шесть характерных [Iоложений
СИ 1метричноrо РО 1'оическоrо меха'низма, определяемых уrлами
поворота КОvlенчатоrо вала: аl рабочий поршень находится в
В.м.Т., расстояние Н П от 'плоскости днища рабочеrо порш'Ня до
u u
плоскости осен коленчатых валов маКСИ 1аЛЬJlое, а суммарныи
объем рабочих полостей минимальный; а2 расстояние Sпн
между раоочим н вытеснительныM 'поршнями минимальное, при
этом объе 1 холодной полости TaK)l{e минимальный; а.з вытес..
нительный поршень Iнаходится в Н.м.т., ра,сстояние Н В ОТ ПЛ.Qс
u
кости д'нища 'вытеоните.льноr'О поршня до плоскости осеи ко..
лснчатых Ba"lOB, МИНИ 1альное, а объем rорячей \полости MaK
СИ:\13ЛЬНЫЙ; а4 рабочий .пОРIuень находится 'в н.м.т., .cY:\1 1ap
ный объе I рабочих 'полостей двиrателя маNсимальн:ый: а5
раССТОЯiние Sпв ,между -ра-бочим и выте'С1нительпым портиями
u u
маI{'симаvlьное, ооъем холоднои полости максимальныи; а.6
u ..
вытес'ните.;JЬНЫИ порше-нь 'находится в В.М.Т., ооъем rорячеи
u
полости минимальныи.
rlри расчете объемов полостей двиrателя вместо аБСОЛIОТ
ных раЗl\-1еров деталеЙ (диаметров цилиндра, рабочеrо и BЫ
те-снительноrо Iпоршией, ШТOI:ко,в) удобно -пользоваться их O'f1HO
сител:ыными конструктивными характеристикам.и: ==DI2R; 2п==-
D2п/2R И 2Б==D2J3/2R, [де D диаметр дста"lИ.
ПОСI{ОЛЬ'КУ ,симметричный ромбический механизм имеет про
дольную и поперечную оСIП1метриИ, то для упрощения можн()
рассматривать о!lИШЬ половину двиrате.;lЯ (механизма) пра..
вую или allевую.
Кинематика механизма рабочеrо поршня. Уrлы поворота
КО"lенчатоrо вала, определяющие характерные положеиия Mexa
ИИЗ 1а (рис. 33), MorYT быть вычислены по формулам
а 1 == arcsin [e/(L + R)] == аrсsiп [kл /(1 + л)]
58
(44)
.
:
l' t '
,
"<
<;!
Е:
, .
,
I
. I r::
114;: ....1
I i .
'
If j . п
V П
. /((
. 1;
, а)
s J,(J 2,8 2,6 2/1 2,2
k
1,8
I
jп
I
1,5
1,:'
?
1,0
2,В 3,2
3,6 t\ 4,8
,It
б;"
1/Л
о
БО
120 180 2чо 300 а/О
5)
'Рис. 33. Кинематика рабочеro поршии:
а
характерные положення; б
завис.имость перемещення SП' скорости {'п И YCKope
ния j n рабочеrо поршия от уrловоrо положения механизма; 8
зависимосТL, относитель.
иоrо хода паршия s от параметров механиЗма 1/1. и k
0:4
л + аrсsiп [e/(L
R)]
л + arcsin [kл/(l
л.)].
11з rеометрии мехаlнизма следует
Lsiп
Rsina
e,
откуда уrлавое перемещение шатуна
,
=:: arc sin р" (sin а
k)], (47)
причем f3>O при отключении шатуна от плоскости движения
малой толовrкп ПIатуна в 'сторону ,направления вектора окруж
...
нои скорости кривошипа IПРИ ero положении, ,соответ,ствующем
принятому началу отсчета уrла а. Из условия непрерывностн
существования ФУ'нкции [) (47)
1
л(siпа
k)
1 получаем
зависимость между конструктивными па'раметрами механизма,
при которых возможно ero осуществление:
(45)
(46)
l(Л >- 1 + k. (48)
Выражение (48) в размерных величинах имеет вид L
R+e.
Отсюда Iполучаем х,словие проворачивае
10СТИ механизма: д.пн
'На шатуна L до.п:tWна быть БО.JIьше СУМ)1Ы радиуса кривошипа
R и деза'ксиала е.
Из выражения (46) после дифференцирования 'получаем за...
..
iВисиыости для определения уrлов-ои скорости качания шатуиа
(J)s == (() л. cos а! cos
(49)
59
expert22 для http://rutracker.org
н уr.повоrо ускорення качания шатуна
ЕЕ» == (J)2'A ( Л COS2 а sin sin ct ) . (50)
c0s8 cos
Уrло.во.е l1lо.ло.жение шатуна относительно. кривошнпа xapa'К
теризуется уrлом
Фп а+ . (51) ,
Отсюда относнте.п:ыная уrловая скорость вращення шатуна
.. ..
BOKpyr шатунном шемки коленчатоrо вала
dФп!di === ro (1 'А cos а! cos ) :::= ro + (J)s.
(52)
Рассто.нние о.т :плоскости днища ра,бо.чеrо по.ршня до плос
..
кости осе и коленчатых !вало.в
Н п :::= R cos а + L cos + В п :::= R (Co.S а + CQS /л + Ь п ).
При Х3 1 рактерных положениях м еханизма
Н п1 == y (L + R)2 e2 + в л :::= R [ (1/'А + 1)2 k2 + Ь п ];
Н п4 == у ' (L R)2 е 2 В п == R [ )/r (1 /'А 1)2 k 2 + Ь п ] .
Полный ход .рабоче Т'о -порш'ня ,от В.М.т . до 'Н.м.т.
Sn тах == Н Л1 Н П4 == ,,/ (L + R)2......... е 2 y (L R)2 е2 ::=
== R[J/ (1p + 1)2 k2 -{ (1/'A 1)2 k2 ], (53)
или
S == 2R j Rk 2 r l 1 I 1 1
п тах (lЛw 1)2 k 2 Т -( (l/л + 1)2 k 2 J.
Выражение в квадра'J'!НЫХ .скобках всеrда положительио..
Т. е. ход поршия при прочих равных условиях (R== const, L==
== const) во.зрастает с увеличение:м деззксиала.
CooTBeTcTBelHHo перемеЩeJiие рабочеrо. поршня о.т ero по...
..
J10жении в в.м.Т. и 'Н.М. т.
Sп == Н Л1 нп === R[y (l/'A+ 1)2 k2 co.sa cos /'A ];
, [ r
Sп == Н п Нп 4 === R cos а + соs /л 11 (1/'А 1)2 k 2 ].
Отсюда ';CrкOpOCTЬ 'рабочеrо -портня
V 1 ] == (J)R sin (а + )/ cos
(54)
(55)
(56)
и ero. ускорение
in == (J)2R ( cos (о; + )
cos
л cos 2 о; ]
I .
cos 3
(57)
60
:::
"<
$6
'""
""
VI
о)
.
)8 .
РИс. 34. Кинема'tика иытесиитеJlЪ"
иоro flОРШНЯ:
а характерные ,ПОJJожения; 6
эа'5иенмость перемещения SB' CKO 6)
ростн v В и ускореиия I в вЫТet.ни
те.;э:ьноrо поршня ОТ yrJJOBOrO ПОJJО- Q 60 120 180 240 300 а, о
женин механизма
I(инематика мехаиизма вытеснительноrо порwня. Для Mexa
lIизма 'выте,С'ннтельноrо поршня (рис. 34) IПО аlналоrии с Mexa ,
IIИЗМОм абочеro .поршня можно записать:
уrлы, определяющие характерные -положения мехаинзмаJ
аз == 3t arc sin [k'Aj(1 + л)];
«Х в == 2n arcsin [k'A/(1 'А)];
(58}
(59)
уrловое перемещение шатуна
== arc sjn [л (sin ct k)];
уrловая скорость 'кача'ния шатуна
(J)[) == (()А cos a/cos ;
уrловое ускорение кача,ния шатуна
рь == (()2'А (л cos 2 а sin /COS8 sin а/сos );
уrловое !положение шатуна относителЬ'но кривошипа
фв n (a );
(60)
относительная уrловая скорость вращения шатуна BOKpyr
.. ..
Пl3 ТУНlНои шеики
(IQ)з/ dt (() ( 1 + л cos a/cos ) == ro + (()б;
(61}
раlсстоЯ'ние от плоскости днища вытеснительноrо порш,в:я до
u
IIЛОСКОСТН о!сеи оленчатых валов
J I il R ( cos а cos /'A + Ь 8);
61
Н В6 R [ v'" (1/л 1)2 k2 + l Bl;
ВВ8 R [ -{ (l/л + 1)2 k 2 + ь в ];
..
под'ныи ХОД вытесни тель'ноrо 'пор ш'ня о т В.М.Т. до и.м.Т.
So шах == HB6 HB8 === [у' (L + R)2 e2 -{(L R? e2
R[V (1/л+ 1? k2 ,; (1/л 1? k2 ]; (62)
перемещение вытеснителнноrо 'поршня от ero положення
в В.М.Т.
So == Н В6 Н В R [ -{ (11)" 1)2 k'2 сosа + cos t-jл]; (63)
скорость вытеснительиоrо ПОРШНЯ
V B (()Rsin (а )/cos ;
(64)
ускорение вытеснител})но['о IПОРШНЯ
jo == (()2 R [сos (а )/cos л cos 2 a/cos 3 ]. (65)
Относительное движение рабочеrо н вытесннтельноrо порш..
ней. Расстояние между верхней кромкой днища рабочеrо порш..
ИЯ и нижней кромкой днища вытеС'нителЬ'ноrо !поршня (рис. 35)
Sпв == Н В Н п == R ( ;........ 2 cos /Л). (66)
С 'помощью выражения (46) получаем
cos(3 v 1 (
R sin а е
L
у лv
1
(sina k? .
},,2
Sn6
<::
-€
ос:.
«2
Vл6
1
>о:
<-j
q
.
а)
"
Jn6
Рис. 85. Относительное движеНИе pa
бочеrо И вытеснительиоrо поршией
СНмметричиоrо ромбическоrо Mexa
низма:
а характерные положения :механиз-
м а; б зависимость пере}[ещения
SnB t скорости V пв И ускорения i пв
в отиосительном движении рабочеrо и
вытеснительиоrо партией от уrловоrо
положения механизма
о 50 120 180 21t0 300 а', D
о)
62
Тоrда формул у (66) мож'но З8'пи сать так
Sпв == R [ль 2 -{ l(л 2 (sjn k)2 ]. (67)
Анализ ,функции (67) показывает, что:
а) при k< 1 'функция 5 пв нмеет ше,сть эК'стремумов: в З-QIне
SПВ тах пр'и sin a== k lIВа зкстремума (маrк,симум) 'и при
sin а == 1 один ЭКС'I'pемум (мин,нмум) ; ,в ЗOfне Sпв шn при
sin a==k два экстремуМ8 (минимум) и 'прн sjn а '1 один
экстремум (ма, симум) t т. е. в этих зонах \рабочий 'и вытесни
тельный поршнн будут колебаться относительно друr друrа
(это 'нежелательио с энерrетической точки зрения, так как на
u
'ИlндикаТОрlНОИ диаrрамме появляются петли, Iплощади которых
про'П'орциональны 'отрицательной ра'боте, и Д0'I10лнительные
,потери) ;
'б) при k> 1 фунrкция SПВ 'имеет два экстре ума:
при sin a== l :
а& == 3n/2 (68)
Sпв шах R [L\!; 2 V 1/",2 (1 + k)2 ];
при sin а== 1 :
'Л/2;
SПВ miп == R [L\!; 2 У 1/л2 (1 k)2 ].
(69)
(70)
Следует отметить, что во всех 'выполненных ,конструкпиях
k>O (\но не БО,,1ее 2), т е. Iслучай «а» :не имеет практическоrо
с:иы,сла.
Так как относителнный ход рабочеrо и 'внтеанитеЛIJноrо
поршней не может быть отрицате&llЬНЫМ, то, приня.в Sпв min==O,
мо)кно вычи слить ),lинимал ь'ную величину
bmin == 2 v"1/л 2 (1 k? . (71)-
В существующих 'КОНСТРУ[{IIИЯХ двиrателей Стирлинrа л==
== 1/5+ 1/2,5 'и /l== 172. Для этих диапазонов изменения вели..
чН'н л и k з!начеlние bmiIl МОЖIJ-IО вычислить, ПО.JIьзуясь Прllбли
женным выра)кением Д b mill == 2/л, fJlрнчем при k> 1 полученное
по этой ФОР),IУ.,1е значение bmIn будет нескодь'ко завышено
(до 8,5 О/О при больших значениях л и k).
Пользуя.сь выражениями (67) и (71), получаем выражения
для определения:
скорости от'носитель-ноrо движения :рабочеrо и вытеснитель..
..
tНoro lПорш'неи
V пs == roR ( 2 cos а sin /cos )
(72)
и ускорения их относительноrо двнжени,fl
iпв == ro 2 R (2 sin а sin /cos '" cos 2 a/cos 3 ).
(73}
63.
Приведеиные выше завис-имости являются 'точными. OДHarкo
:в ;некоторых ,случаях бывает необходимо !представить функцию
JВ виде rармоническоro ряда. Для эторо достаточно Iразложить
аз ряд функцию cos == ао+ а п sinпa + Ь т COS та, как это показа
)но в IHeKOTopblX работах {IO, 22].
Объемы рабочих полостей дВИrателя. Воспользовавшись
,
:кинематическими ;завнсимостями, полученными выше, можно
записать выражения д.пя определеиия текущих значений объе..
МоВ рабочих ПО.тIо"стей (цифровые индек1сы соответствуют lПози
дням на рис. 31)
У }' == (nfJ2/4) SJj ;:;::;: n?;,2/fsB == n 2l(3 [ -{ (1/л 1)2 k2 ........
cosa + cos Р/л] ; (74)
V rmax == 3t 2](J [ (1/л + 1)2 k 2 V(1/л 1)2 k 2 ]; (75)
V х == [n (fJ2 D B)/4] Sпв == 2n ( 2 B) RЗ- Х
Х [ /1/л2 (1 k? 1/1/ л2 (sin a k)2 ; (7 6)
Vх шах == n ( 2 п) R3 [2 V 1/л2 (1 k)2 2 у "1/л 2 (1 + k)2 ];
(77)
рабочий объем (литраж) двиrателя
V h === (Vl' + Vx)ma.. (Vl' + V x)n:tin'
Рабочий объем двиrате.пя как объем, описаниый днищем
Ч10рШНЯ,
1// ! == [ n (D2 D B)/4] Sпmах === n ( 2 B) l(3 Х
Х [}'/(1/л+ 1)2 k2 V(l/л 1)2 k2 ]. (78)
Объем буферной полости
У б == V б min + [n (fJ2 D п/4)] S === V б min +:rt ( 2 gп) R 3 Х
x .[cos а + cos /л v(l/л 1)2 k 2 ]. (79)
На ооновании выражениЙ (75) и (77) отношение макси
альиЬIХ объемов холодно й и roрячей п олостей
V х так 2 B 2 .../1/л 2 (1 k)2 2 V l/л 2 (1 + k)2
w== .
V r шах ь 2 ,r (IР" + 1)2 k 2 }! (l/}II 1)2 k 2
(80)
Если пренебречь объемом штока вытеснительиоrо портня,
лроходящеrо через холодную полость, т. е. принять 2B==0, то
рабочий объем двиrателя -и отношение \lаксимальныx объемов
iб4
s
15
20
25 Н.мм
I
, 1.8
к
Дм'"
РИС. 36. HOMorpaMMa для определения размеров кинематическИх звеньев симметричноro
vомбическоrо механизма в завнсимости ОТ ш, ер, V h н D (или S/D)
ХОЛОДНОЙ И rорячей по.,тrостей MOrYT быть определены по фор..
мулам
'1 hO -== n 2l(3 [}/-(l/л + l? k 2 l/ r (1/л 1)2 k2. ];
(81)
r
1П"2 (1 k)t. l-/ 1/Л2 (1 +k)Z
W o ==. 2
vr(ljл + 1)2 k 2 У (l/л. 1)2 k 2
.
(82)
Фазовый уr'О.л между максимумами объемов rорячей и xo
.. ...
..JIОДНОИ полостеи
<р === а 5 аэ === nj2 arcsin [kл/(l + л)].
(83)
На ри'с. 36 приведена HOMorpaMMa для расчета размеров
двиrате&llЯ. HOMorpaMMa построена по приближ'енным зависи
мостям (81) и (82), линеаризирована и поэтому 10жет быть
нспользована .пишь для прикидочных расчетов (поrрешность до
15%). Левая часть HoMorpaMMbI ПОЗВО.JIяет по заданным w и (})
определить основные пара етры ромбическоrо механизма: ОТ-
носптель,ную длину шатуна l/л, О'f1носителнный дезаксиа.п k и
от'носите.льный ход поршней s. На правой ча,сти HOMorpaMMbl
приведен ПрИ:\lер определе.ния масштабноrо фактора мехаlНИЗ-
з Зак. 468
65
ма радиуса кривошипа в зависимости от требующеroся
(расчетноrо) рабочеrо объема двиrателя и выбранноrо диамет
ра ЦИ,,1И'ндра (или S/D). На IHoMorpaMMe пorказан пример опре
деления размеров кинематических звеньев механизма двиrат
.пя при w == 1,0; (})== 110°; Vh 200 'см З 'и D 70 мм. Такнм обра
ЗО 1, механизм должен иметь следующие размеры: R==22,5 мм;
1/л==3 0 и k=: 1,37.
ДИНАМИКА двиrАТЕЛЯ
Расчет динамики двиrателя ПОЗВО.пяет определить наrруэкп,.
.. ,u
деиствующие на узды и детали механизма, воздеиствне дви"
rателя на фунда мент .и т. п., т. е. дает исходные данные для
расчета прочrности деталей, 'несущей 'способиости узлов трения
и уравновешенности arperaTa в целом.
Воз'никающие в лроцессе работы меха'низма циклические
.,
наrрузки ЯВЛЯIОТСЯ резу.ньтатом воздеиствия на детали двиr'а"
теля rазовых 11 инерционных сил.
Силы, действующие на детали шатунно"поршневых rрупп..
rаЗOiвые силы определяют на основании индикаторных диа
[рамм, представляющих 'собой изменение давлеиня рабочеrо
l'е.аа в rорячей, холодной и буфер,ной полостях в зависимости
от пзменения соответ'ствующих объемов или уr.па [[оворота ко..
ленчатых валов а. Индикаторные диаrраМ:\IЫ двиrателя полу
чают либо при расчете рабочеrо процесса, либо при -непосред"
ственном индицировании двиrателя; дри выполнении динами..
ческих 'расчетов будем считать ИХ зада'нными. Изменение
давления рабочеrо те,,1а в буфер'ной полости доволь,но точн()
следует изотерме Рб V б === const. Давление rаза в q{apTepe дви
rателя обычно ПРИНИ).lают постоянным: РН;:::::: const.
rазовые силы, действующие ,на рабочий поршень,
Fnr рх(n/4) (D2 D B) Рб (n/4) (D2 D п)
Рн (n/4) (D n D Б)f (84)
или
F ЛI' == nR 2 [Рх ( 2 B) Рб ( 2 6 п) Рк ( п -- B)]' (85)
fазовые СИ,,1Ы, действующие на вытеснительный поршень,
FзI' Pr (n/4) D2 Рх (Л/4) (D2 D B) Рн (n/4) D;Bf (86)
ИoilИ
F Br == nR 2 [Pr 2 Рх ( 2 B) PH B]. (87)
Так как давления рабочеrо тела в rорячей и холодной поло....
стях примерно одинаковые: Pr Рх, то выражения (86) и (87)
можно переписать так:
F or == (Рх Рн) (nj4) D; , (88)
66
JIЛИ
F Br :::::: nR2 B (Рх Рн). (89)
Инерционные силы, действующие в ДDиrате.пе. можно раз-
де.п'ить на инерционные силы от поступате,,1ЬНО движущихся
масс (рабочий и вытеснительный 'Поршни с их штоками и тра-
версами), ачаЮЩlIХСЯ масс (шатуны) и вращающихся масс
(кривошипы, IцеIСИ, противовесы). Шату'н 'с достаточной для
.. ..
:практики точностью можно за\lенить двухмассовои 'СИстемаи
{22] с IIоступа те.1ЬНО ДВИЖУlll:ейся массой т/5, отнесенной к оси
пальца ero ма 10Й (пuршневой) rо.п:ов {и, и вращающейся Mac
"
сой ms, оТ/несенной к оси бо.п:ЫIlОЙ (кривошипной) rO,,10BKfi
шатуна, и lie учитывать в дииа:мических расчетах пару ,СИ.1,
...
возникающую lr!рИ качательном движении шатуна и деиствую
щую в П.JlОСКОСТИ ero качания. Зная ПОЛО}J{ение цеитра массы
..
lиатуна, массы т,/ и,"т5 можио определить из выражений:
,
Jп 5 :;:::;:: пlfJl/L и т5 ::=: m 5 1 2 /L.
[де 11 и [2 расстоЯ'ния от центра массы ша T)l1Ha COOTBeTCTBeH
но до осей большой и малой rоловО'к шатуна.
При Iпроведении приближенных расчетов обычно rnринимают
, "
тs ::::::: tпi3 и т6::=: 2m 5 /3.
Принятое упрощение расчетной ,схемы (расчет без учета
качате.,1ь'ноrо движения шатуна) несколько иcrкажает картиrну
наrружения деталей механизма, особенно в соединении тра-
верса палец шатун. Поэтому iIlрОф. И. ш. Нейман [22]
предложил вести ра'счет 'сил в этом 'Соединении (поршень
палец шатун) с учетом инерционных 'сил всех поступате,,1Ь'НО
дВ'ижущихся масс (в том числе и поступательно движущейся
массы 'шатуна ms'). что приближает расчетные наrрузки к дей
. 'Ствите.ПЬНЫМ.
Сила инерции поступательио движущихся масс комплекта
рабочеr-о IПОрШНЯ
F '. ' 2 R [ cos (а + ) + "1 COS2 а 1
} т л / п т п ()) 1'11
п СОВ COS3 '
(90)
тде поступательно движущиеся :массы ко плекта рабочеrо
nорш!ня
, ,
т(1 :::= m 1n + т 2П t- m зп + т4п + mi)п'
Си.па инерции поступательно движущихся масс комплекта
вытеените.пьноrо поршня
F ' . · 2 R r СО S (а ) " COS 2 с/. J
в} :::= т в / в == твю L flJ ,
COS COS 3
(91)
3*
67
,
п
J
'/1
f
" /
. .. ."," ......
... ...' ... ,
F Л2
F na '" {
о
, '\
1\.
II \ I
\ \., If
, '1\- J
, I
зт 1ВО '\. 270 f
\ \.
, \ J
'" J
\.с
.
Рк
РО
l."ooo" ..... ......
....
.......
,. "'- '""""
...
... ./
-... :/
а о
,
[/';
а"
,
Н п
п
F s4п
",,' '..
"..... .. .. '"- ....
"""'"
...... """'" ./
а{}
,
1
2 Кп
К п
а О
,
Т п
Рис. 37. Схема сил, действующих на
детали механизма рабочсrо порmив, и
характер их измененив В зависимости
от уrловоrо положения мехаиизма
rде Iпоступате.пьно движущиеся 'маосы 'Комплекта {Вытеснитель
Horo !Поршня
, ,
тв === m 1B + т 2В + m зв + т4B + т513.
Характер 'сил, деЙствующих на детали механизма рабочеrо
(силовоrо) Iпаршня, определяется rлавным образом закоиами
измеиения rззовых сил (рис. 37). В двиrатедях малых и cpeд
иих раЗ:\lеров рабочий поршень и ero шток ВЫПО,,1НЯЮТ исходя
из конструктивных ,соображеиий (размещение уплотнений), а
не из Iсоображений 'проч'ности. Траверса, как правило, представ
.пяет .собой еДИное целое ,СО штоком, и ее проушины являют'сЯ
наиболее слабым звеном комплекта рабочий поршень шток
траверса.
68
Ir l'
....
""1 J. " о
.. , 111 ......
..
..
. .. 1\. H
"{ , 1/"
'..1'- ./
'- v
.... iJ
'68 + F, .
F;8j
'68
а О
pz
I
,
РХ
F126
f2'6
F546
Нв
а"
.
L.o....
I "-
., ....
......
..... .. I
'" ,
"'"
..... v
r""'"
К6
а О
,
о
f \
"... '- J ---
... v r ./ "
З 1 ...... 1ВО .. ",270 /
" J
,
lo
Т6
а О
.
Рис. 38. Схема сип. действующих на
детали механизма вытеснительноrО
ПОРШНSl, и характер их изменения в
зависимостн ОТ уrловоrо положения
механИзма
'118
&8 58
Н6
Ха.ра"Ктер сил, действующих на детали меха'НИз а вытеени"
тельноrо (тепловото) поршня, опреде"lяется законами измене..
иия инерционных СIЫI (рис. 38). Корпус вытеС'нительноrо порш-
\>
ня Подвержен воздеиствию тер:\lIIческих и переменных пикличе
..
ских 'иапряжении, Возникающих при изменении давления ['аза
в цилиндре (давление таза внутри вытеснительноrо поршня
уста,навливается равиым среднему давлению ЦНКv1а). Длинный
... ..
шток ВЫтеClните"lЬ'ноr'о поршня натружен осевои силон, н ero
размеры (диаметр) определяют из условия сохранения устой..
чиво-сти.
Так как в 'ра,ссматриваемом механизме двиrателя передача
сил Происходит одновременно через несколь"Ко деталей (напри..
мер. силы от траверсы через два или четы'ре шату,на переда
69
IОТСЯ 'На ДВа коленчатых вала), то будем считать эти детали
..
'равнонаrруженным'и и деиствующие a !них снлы вычислять
как ,соотве с1'ВУЮЩУЮ ча ть ОТ общей.
Снлу будем считать положительной, если она 'Направлена
от рабочеrо и вытеснитедьноrо порш'ней к !ПЛОскости осей KO
ленчатых валов; по 'направлению вращения коленчатоrо вала;
ОТ цапфы 'кривошица к оси вращения коленчатоrо вала.
Схема ра'счета 'сил, действующих ,на детали двиrателя, све-
дена в табл. 6. На рис. 37 'и 38 прнведены rрафиrки изменеиия
сил в функции уrла а поворота I{оленчатых валов.
Однако наиболее 'полное представление о Iнаrрузках узлов
трения дают векторные диаrраммы (рис. 39), которые ПО3ВО"
.
j ,
V\ I
/:. / / I
,я
'1' " I
2юа J I
, &l'. ......... I
'// jK n (/!
o
V \
I I J , эо< "<Jj
......... / ' J
J " A' ""- lдl!D / /
(..J 7fJ 'li i r ""
" , / 1.. ,ш I '\"
".
....... J
r / I ""- '\
f ""--J " \
, '-..: 9{}0 , 900
'. 9lf 76
1\ 1\ 'JF66
, \
1fJ \ \ \. Х 2Ю" J .. "fl..J/ J \ 'Сп
'J;
\) '. ...... . 1('" ./ "\ \ / F&
1'- . \
,
\. ...- , у
. \ j-x
\ .... \ 1\ >(
'\
\ \ .... , \
\
16 \
LrI
с. 39. Векторные .циаrраммы СИJl, IW
йствующих В подшипниках Ша
иов: " 2
механизм рабочеr(') порш.
я; . . механи м вытесни M
ельноrо поршня; CY fMap
"
Ри
де
ту
н
т
ная наrРУЗI>а на ПОДшИПНИК
10
6, Схема расчета СИJJ. действующих на детали симметричноro РОмfJМче CKoro мехаа:изма
Расчетные формулы для ме.х шизма
Область деf.tстрия сuлы
раБQчеrо поршия
зытесннтельноro поршnи
Поршенъ ШТОК
ШТОК 'IpaBepca
Траверса палец.
F .3П;;;;;;' F з4П 1/2 (Рпт I F 1n j +
+ F 2пj + F 3ni) (92)
N n Fa4n tg (93)
(N n > О сжпмающаll сила)
Вдоль траверсы
Палец шатуи
F Б4ll (1/n п ) (Fnr + F j) (94)
(n п число шатунов D комплекте рабочеrо
flОрШН )
Вдоль шатуна
КП F 54n/Cos {)
(К п > о СЖНМЮQЩ сила)
(95)
IIa нижнюю крышку шатуна:
прн работе двиrателя
F Ksn ;;;;;;; [Кп + (F пj F 5nJ cos (а + )]
(96)
.
......
....
р 21в ;;;;;;' р в !, + F 1BJ (101)
F юв == Ев" + F 1Bj + F 2BJ (102)
F 13"8 == F з4В ::;;;;; 1/2 (F Br + F1Bi + F2Bi +
+ Р аВ !) (103)
N B ;;:.;; F34 B tg (104)
(N в > О сжимающая сила)
Р Ъ4В :;:; (l/п в ) (Р В !' + F;j) (105)
(п в ЧИCJIО шатуиов в комплекте ВЫ1'есни
телъноrо поршня)
КВ == F fJ4B/COS
(КВ> О сжимающая сила)
(106)
Р К58 == [КВ + (F Bi P 68/) eos (а Р)]
( 107)
.. ......
.... - . .........
tj Продоыкенне
Расчетные фОРМУJIЫ ДЮ1 механизма
Область дейс 'rI3ия силы
рабuчеrо ПОрIllНЯ
БытеснитеЛЬНоrо поршня
при провертыванни вала двнrате
ля в холодном состоянии без за
ПО..тIiIення ПОЛОСl ей рабочим
Te.'IOM
Fк>л . .[
F' .
Л/ +- ( F .. р" . ) х
n л cos . .JПJ К.JЛ/
Х со. (а + 11) ] (97)
F КБR . . [
.
F HJ '
( 1-'" " )
п в cos + 5Bi F K5Bj Х
Х СО" (ct 11) ] (108)
Шатуи цапфа кривошипа:
танrеlщиальная си.Па
ТП Кпsiп(а )
(98)
т в ::::::: к. в sin (а )
(109)
радиальная сила
"
Zп == К п cos (а ! Р. ) + Pr: .
"llj
(99)
"
Z8 КВ cos (а ) P SHj
(11 О)
суммарная сила
F65П V T Z
(100 )
V 2 2
F 6бi3 :....о.: Тв + Zp,
(111)
При м е ч а н и С. Силу F пr определяют по формуле (84) или (85), ('И.1JУ F Br по формуле (86), (87), (88) или (89); ускорения jп и jБ
СООТБ ТСТБенно по форму лам (57) и (65). уrол () ПО формуле (47). силы .Р n j и F Б j СООТБеТСТНС1:ltlО по форму лам (9 О) и (91).
.:JЯЮТ оценить мак'симальные н минима.!lЬ'ные 'наrруэки и зоны
их действия, что необходи:мо для праБнлнноrо выбора ме,ст
сверлеиия масдоподводящих каиалов. Вектор.ные диаrраммы
сиJ] F 45D И F 45B строят !по полученным значениям сил и yrпa
от"Клонения шатуна . Векториые диаrраммы сил F65D И Р в5В
строят по .вычнсленным велиЧ'ннам сил Т п 'н Zп, т в .и ZB. Век-
тор'ные диаrраммы сил F s 6п и Р 56В получают перестроением диа-
r'paMM сил F n и Р65В по методике, описанной в литературе [24].
Следует только учнтывать, что Д"Т'Iя механизма рабочеrо порш..
ня yro.11 'между осями шатуна и КРИВОIIIипа Фп==а+ , а для
механизма вытеснительноrо поршня УI<аза'нный уrол Ф в ==
==л (а f3) .
Силы и моменты, действующие на коленчатые валы. Схема
'" '"
'Си.;}, деиствующих 'на коленчатыи Ба.!l одноцилиндровоrо ДБиrа
теля, приведена на рис. 40.
На IIl3ТУiННУЮ шейку коленчатоrо Бала действуют:
радиальиая сила
26 == (п п /2) Zп + (n в /2) Zп;
( 112)
танrенциальная сила
т 6 =::: (n п /2) т fj + (п n i2) т 81
( 1 13)
' дe n п и п в ,соответственно число шату,нов в ко:мплеI<тах ра..
бочеrо и вытеснительноrо порш!ней, -обычно nп:О= 4, п в ==2;
.. ....
I<РУТЯЩИИ момент, пропорциональныи танrенциальнои силе,.
МБ == T6R.
( 114)
Силы инерцин вращающпхся масс:
ще1{ и 'противовесов
/ ,
, '
\ · 1
\
,
;
"
,
и
К'рИ'ВОillипа
"
F 6j == m6(J)2 R 6 ;
( 115)
7 j:: m7(J)2R7. (116)
РИс. 40. Схема наrРУЗКJf ко_,енчатоrо
ва.nа ОДНОЦИЛНtlдровоrо двиrате.nя с
симметричным ромбическим механиз
мом: ПОJlожите.ТJьное иапраВJlение си
JlЫ У" :
,iJ,ЛЯ r.rrапноrо вала;
для ВСПомоrательноrо вала; л')и оди
IlaKOBO наrруженпых валах Y9 O и
Хе=<О
...
з
,у;
"
()
.......
5
q
73
Мощность может быть снята с обоих валов поровну (валы
j'}авнанаrруженные) или с од,ноrо (rлавноro) 'вала, друrой в
этом ,случае является вспомоrатель'ным.
В зависимости от опособа 'съема МОЩlНОСТИ возможны три
]{арактер'ных .случая 'наrружения коленчатоrо вала со стороиы
механнзма си-нХ!ронизации.
1. НаrРУЗI<:а на вал ра,ниа половине обшей 'Иаrрузки, Т. е.
(!, .каждоrо коленчатоrо вала отбирается половина мощности
двиrателя; механизм синхронизацни 'Не передает усилий: Yg==O
Jfo X g == о.
2. Вал rлавный, т. е. с Hero отбирается полиая мошиость
двиrателя механизм синхроиизации передает с друrоro вала
'lТоловину МОЩIНОСТИ, 'и 'силы Y g и Х 9 мож'но подсчнтать по 'сле
дующим формулам:
У9'== Мg/Rш == 2М8/А, (117)
rде Rш радиус деJIительной ОI<ружности шестер:ни механизма
синхронизации; А межосевое расстояние шестереи; сила У9
будет положмтельной, если ее направление совпадает с HarIpaB
лением вращения вала, т. е. происходит подвод мощности; -сила
Х 9 сила распора шестерен, направлена к Оси колеичатоrо
вала:
Х 9 V g fg 200 == 0,364 У9;
( 112)
введенне в зависимость (118) величИны tg 200 == 0,364 преду
€матривает использоваине в мехаиизме -синхронизации шесте
рен со стандартным уrлом зацепления 200.
3. Вал нспомоrательный, т. е. 'с иеro мощность не отбирает
СЯ. вся мощность ,передается только через мехаинзм синхронн-
зации IHa rлавный вал; 'силы У9 и Х 9 будут иметь такие же Be
личины, как .и в случае «2», но сила У9 будет иметь положи
тельное значение IПрИ 'направлении ее против вращения вала
(отбор мощностн).
Из условия 'статическоrо рав.новеоноro состоя'Ния. предста
выв коленчатый вал как прос анственную баЛI<У со сложным
lIаrружением, МОЖ'PIО определить опорные реакции коренных
подшипников (индеысы длии уча.стков соответствуют обозначе..
ниям на рис. 40)
Т 1 == х 9 COS аlиаllиб :\: ,у , sin lиаllиб + т пlиr! lиб +
+ Тiие/lиб + Тпlи /lиб (Z;j) [ sin vi нв ll иб
- . (Z;j)П sin У21RJ1нб; (119)
ZI Х В sin а/иа!lиб :\:: У, cos аlиа/lиб (Z;/)r cos УIlивJlиб +
"
+ Zп1иr/1иб + Z6jlид{lиб + Zв/иеJl иб + Ziпжl1иб (120)
(Z;j)1I cos У2lиз/1Иfj;
и
Т[[ === Х, соsaJба/l иб + у 9 siп а.1 ба /1 ио + Тпlбr/lиб + Т iб /lиб +
+ т Jбж!lИб + (Z;j) [ sin 'Vl1бв!lиб ........ (Z;,) 11 sin 'V21бз/1Viб; (121)
ZI1 === Х 9 sin а1ба/1иб =+= у 9 cos а.1ба!lВб (Z;j)1 cos УI1бв/1нб +
+ Zп 1бr!lиб + Z;j1 бд /l иб +Zв'бсJl Иб +Zn 1 6 ж Jl Вб ......... (Z;J 11 cos 'V21ба!lио; (122)
при учете 'силы У9 верхний знак относится к rлавном} валу,
..
ин*нии К вспомоrательному; ,в случае 'paBHoro наrружения
валов У9==О н х 9 ==о; уrол Vi ОТ1считывают от п'родолжения плос
кости кривошипа в направлении вращения ваnа.
Вектор'ную диаrрамму сил, деЙствующих l1Iа коренные шей
ки .коденчатоrо 'вала, можно получить, перестроив векторную
дна"рамму с ил, дей ствующих IHa шатунную шейку (.СМ. рис. 39).
Сила Рв==У T + 2 . действующая ,на шатунную шеiFку со сто-
роны шату.нов механизмов рабочеrо и вытеснит'ельноrо порш
...
Iнеи, Iвызывает ,на опорах пропорциональные, ио противополож-
'НО 'на1правлеииые силы (FI)e и (FII) е, величины 'Которых МОЖ'НО
.вычислить IПО формулам
(F 1 )6 === Gl1[/(1, 111);
( II)в == F 6 1 1 /(1[ + 111),
( 123)
(124)
rде 11 и lJl расстоя.ния от проен:ции линии действия CYMMap
иой силы Рв !на ось коденчатоrо вала ,соответственио до середи
ны коренных опор J и J J (рис. 40).
ВеКТОРIНУЮ диаrрамму перестраивают следующим обра
зом: диаrрамму 'на рис_ 39 умеиьшают в lп/(lI+lп) илн в
11/ (lr+ lп) 'раз и вместе 'с координатными .осями -повертывают
иа 1800 в 'плоскости днаrраммы относительио Iначала I<ООРДИ
нат. РеаI<U.ии от сил инерции кривошипа н противовесов учиты
'" ..
:вают 'смещением центра коренном шеики относительно начала
координат Iпе'рест'роенной диаrра:ммы в направ.пе.нии, обf'атном
..
направлению В6Кторов 'соответствующих опорных реаI<ЦИИ:
(TI); === (Z;j) I sin 'l(I1ив/1rIб (Z;/)II sin У21иJ1Иб;
(ZI); == (Z;J[ cos 'Vl1ив!lиб + Z iиз/lиб (Z;j) 11 cos 'V 2 1 из !lиб;
(ТII); ==: (Z;j) 1 sin 'VI1бв/1иб (Z;j)[[ sin 'V21бallиб;
(Zп); == (Z;/)I cos 'Viбвfl нб Z /lбэJlиб (Z;)Il cos 'V2 1 fJJ l иб-
( I 25)
(126)
( 127)
( 128)
в результате описанных 'пересrроений получаем сориенти
рова.нную относитель'но коленчатоrо вала векторную ДHa.,paM
му 'сил, действующнх ,на коренную шейку, .для случая одинак
во наrруженных валов (случай 1). При построении вект<орных
15
диаrрамм для rлавноrо
(случай 2) или для ВСПО 4
MOraTeJJbHorO (случай 3)
валов через ка)кдую ТОЧ
u "
КУ полученном ВСI\ТОРНОИ
;J.иаrраммы, COOTBeTCT
ВУЮlпеЙ определенному
YI'':J у нопорота КО<llенча
I'oro вал а а, ПРОВОДЯТ
прямую под yr.,lOM 20:) a
к ПОJIО:'КИТС,;IЬНОМУ направлению оси Z (за ПОЛО}I{ительнос Ha
прав:теI:НС отсчета уrла 200 a принято направление вращсния
I(ОЛE'Iрrатоrо Bao.lla) и откладыпают на ней отрезок, пропорцио
наЛhllЫИ величин е силы F 9:
-.
,
F i
I
I
h
.,;.
..
I
j
I
I
I
!
I
!
J
2 .t
F ,,,' ,/.
6:=::1 Л9 lg.
Рис.. 41. Векторные диаrраммы СИЛ
, действующих на коренную шейку:
I
I ОДИIJ,:Н;:ОВО наrруженные B<1
лы: . . rлавный вал;
DсrшмоrаТСJJЬНЫЙ вал
( 129)
При ЭТО 1 НЕ'обходимо С'облюдать слеДУЮUlее (рис. 41):
ДJI я [.JI эвноrо вал а (lUТРИХПУН кти рпа я ди иия) отрезоК, про-
ПОРUИОН3..Т1ьный F:J, ()ТJ{лаДЫ13ают внутрь исходной векторной
днаrра ммы (С'П Iошна н v1ННИЯ). если 1\18 <О (Y g < О). и 'наружу,
еС.1И li\tI x >O (Yg>O);
Д.ЛЯ вспо оrательноrо ,вала (штриховая линия) отрезок, про..
ПОРU::IОНЭ.r.rьныЙ Ffj, откладывают внутрь исходной векторной
диаrраМl\-1Ы, ес,,'IИ itl g >O(Y g >O') и наружу, еСJ1И Мв<О(У9<0).
Лrlетодика перестроения полученной диаrра ммы в векторную
u u
Дi1аl'rамму СИЛ, деНСТР..УIОЩJIХ l'ia коренном подшипник, приведе
дена 13 литературе [8J.
Величины 'сил можно ВЫЧИСЛJIТЬ по фОрМУ.Jlа 1
Х } == T 1 cos а 1'1 sin а;
У Т . I '/ .
J Т Sll1 а /_ 1 cos а,
ХН :::::::: ТВ cos а ZII sin 0'.;
У II ТВ siп а.+ ZlJ cos 0'..
( 130)
(131)
(132)
( 133)
Векторные диаrраммы СИ",l, действующих на :коренной под-
шипник 1» для одинаково наl'руженных rлавноrо и вспомоrа
Тt'льпоrо валов, 'П'риведеНЫ на рис. 42.
Для определения величины 'l{рутящеrо момента на валу дви
J 'ателя и мехаНlIческоrо К.П.Д. механизма необходимо оценить
76
потери на треIПIЕ:. CoilO)J{1l0CI.., '1 акай uценки заключается II ТОМ.
....
что до \наСТОЯШ,еrо времеНIl не разрао-отана методика СТСllДОПЫХ
измерений момента (и МОIЦlIОСТП) трения. Из за обратимости
п'Пкла при П'рон:рУЧИВ30нип ма пrины, заправленной рабочим Te
лом, она начинает раБОl ать () режиме тепловоrо 'Насоса, Т. е.
потребляет мощность па п pOIl: aOДCTBO иидика торной работы.
При \ПрОКРУЧИВ3'НIIИ р:1:зr'('рМСТlIзиропа IIIIОЙ машины OTCYTCTBY
ют rазовые силы 11 Н;11'РУЗКIl В узлах трения снижаются, что
ilрИВОДИТ К умеI[ЫI(( II'IIЮ оGщсrо момента трения.
Потери па T)H'IHIC (момент трения) МОЖ1НО ориентировочно
оценить раеllС'IЧILlМ lIутем, подсчитав ,суммарную мощность
треIlПН
м тр == N Tr/ w == (Р 'l'РVОТН)!Ш == (kTpf'lI;J.VOTH)/ ы, (134)
rде М тр , N. TP , Р ТР соответственно MO :'IeIlT, мощность п 'сила
"
трения; ООТН линеиная 'скорость относlIтелыIrоo ДВIlжения в
УЗJlе трения: k Tp н:оэффициент трепин; 1"11;1. IIOp\-13ЛIJII3Я си
.:'Ia В узде трения.
При расчетах слеJ(УСТ КО'Эффll1tНt'IlТ треНIIИ принимать по
стоянным ВО 13реМС'I1II, п МОIlLlIОСПJ l'peIIII5f ПОрНIIIСВЫХ колец о
[ильзу ци.JIИ:flдра подсчи'IыатI.. толыоo дли rпбочеrо ПОрIllНЯ;
тронием вытеснительно[л 1I0РШIlЯ о rпльзу можно пренебречь,
..
TaK как вытесните.:1Ь'НЫИ поршень, как пр а ВИoilО, колец не имеет.
2/О"!
T '-' -
I -PT I
I(}I,
х
х
I
,
,
I
,
.....
9О О
у
х
r
Рис. 42. Ве'h.iорные дна.
rpaMMbl сил, действую
щих на КОрСШIЫС noд
шипии кн:
одинаково Harpy
женныc Ea.тrы; . .
r.tIаl3liЫЙ вал;
,:9СПО\!t)r[lтеЛЫIЫЙ на:!
ТОО .
\',
. O
, .. .
...
ШО"
..
",
с!
Ею О ......
п'
ш
,
"92/0"
I
J
9О"
v
77
j
Рис. 43. Изменение крутящеrо MOMelr
та одноци.тzИ/цровоrо ДВНrаТСJНl С СIIМ
МетрИЧНЬJМ ромбическим мехаНIIЗ..roьs-
в зависимости от YI'_10Boro положснип;
механизма:
, '.JО,JЕ'ч-r .\1" от [а30НЫХ
сил н O Д I:HefJlLAJ : J\Ю
J\ eHT ТрСНИЯ }' тр: су:.1 1арНI-1!\1'
1I'!n\1C:ll М; .. . cJle;iJ ;JIif cyr.HHJp
}ll>\Й :-10чеElТ ;H .,
.... ;)
1
1
.',
I
, .
,'- gO ..... ++ 27tL
L I ·
f i :
, Lr+1
' " '
.... .... .... .... j7
СХ О
,
I1 rp
118
,11
Суммарный MO :1eHT на Ba
,лу двиrателя (рис. 43).
/vl /',-]8 iИ тр ' (1 35)
Nlеханнческии К.:1.Д.
11"1 с::; 1 АI тр /' И 8
( 136)
находится в пределах О,90 ОЯ5 в случае lIспользованпя ПОД4
шипннков качения и УПoJ10тненнй типа «,сворачнвающаяся диаф
paT Ma» :и O.80 O,90 .в С.1vчас использования ПОДIIlиЛrIПI'КОВ
..
СI<о.лЬ:iКСНИЯ }J са.пьяиковых уплотнении.
УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИr АТЕЛЯ
()ДНИ:\1 ИЗ не.10статков ПрIl эксплуатаuин энерrоустановок с:
пор IlIпеВЬJ:\ПI преобразователями эперrии являются вибрации
u U
вызваНIIые 'Налпчие:\1 :переменнон составляющеи в реакциях на
опорах. IIОЭТО}lУ ПОД динамическим уравновешиванием Двиrа.
те"lЯ понимают такое комБИННРОВ3'ние неуравновешенных сил"
u U
I{OTOpOe ведет 'к ПО.:1учению 'раВ'подеиствующеи СИ"Т'j или MOMeH
u
тов, ностояннои по велпчине и :направлению или в частном слу..
чае равной НУ.'Iю [22].
СИoJ1Ы, деИСТВУIOU,lне в двиrателе Il на двиrатель, принято
разделять 'На Сr1,пы внутренние и силы внешние.
К внутреПlIlIМ ОТНосят 'силы, (возникающие в результате
взапмодеИСТВllЯ l.iетзлеЙ двиrателя ме)l{ДУ собой или с ра60ЧНl\'f
Te..,loM и уразновешенные ВНУТРИ двиrателя. И:\11I являются ra
ЗОВЫt си,,'1Ы и CJUlbl трения.
ВПЕ'IlIНИС Cll.7Jbl l30зннкаlOТ в результате взаИ 10действия дe
u
Т3 lеlI /LВI!I"атс'лЯ и двиrзтеля в целом с пнешнеи средои и при
ВОДli\IЫ;\ЛI1 13 ДВИjксние орудиями или машина ,'1И. К внешним
"..
СПJI3:Ч uтносят: вес двпrателя с навесным ооорудоnаннем; :момент
сопротивления со с.тороны пр'иводимоrо 'в Движение орудия или
маПIIlfIЫ; силы инерции поступательно ДВIIЖУIlIИХСЯ масс К()МП
u
лектов раоочеrо и вытсснительноrо поршнеи; силы инерцин
врашающпхся М3СС двиrатсoJТ'lЯ; танrенциальные 'силы ,инерции
Bra tЦаЮШiIХСЯ масс ДI3нrа теля. возникаЮlllИС из за непостОЯН
.-
ствз уrлопои СI{ОРОСТП вад()в двнrателя; тапrенпиальные СИ.J1Ы
78
.инерu:ип ДВИЖУIЦИХСЯ мас-с шатунов; реакции фундамента; pc
2КТИБные моменты и силы, уравновешиваlошпе все лереЧНС.тIен.
iНыe выше 'СИ"lbI внешиеrо воздействия
Ha Дl31иrатель. Кроме YKa
u u .
занlНЫХ СIlЛ на двиrате...1Ъ Mor'YT деиствовать силы реа'Кции струи
...
rазов :и жидкостси, пrlIЛО)l\С'IПIЫС в местах подсоединения В'неш
..
них КО
1:муникации.
Вес двиrателя
'СI1J1а, II,ОСТОЯIIная по ве.rтнчине инаправ.
лению; в некотоrых условиях эксплуатаuии может быть ypaB
новешена ЛОЛIIОСТЫО (1IовеСОЛ10СТЬ).
Л10мент 'СОII)Н)'РНВ.lI('II'lIЯ зависит от характеРИСТIНКИ 'приводи
1I10ro в ЛВII)КОIIIlС arperaTa 11 от УС:IОВНЙ экоплуатации. В 'He
o.
торых '("луча ЯХ, наIlрИ:\1ер при работе Двиrате.rтя 'на Э\!1ектроrе
Еератор с буферны
аккумулятором, I момент сопротивления
можно ,считать постоянным. Он уравновешивается раВ'НЬВ1 по
Величине, но обратным по направлению 'реактивным моментом,
передаваемым чеrез фундамент н %ОР'ПУС.JIые детали.
f"Iеуравновешенными нвляются rJlaBHblM образом .силы инер
цни пиклически ДВI1ЖУШИХСЯ масс кrИВОUНIпно
шатуН'ноrо ме-
::ханизм а:
поступательно Л,вижупtIfХ'СS1 'с УСКОРСJlНСМ jIl (57) масс комп
лекта рабочеrо ПОрIПIIН
" "
m п == m п +
т5п;
поступательно ДВИ)КУШ,их,ся с ускорением jB (65) масс КО
1П
.лекта вытеснительноrо поршня
n "
,тв == пZ B + 1:"т5В;
'Приведенных вращающихся 'с ускорением j' == (j)2R
acc
меха'НИЗ),1а (без масс противовесов)
т'* == [
(lп;RJ
т;R7]/R
и :ма сс противовесов
,* ,
.т7 == т1T
.7/ R;
вращаIОЩИХ'СЯ масс мехаНИЗ
'1а с моментом инерции J из
за
непостоянства уr...l0ВОЙ ,скорости валов (d(J)Jdt * О) ;
качательно дви)кущихся масс шатунов с моментом инсрпии
J ш и УI'ЛОВЫ:М: ускорением 85 (50).
Эти силы н мо:менты необходимо «СfJ.{омбинировать» таким
образом, чтобы rлавный вектор 'CHJl и rлавный моме.нт имели
МН1нимадьные з'начения (в частном "случае бы.rти 'равны нулю),
В проеl{ЦИЯХ на пси координат rлавныЙ вектор сил и rлавныЙ
момелт :можно записать так:
F х ==
(т;jx);
F у ===
L (lп;j y J;
..
( 137)
( 138)
79
expert22 для http://rutracker.org,
(
.'.
I
I ('
(
,
,
I r
,
Fz ==: l; (Пl;jZi); (139)
Мх (mijziYi mijyi z ;)
е Х1 d:Z X i ); (140)
Му =о (m;JxiZi mijzix;)
dШуi )
J Yl dt ; (141)
М . == (m,jYixi тijxiY;)
( J . [l(f) z , . (142 )
\ и dt )
Рассмотрим выраlкення (137)
(142) с учеТО 1: ос()бенностей pOM
бичсскоrо механ П3!\1а (рис. 44), KO
торыЙ имеет продольную (П"lОС
КОСТЬ YZ) и поперечную (п.:10С"
кость ;r У) плоскости симметрии
Симметрия системы исключает ПОЯВ.,lение КОСОСIl:\1МСТрИЧНЫХ
силовых факторов! т. е. неурапповеUIСННЫС силы п моменты MO
тут действовать (быть направлены) только вдоль осей симмет
рин. В данн()м случае ВОЗМОжное направлеНIIС неуравновешен
ных сил И :\10ментов ось У. Таким образом. в с..lучае сим
меТрИЧНОrо ромбичсскоrо механизма Рх=='О, Fz O, Мх==О н
i\1z О. С"lедует заметить, Что силы инерции не MorYT дать MO
мент, направленный вдо..1Ь НХ линии действия (оси У), а Т31{
как враul,С'НИЯ эле"мснтов КОНСТРУКllИИ в плоскости XZ не пропс
ходит (ш ll ==О), ТО И Л1 у ==О.
Таким образом, для полноrо уравновеш.ивания pa'CCMaTpH
Hae:\101'o механизма необходимо н достаточно, чтобы F у '==
;::o: 2: (тjyi) ==0 или
Рис. 44. Схема дпиrате.iIЯ с ('ИМ
метрМЧНЫм ромо»чеСI\ИМ Mexa
низмом
"" 1 *
. . f * .! + ., ( I ) О
m;]Jп m[1JB т ] COS о:. ,п7 1 cos о:. ! l' == ,
( 143)
rде V уrо.п заклинивания прот:нвовесов относительно продо.п
женпя !П,,10СКО'СТИ кривошипа отсчнтывае.тся в ,направлении
вращения вала.
Подставив значения ускорениЙ, имеем
" 2 R L ' Cos (а + В) + '1 cos 2 а 1 ,. 2 R [ cos (а В)
lпn(iJ /v mвы
cos () cos 3 [) СО5 ()
л cos 2 а 1 m'*(J)2R cos а + пl $ ы2 R cos (а + "i') == о.
cos 3 f) I
80
Преобразуем и Уl1рОСТИМ ПО.llученпое выражеНlIС:
" 2 R ( cos а Cos f) sin а sin + '1 cos 2 r:J., )
ru А
cos а. coS cos а cc,s3
7 2 R ( cos а cos + sin а sil1 cos 2 а )
fпr.J(r) F"
cos а cos f) cos а соs З
cos а + '. f) R cos (а + ,\,) О
т'* ш2 R пZ7 (1)" ==
cos а cos а
11.1 И
[ " ( cos а ) 11 (
(,}2R f1l п 1 tg а tg + л ' тв 1 + tg а tg
CGS 3
'1 cos а ) ,* :* cos (а. + -у) ] О
А Пl, т ! .
соs З ' cos с/..
т ак как (i}2R =1= О, ТО
11 ( cos а ) 1. (
тв 1 tg а tg + J" . пZ H 1 + tg а tg
cos. t r-\
" cos а ) '* ....l ,'" ('os (а I 1') О
А т I п Z 7 ' .
cos 3 Cos fJ.,
Это вы'ражение справедливо
условиii:
-'
массы комплектов рабочеrо
До..1ЖНЫ быть одинакоВЫ, Т. е.
при БЫПО..Т'IнеНIIИ следующих
..
и вытесннтельноrо порш'неи
r 11
"
m п == m v === т ;
m;'(1 tgatg +1,
т: (1 +- tg а tg л
с os а )
cos 3 В
cosa. ) == 2т";
cos 3 В
(144}
yr'OJl заКЛИНlIва ния ,противовесов
у == о;
'* + ,* cos(a+l') 1* ' .
т т 7 ;:::=.. tп f п Z 7 ,
<:os а
(145)
,*
:приведенная масса 'против()весов т 7 должна быть равна
сумме масс КОМЛ.llектов рабочеrо и вытеснитеЛЬНОrо поршней и
u 1'" U
приведеннон шеураВ'новешеннои вращающеися массы Mexa
низма:
lп;* == 2tп" lп'*. (146)
СИ).1метричный 'РО lбический механизм поз'во.пяет спроектн-
v
ровать 11 'праКТIlческп изrотовить полностыо уравновешенныи
ДВИI а те.тть даже D ОДНОЦИЛИНДРОВО 1 ИСПО..l иени:и.
81.
Энсрrопреоб]1()3()Н:I 1 (':11. 11;1 баз,е та'К,оrо )lвнrате"lЯ может
быть также ПОJlIIОl"!'I.)() ) l'(Jретически уrаВIIОUСШСН, Для этоrо
необходимо ВЫIl{)ДIIIJТ!, С.ilсдующие условия:
'съем MOHlIItH.'TII ИРОllЗВОДИТЬ одновременно с двух валов в
равных КОЛIlчсеТВ;lХ;
моменты I111( РЦIIП масс, вращающих'ся .С каждым валом (в
'Том чпслс 11 массы приводимых в ,движение навесных вспомоrа
'-тельных al'pCUHOB). ДОЛЖНЫ быть одинаковые;
'валы, сосдинитеJll:1ные муфты, валопроводы 'и a peraTbl дол
ж"ны иметь одинаКОI3ые крутильные жестко,сти (как пра.вые, так
.Н левые);
приводимые в дви}кение arperaTbI должны оыть полностью
. уравновешены.
Таким образом, при проектированин динамичестки ypaBHOBe
ш,енноrо энерrопреобразователя 'с рассмотренным двиrатеollем
необходимо сохранить снммет'рню системы, Это можно ВЫiПОЛ
нить, применнв, например, ,схему .с двумя одинаковыми reHe
рат()ра :1И (по ОДНО:\IУ на валу), работаЮЩИ I'И на общую Ha
rPY3KY [1 О].
КОНСТРУКЦИЯ двиr А ТЕЛЯ
УСТРОЙСТВО двиr А ТЕЛЯ
в двнrа TC"l ях С ТИР<ilинrа, вы ПО<i'1 JI('1j1l 11 JIJ Х 110 .,'!lot)O ii 1\(}'Jlстrуктив
..
пои схе:\1е, :\10jKHO ВЫДСЛI11Ъ СJll'ДУЮIЦIН' Ol'I!()I\lII.I{' механизмы,.
'-'
устроиств а 11 'СIIСТСМ Ы.
1. Ivlехаи ИЗ!\1 ДВII )Кl"IIIIЯ. 1\0 I'()JIIJI ii ()()('('I ({'111f В,Н"I IН'()()ХОДН 1\1 ый
закон НЗМСJ[С'IIIISI ot)'It('M{J!\ IOIHI'H'ii 11 XI).ll()) llltii 1 IО,.IJ()("I,(,ji, В()('ВрИ
IJH 1aeT давлсние 1'(l: ()1I в 1l11,IIII'II)lJH' :ll\lll'aT(".IJ 1 11 11j1('o()paJyeT по
СТУ'па теЛЫIJое дВ IПК€I1I1С IIO()(IIII(' ii Во 11'1' а I Н(I Н'.Н 1)110(' ЛНJ1 жен не
8а,,1а.
2. ОСТОВ двнrателя, СОСТОЯlllиi-i IНЗ IIСIIОД8И)l(НЫХ деталей,.
rrапраВ<ilЯЮЩIiХ и поддержпваЮlЦИХ ДВIIЖУЩIlССЯ детали Mexa
IIИЗ:\1а движения.
3. Теплообменные устройства, включающие воздухоподоrре
13aTeJlb, Jнаrреватель рабочсrо '[ела, pereHeparop II охладитель,
которые 'служат для ПОЛDода теплоты от внешнеrо источннка
к рабочему ТС"lУ в rаGочсм простrаlIстве двиrателя и отвода
теплоты от раБОЧСI"О TC.!I() в СIIСТСМУ 'охлаждения, а также для
..
реrенерацип теплоты rаза, псретеrкаЮlцеrо IIЗ ОДНОИ полости В'
.1руrую.
_!. Системы охааждеgия. см:аз'Ки, реrулирования и т. П., He
;' ..
ООХОДИ11ые Д.;'IЯ нормальнои раооты дв:иrатсля.
Рассмотрим YCTpolrCTI30 оспов-ных узлоп II мехаНIl3МОВ на
ПрИ11ере двиrателя СТИР"lI1нrа ,С. ромбическим мехаНИЗхl0М пре
образования движения (рис. 45). В TaKO 1 двиrателе 13. одном
ЦНЛJl.ндре установлены два поршня. rорячая и холодная по
,,10СТII ЦП"lи'ндра сообщаются между ,собой каiналами через Ha
rревзтель 11, pcrelIepaTOp 17 и охладитель 18. выIеспитсльныый
лоршень 9 создает подвижное уплотнение ме)кду rорячей и xo
..lОДНОЙ ПО/IОСТЯ 1J1 ЦИ.Jlиндра. Этот поршень соединен со HJTOI{OM
23, ПРОХОДЯЩИ 1 черсз отверстие рабочеrо поршня 7 И ero по
лый шток 22. Шток 23 соеди.нен 'с Iнижней траверсой 28, СВЯ
занноЙ с помошью палыIвB 29 'с lпатупамн 2 II КРНВОIПIlпами 3-
н 26 коленчатоrо вала. ПО<ilЫЙ шток 22 рабочеrо ПОрIIIНЯ, про
.
ходя IНИИ через отверстие в верхнеи степке R а ртера, СDяза н с
р
(,) H
J'
:J.
'" ) . i
. >. . - _ 1
/",.., '>. : :--. ' . t . \;:. . \", I
' -,.' -- \.
'>. " , .
I
J / ' \
J[ . I [.} '
,
.....
, ",
,
'
'1
РИС 4;,. I(онс:трук'{ивиая схема ДВИ
rате Я Стнрлииrа с ромбическим
меХ3ИИ3МО:\1:
1 картер; 2 н 25 шатуны; :3 и
26 КрИПUUIIIIIЫ l Q.1leiIЧ[iТЫХ ва.l0В;
4 и 27 противовесы коленчатых
B8.'IOn; 5 СИIIХРОllизируюшая lIlес
тсрня: Б буферная полость: '7
раGочиЙ поршснь; 8 ХО.'IоднаЯ ПО 4
.юсть; 9 вытеСIIИТС'ЛЬНЫИ пор.
шеПh; 10 канал ПО..'lнода воздуха
в камеру СI'ораНJIЯ; 1 1 HarpeBa
теЛh; 12 Kar,.epa СПJраюrя; 13
!{ольцеDая 110..1 ость: 14 форсунка;
15 канз.1 отвода П[JOДУ[\ТОВ CI"O
рания; 16 ВО3ДУХОllод.ОI'рез(]те.1Ь:
17 pereHepaTOp; 18 ох:rадитель:
19 liод на'r. рубашк<} ОХ,lаднтеля;
20 ННЛПIlДр; 21 С[jсртынающееся
Jl..llаФР,[['1\1еllное Уlrдотн<;нпе' 22
.
111"1"1)1{ PIlf)o'lt'ro поршпя; 23 ШТОJ{
:\\.' \ lY :lI!"Н'.'\ \.\\()I'O I10рlllНЯ; 24 Tpa
IH';I, ,1 11;1 tlL 1'11'1 () поршн ;; 28 Tpa
'I,'PC\ 111.11,',,11'''-1'.'11>110]"0 поршня; 29
'I..JII'I\ 111:\'1 У 11,1
1"
:J
."
, '
11
}
13t'рхней тр аверсой 24.
которая с помощью ша
тунов 25 также соедине
на с КрНJЗОШJlпа!\1И колеи
ЧLlТОI'О пала. О()а KO.ileH
II I"Iы: B;I,:I:I t'Шlзаиы MC):К
цу со(юii снихронизи
..
РУЮЩПМII 1пеСТС'рН51МII tJ, О{)l'СlIl'ЧIIВ(I){)[ltll\111 враIJН'I1IIС na<il0B в
.'" ...:t
противополо:жном на 11 раВЛСII ИП с (J)tll 11 а КОВО ['1 Llастотои.
Такая схема кривошипно шатунноr[) механизма не требует
поддержания BbI,coKoro даВ.пения в картере.
Сальник Iптока вытеснительноrо поршня расположен внутри
полоrо штока 'рабочеrо ЛОрПIНЯ. Еще одно уплотнение BOI<pyr
ШТОl<а 'рабочеrо rПОРIПНЯ необход,имо для Toro, чтобы создать
буферную полость 6 под поршпем, отделенную от картсра. Эта
!10,,10СТЬ заiполняется 'рабочим rазом до 'необходимоrо дав.чения.
В мноrоцилпндровых ДВИf'ателях буферные полости можно co
единить друт 'с дpYTO I, что позволиТ 'снизить объе .1 отдельных
<r
полостеи.
О,стов двиrателя 'состоит И3 картера 1 и ЦИ,j},нндра 20, имею
щеrо обыч'Но съсмную крышку. Элементы остова воспринимаlОТ
при работе двиrателя силы давления rаза н силы инерции ДВИ
ЖУЩlИх,ся дета"lей и должны обладать достаточной /fIРОЧНОСТЬЮ
и жесткостью.
Теплообменные устроЙства двиrателя работают в различ.ных
'"
температурных условиях и находятся под деиствием BbIcoKoro
давления рабочеrо тела. Наrреватель 11 и ретенератор 17"
работающие при высоких температурах, изrотоВЛЯЮтся из
jкаропрочных леrированных металлов. Охладитель 18 работает
. .......
L---...
.'1
{!'
7
...1
J ;I - -
р
ю-
1}
,,,
"1
"
...J
")
.1
п
,1
., "
,/t. )
j -
'J'
, 1,
/)'}
/"
.)
--
"
-/-
1
,
'''l )
"
84
JIрИ НIIЗКИХ температурах 'Н MOj!(eT выполнять-ся, JI;IIIPII 1t.p, 1[.1
оl(lТУНИ.
С цеcllЬЮ уменьшения TC'Il.iIOBOro ПОТОка от IИarpCBaT('J( 1 '{
охдадитеЛIО между р ereIlC'pn тором и ОХ.Н адителем ИНОI'да yT'I;1
наВЛИ1вают теПЛОИ30.JlиrУЮIlt11ii экран.
Реrеиера торы та к )I{C, I\arJ, и ох.надители, :моrут быть вы I [0.:1
"
вены в видс ОТДСЛЫII)IХ ('('КItНИ, расположенных равномерно НО
QКРУ}l НОСТИ BOI<PY r It 11.!lllll)lpa ДВиrа те.ПЯ.
ОхлаДИТС'.!I1J \1 JH'iteTaBJlHCT собой теплообменник трубча Toru
ТIIпа, впутр 11 трубок KOToporo ,протекает рабочее тело, а она
ружи ()ХJI I)I\даюu ая жидкость.
7 f)о.п I.IIIll,HC1'Ba двиr'ате.п,ей Стир.пинrа в качестве теП,,10НОСН
1"СЛЯ ОТ зпеПlпеrо источника теплоты -к ра бочему телу слу:жа т
продуrкты ,сrоранпя орrаниче'скоrо топлива. В ЭТlIХ СЛУЧ:l51Х
двиrа тель оборудуется ка:\:1ероЙ crop ан и 51. КОIIСТРУ « ILIIЯ КОТО]10 ii
з а висит от ,п ар аметро.в двиrа ТСЛЯ II cro 'н а :HI (lЧСIII BI.
,На r> нс. 45 показана схем (1 ДВl [I'а т ('\.:1 SI с IllI JlII'IIJtp 1 (l1t'l" I\{) ii I{a,
Mepoi1 сrора'ПIIЯ 12. )(OTOf1;lSl OXl\il"ll)IB:ll'T lIaIIH'BaTC.JII) 11" В lН"pX
пей части I<:1M('PI)1 tTOP:1I1IH[ P:H'1J10.:I(I/I\('1I:1 ФОРСУlll\il /-1
Выбор I\OIll'TPYI\ltlll[ 1\;1;\14..'111.1 t'II.P:IIIII 1 ()IIIН'/lС.II I('ТСИ тр('бо
ванням'п cTa()ill.JII.I'IIO{,'l'11 1'()IH'I1J1 I. II:IJl{'il\'1I0l'TII ;)il\II[" 1111151 11 p(l
боты, полноты cr'Op )ljIIl 1 ТОII.ЛJlВ:I. f\'11111111\1 I.I[ЫI()ii TO';,('IPII!OCTII,
устойчивости раБОТhI на переМl'НIIЫХ РСЖIIl\"[;lХ, : aKOlla pпClIpe
дс..1СНИЯ температур продуктов СI'uрания ТОП"lнва, поступаюших
в наrреватель. Влутреппий корпус j(3MepbI сrоранИЯ ох..lа}кда
ется DОЗДУХОМ, :проходящям Чt'рез небо.пьшоЙ КОЛыtевой [1pO
меЖУТQК ежду внутренним и BHClllHH:vr коrПУСЗi\1I1 камеры
<:,rо-рания.
Ддя у MCIII,IIIC',1I11S1 nOTepI) Т('НЛОТЫ t' УХО/: Иlцrl\IJ:Н rаззми 11
..
улучшення УСЛОВIIИ ('I'ОрПIlII51 Т(ПIЛJJВ;l ДВlII'атс,,'1Ь оuорудован
ВОЗДУХОПОДОI'реН3ТС.JIСI\'1 16 трубчаТОI'О или П.;Jзсти'Нчзтоrо типа.
Те:\:1нература воздуха па ВЫХОДС llз I10доrревателя реrулирует'ся
.С пом:оlцыIo тсрмостата.
I-IаrРУЗJ\а двиrате я Стирлннrа обычно рсrулнrуется IIЗМС
нением количества раБОЧСl'О тел а в ра бочI'IХ полостях двrrr:l те.iIЯ
..
при 'неизменнои тем'Ператуне har-рензте.!lЯ.
К. iП. д. И устойчивость работы двиr'зтеля заВIIС\Еl' от ':)ффек
.,
"ТJИВ,ностн уплотняющих устроиств, отделяющих щруr от JI.PY{"(l
"
rОРЯЧУIО н холодную полости ЦИЛИIIдра rl IIослеЛIIНИ от ка pTC
"
ра простраНСТlВа, в которо М 'р аспол аr-аст,ся п рIJ.'ВОДIlОИ :меха
НИЗМ. Уплотняющис устройства ДОJlЖ'НЫ npe!IOTBparuaTb УТ('Ч КII
рабочеrо тела при минимальных затратах энерr ИИ на 'nреодо
JICHlIe тр.епия.
Раз'Ность давлении между rорячсй и холодной полостямн
цилиндра обусловлена IпотеРЯr\'УИ при }1ПИЖСНИII рабочсrо те.па
через наrревате.пь, IpereHepaTop 11 охладитель. Обычно ЭТИ п()
.,
терн невел;ики, поэтому уп.потнптелыJии у{орпус вытеСНJlтель
Horo поршля онаб}кается ОДНII\1 II..'III двумя УП,,10ТIНЯЮIЦIВ1П КОль
85
цаМI1, которые не ()()Я:\:I H....I ы 10 должны быть упруrлми, НО до.п
)kПЫ П.}10Т'НО ВХО;1.II'IЪ в ItlIJlllfJДр. Для облеrчения условиЙ рабо..
ты уплотнений I1CO{)XCJj[11 \1() стремиться к снижению температу-
ры метаЛ.па ВЫП'("IИIТt'Л IJII()I O поршпя. С этой целью наиболее
'"
на rpeTbIe верхн 1 [(' 11:1 ('Т J r вы тсенительных П'ор шнеи те'l1ЛОII30ЛИ
PYIOT от НИ.iКIIJfХ. УII.JIОПШlOlltllе КОoilьца Д"lЯ вытеонительноrо
поршня l1зrОТоВ.JI SlIO')' II: l'р l(l)(п (t или фторопласта. Т 8 кие коль..
ца 10rYT ра()()ТН'I"I. JtJIIIТ{'J)Ы[()С нремя без смазки.
В 'рсзу ';Н/П\ 'H )I..JI'llТt'JI ЫII)IХ 11 re л сдав а НfП':'I . фирмой Филипе
разработа НО I'Cf) мет в ЧllоС {' нсрты В31ОНtееся УПJlот'нение 21, пред"
стаВЛЯЮIl[СС соuоЙ rеЭllНОВУЮ MCM6ra'IIY в фОр 1е чулка. Пре..
дельное ЧIIС':IО UIfKJJO(1 работы УIlJlОТlIСIIIIЯ п rевышает 2.109 без
разрывов 1[50].
Двиrатели Стир.пинrа оборудуются PS)ltOM вспомоrательных
устройств, необходимых для нормальной рn()оты систем топ..
лнвоподаЧII, ВОЗ;Iухоснабжения, смазки п Т. 1)1. Пр,и пуске
двиrаТСJIЯ сначала вrключают ,систе 1Ы воздухоподачи. топливо..
подачи ;1 за)киrаНIIЯ происхnдит проrрев тепло'Носите.flЯ, за..
тем ВК"lIочают стартер, п двнrатель ,начияает работать.
КОМПОНОВКА двиr А ТЕЛЯ
Д...1Я то[о чтобы в двиrате"lе СТlJрлИ'нrа про.исходило п-реобра..
З0вание теПJ10ВОЙ энер rин в 'Iеханическую рабnту, в ero кон'"
СТРУКЦН1I должны быть СЛСДУЮIЦНС элемClНТЫ: две рабочие
ПО,,10СТ11 rорячая 11 ХИJlОДlIан; два теплооБМСННlIка ,HarpeBa
те,,1Ь и ОХ.'IзДатель; топ.!lообмеННIIК реl'еле:ратор; соеДННIIтель оа
ные Ka I H8.1bI; :\1ехаНИЗ I, прсобразующнй поступательное движе..
Нiие по вращаТЕ:.1ьное.
ТаКИ:\l образом, если Д,,1Я двиrателя Стирлинrа :ввести
<>
понятне «эквивалентным ..1.впrате"lЬ», равнозначное понятию
'"
«ОДНОЦIIЛННДРОВЫН отсек» ДЛЯ двиrате.,тlеи BHYTpeHHero cropa
НИЯ, ТО дЛЯ конструктивноЙ схемы, изображенной на рис. 10, а,
'"
«эквивалеНТIIЫИ Двнrаrе.пь» СОСТОНТ 'Из rи.льзы, двух порш'неи
вытеСIl'iIТС.пьноrо и рабочеrо, трех теплооБМОННII'КGВ aarpeBa..
те.пя, pcrCHepaTopa, ОХ';IаДlпе"Т'IЯ и соедините"lь'ныIx каналов.
Прсuбf)l1ЗVЮЩИЙ 1еханизм может быть аксиальноrо (см.
рис. 30, й) И,,'1И 'РомбнчеСКUI О (см. рис. 32, 8) типа.
При использовании конструктивной схемы, показанной на
рис. 1 0,8, «эквиваде,НТIIЫЙ двиrатель» Стирлннrа образуется'
из двух rИ.rlЬЗ, дВух рабочих поршней. трех теплообменников ,
наррсв<:! те.тIЯ, pereH paTopa, охладитеoilЯ и сnедините.пьных Ka,
налов. ПреобраЗУIОIUИЙ еханиз в этом С.Т'Iучае может быть
либо ОДНОКО.аенным при V образ'Ном расположении цилиндро&
(см. рис. 30, а), .:lибо двухколвН'ным при ряд.IJОМ ИСПО"lнении.
ДаJ+.:е БСI'.пое сравнение ДВИI'ателя Сти:р.линrа с двиrателями'
'"
IВиутреннеrо 'сrорання показывает, что «эквивалентныи двиrа-
тель» Стирлинrа имеет по сравнению с одноцилипдровым OTce
86
Рис. 46. Схема дню aTe
ля Стирлинrа ДDойноrо
.действия:
'. 2. 4 п 6 ЦИЛИIlJ1.РЫ:
3 rорнчая ПОЛОСТh; 5
ПОРШСl!Ь: 7 IiarpeBa
TC.'Ib; 8 рсrсператор; 9
охтщите.'IЬ; 10 ХОЛ0Д
ная полость; 11 yпДOT
нение; 12 соединитель
ныс hзпа.'1Ы; 1,1 креПu-
]\ОпФ: 14 КО.1енчатый
вал
7 ,
8
:;
r;:::-
" , ! I /}
,) " <' /
. .
, I
! U
,
1tJ
1!
12
13
14 '-
,
I /
I
,
т--
, '
,
,
, !
+
(
,
т
'1{ом послсд..нНх почти в 2 11[1.]3 БОJII.(IН'(' I<O.;IJf1I('l'ТlSO деталей
трения, а слсJtОВ 1Т('.!IIJIoI(), I\:I: aJI()('I) fi/Jf. ДО,1lжt'I! I1 м (") 1) 11 более
'низкий McxaIlIPlet'I\llii !(.II.}t. ().'LII;II<O 1I.fI;JBII()(' t)l'."\)'J{ilj1IIOC изме-
нение 'силовых H;\I"PY:JO!( в )[IИII':I'Н'.IIС <:тrl\l..llIlIIl'(I, а 'I:IIOI<C ДOCTa
точно низкий yp013l'Hl, П;,\11Il'раТУi)Ы }L('T:IJH;ii G.;lа[()[lриятстпует
l1рименению в парах трения IIOHblX СНIlтеТПЧССIОIХ :и I\ОYIПОЗIlЦИ-
<онных материалов с нпзки .1Н коэффициентами ТрСНIfЯ. В ре-
ЗУ.ilыате этоrо механические rк. п. д. двиrатепей СТIlРЛlИнrа и
двиrателей HHYTpeHHero сrорания имеют приБЛИЗИТСЛL:iО один а-
»
ковыи диапазоН численных значении.
Рассмотренные iВЫlле н:омпоновки двиrателя Стнрлинrа от-
о'
;носятся К маш,ипам простоrо деис'[впя, Т. С. К таI{И двиrате-
.ЛЯМ, У которых рабочпii ход осуществляется n течение од:ноrо
оборота коленчато[о HaJ(.l апа.пОПIЧIIО двухтаКТlIЫМ ДI3иrателям
'BHYTpeHHero сrораНIIЯ. ·
Соединяя вместе несколько «эквивалент ных ДВНrа те.пей»,
MO:i.KHO ,создавать мноrОЦИЛIlндровые ДБпrате"lИ этоrо, типа и
!()бразовывать нз инх MOIUHocTHbIe ряды ДО НССJ<ОЛЬКИХ сотен и
даже тысяч "lошаДIIПЫХ 'сип.
Однако более перспеКТИThНЫМ оказывается Двиrатель Стир
линrа двойноrо действия, cxe la KOToporo показана на ри,с. 46.
В дaHHO 1 случае отдельные цилиндры 1 2, 4 н 6 уже не яв
,ляются «эквиваЛС:НТНЬППI двиrате.пя пт», как наприl'..rс.р, n ПIоr'о
цилиндровых ДВлrате,,1ЯХ RытеОНИТСJIьноrо типа. В дпнrателя:х
v u
двоиноrо деиствия «эквивалентныи двиrатель» ,начинается с
объема под поршнем одноrо из ЦI'I,,1I1НДРОВ, IIIЗПрi I:\lер Ц,ИЛIrндра
6; ЭТОТ объем НВ.:1яется холодноЙ nолостьrо 10. Наружные Ka
валы 12 через ОХJ1адитель 9, реrеператор 8 и Iпаrреrзатсль 7 coe
дннЯЮт ЭТУ ХО.ПОДНУIО ПО"lQ:СТЬ С nO...'IOCTbIO Над поршнем 5 дpy
foro пнлиндра (ПЛЛIlНДР 4), KOTOpbIj:i является rорнчей поло
стью 3. Объемы ХОЛОДНОЙ л rорячей полостсЙ TaKoro «эквива
87
лвrПIlоrо дпиrатс,,1Я» Jl(JСТlniIЮТ максимальных величин при по
.:IО.iКенин поршнrЙ п "-J'ПIХ ЦII.:I нидрах соответственно в верхнеЙ
и НI1}кней мертвых TOII'I<(}X. В дВ'иrателе Стирлилrа, 'ВЫ[lО.пнен
ном по cxe I,e, IПТНIВ('llеJlIIОЙ на рис. 46, столько же «эквивалент
пых двиr'ателсii», CI<().JII I\O 11 цнлИ'пдров. В зтом чеТЫ'Рехцилин
дровом ДВlIrате.лс l<pOMC УI{азаIННЫХ «эквивалентные двиrатели»
()бразонаны из ХОJ!о]tIlЫХ н rорячих полостей цилиндров 4 и 2,
2 и 1, 1 и 6. nJI SI TOI'O 11 то[)ы обеспечить в «эквивалеНТНО l
дnиrа теле» О! H'IH' )1\ l' 1 [1 'Р 11:\ \1' CII<:III IH объем а rорячей ПО,10СТИ по
oTHolIleHIIIO к XOJIOltlloii, I[('O()XO]OI\10 орrаинзовать движсние
..порш'ней Т31(1НМ оБРQ 'ОМ, IITO()I>! :\1:IPIIIIМЗДЬНЫИ объем rорячей
полости ДОСllнrался НО )'1'.;( У IIO!H JIH1Ta I\О';lеllча Toro вал а раньше,
[leM минимальный объем XO.ilo;tlloil II()jlоrПI. С..тIедnзательнn,
ПnРUlень В ци.пиндре 4 до..l)кен ДОСТllr :1"1"1> В. 1. Т. ра нынс, чем пор
шень 6 H. I.T. ТО же 'са110е относится и 'l( I}0IHlllHIM 13 Itилнндрах
2 и 4; 1 и 2; 6 и 1.
П'рн объединении il'И"Т'IННДРОВ в «эквивалептные двиrате.пи» и
ПРОе'Ктиrовапии привода для ;I,виrателеi'I Стирлинrа ДI30иноrо
деЙ'СТВIIЯ необходимо преДУС:\10треть, чтобы все «эквивздентные
двиrатели» были идентичны. Так, наПрН:\1ер, в схеме на ри,с. 46
«эквишалент1НЫЙ дви:rате,,1Ь», образоваННЫJi Ilнлиндра ИI 1 и б.
будет отличаться от остальных балыпеЙ длиной соединнтспь
ных каналов 1:е:жду ЭТИМII ЦiIЛIIндрами. В '-;1 т О \1" С'ЛУЧ;1С возмо)к
u
на нераВН011ерная наr-рузка ПОРIUIlСИ и Ht'jKC.:J;ITCJI ЫI ан циrкуля
ция rаза внутри двиrа TeJ1 Я. ч<:rо CJlC)lYC'T 11: БСI.ать. Назваiние
U u
«двиr'атель двоиноr,о деИС1'ВI\Я)} ОСIlопано на том, что в К3ЖДО11
цилиндре положительная работа произво,л.ится 'в течснне обоих
ходов :поршня вверх и вниз, т. е. в течение одноrо оборота
КО"lенчатоrо вала совершается два рабочих хода порш'Ня. Ta
коЙ ДВl1rатель Стирлинrа в энерrетическом смы'сле эквиваJlен
U
тен двухтактНnМу двиrа те Т'IЮ впутреннеrо сrорания ДБОИНОJ"О
..
деиствия.
ДВI1I'зтели СТИРЛИНf3 двойноrо деЙствия MorYT иметь ряд
ное, V образ.ное и 'Круrовое Hc!lH барабанное расположение ци
.пИ'НДрnв, Эскиз четырехцилинд'ровоrо двиrа теля Стирлинrа
<> ..
дзоиноrо деи,ствия с рядным расположенне11 цилиндров пока
зая на рис. 47. Единственный коленчатый вал имеет колена,
расположенные под уrлом 90° таким образом, что поршни Ha
ходятся в в.м. т. поел едова телынО в первом, третьем, четвертом
н втором ЦИ"lиндрах. В этом Сcilучае уравновешиваются силы
..
инерции ма,ос поступательно ДВИЖУIЦИХСЯ детален, HeypaBHOBe
....
шенным остается момент, ,которыи уравновешивают 'с ПОМОIЦЬЮ
балансирных валов 14, нращающихся в лротивополо}кные CTO
рОНЫ.
На рис. 48 показана конструктивная 'схема четырехцилин
дровоrо двиrателя Сти:р.линrа двоЙ'ноrо дей,ствия с V образным
ра'ополо}кение 1 llИ"IIИИДРОВ и с обычным крейцкопфныM криво
шипно шату]Н'ным механизмом. Симметричное расположение
88
5
1
, ,
{ '1 1 11
<.) I
';'
I ,
/'
,.
)
l' 'j
tJ'
,r
l'
,
'
1.
17
"
1"
,
1,.;'
ТЗ
r
..,
/
/
"
,
,
I
..
L
]
Рис. 47, ЭСКИ.i I('ТI.IРСХIIИ;НII{J1;РО8nrо Д8иrатсля Стир.'I Иllrа Дlюйноrо деЙСТDIfЯ с рЯДIIЫМ
расположен 11('1\1 ЦИ.:I )111 ДРОВ:
l. 2, 3, 4 ЦШJИlIДРЫ; 5 IIзrрепаТСJlЬ; 6 j'ОрНЧ<!Я полость; 7 поршень; 8 pel'eHcpa-
тер; 9 охладитель; 10 холодная nOnO'CTb; 1,1 уплотнение; 12 соединительные Ka
IlЗДЫ; 13 КI)еfiЦКОllф; 14 бащ] НСИрlli>lе Bi:lJlhl; 15 коленчатый Dал; 16 r.ОД[ЮДЯЩИЙ
DО..1,ЯНОЙ ко.':ше!{Тор; 17 ОТБОДЯЩИЙ ВОДЯНОЙ коллектор
Рис. 48. ЭСКИЗ четыехцилиндроБоrоo двиrатепя Стирлинrа ДDОЙllоrо дсi1Cl'БИЯ с V образ
н ым расположением цил ин дро в:
1 iюздvхоподводящий канал; 2 реrеиератор; J ОХJ1аДПТСJ1Ь; 4 б.'10К уплотнения
штока; 5 креЙL 1'ОПф: 6 коленчатый вал: 7 шатун; 8 шток 1I0рJt1НЯ:; 9 ХОЛО,,'шан
полость; 10 liоршень; 11 rорячая ПО.rlоt::1 ь; J:} lIодо;реваП',11> ВОЗДУХJ.; п HJ.r'p a
Te.1Ь 14 корпус камеры сrорания
рабочих ЦИ"l,ИIlДРОП оТtIIОСНТl'ЛЫIО НРОДОЛЫIОЙ И поперечнои осей
двн:rа теля lI'ОЗПО"lЯСl' прнмен нть дЛЯ НССХ четыр,ех цилиндров
обlЦУЮ камеру Iсrорания, тоrда 'как при ряд:ном ИСПОЛНСIIИИ на
ка)кдый цилиндр 'l'ребуется отдельная ка)лера сrорапия. Все
верХJlНЕ' надпоршнсвые пространстпа ЯВ,,1ЯIОТСЯ rорячими по.тто
стями, а НИ)l(\нне холодными. Уrол развала мсжду цилиндра
ми и уr.лы заКЛНlJнваНI1Я КРИВОШИПОВ rвыбра,ны та КИМ образом.
чтобы 'раБОЧiие лр()цессы в !C le)KHЫX uилнндрах, обраЗУIОIЦIIХ
«ЭКВИБ3ЛСНТНЫЙ двнrатель», .происходили со 'СДНиrО:\1 по фазе,
раnНЫ:\1 90° уrла поворота колеНLI aToro вала. /llрп такой КО IПО
новке достиrается компактное расположение рабочих цплmнд
ров и сб,,10 r кированных Среr'енератор охладите"lЬ) теплообмен
ннков, 'ОJ3язанных между ,собой КОРОТIПIМИ соединительными
капаламп равной длины, что обусловливает идеитичио,сть rHl
боты (равномерность термической и силовой наrрузки) всех
четы'рех «эквивалентных д.виrателеи», образующих двиrатель
Стир.!, ИНI а.
ДП'иrатель двойноrо действия с круrОБЫМ НЛll 62 рабанным
располо}кение 1 ЦИЛИНДРОВ !ПоказаlН Ha рвс. 49. I1rll таком объ
единении ПИЛННДРОВ получается непрерывная lIОС.,1едователь
89
g {j 7
iO \
, , \ ti
,
,
\
\
\
Рис. 49. Эскиз четыреХЦИ.JIиндровоrо
двиrатеЛJl Стирлинrа двойноrо дей.
с;П>,ИЯ С KPYl'OBblM расположением ци
;нпщрОВ и ПРИВОДИЫМ мехаииз ом с
косой шайбой:
1 hal-реВ<:iте.rн>: 2 nopUJeHb; 3 xo
.'lО;lНtiЯ полость; 4 креЙцкопф; 5
I I\(>С,'Я шаtiба; б бло.К уплотнения
штока; 7 СUС,J,llнительпый канал; 8
охла.дИIель: 9 pereHepaTop; 10 ro
рs:;чая ПОЛОСТЬ
,
\
\
4
\
\
,
5
J
I
J
1
,
.
z
НОСТЬ «экви:валCiНТНЫХ двиrателей» II устраняется проблема
.... ..
рядноrо двиrате"lЯ двоиноrо деиствия, т. е. соединение первоrо
и последнеrо цилиндров. KpyroBoe расположение llИЛИНДРОВ
обеспечивает плотную компоновку дnиrателя и создает ,возмож
ность для ооъсдннеяия сме,кных цилиндров как через трубки
'Наrревателя (обlцая для всех цилиндров камера сrорания), так
и через каналы охладите"lЯ (общие подвод охлаждающей жид
кост'и ко Bce 1 nхладителям И nтвnд ее).
При лриводном механизме с КОСОЙ шайбой rорячие и холод
Вые полости С?\.:1:с}кных цилнндrов обраЗУIОТ «эквивалентный
двиrатель», и фазовые уrлы опсрсн(сннн вычнс.rrЯIОТСЯ по фор..
муле.
(j) == 180' 360 '/i,
rде i чис.ПО цилиндров.
ТаКИ :1 образом, при барабанном раСПО.!lО.ж:ении цилиндро:в И
приводе ;с косой Iпайбой двиrателп Стирлинrа двойноrо дейстw
вия при полностью идентичных «эквивалеНllНЫХ двНrа телях»
конструктинно осущССТВИ!VlЫ С тремя девятью цилиндрамн.
Опт,имальное число ци.;rrИJlДРОВ, опрсделяющее фаз'овый уrол
сдвиrа, в каЖДО:\:1 'Конкретном 'случае устанав.;rrивают исходя из
термодинаЛПlческих характеристик, размеров ДВИf'ателя, CKO
РОСТII И наrрузок на подшипники приводноrо механизма.
ЕСvlЯ массnвые и rабаритные показатели и 'стоимость не яв"
ляются определяющими, то при .пю'бых обстоятельствах наибо
лее. предпочтительной ЯВ"Т'Iяется КОНСТРУ1Кция двиrателя CTHp
линrа вытеснительноrо типа с ромбическим приводом. Этот
приВод обеспечивает пnлное уравновешивание сил инерции н
бесшумную работу дВиrателя; при этом два коленчатых вала
ромбическоrо привода позволяют про\изводить отбор мощности
в четырех точках. Если требуется особо «тихая» работа ДВИ
rателя, то специальное внимание .следует уделить материалу
..
и конструкции синхронизирующих шестерен и тщательнои под
90
тонке пальцев малых rоловок IIlатунов. Так как ПОЛIlоразмер
..
IfiЫИ дннrатель состоит из неСКО..тIЬ1{ИХ 'полностью иден'IИЧНЫХ
()ДИОЦП"lИНДРОВЫХ отсеков, то доводка рабочеrо процесса дви
rателя мож,ет осуществляться 'На Од'IIОЦИЛИНДРОВОМ отсеке.
При мноrочнслен-ных IПО.,lОЖIrтель'IlЫХ качествах ромбиче
.cKoro 'п ривода ero 'существен IIЫ 1 недо'ста тком ЯВ.,lяется вЫсокая
стои ость изrОТОВJIения, оБУСЛО13ленная большим число).! дeTa
.лей. Действительно, в этом случае tHa один «эквизалентный
двиrатеollЬ» приходится дна ПорlllНЯ, два поршпеI3ЫХ уплотне
ния, два коленчатых вала, две траверсы, две СИIIХ'рОНИЗИрую
щие шестеРПIl н lIIecTb шатунов. В медкосериЙ'ном ИЛи единич
u
ном ПрОII3ВОД'С1'ве, rде ручнои труд r.JIавная составляющая в
структуре затрат, стоимость двиrателя возрастает ПрОПорцио
налЬiНО ЧНС"lУ деталей. В массовом производстве, ["де затраты
Труда, приходящеrося на каждую деталь, ниже, il б().JIыl0еe KO
Jlичество леталеii унифицировано, Зllачите.пЫIОС число л.ета.лей
в 'РО:\1бическом прнводе в :\1еПЫllСИ стеПСIIИ CKail{CTCH lIа СТОИ
мости двнrате.ПЯ.
КОНСТРУКТIIВ'Н;IЯ схема / ШII'ПТ('.JIН Cl'lIpJIIIIII'(l IIpucToro дей
ствня. пр 11 I{OTOpoii «.il\В'l1 валt' 111'11 JJI ii }llHII'a Tt'JIIJ» о() разуется ДBY
мя ЦИ"lI1l1дра мн II двум I (><1 ()Ollll М 11 '110rIlIIIHMH, ВСJlслствие jниз
ких удельных мпссовых 11 ".1 ()п рllТН ы Х показателеи не И).1еет
широкоrо распростраlll'lIl\Н 11 н ОСНОВНОМ ПРlнденяется в холо
ДiИЛЬНЫХ маlllинах, r лп IIlIoe '11 pCII:vIYluecTBo двиrате.1Я Стирлинrа
u "
ДВQиноrо деиствня II () ер а BlIl'.IIIIIO с мнurОIlИЛ'И пдровьп'1 двиrате
лем вытеснитеЛЫIОI'О 1'11I1 1 е РОМUIiЧССКI1YJ: приводом от'носи
..
тельно малое ЧIIСЛО }te'l.tl.'lrll 'lIривода, приходящихся на один
«эквивалентный Л,ШIПIТСJII.». I ]Нllболсе 'IlсропсктнВ'ными КО 1ПО
НОВfКа:\1'И ДВllrаТСJfей двоii II()П) действия являстся V образная с
обычным КрИВОIIlIIII'110 11I ату}] IlЫМ механизмом крсйцкопфноrо
типа н KPYi-овая бара ба НII ая с I{ОСОЙ 1113 й.боЙ. ' дельные 1ac'co
вые и rабаритные ПОI<ззателп ДВlн"ателей СТирлинrа двойноrо
..
деиствия этих ком'поновок не уступают ана,,10rичным показате
"
лям двнrате.,1СИ внутрепнеrо сrорания.
В заключенпе следует отметить. что выбор рациональной
компоновки двиrателя Стнрлияrа .в псрвую очередь зависит от
е["о наз'начения.
МЕХАНИЗМ ДВИЖЕНИЯ
в двиrате,,'!ях Стнрлинrа к деталям движения относят'ся 'Порш
ни (рабочий и вытеСНI:Iте,,'!ьныи), 1<рейцкопф, 'Поршневые паль
ЦЫ, коленчатые валы, подшипники, шатуны, штоки, траверсы
и 1. п.
Так как пропзводимая двиrателем работа Ctнимается с pa
бочеrо поршня, то 'И 'силы, возникаюu.tие в ero приводе, ,сущест
..
венно лревышают .силы, деиствующие- в приводе lВытес,нитель
IIOrO поршня. Поэтому Illатуи, Iпоршневой палец и друrне де-
91
'1 али, связанные с рабочим поршнем, ДО"lЖНЫ быть Iпро.чнее
u
деталеи пр ивода вытеснительно.rо портня.
На рис. 50 показаlна шатуН'ио по.РШlневая rруппа двиrателя
Стирлинrа вытесните.льноrо типа с обычным криво.шипно. ша
тунным механизмом, со'стоящая 'нз рабочеrо. 1 и вы'Теснитель
Horo 2 !Поршней, шатунов 3 и 4 соо.тветственно. рабочеrо. и
вытеснительноrо поршней. Шатун 3 рабочеrо поршня IВИ.льча
TOro. типа обладает достаточной прочностью при сравнительно
небольшо.й ма'<.)се. Ero. 'Нижнне rоловки разъемные с TO'HKOCTeH
ными баббито.выми вкладышами. Верхняя rо.ловка разрезиая.
В ней помещается бронзовая втулка, которая фиксируется oд
ним винто.м И стяrивается двумя винтами. 'Во. втулке устано.влен
u
п-оршневои палец, к концам KOTOpOro. крепится опора :nорш'няv
Н'иж.няя rO..'lOBKa шатуна 4 вытеснительно.rо. поршня также
сделана 'разъемной с тонкостенными баббитовыми ,вкладыша
ми. .В верхней шатунной rо.ловке вильчато.й формы за'прессова
ны бронзо.вые ВТУoilКИ, в ко.торые вставляется палец, соединяю
щий шатун с крейц'Копфом и со што.ко.м.
В на,стоящее вре IЯ в двиrа телях СТИРЛИНf'а вытеснительно
[о типа iна'иболее широкое раопространение получил ромбиче
с ий 'Преобразующий механизм, впервые '<примененный в этих
двиrателях IB 1953 r. Ромбический механизм (рис. 51), испо..ПЬ
зуе ый в приводе рабочеrо и вытеенительно.rо. поршней, ,состо.ит
из двух КО"lенчатых валов 5 и ряда шатунов 3, распо..1IОЖ Н
ных на paiBHoM ра,сстоянии 'по. обе сто.роны о.т вертнкально.й о.си
ДВиr'ателя. Чаще Bcero применяется симметричный механизм,
у KOToporo шатYiНЫ рабочеrо и вытеснитеЛI:>ноr-о !Поршней имеют
одинаковое раостоЯ'ние между центрами верхних и .нижних [О 4
ловок. При этом рабоч'ий 'порш,ень 9, воопринимающий и пере
дающ'ий БО"lьшие наrрузки, приводится в движение четырьмя
шатунами, а вытес-ннте.пъный 'Поршень 1 только двумя. Ta
ким образом, на каждЫЙ из rкриво.шипов приходится по три ша
туна. Пр'ичем 'из трех шат нов, 'сидящих на о.дной шатунной
<>
шеике каждоrо вала, ДВа внешних пальцем соединены с Bepx
ней травер.сой 2 (траверсо.й рабочеrо 'Поршня), а внутренний
шат) н также Iпальце:м .связан с нижней траверсой 7 (траверсой
выте'снительноrо. поршня). Нижние разъемные rоло.вки шаТУ4
нов) имеющие разрезные тонкостенные вкладыши, стяrиваются
шату'нными болтами. По.лый шток 8 рабочеrо пор[пня часто
изrотовдяют как одно целое .с верхней траверсой. Через рабо
..
чии ло'ршень аlналоrично ранее рассмотренному приводу про.
ходит шток 6 вытеонителЬ'но['о. по.ртня, который соединяет ero
с ижней травер.сой. Шестерни 4 на 'Коленчатых валах Сoilужат
для синхронизацни их вращения.
Т оретически ро.мбический механизм обеспечивает CTpOro.
u
линеЙно.е перемещение рабочеrо и вытеснительно.rо. порш'неи.
В действительности, как показали измереиия, это движение
может быть линейиым с точностью до 0,01 О мм, в зависимостн
92
от .выбра,нноро .класса точности при изrотовл-ении детален po '"
бическоrо 'Привода. Поэтому 'ромбический ме)(а!низм почтн tПОЛ
ностью исключает боковые наrрузrки на рабочий IИ вытеонитель
..
ныи 'поршни.
,в Л'виrателях Стирли'нrа двойиоrо действия иопользуются
обычные крейцкопфные кр'И:вошИ'п,но шатуиные мехаlНИ3МЫ, ана
. .. ." I .. I
. -', """... I I
. . . ... .. ... . .
0"0 .... ", ....- 1. . ..
.. ".. I .., .. l' .. 1. . ..: .1.. . I , .'
" . . . . . I .. .... I f . ,
. .. .. ,.. ..... '.'" .
. '..' ,. . ....
. .' . '.... : . I .." ....".. ..
. ... . .... .. ... .
'. ......"....: .. ........ ' .' . I
, '. . ., , .. . .-. '.
. . -. ".'
. ,., - . , .
.. . ",. ." r ' I -_
. .., . .'. .
.:.:' ..... ." ..: ._..,I..
.' :.. .. . "'". : '.' .'
РИС. 50. Шатунно поршневаg rpуппа ДВИrа
теЛfl СТJlрЛJшrа Dытесннтельвоro типа (:
аксиальным расположением J(рИВОШИПИО w
шату"ноrО механизма
Рис. 51. ШаТУННО ПОl'шневаll rpуппа двиrа
теля Стирлинrа вытеснитепьиоro типа с
ромбическим Кl'ивошипно шатувным Mexa
tlизмом
/1
1./
,
,
.,.'. "
f) 1
.-
"
1
.
/
/
8
4
,3
,.
.,
7
,
,
,
Б
93
..лоrичные применяемым в двиrателестроении и компрессоро
.строении.
Коленчатые валы в двиr'ателях Стирлинrа по конфиrурации,
материалу, ТОЧности и технолоrни изrотовления н т. п. aHa.ao
тичны коленчатым валам двиrателей BHYTpeHHero сrорания. Это
же следу.ет сказать о тех'иолоrи'и нзrотовления 'и материалах
u
друrих детален крнвошипно шатунных механизмов двиr'ателеи
Ст'Ир.пинr'а.
Вследствие специфичности условий 'работы некоторым CBoe
Qбраз'Ием отличается конструкция вытеснитель'ноrО поршня.
Последний предназначен для разъединения полостей с при:б.!lИ
зительно одииатковыми да,влениями, !но с существенно различ
iНЫMH темrпер а тура ми (fj,t == 600 6500), поэтому выте,снитель
ный поршень должен обладать нез'иачителыиой теплопроводно
стью. С этой целью колпак поршня де.Jlают тоикостенным, 'cpaB
нителЬ'но большой высоты 'и из материала, ,обладающеrо малой
удельной теплопроводностью (например, из нержавеющей стали
или титановых сплавов). Для уменьшения передачи теплоты
излучением по высоте КО..,l,пака вытеенительноrо ПОрIПНЯ распо
лаrают теплоотражающие экраны. Кроме 10ro, для уменьшения
циркуляции "аза внутри колпака ero запо.п.няют теплоизоляци
онным материалом типа вермикул-итао
УПЛОТНЕНИЯ
Для достижения максимальных Ко п. д. и удель,ных параметров
двиrателя Стирлинrа необходимо в ero замкнутом рабочем
пространстве Iподдерживать вы,со'Кое .среднее давление рабочеrо
те.па (lOO 250 KrC/C:\1 2 ). Еслн к этому еще добавить, что в Ka
честве рабочеrо тела в двиrателе Ст,ирлинrа наиболее ш-ироко
...
прим,еняются водород и rелии rазы, имеющие незначитель
..
вую вязкость, то станет яснои та оrромная РОЛЬ t ,которую
иrрают уплотнения в обеапечении работоспособlНОСТV двиrателя.
Для Tor o чтобы ВЫЯСНИТЬ функции уплотнений в ,дв.иrателе
Стирлинrа, рассмотрим одноцилИ'ндровую конструкцию ДВИf'а
"fеля вытеенительноrо типа .с ромбическим механизмом
{рис. 52) о Используемые в этом случае уплотнения в том или
ином виде применяются и в друrих конструктивных схемах
двиrа теля Стирлииrа о
Уплотнение 8 вытеснительиоrо поршня .препятствует перете-
ка'нию rаза из rорячей IПОЛОСт'И в холодную. Разность давлений
в данных 'полостях небольшая и определяется rидравлнчес'Ким
сопротивлением тра'кта наrреватель pereHepaTop охлади-
тель. Если работа уплотнеиия 8 'сопровождается ув.еличением
количества рабочеrо тела, перетекающеrо из rорячей полости
Б холодную, ТО повышается 'нижняя температура цикла и t 'как
следствие, уменьшаются К. п. д. И удельные параметры двиrа-
'Теляо
З4
Уплотнение 7 рабочеrо паршия слу
жит для предотвращения утечки rаза из
рабочеrо пространства 1. Перепад дав"
лений в этом С"lучае определяется разнн-
ией средних давлений В рабочей и бу..
ферной 6 полостях. Утечка raS8 из раба-
чеrо пространства ведет к уменьшению
массы рабочеrо тела, участвующеrо в
цикле, а следовательно, к снижеиию
..
мощности и удельных показателеи
двиrате.пя.
Верхнее 2 н нижнее 3 уплотнения
штока вытеснительноrо поршня препятст
вуют утечке рабочеrо те.па из рабочеrо
пространства в картер 4 и попаданию
смазочноr'о масЛа из последнеrо в рабочее
пространство. Перепад давлений в по
лостях, разделяемых этими уп.потне
пиями, равен разиости среднеrо давле
ния в рабочем пространстве и aTMOC
ферноrо давления в картере. Влняние
утечки рабочеrо тела через эти уплотне
ния на показатели двиrателя аналоrич
но влнянию утечки через уплотнение 7
рабочеrо поршня.
Уплотнение 5 штока рабочеrо лоршня предотвращает утеч..
КУ рабочеrо тела из буферной полости в картер и от попадання
смазочноrо масла в эту полость. Перепад давлений, IJlрИ -ко..
тором -работает это уплотнение, равен разности между средним
давл.ением в буфер'ной полости н атмосферным даВ.пением в
картере. Утечrка рабочеrо тела из буфер'ной полости ведет, С.
u
одном стороны, к возрастаиию -одностороннеrо силовоrо воздеи
ствия на кривошипно шатунный меха'низм, есдн буферная по
лость не связана с рабочим пространством, а с друrой к
уменьшению маосы рабоч-еrо тела, участвующеrо в рабочем
цикле, ес.Jl'И буферная полость соединена с рабочим простран
ством и, как следствие, к сни)кению мощности и I У дельиых
u
показателеи двиrателя.
Попадание смаЗОчноrо материала в рабочее пространство
двиrателя нежелательно по двум причинам.
Во первых, любая жидкая ,смазка, попав в рабочее IПрОСТ
раонство, проникает в теплообменники. Жидrкая лленка смазоч
Horo масла, попавшая -на поверхность охладителя, отрицательно
влияет на ero эффектиВ'ность. В 'наrревателе и в верхией части
реrеиератора, 'работающих при температуре 550 7000 С, в ре..
зультате коксовання масла понижается коэффициент теплоот
дачи и возра,стает СОПрОТИВЛЕ"ние движению рабочеrо тела, что
2.
РИС. 52. Схема распо.ложе
НИА УПJlOтнениti в д.вИrаТ8J1е
Стирлинrа вытес.нитеJlьноrо
типа
95
увеличивает rидрав..'Iичсское сопротивление тран:та HarpeBa
тсль pereHeparop ОХо!lадитель.
BO BTOPЫX, масло, попав в наrревате.пь и реrеиератор, иопа
.ряется, что вызывает изменение своЙств рабочеrо тела. Изме
ненне теплофизнческих характеристик (теплоемкости, вя'Зко
стн и т. д.) 'рабочеrо тела 'приводит rк увелнчению потерь на
трение при перетекании рабочеr'о Te,,'Ia через теплообменники
:и к ухудшению характерJИСТ'ИК теплопередачи.
Совместное влияние двух этих факторов уменьшает полез
ную мощность и 'к. ,по д. двиrатеЛЯ. Поэто:иу :в двиr'ателях Стир
линrа целесообразно 'Применение несмазы.ваемых уплотненнй
..
'Порш'неи и штоков, причем надежное уплотнение должно ДOCTH
rаться 'ПрИ минимальных затратах мощности 'на преодоление
трения.
Поршиевые уп.потнения. В двиrателях Стирлинrа можно ис
ПО.ilьзовать 'Поршневые уплот,нения двух типов.
Достижение с IПОМОщью РО lбичеокоrо привода 'ПраКТИЧески
прямолинейноrо движения рабочеr-о ,и вытеонитеЛНноrо порш..
ней ,позволяет применять Д.!lЯ ,вытеСНИте"lьноr'о поршня лаби
..
ринтное уплотнение с ма.!lЫМ зазором между rИЛЬЗОИ н по'рш
нем. С увеличением числа .пабиринтов 'на боковой поверх'ностн
3Toro iПорш'ня уменьшается перетекание рабочеrо тела 'НЗ rоря'
чей полости 'в холодную н наоборот. При покрытии боковоi.
поверхности поршня мяrкИМ металлом иди еllлавами (алюми
ний, олово и т. д.) понижает,ся темлература и перепад давле
ний рабnчеrо тела в ПОС.Jlедующих лабиринтах, нследствие 3Toro
..
создается до'статоч'Но хо?ошее уплотнение портиеи в rильзе.
Образующаяся BnO..'Ib боковой поверхности поршня rазовая 'по
душка ;почт,и полностью исключает трение IПОрШНЯ о стенки
rильзы цилиндра. Несмотря на то, что при такой конструкции
уплотнення порш-ня ,практичеОКII отсутствуют потери на трение
между ПОРШlнем н ЦИ.тIlI'НДрО , все же мощность и экономич
насть ДВlIrателя не,сколЬ'ко ,снижаются из за перетека.иия pa
бочеrо тео!lа через лабиринтные уплотнения в холодную по
лость.
П'ри рассмотрении работы дниrате.пя с лабиринтным уплот
нением поршней необходимо учитывать ОДНО .ваЖ1ное обстоя
тельстВо. Колебания даlВ.Jlення в цилиндре вызывают деформа
дню ero 'стенок, что изменяет зазор между поршнем и ЦИо!lИНД
ром, а это, в спою очередь, влия.ет на перетекание рабочеrо
тела 'в двиrате..тrе, 'и, следовательiНО, 'на ero параметры. ,Поэтому
в 'случае применения конструкций лабиринт,ных уплотнений с
покрытием из мяrкоrо металла IlИЛИНДР необходимо делать
толстостеннЫм для уменьшения деформации ero стенок. TeM
пература стенок ЦИЛИiндра и поршня должна изменяться в
уз!ких пределах и 'На нсем протяж.ении зоны трения темлератур
ные [радненты в 'стенке цилиндра должны быть достаточно
малыми.
96
в ДВИI'аrелях Сти-рл.инrа мо}кио также применять обычные
;поршневые уплотнения 'с разрез'ным упруrим 'Кольцом. В этом
случае кольцевые канавки нарезаются на боковой поверхности
рабочеrо IПОрШНЯ или на 'нижней !направляющей части IBblTec
нительноrо .порш.ня. В 'канавки вставляются комбинирова'нные
поршневые кольца, представ.Jlяющие собой обычные чуrунные
или стальные разрезные поршневые кольца с наклеенtНЫМ или
завальцованным онаруж'и тонким ,слоем фторопласта или по
добноrо ему материала.
Применение несмазываемых фторопластовых уплотнений
или уплоТ!нений из КОМiПозиций фтороплаtCта со стекловоло'К
ном, капроном и т. д. возможно вследствие TOro. что темпера
тура мета"lJла в зоне работы поршиевых У'пло"иений не пре:вы
IIIael' 80 1200 с. Для получения таких тем'лератур 'в указанной
зоНе необходимо при 'Проектировании цилиндра и вытеанит,ель
Horo поршня предусмотреть создание n этих деталях тепловых
ба рьеров 'на пути теrпловоrо потока ОТ I'орячей полости к xo
..
лоднои.
Ф'торопласт :на.иболее пер.спеКТИDНЫЙ материал для уплот'не
ний в двиrателях Стирлинrа, так как обладает высокой хими
... V (J U
чесrкои ,стоико'стью, достаточ.иои механическои прочносrью и
хорош'ими антифрикционными свойствами. Диапазон рабочих
тем!ператур ДollЯ фторопла'ста составляет от 60 до 2600 С, KO
эффициент :СУХОРО трения O,02 0,08, а -при хорошей 'смазке
з'начительно ниже 0,02. Однако при применении фторопласта
....
следует учнтывать изменение ero меха:нических своиств 'при по
вышенной температуре, в том ЧИС Iе 'и текучести. Как показали
длнтельные Iиспытания, при полной наrрузке фторопластовые
u
Уlплотнения в относительно холод'Нои части ДВиrателя имеют
износ 20 60 мкм че.рез 1000 ч работы [10]. СuТ"lедовательно, при
толщнне фторопла'стовоrо уплотнения 1 1,5 мм срок 'службы
поршневоrо кольца равен 10 12 ты-с. ч.
Для уменьшения перете ния рабочеrо тела во внутреннем
контуре необходимо, чтобы торцовые и радиальные зазоры
кольца в порш'невой канавке былн минимальными. ОпыТ1НЫМ
путем уста,новлено, что поршневые кольца обеспечивают Ha
деж'ную плотность !при торцовом И раднальном зазорах кОЛьца
в кана.вке, равных приблизительно 0,01 0,02 мм. Для умеЙь w
шения утечки через обычный косой заМОК кольца следует при
менять ДBYX илн трехзаходные замтки. Так как при длительной
работе уплотнительные КОЛьца не только ,сами изнашиваются,
но и 'разбивают Iкольцевые канавки на ПОрШlНе, то со временем
количество перетекающеrо рабочеrо тела ,возрастает. !\роме
Toro, частицы, образующнеся в результате изнашивания kолец
..
и поршнеи, оседают в pereHepaTope и ухудшают ero l"идрав.пи
ческую и тепловую характеристики, ч то I1'Р.иводит к падению
мощности н эrкономнчности двиrа теля.
4 З[tК. 458
97
Анализ работы порш.
....
невых уплотнении по.
казывает, что лучшеЕ
rазовос уплотнеиие MO
..,
}кет ОЫТЬ достиrнуто с
помощью контактны.х
I10ршневых колец. Oд
нако, как следует из
рассмотрения рис. 53,
при одних н тех же KoH
структивных И рабочих
парамстрах более BЫ
сокне мощность и эф
фектнвныЙ к. П. д. имеет
ДПНl'аТСJIЬ с лабиринт..
ными уплотнениями, ЧТО
является следствием ие
'"
оольших потерь на тре..
ние в этом случае. Это
,..
преимущество ,,1З0ИРИIfтиоrо УП,,10тнепня уменьшается с увели..
чением раз еров UИ.ТIиндра Двиrа1'е.llЯ. К.роме 10ro, лабарии'f
нос уплотнение .эффективно ТО..,lЬКО при малых отклонениях
движения поршнсЙ от прямолинейноrо, что требует высокой
...
точности изrотовл ния дета.nеи ромоичеСКОJ'О ПрНводноrо. Me
ханизма. ЭТо усложняст Н УДОрОЖ.ает производство.
Уплотнение ШТОКОВ. ДЛЯ уплотнения штоков ПрИБода рабочеrо
v
и вытеснительноrо IIоршнеи примеНЯЮТС5I саМОУПoilотняющиеся
металлические сальники с уплотняющими коническими элемен..
тами из баббита и бронзы. Шток, работающий в паре с сальни
..
ком, имеет пере\1снные по ДЛИIIС поrрешпости rеометрическои
формы. Поэтому плот
ное касание уплотняю
u
щих эл меитов по всем
длине штока при ра боте
практически неОСУIДССТ
I3И 10. Даже при самон
u
тща1ельнои подrонке
са,,1ЬНИКОВ к штоку
имеются радиальные за
зоры, а сдедователь
по, и утечки рабочеrо
тела.
Надежное уплотнение
иIToKa может быть до.
стиrнуто только в том
случае, если уплотняю
luие элементы будут KOM
пенсировзть поrрешиости
-T '
'le} %,
f! i
" l.' ,
Nt;"
11. С,
fj
- - .......---
зо
N{'
,, .
\ '"
\
20
...-.
".
5
10
ч
",
1000
20О{)
2500 1I,u6jMl1H
1500
Рис. 53. ИзмеНt:lше эффеКТИШILlХ МОЩНОСТИ 111 t
И 1<. П. д. 11 е ДВИl'атсля Стирлинrа ВЫТССНИ'Iельно
1'0 типа в Э8ВИ(.ИМОс.ти ОТ Изменении частоты Dpa.
Щеи"я n вала при уплотнениях различных типов
Вьtтесн'Итедьноrо и ра.бочеrо ПОрШltеi\:
."1аБИрИНТlIое УЩlOтпенпс;
КОНТaJ{Jпое уплотнение
4
:i",
-.....,
"'
\. ,
I "
!
,)
Рис. 54. КОИСТРУКЦИЯ ком.пенсирующеr о с.ал I.H ИI...о
Jloro уплотнения штока
98
!1:Н'ОТ0влеНIIЯ П монта}ка IПТОi,(l l[ деталеii сальнаковоrо ун
:! отнения.
Наиболее перспективным мат<,рпзлом для УПJIОТНЯЮIll,ИХ эл с..
ментов саЛЬНИl{ОВ, чаще B
'[')'(} рапот<нощих в PC)J{J-JMC cyxoro
трения, является фТОР()ПJ(нст
4. II\t рис. 54 приведсна часть KOH
струкuии саЛЬНИI{ОВО('О у IIJlOТl [('11 IHI HITO 1\;1 5 с УПJIОТНЯIОIЦПМ элс
ментом 4 из фТОР()ПJlсн"r'а
.1. С;I.п ЫIIII\ СО("ТОJlТ из неСКО.iIЬКИХ Ha
ружных обойм 2. в 1\ОТОр Ы {' 110]\1('11\('1} Ы УП.7IОТIIЯI0Iпне элемептЬ1 4.
РаспрсдеЛИТt\JI 1»11 Ы{' I(O.IIM
a 1 IIзrотовдяют из чуrуна ИЛИ стали
If устананл ннн 10'1' 11 1f;:1 РУЯСНУЮ оБОlfМУ 2 с посадкой А:
/Сз. Они
имеют раДННJ(J)l[ЫР JI осевые канавки для подвода rаза к уплот--
IlЯЮЩиМ ЭJ1сментам. Зазор мел{ду запорными кольцами 8 и
IПТОКОМ 5
В === (О,ОО05 + 0,001) d шт ,
['де d шт
диаметр штока,
Сальник данноrо типа является компенсирующим и caMO
УПЛОТНЯIОЩИМСЯ, причем уплотняющие элементы сальника Ha
(-ружены нсравпомерно. Рабочее тел() из уплотпяе.\10Й полости,
попав в первую раБОЧ)'IО камеру, обл\имает уплотняющий эле
... u ...
мент, которыи создаст I"СРМСТИЧССКНИ затвор, препятствующии
УТСЧI{е rаза через сальник ШТОI<а. Уплотняющие элементы вслсд
u
ствие своем эластичности и упруrости компенсируют поrреШIIО
сти изrотовлеНJIЯ штока (овальность, конусность и т. п.), п.rrот
но охватывают ero на ВССх участках хода и практически ПОЛНО
стью предотвращаIОТ утечки rаза. При MHoroKaMepHOM сальнике
уплотнение штока ОСУll
ествляется первым от полости УПЛОТНЯ
ющим элементом, ВОСПРНIНIМЭI()U\ИМ ПО..1НУЮ наrрузку
даВ,Jrе
ние рабочеrо тела. ,ДРУI"ие уплотняющие элементы поса}кены с
предварительными радиальным и осевым натяrамн, вследствие
чеrо плотно прилеrают к IlITOKY, И ЯВ.,fIяются рсзервными. При
пропуске ра60чеrо тела первым УПЛОТНЯЮll
ИМ элементом в pa
боту вступает СЛЕ'Л,ующнй. КОl'ОРЫЙ предотвра1uает утечку ra
эа через сальник, и т. д. Посредством такой системы достиrа
,..
ется высокая надежность vплотнения и неООХОДIIмая допrовеч
.
ность са.ЛЬИИКОВ.
Начальная удельная наrрузка, которую оказывает фторопла
стовое уплотнение па шток, зависит не ТОЛЬКО от натяrа, но и
от радиальной толщины уплотняющеrо элемента. При выборе
и
осевои ТОЛЩИНЫ уплотпяющеrо элемента следует Уflитывать. что
с ее увеличением утечки рабочеrо тела умеНЫl1аютсл, но возра
стает сила треиия.
На осиовании ЭКСlJСРИМQнтальных и тсоретичеСI{ИХ исследо
ваний оптимальные размеры уплотняющих Э,,1ементов для што
ков диаметром 8
250 мм и перепадов давлений до 600 Krc/cM 2
1orYT определяться эмпирпческн:и формулам (рис. 54):
радиальная толщ ина УПЛОТНЯlощеrо элемента
Sr == (1 ,00 + 1..25) V d шт ;
4- 99
expert22 для http://rutracker.org
осевая толщина УПЛОТНЯЮlдеrо элемента
S(J 23,;
"
радиальныи натяr уплотняющих ЭJfе:иептов
6, :=.= (0,015 + 0,020) d шт ;
UI
осевои натяr vп.,тIОТНЯЮЩИХ Э.пемен'fОВ
"'
ба ::=; (1,0020 + 0,0025) rlwT'
При монтаже сальников данноrо типа неСООСНОС'IЪ штоков
с ОСhЮ наруя{ных камер не долж:на превышать 0,01 мм на
tOo мм хода штока; уплотняющие торповые поверхности Ha
"
PYlI(fIOI1 lia 1epbl, распрелслитеЛhноrо KO:fbrra и запорноrо кольца
ДОЛllПlbl быть притерты друr к друrу так, чтобы образовался
замкнутый и:руrовой поясок площадью не менее 50 % площади
соприкосновения.
.l'v\онтаЖlIые зазоры в сальниках рекомендуется принимать
следующими: а:=:0.5 7 2)0 М:\1; b 3710 мм (рис. 54). ЧИс.rrО ка..
навок на торповых и цилиндрических поверхностях распреде
литс.rJЬНЫХ колец мо}кет быть равно 6 24. ра!IИУС канавок
r:=: 1.5+2,5 М:\1. При больших диаметрах и низких перепадах
давлений принимают большие значения приведенных выше BC'
личин. .
Длите,,1ЬНОСТЬ приработки сальников с УП,)'fОТIПIЮЩИМИ э.:rс
ментами из ФТОРОП..,lаста 4 составляет не мС'нее 2 ч. Средняя
ДОлrовечность са.ПЬНИКОВ при правильно выбранных KOHCTPYK
тивных и монтажных размерах, при тщатс.пьном выполнении
требований к сборке составляет 3000 ч. Если сальник состоит
из нескольких УП,)10ТНЯЮЩПХ элементов, то ero долrовеЧНОСТL
увеличивается приблизительно пропорпионально чис.rrу этих ЭJJе
ментов.
В зависимости от требуемой надежности и рабочеrо перепа
да Давлеиий выбираlОТ число уплотняющих элементов. При дав.
лении до 300 Krc/cM 2 реКО'1ендуются Дl3а три элемента, а при
даВJ1ении зоо 600 Krc/cM 2 три пять элементов. В случае ие
правильно выбранных размеров и натяrов УПЛОТПЯЮlIJ,ИХ элс
ментов невозмо}кно создать требуемую начальную удельную Ha
I'Рузку на lIIТОК. В резу.пьтате предварительноrо натяrа повыша
ется надеllПIОСТЬ уплотняюп их элементов при работе rc пульси
.. u
РУЮIЦСИ Н аrрузкои.
Свертывающееся диафраrменное уплотнение. До caMoro по
следнеrо времени полностью rерметичнос уплотнение для што
ков И поршней, работающее при высоких давлениях и больших
скоростях ОТIIосителыrоrо перемещения 11 и меЮlцее значитсль
пый срок С.llужбы, казалось непостижимым. Однако изобрете..
ипс в 1961 r. свертываЮlцейся диафраrмЬJ с масляной опорой
показало, что создание полностью rерметичноrо уплотнения
100
/,
практически осуществимо [50J.;
Свертывающееся диафраrмсинос,
" u
УПJfотнеиие с маслянои опорои, из o /; _/ '",
вестное также под иазваиием «чу
очное уплотнеиие». обеспечивает
фактически 1000/0 НУЮ rерметич
ность и выдерживает высокие дaB
ления и скорости перемещения, по
ЭТОМУ ero применеиие решает про
блему уплотнения в двиrателе
Стирлииrа.
До последпсrо времени CBep
тывающиеся диафр 31"Mbl yдaBa
лось применять только n узлах
сравнительно «тнхоходиых» (т. С.
малоцикличных с нсбодьшим Xo
дом) I устройств при небольших
\)
перепадах давлении, xapaKTcplIblX
для rидраВЛИЧССI<оrо и ПIl('вмаТИ(IССI{оr"о I{онтрольно измсритель
Поrо и реrулирующеrо оборудования и т. П. ДЛЯ Toro чтобы
такая диафраrма НС Сf'иба.ттась и не МОРII илась при CBepTЫBa
пии, должна существовать определенная минима,ТIьная раз
ность двлений, действующих па диафраrму. Незначите.пьное
u
повыIениеe BepXHero предела допустимоrо перепада дав.ТlеПI1И,
ко ,торо е для выполненных конструкций было около 5 Krc/c 2.
вызывало разрыв диафраrмы. Примененис упрочненных KOp
довых диафраrм приводило к потере эластичности и быстрому
уст алостному изиосу.
Применение свеРТЬJваЮlцеЙся диафраrмы для уп.потпения ПО
u
.постен с rазом под выс()ким давлением стало ВОЗМО)l{НЫМ при
использовании жидкости в качестве опоры для диафраrмы
(рис. 55). Такой жидкостью служит смазочное маслО ДВИrа
теля. При этом на собственно диафраrму действует ТQЛЬКО He
большая разность давлений приблизительно до 5 Krc/cM 2 . Назна
чение диафраrмы 1 оrраничивается созданием rерметическоЙ
п реrородки между камерой 2 с мас,аом и полостью 7 над диаф
раrмоЙ с рабочим телом. ФаКТИ1.Jеская разность даВ"Т'lений (дaB
ление равно lOO 250 Krc/cM 2 и более) пейстrзует на второе
уплотнение 5 обычноrо типа, которое отделяет заполненное
маслом пространство под диафраrмой от полости картера 4.
Для предупреждения быстроrо изиашиваиия диафраrмы и
ее усталости под деиствием знакопеременных напря}кении. He
обходимо чт()бы она пл()тно прилеrала к )I{ИДКОСТИ в любой MO
мент времени и имела одинаковую длину в течение Bcero цикла
свертывания. Очевидно, что требование ПОСТОЯННоЙ общей дли
вы диафраrмы равиоценно требованию постояниоrо перепада
давлений в полостях над и под диафраrмой. CyureCTByeT He
сколько способов поддержаиия постоянным этоrо перепада. Pac
П
7
1::
. ;. /./<.' '/
. _ '.-
r
[;
,
,
d '/jfl}
)
11
}
l.,
и
,
'
\
1
".' /.
,
!
1 .
I)и(. б5. Схема УПJlо'rнеflИW СО CBC['
ТLlО810щtАСА диафраrмоА
101
смотрим один из них, паrпедший наиполее широкое примене
Jlие Для обеспечения ностоянной ДЛИНЫ диафраrмы масляной
<Jмортизирующей камере 2 под диафраrмой придается' такая
форма, чтобы заключенный в н й объем масла оставался неиз
менным в течение Bcero цикла. Это достиrается приданием што
[{у и цилиндрической стенкс а:\10ртизирующей масляной KaMe
ры ступенчатой форы, как показано на рис. 55. Площадь
ступени на штоке (п{4) (d "l d;) должна быть равна площади
ступени на стенке цилиндрической камеры (зt/4) (d; d T).
Т отда
! lr е '
d шт == r da dB .
2
Докажем, что замкнутый объем под диафраrмоЙ остается по
стоянным. Допустим, что шток переместился вверх или вниз
на KaKoe TO расстояние х. Если Д.тrина диафраr ы остается по
u
стояннои, то се колено проходит половину этоrо расстояния,
тоrда ){aI< ступень на штоке, которая занимает половину пло
u U
щади зазора между штоком и цилиндрицескои стенкои, про
ходит все расстояние х.
Очевилно, что в этом спучае общий за мкнутый ПОД диафраr
мой объем не изменится. Он заполнястся теперь таким коли
чеством Mac.Tla, KOToporo достаточно для создания требуеМQrо
перепада даВ.пений в ПО.ПОС'fях над и ПОД диафраrмой Под дей
..
ствием этоrо перепада лавлении происход.ит праВИ,,1Ыlое CBCpTЫ
вание диафраrмы. Масляная опора нуждается в принятии: oco
бых мер, чтобы уплотнение было работоспособным. 1\,1.асло BЫTe
u
кает НЗ амортизирующеи камеры через масляное уплотнение,
J{OTOpOe может быть одним из уплотнений типа «оr'раничиваю
щих утечку». Поэтому необходимо подавать масло в ам:ортизи
рующую камеру 2 миниатюрным насосом BbICOKoro давления.3.
Требуемое количество масла в камере 2 поддер}киваетсн с по
мощью реrулирующеrо приспособления 6, вследствие этоrо co
u u
храняется постоянном разность давлении между давлением Mac
Л3 в амортизирующеЙ каМере под диафраrмой и средиим дaB
лением rаза в рабочей полости над диафраrмой.
Реrулирующее устройство может быть выполнено в видс
клапана и устаНОБ.пено вне уплотиения (рис. 56).
Для подачи масла в амортизирующую полость может быть
использовано простое масляное уплотнение <{подкачиваЮЩСI О
типа, при I{OTOPOM нет необходимости в отдельном насосе BЫCO
Koro давления (рис. 57). Это уплотнение представляет собой
втулку 4 с внутренней заливкой из баббита или друrоrо мяr
Koro антифрикционноrо сплава. Растачивание виутреннеrо oT
верстия втулки производится с высокой точностьrо, чтобы воз
можный зазор ме)кду уплотнением и штоком 5 бы.ll наимень
[пим, Втулка 4 устанавливается в УЗС"l, в котором достаточно
102
сильная корончатан пружина 1 I1ш'ружает ОДИН конец этан втул
КИ. В результате неСИММСТРИЧНОI"О воздеЙствия корончатой пру
)кины внутренняя полость втулки приобретает форму Конуса,
бодьшее основание KOToporo направлено к ПОЛости картера 6.
В работе уплотнеиия можно различить два циК.rrа. Первый
u
насосныи ход, коrда шток движетсн вверх через неподвижную
.... " t.
ВТУ,ПI{У И тонкии с,пои масла. находящиися на штоке, создает
u
rидравлическии клин, давление масла в котором преОДО.'Iевает
...
силу иаrружеНIiЯ I<орончатои пружины, и масло попадает во
виутреннюю полость 2 узла уплотнения. Второй обратный ход
штока, при котором rидродинамическоrо эффекта не ВОЗНИI{ает,
.,
и масло снимается со штока тем КОНUОМ ПТУJrКИ, которыи на-
rружен корончатой пружиной. Вследствие ХОрОIllей смазки Ta
кое «подкачивающее» уплотнение имеет БОЛf)ШОЙ срок службы
и надежно работает при высоКих давлениях. Внутренняя по
лость 2 уплотняется со стороны полости }{артсра 6 кольцом 3
u ..
из маСvl0СТОИКОИ резины,
Уплотнение типа свер'I'Ы8аЮLЦСЙt 1 диафраrмы применяется
и для поршней. В Jrитсра'fУРС нриводитсн пример, коrда долrо
вечность I10рШнеВОI'О УIlJrотпсния TBI(Or'O тиrJа на ОДJlОЦИЛИНДРО
вом двиrателс СТИр..тIИНrа МОIЦ1l0СТЬЮ 90 л. с. IlрИ п 1500 об/мин
и среднем даВ,,1ении рабочеrо Tevla 110 Krc{cM 2 при непрерывноЙ
работе с по.ПНОЙ мощностью составида 3200 ч, что отнюдь не яв.пя
ется пределом [40]. Вообще ДО.пrовеЧIlОСТЬ свсртывающеrося ДH
афраrменноrо уплотнения в основном зависит от типа эласто
MepHoro материала, из KOToporo изrОТОВ,J1яется диафраrма. Так,
..,
например, примененне полиуретановои резины позводило дo
стиrнУть непрерывной работы уплотнения при ero температуре
до 500 С в течение CBbIllIe 10 тыI.. ч [40]. К недостаткам поли
Рис. 56. Реrул "рующее устройство уплотнения со CBep
'l'1tI8ающеlkя )l,нафраrмоl ДЛII поддержания заданной
разности даилениl:
1 rазовыЙ }(.IIвпан; 2 rа:1ОВ<lЯ полость: з упруr<.1S1
диафр.аrм-а: 4 масляная П0пость; 5 клапаlf :\{2СJIЯ
ной 110пQСТИ
Рис. 57. Сх.ема МаСJlяНоrо УПЛОТНt'НИЯ «ПОJl.II: .'It1ва ю
щеrо типа
,/
J
1
//
h б
I
1
1
:-.:
J
v "
1//
, , /
.. /
'//. ./,' ,/
./
I
, ,
103
..
уретановои резины, как материала для свертывающихсн
диафраrм, следует-.QТНССТИ .ее сильную чувствительность к рабо
чей температуре. При температуре 1000 С долrовечность диаф
parMeHHoro уплотнеиия из полиуретановой резины менее 100 ч.
Кроме Toro, полиуретановая резина весьма чувствительна к Ha
.пичию в масле даже следов Boil аrи.
В настоящее время ведутся работы по выбору эластомерноrо
материала для диафраrм, I\:ОТОРЫЙ надежно работал бы при
высоких температурах (100 150:) С) и давлениях и при ис
пользовании KOToporo не н адо было бы преДЪЯВ.,lЯТЬ С.,1ИШКОМ
высоких требований к составу и чистоте аМОРТИЗИРУЮlцеrо Mac
ла. Например, долrовечность свертывающеrося диафраrменно
..
ro уплотнения из эластомерноrо материала ваитон при темпе..
ратуре 1000 С составляет 25 Tы.. ч [40].
Трудности, связанные с обеспечением достаточной надежно
сти свертывающеrося уплотнения, обусловили интенсивные pa
боты по созданию скользящих уп.потнений. Имеются сведения,
что в ЭТО:\1 направлении достиrнуты обнадеЯОfвающие резуль
TaT .
HArPEBA ТЕЛЬ
Конструктивная форма иаrрсвателя зависит от типа применяе
MOrO на двиrателе ИС'fочника ТСП';IОТЫ. К,роме TOI"O, на KOHCTPY
тивную форму наrревателя значительное влияние оказывает ar
peraTHoe состояние теплоносителя, ОСУlцеСТВо!lЯЮI.цеrо перенос
теплоты от источника к рабочему TC.llY во внутреннем КОНТуре.
В зависимости от arperaTHoro состояния теплоносите.;lЯ Harpe
ватель двиrателя Стирлинrа представляет собой либо теплооб-
менник типа rаз rаз, .,1ибо теплообменник типа жидкость
rаз. Работа таких теплообменников в системе двиrателя Стир"
.пинrа имеет опредеJlенную специфику.
Так, если температурный напор .ме}кду теПлоносите.Тlем в
Ж:ИДJ\:ОЙ и.пи rазовой фазе н рабочим телом во внутреннем KOH
туре при установившемся режиме работы составляет единицы
или максимум десятки rрадусов, то перепад между давления
ми теплоносителя и рабочеrо тела ДОСТИl'ает 1 oo зоо KrcjcM 2 .
ПРИ таких условиях работ : теплообменника наrревателя (TeM
пература 650 7500 С, давление LOO 300 Krc{CM 2 ) предъявля-
ются особые требования к форме теплообменных поверхностей,
применяемым материалам и теХНОлоrиИ изrотов.пеиия. В настоя
щее время наrрсватель наиболее часто делают с трубчатыми
теплообменными поверхностями. Эта конструкния оказалась
наиболее простой и надея(ной для описанных выше условий pa
боты. При указанной форме теплообменной поверхности YBe
личение компактности (отношение поверхности теплооб ена к
объему теплообменника) nостиrается уменьшением диамеrров
трубок. Эффентивным ..способом уве.пичения компактности
104
трубчатых теплообменников
является использование BTO
.,
ри чных поверхностеи или
.... .,
реоср в основном с наружнои
стороны.
ПРОДО,,1ЬИЫЙ разрсз Ha
rревате..1Я и rоловки двиrа
те.пя без perCHepaTopa и ox
,,1адителя приведен на рис. 58.
Наrреватель представляет co
боЙ ряд ТОНI{остепных TPY
боК 4, одниYl концом прива
ренпых к rОЛОВI{е цилиндра 1,
а друrим к I'ОЛОВI{С pcrell(\
ратора 2. В всрхией чаСТII
наrревателя тру()ки О()ЪС'ДНIlН-
IОТСЯ КО.Jlhпевым сGОРIlИКО\1 5)
а в ни)кней части ЭТИ трубки имеют ребра 3. В качестве
;\'1 атериала ДJIЯ трубок наrревателя используется нержапею
tIlая сталь типа 18 8 (18 О/О Cr и 8 {:> N i) лпбо жаропрочные
( 1I,,1aBЫ типа мультимет X 10 (20 0 !0 Cr, 20°/0 Со, 20% Ni).
Сборка трубок наrревателя, кольцевоrо сборника н корпу
сов реrеиераторов производится ВО круТ ЦИollиндра. Конструкция
u
такова, что ка)I{дая деталь удер)кивается на своем месте дсист
вием веса, Детали соединяются друr с друrом прп помощи
арrОНО Дуrовой сварки или паЙКff твердым припоем. Припой в
u
виде порошка, содержащеrо никсль, )I.;:слезо, хром, кре 1НИИ и
.... ., "
оор, засыпают BOKpyr всех соединительных частеи припои MO
)I{ет оыть нанесен также в виде покрытия на наРУЛ{НУIО поверх
., u
ность деталеи в зоне соединения; припои, предварите ьно pa
с'творенный в соотвеТСТВУIощем растворите,,1е (наПРlп.дер, в мало
зольном меТИ,iIметаКРИ.,1ате) s наноситсЯ rnеткой. Затем ПОЛIIО
стыо собранную rоловку с наrревателем и корпусами pereHepa
.,
торов помещают в вакуумно сварочную печь с температурон
ОI{ОЛО 1200° с. Ilайка твердым припоем деталей НЗ нер)I(авею
щей стали или друrих жаропрочных СП,,1авов с высоким coдep
)канисм никеля возможна также в среде cyxoro водорода при
температуре 1100 1200° с. При такой пайке компоненты при
поя диффундируют в основной металл, и прочность соединении
..
получается равнои прочности OCHOBHorO метадла, используемоrо
u
для изrотовлсния детален.
С,,1]едуст отметить, что сами припои ОТ.пичаIОТСЯ хрупкостью,
В местах соединений твердым припое м недопустиYlЫ никакие
сварНЫе операции, так как ВОЗНИК3Iощие лри сварке остаточные
Рис. 58. "JIOДОЛЬНЫЙ разрез rОЛОВКJf u..ИЛИН
'I.ра двиrа'rеля и lIаrреватепя (с pereHepa
тором и охладителем в общем корпусе)
5 з<зк, 468
5
, .....4
I
3
"
1
"
103
J
,/
?,'1"
,-;::. 1,
" / /.,
" ....... ;.' r?'/
.. '- ,. . .'
. ..... " / . r
"7.' '" . .",'
' ;/ .
I!i. _ __
\ :! ==== ""'i Ч
'1 :'
r ...;...... :r...
,7 напряжения l\10rYT ПрИВ СТI';;;
К образоваиию трещин в TBep
," __ ,:' ДОМ припое.
". : "'-:'i . . т епло к рабоче.му телу,.
( : .; ; \ r ';\ находящемуся в раБОЧС:\1 н:он"
t: r '\ t,L туре и ЦИРКУ lирующему по
1 ' ,1 ?f'1 J наrревате.п:ьным трубкам, под
I " f, " ; I ВОДИТСЯ rазообразным или
.:::? r )кидким теплоносителем, об
''''. тскающим трубки HarpeBa
1 !,.I: 1 теля снаРУ)I(И. В районе
: :. .s реrеператора, тде скорость
течения теплоносителя за
мед яется, теплопередача
обычно усиливается за счет
использования оребрения Tpy
бок наrревателя. На рис. 59
приведен чертеж rоловки ци
.пиндра Стирлинrа с Harpe..
вателем 27 pereHepaTopoM 4
качестве теплоносителя исполь
( c ",- oo,, ,., , ,....,,
lk1j""" " ''''" "' -," ,,-"'
" н
, ."- r J \
..; I
.. . ? '
7 , . , ::, ...J j
.
E .
Рис.. 59. rO.:JOBKa ДВИrате.IJЯ СТИР.lинrа при
ИСПО,1IЬ30В3IiИИ В качестве теплоносителя
ЖIIДКоrо металла (Nal()
и охладителем 5. в КОТОрО:\1 'в
зуется жидкий металл (NaK).
Отверстия в цилиндре, трубки наrревателя 2 и внутренние
полости стакаиов реrеиератора соединены между собой. Кольце
образный трубопровод 1 из листовоrо металла и патрубок 8
по которому поток Жидкоrо металла направляется к трубкам
наrревате.п:я, приварены к rоловке цилиндра 6. Посредством
сильфонов 3 кольцеобразный трубопровод 1 связан со CTaKaHa
ми pereHepaTopoB 4. Система охлаждения, состоящая из восьми
отдельных охладительных камер 5 и соединяющей их охлажда-
lощей рубашки смонтирована иа цилиндре б. Друrая воляная
рубашка 7 приварена сиаружи в нижней части rОtll0ВКИ ЦИЛИf1Д
ра 6 11 СtllУЖИТ как Д..ття поддержания постоянства температуры
и
холоднои ПО 'Iости, так и д.ТIЯ создания прием.nемых температур
ных условий работы уплотнения выеснительноrоo поршня.
Изrотовление трубчатых теплообменников и, в частности, Ha
rревателя двиrате.ля СТИРЛIIнrа является трудоемким и дороrо..
стоящим производственным процессом, требующим больших за
трат ручноrо труда. Снижение стоимости наrревателя может
быть достиrнуто путем выбора рационадьиой коиструктивной
формы И улучшения технолоrии изrОТОВoilения, в частности пу
тем автоматизации ручных операций. Так, например, фирмы
MAN и Nl\VM разработали достаточно простую конструкцию
rоловки цилиндра 1 lJ наrревате.nя 2, объединеиных с корпусом
реrеператора 3 и охладителя 4 рабочеrо тела (рис. 60). При
этом наrреватель рабочеrо тела выполнен составным из He
скольких деталей, которые изrотовляются методом прецизион
Horo 1!1НТЬЯ без последующей механической обрабОТI\И.
106
НадеЛОIОСТЬ ДВИfателя
Стирлинrа, как и любой
машиныI, определяется Ha
""
дежностью наИQО.Тlее cдa
боrо звена. В двиrателе
Стирлинrа таким звеном
являются трубки HarpeBa
теля. Условия работы по J "
С.тIедних характеризуются
,- '"
среднеи температурои CTeH
I{И трубки 700 7500 С и
среДНИ:\1 даВ<ilением BHYT
ри нее lOO 300 Krc/cM 2 при
циклических теплос енах. 4
На рис. 61 приведены
диаrраммы распределения
температур Т по боковой
поверхности трубок и их
средияя долrовечность "t Рис. 88. rOJlOBK8 цилиндра
при этом распределении
температур [44]. Как с.педует из диаrраммы (рис. 61, б), при
замене трубки из нержавеющей стали 18 8 трубкой из сплава
мультимеr X lO значительно 'увеличивается ее долrовечиосТЬ.
В аналоrичных рабочих условиях находится и верхняя часть
rильзы ци..1индра (rоловка цилиндра). На рис. 62 приведено из
менение температуры вдоль стенки rИ.пьзы [441. Особое значе
,
. ,
J
, ,
I
, ,
,
:1
1
,
,
'1
.:'
, ,
1:, ч
t,°c 108
900 106
I
1 J
10'-'
800
, 102-
I i
l'
1:
['! I {
" ,
700 li! \ , 100
, ,
(' , '..-
. .....
..... 1";1
..t:\o;: . I .) '. , I
.. .. I
:C::r::
Ч: .. I
:а .. I
а) о)
...s D 500f o
2, .
I
l'/ . I
1 '1
: r
, . ,
,
I J
.. ,
. . а
I
'!I
'с
Рис. 61. Характеристика. трубок наrpеватеJlЯ двиrатмп Стирлинrа.:
а рзспреJ\..€ 1Jенис температур Т; б средняя ДOw1rовечность т при 8500 с; 1 трубка из
нержавеюш сн стали 18.8; 2 трубка из сплава мультимет X .lO
Рис. 62. Изменение температуры t BAOJlb стенки rНJlЬ3Ы ЦИJlиндра
5:1: 107
JlIlС f1 меет выбор ТОJIlЦIIJJЫ се стенки n зоне хо.ТJодноii ПОJJОСТИ,
ТаК как в этом месте резко изменяется тсмпературный rради
снт, вследствие чеrо вознпкают высокие тепловые наПРЯrКСННЯ.
КАМЕРА сrОРАНИЯ
Камера сrоранин двиrателя Стнрлинrа предстаВv'Iнет соб()й
обычное ТОПОIJ нос устроЙство, В котором при постояннном дaB
лении С)I(lif"астся )кидкое или rазообразное тОпливо с ИСIlО.пьзо
ванием кислорода воздуха в качестве ОКИс.rrителя.
Для образования нача':Iьноrо очаrа ВОСП"l а:\1енепия неоБХОДIl
мая тепловая энерrJ1Я обеспечивается запальными приспособле
НИЯ 1И, а при развитии процесса сrорания све)l(ие lIОРЦИИ топ
.п.ива ПОJlучаlOТ неоБХОДИМУIО теплоту от образующихся продук"
тов сrорання. Для это[о в камере сrорания ДО.тнкна быть зона
обратных токов. наличие котороЙ приводит К подсасываНИIО pac
., u
ка.п:енных продуктов сrорапия к движущеися топливовоздушнои
струе. Подсосанныи rорячий rаз способствует непрерывному
ПОД)l(иrанию свежих порuий топливовоздушнои смеси. Высо!{ая
степень циркуляции в ЗОНе обратных токов (она захватывает
зоны смесеобразования и сrорания) создает условия, прнБЛI::l
жающисся I{ УС.ловиям работы rOMorCHHoro реакТора. В этом
саучае выход токсичных компонентов несrоревшнх уr.1СВОДО
родов СхНу и ОКИСи уrлерода со сохраняется на НОСТОЯНf[О
низко равновесном уровне до тех пор, пока КОЭффИllиент Н3.
бытка воздуха r:J., не достиrнет предела обrДП НIIЯ l:MeCH. В ЭТОМ
..
случае выделяющеися при сrоrании Теплоты недостаточно для
интенсивноrо Подоrрева обедненной топлпвовоздушноЙ с сси,
что ПрНЕОДИТ I{ снижению температуры реаI{j ИИ окисления, CKO
u
рость которои за:\1едляется, 11 вследствие оrрапичснноrо времени
пребывания топлива в камере процесс сrоранил воо6Иl,е может
не закончиться в ее пределах. Это прнводит 1\ химическому IIе..
дол{оrу в ВИДе со 1I механическому в виде CxI11l'
Работа камеры сrорания с низким коэффициентом избытка
воздуха, т. е. в области обоrащенных смесей, ведет J{ ПОВhПlJС
нию температуры в зоне rорсния до 2100 К 11 более. При этом
заметно УСИ.ТIиваются процессы диссоциаЦIlИ продуктов cropa
ния топлива, Б Ходе которых MorYT образоваться иродукты He
ПО,,1ноrо сrорания. ПОВЬПlIСН ие температур ы сrорания БОoilсе
2100 К также ведет к росту выхода окислов азnта.
ТаI{ИМ образо:и, зона rорения камеры сrорания Рdботающая
как rомоrенпый реактор, в об.пасти обедненных смесей (а =:::
:=: 1,574) ПОЗВО.пяет осуществлять рсаКЦИIО окисления уr"ТIеродИ
cTOro топлива кислородом воздуха Б интерваJlе те \1псратур
1400 2100 К, а это rарантируст низкий уровень выде.п.сния
NO x . СО и Cxl I1/.
Для осущеСТВ"lения оптим а.rrЫ-JО!"О процесса cropa ННЯ reTCpo
rСIlНОЙ смеси топлива н воздуха необходимо, чтобы диаметр
108
l\аПе..1Ь ТОП.:1ива был не бu.rrсс 10 мкм. Однако на lIp II\ТlII\(' 11l'
пользование иентробе)кной форсунки Д"lЯ подачи ТОПJlJlва IIIJlI
водит к тому, что значитеЛьное КО.пичество н:апель И 1l'('Т ! lln
метр болес lOO 200 мкм. Поэтому Д.;IЯ ка:\1ер сrораIlИН ДUII
rате.пеи Стирлинrа БОJIСС нрсдпочтнтельна система CMeccoupa.
зования с испарите.пfJПЫМН ФОРСУНL(ами, дающи:ии однородную,
I омоrснную CM CЬ, HJIIl С IlIlсвмаТИЧССКИМI1 форсунками. В по
СJIеднсм С"lучас TPl'UYl'MblC мелкость и однородность капеJIЬ топ
лива достнrаютrн llУТСМ испо.пьзоваНI1Я энерrин распыливаЮlде
ro воздуха.
Особо следует О'fметпть, чтn при однородной ТОПJIИВОВОЗ
..
душпои С:\1ССИ исключаются высокие местные температуры и Me
..
стпыI IН..'достаТОI< воздуха при сrорании, что, в свою очередь,
дает ВОЗ:\10)КПОСТЬ уменьшить содержание токсичных компонен
тов в отработавших rазах.
Существенное значение для ffормаJIЫfОЙ работы камсры Cl'O
рапня имеет с'rаБИЛИlация фронта I1лам(\[)н n : Olle rО)lС'JIНЯ, Ч'fО
особеНIIО ваЛ,:JIО при CI'Opa11J1J1 беДIJЫХ смесеЙ H, < a малоЙ CKO
рости JI Х rop ('11 ин. [)С,l ('та ()НJI иза цп II ВI.IДСЛЯl'ТС Н UОtllIJшое ко.ТIИ
чество HecropCBIflHX УI'JIСВОДОродоп и U03MO){{('1l срыв пламени.
при rop(')J IJ л.
При повторных пуеках ДВIIrатсля после срыва пла\1енИ He
оБХОДИl10 быстрое воспламенение, что исключает наI{опленис
IIзбыточноrо топлива до Момента начала сrораIlИЯ. Поэтому не-
обходимо иметь ТОп.ilНВОБОЗДУШНУЮ С:\1ССЬ наивыrоднейшеrо co
става и МОП1НЫЙ источник восп.па:\1енения. Если не удается бы
стрый ПОВТОрНElЙ пуск, то в отработавших rазах будет coдep
...
)каться tJО.ilьшое количество несrоревшеrо топлива.
Стабп.rJизация фронта пламени обеспечивается усиленной ре-
..
ЦИРI{УЛЯЦИСН внутри камеры СI'орания rорячих rазов в нервич"
ную зону rорения.
Д.пя нормальной работы камеры сrорания необходимо ис
пользование рЯда Бспомоrательных систем и arperaTOB: дутье"
BorO вентилятора, воздухоподоrреватсля, систем подачи топлива,
смесеобразования, внешнеЙ рециркуляции (МО}l(ет и OTCYTCTBO
вать), внешнеrо зажиrания при пуске и т. д.
Система подачи топлива ВК.аючает в себя бак, насос, фильтр,
систему реrУ.Jlирования подачи топлива и систему ero распыли
вания. Системы подачи топлива н воздуха должны обеспечивать
низкую токсичность отработавших rазов и ПОСТОЯННУIО темпе
ратуру трубок наrревателя.
На рис. 63 приведена блок схема arperaTOB и систем, обус
vl0В.аивающих нормальную работу I(aMepbI сrорания. Топливо из
бака насосом 1 подается в камеру сrорания через форсунку 5,
с.блокированную с высоковольтной пусковоЙ свечой за)киrания.
Продукты сrорапия после наrрева1СЛЯ 7 направляются в peKY
перативныЙ воздухоподоrреватель 8J а затем выбрасываIОТСЯ на..
PY)I{y. С помощью спсте-мы внешней рециркуляиии часть про
109
..
l '
"
б J 1
\ .
lJ .Ujlil!1
[' J " t I'i;i:i- i;
.. ". :
r '>.
" ,, r J
?
1
Ю i!
J
,1
/
,
,
I
, I .
....
. ,
i1
, .
,
;
.......
:::,/ ;
/ 1 { :., I
1.' !
1 . -'1'
, ' и
I \ '
[} , 1, ' ,
,
I , Л - ", ' , :
I 1,: . 1 : [.' I
В I I """'"" 1; , '
. --,1\ ( 1 I I ;
!J ,-, ! "
! \ \.. ' /: 1:,
7 : \ / :. ;о:
;." ; , I
I ..... ,
:.,f ::- '}
'. ' : 'iL ./
. , , i l
17
.,
:!
; i
1,
ш
.<",':" . :.»;
, . '.'
. . . ...
\. о"у
. \
, ' \ .'
i .
, .
I '\.'
I [ -:
,
J
l
[1
'.
<' ,
н
,
DOJd:;x.
TO!lllu!fи
РИс. 63. БЛок схема al'peraToB и снетем. обеспечивающих нормальную работу камеры
сrоранип
Рис. 64. Камера сrорания с. HarpenaTCJJeM и nоздуХОПQдоrревате.'Jем:
белые СТрелки воздух; черные стрелки отработаншие rазы
....
дуктов сrорания мо)кет оыть снова направлена в ка:\1еру cropa
ния.
Воздух подается в камеру сrорапия 6 дутьевым ВСН1'ИJIЯТО
ром 9; предварительно он проходит через воздухоподо!'рсватсдь
8. ДcllЯ поддержания тсмпераТуриоrо режима камер!:>! (:rорания
слу)]{ит датчик температуры 4 (обычно термопара), КОТОрЫЙ Tle
рез усилитель 3 связан с реrулирующим opraHoM 10 подачи ВОЗ
духа. l-Iзменение пара етров подачи воздуха фиксируется дaT
чиком 11 (насадок Вентури НoilИ устройство ему подобное). KO
1'0рый связан с реrулирующим орrаиом 2 топливноЙ маrистра
.ни. Таки образом возмо)кно lIоддерл{ание Б камере сrорания
почти п()стоянноrо соотношения ТОП.пиво воздух.
Рассмотрим работу камеры сrорания (рис. 64). Топливо по
дается в камеру сrорання форсункой 1 и смешивается с возду
хом, прошедшим через воздухоподоrреватель 4 п HarpeTbIM до
600:;) с. Через завихритель 2 воздух поступает в жаровую TPY
бу 10 с ПoilеНОЧНЫ::\1 воздушным nхлаждение:\1. Из нее rорячпе
продукты сrорания проходят через трубчатыЙ наrрсватсль 9,
имеющий в нижней части оребренные секции 8, в I{OTOPbJX пс
редается большая часть теплоты рабочему телу во внутреннем
контуре. Рабочее тело BHYTpeHHero контура совершает Ilериоли
u с
чес кое движение между rорячеи и ХО.;IОДНОИ полостями ии.пннд
ра 7, проходя каждый раз как в прямом, так и в 06раТПО\1 Ha
правлснии через трубки наrревателя 9 и реrеиератора 6. Воз
дух пля сrорания подается дутьевым венти.rrятором 1< BHYTpeH
нему патрубку 5. Отработавшие rазы с температурой 200
2500 С выходят через выпускной коллектор 3. Камера сrорания
покрыта теП.ilоизоляиией 11.
110
Система реrулпровапия ПОДЛ('РlI-:пвает заданную темпеР(lТУ!
трубок наrревате.iIЯ. При И И\Н'JlеIlIfП температуры по ClirHa. J \
датчика изменяется расход TOIIJIIIRa, пеЛСllствне ЧеI'О I ОЭффНПН
снт изоытка воздуха сохраllяется ОIIТНМЗЛЬНЫМ.
PErEHEPATOP
11: а м ОIЦIIОСТЬ If ЭКОIIОМ 11'1110("1'1) J{BII 1'(1 TCJI Я Стп (1Л инrа б 0.1 ыпое
влияние оказывнl'Т pl'I'PllcpnTOp. ()II Д-':йСТВУСТ I<al{ теп,'iОПОЙ aK
кумулятор, ТО IJ(1ИlllIман 1TJJ.rIOTy от рабочеrо тела при прямом
€ro течснии, ТО отдавая се прп обратном течении рабочсrо тела
11е)кду ropHIHIM п ХОЛОДНЫМ пространствами.
Эффективность pereHepaTopa определяется как отношение 1\:0.
<>
личсства передавасмои теплоты к тому количеству теп оты. KO
торое моrло бы быть передано рабочим телом к пасаДJ.::е pere
нератора в идеальном случае (бескuнечно большой коэффици
HT теплопередачи, идеа<il ЫlЫЙ раБОЧlllI rаз, отсутствпе тенло
вых nb'repb и т. д.).
. Конструктивно pereHcpaTop мол(ст быть выполнен Еопцент-
рически:и (рис, б5). Koc,, a 011 МОIlТПРУСТСЯ непосредственно на
I'нльзе ЦИ<i'Нlндра, лиuо ЦПJIIIIIДРIJ1I('('I-\I!М (см. pIlt.:. 59 И 60), коrда
, веско.,1ЬКО таких рС'П lIсраторов. ПрПХОД,ЯIIIНХСЯ на один ППЛIlIIДР,
монтируется DOKpyr ЦИЛПlIдра ПЛИ на чаСТJI ero ОКРУЖНОСТИ.
PereHepaTop, изоора)кенный на рнс. 65, состоит нз д.ВУХ кон"
пентрическнх BTYJIOK 2 J1 4 11 насадкп 5. Эти дста,,1Н JJзrотовпе..
вы из материала с НИЗl(ОЙ тсплопроводностью (нер.lкавеющая
сталь, титан, металлокерамика н т. п.) во избе}!{ание «тепловоrо
'За ыкания», при котором теплота от наrревателя по втупв:ам
pereHepaTopa непосредственно передается охлаДJlтеJ1Ю. уве.тIПЧП
Бая тем самым потери в llIlкпе. Л:, атсрнал нас адки JI.ОЛ)Е:еIJ иметь
высокую теплосмкость, нс наЧН1'е/IЬНУЮ теП,,10ПРОВОДНОСТЬ, BЫCO
I{YIO термостойкость, а таlоке быть химически неЙтра.1ЬНЫМ I{
рабочему Te"lY. С целью уменьшеНIIЯ температурноrо напора
rеомстрнческая форма насадки доп:ж::на об"lадать наиБО.1hшсii
nоверхностыо теплообмена, ПРИХОJI.ятцеЙся на еДIlНИllу объема.
В то )ке время мертвые объемы pereHepaTopa и ПХ rидраВ,,1ИЧС
'Ское сопротивление должны быть ВОЗМО}КНо мальr:\1П.
В качестве насадки для pcreHcpaTopa двпrатс.ТJЯ СТl1рлпнrа
"..
в наСТОЯLцее время паНОО.JJее часто неПо. IЬЗуIOТСЯ «rалЕ'ТЫ»,
спрессованные из тонкой проволочноj-'f путанки диамс>тром 20
{)О мкм. Набором таких rапет, то.лIЦIlНОЙ 3 5 мм. заПо.lняется
рабочее пространство реrеиератора. ОднаI{О наиболее полно
nриведенным выше требованиям отвечают CC1'(laTble IJ ас адки,
предстаВЛЯIощие собой диски. выруб"lенные из плетсных MCTa,,'1
..пичсских сеток. Возможно T lI{)Ke применение номБИIlпрованпой
...
насадки, у оrда «rалсты» нз НРОВО':IОЧНОИ путаНI<И чередуются с
...
дисками из металлическои ССТки.
Наиболее Подходяшим материалом ;I..'IЯ насадки реrеперато
ров двиrате.7IЯ Стир.rrинrа я вл ютен хромоникелевые (нер.ж:аве
111
.,
ЮiПНl') стал rr, ч fIСТЫИ IllI Kl'"lh, BO<c IL
фрам. мо.:Jибдсп, мстаЛJ10ксраМIII\:а
в НIIДС нористых структур И т. п.
rlрпм.снеНIIС насадки нз этих MaTe
РИй,,10В Н0380,,1 яст ПОДНЯТI.> ТСМПС
ратуру в rорячеЙ ПОЛОСТfI до 12000 С
11 Tel\l сам:ым уве.пИtIИТЬ ::JффеКТ1fВ
ность ДВlIrателя.
I I Р и конструировании pcreHepa.
тор а приходится иСКать KOMBpO
МJlссные рсшения ДЛЯ УДОВJlеТ30
РСНIIЯ противоречивых требова
ниЙ Так при одноЙ и той )!(С Mac
,..
се дЛЯ ООССПСЧСННЯ минимаЛhНЫХ
ПIДраВJJIiЧ СКII.\ потерь lIасадка pereHcp3Topa дол/кна иметь.
ПЫСОКУЮ IIОрИСТОСТЬ (ОТНОIllснпе свободноrо объема пор ко
всему объему peI HcpaTopa), пебо.iIЫПУЮ Д,,1ППУ и большое ce
ченнt' 1I0TOI<a. С друrоЙ стороны, лля улучшения тсп.пооБМСlIа
МСл':,.],)' насаДIСОй II рабочим 1'СЛО:\1, УМСНЫl1ення теП,,10воrо по
тока по стеНКе корпуса perCIlepaTopa и по наса...1.ке 13 осевом Ha
прав.П НИИ C':It:!lyeT упr.:lIIЧJlТЬ длину и умеНЬПIIJТЬ сечение по.
тока (дна \!С'Тр), а т ак)кс норастость насадки.
В виду TaKoro ПрОТНВОПО.;fОЖ.ноrо В.l1НЯНИЯ rCOMCTpl1IIeCKHX
раз:м:еров на теп.п08УI{) 11 rндраВЛПLIС'С\\УЮ ЭффСI\:ТИВIlОСТЬ pcт:e
нератора СУШ,ествуют 13110JIfIC он рС'Дl'JJСIIIIЫl' раЦIIОIrаJJьпые co
ОТIIошения ме)ЕДУ ДJIlIfIОЙ pcrCIJl'paT()p ) Lp и ен) диаМСТРО\1 D p .
а та KfI(e ме)кду ero мертвым объемом l IН, т. е. объемом perc
нсратора, заПОJ1неНfIЫМ рабочим телом. и рабочим объемом иH
лпндра .rIl' .которые обсспе'lIlвают наилучшую эффсктиnность
pE'rCHepaTopa n двнrателс СТИр.УНlнrа. Для заданной массы IIа
саДI<И 11.0)1010 рекомендовать LI1/Dl,J 1,372,O и V pb i1-'Jl:::::::'
О G ....:.... О (
, . ,...... .
,
,)
Lr
,) ,
'--- _
'.
,
I
I
!
,
,
.
J
РИс. 65. Р(,П'lIсратор КОIfЦf'нтрИ'I(
скоЙ фuрмы:
1 (",: Р<lI!ll'ilПl'.lЫ ::'t}! Ce'H a; 2 ПLi
рУЖllаSl BTY;II,n: 8 ДJ:СТ<IНЦIlrJН !1:()('
J,O:lI>H':J; .J т!УТрС'I:ШI . вту.л' а; 5
lIac(J':,:\(1 (;.1,;трш.;.а)
ОХЛАДИТЕЛЬ
Так как в ДБиrате..1С Стнр.ilинrа ОСУLцествляетсн замкнутыЙ
рабочиЙ иНК"l. то основнаЯ часть теплоты, отдапаемая холод
пому ИСТОlfПИКУ, отводится В охладите,,1Ь. На рис. 22 и 23 ПрН
ведены сравнит льные днаrра мы, хаrактеРИ:1уЮlцпе ОТП0СН
тельпую ве., ff1ЧI-I1fУ отдеJfЬНЫХ состаВJlЯI(НЦИХ тепловоrо баланса
.J,,,1JЯ ДНЗС"lЯ If двиrатсля СТИРЛИI-Jl"а. NlО)\ПfО считаТЬ t что C'Y:\1
мариое КО.lпчество теплоты, отданное в охла)кдающую среду в
охлаДIlтел<? и потерянное с отработаВIU\IМИ rазами. ДЛЯ двиr'а
телеЙ обопх типов почти один аковое. При этом в ДВIл'ате.!н '
Стнрлинrа в ОХJlаiкдающую воду отводится прнБJllIзитедьно в
2 раза больше теплоты, чем в дизелс. Таким обраЗО2\1, в ДBH
rатсле СТИРЛИНI'а IIРОП3ВОДПТСЛЫ IОСТI) системы охла)кдения TaK
)\\С ДО.,1}кна быть вдвое выше. Добиться ЭТQrо мо)кно то.пы{о пу'"
112
те:и НlIтеН:СllфПI\3ЦI1Н процес('ов TCIl.:lOOO:\1CH3 В теп.по()БМСННИI е..,
ОХо!lаДIlТСЛС.
В ДВlIl'а ТС.7JЯХ С тпрл If 111';1 В 1\ а 11 ('ствс охладите." я ИСПО,,1ьзу
IOТСП исключительно T('IIJi()of)M('IIIJI.f(' аппараты типа ЖИДКОСТЬ
1'3] С трубчатыми ТСП!I()О()М l'11111.1 м 11 Но верХНОСТЯМИ. В это м c.пy
чае коэффициснт }\OMII;) 1\'1'110("'1'11 '1'('lIло(}uменноrо аппарата BЫ
ра.ж:астС'S1 Т\;)I( -1/(/ м:)м;1 ((1 Дllам('тр TPYVI\If в м) и интенси
ФикаЦIIН '1'('JI.'I()O() 1('II:I, '1. ('. 110111.1111('1111(' I\О'1ффШ JI(\пта компакт
ности, BO H'v]Oil\JJ;! '1'0.11/.1\() ,i:l ('I/t"]' YMt'III.JJ/t'IIIIH ЛН:Jмстра трубок.
ОБЫ'ЧIlО 11 с )X.JI iI ;LII '1'( '.'1 (' )11\ 11/';1 '['Р.Н Н Сп IрЛ ПII I'a не! IOJl I. 3Y ЮТСЯ труб
f-:и диамl'ТР. Н.1 '':> : .o м М. IlpIf ЭТОМ коэффициснт компаI{ТНОСти
ДОСТIII'(){'Т I[)()() :JOOO M'2jM: .
r IplI ВI.I()ope матерпа.аа трубок охладителя c.rreJryeT УЧПТЫ
u
ват!) В{\ЛНL}ПIlУ механических напря)кепии, возникающих в стсп
........ ..
ках ТРУООК 1I труоных досках, ПОД воздеИСТВНС2\1 среднеrо дaB
дення рабочсrо тела в двнrателе lOO 300 KrcjcM 2 . llоэтому наи
бо.lсе часто в ОХ.:Jадитсдях I1римсняется нер)кавеющан C'l'a..rlh,
так I\al{ она обладает досrаточной мехапическоrI lIРО'ЧНОСТЬЮ н
БО.1Ыll оЙ н:ор рО3НО IllIОЙ стоЙкостыо по отношению К о хл аL'кдаю
u
щен )КJlДКОСТII.
TpyG1\H ']'СIIЛООU:vIСIllIика НРl1паllваЮТС5I к трубным дос}{ам'
TBCpJtJ>IM ПрНIJОСМ В J..'J('«тропсчах с rа: овоЙ заЩJlТНОЙ атмосфе
роЙ (aproH) или в э.rrСRтровакуумных печах,
Обычно охладитель непосредственно стыкуетсп с ХО,:IОДНОЙ
стороной реrеператора и конструктивно ПОI3ТОрНет форму по..
с. IСДНсrо. Так, при концентрическом реrеператоре охладитель
TaI\lKC имеет I{онцентри:ческую ФОР:\1У, при цилиндрпческом pe
reaepaTope [{НЛIIIIДРНЧССКУЮ. Реrеиеrатор п охладитель Mor)'T
раСПО,,131"аТI)СЯ KaI< в ОДНОМ ООIЦСМ корпусе (см. рис. 58). так и
в разных. 110 COC1"lJIl<OB311I1UIX MC)}(j1.Y собоЙ корпусах (см.
рис. 59 и 50).
КОНСТРУКЦИЯ двиr А ТЕЛЯ 4 Х235
На 'рвс. 66 показан двнrатель типа 4 Х 235, созданный фПр 'lОЙ-
Фнлипr по соrлашенпю с фИрМоЙ USS (Швеция).
Техническая характеристика двиrате я
Л10ЩНОСТЬ, .тI. с. .. . . . . . . .. ... 200
НОМИl1а"lЫ lаS1 частота в р.а ще 11 И51 вала, об/ пш. . зооо
Рабочее тсло . . . . . . . . . . . . . . . r е.ПИЙ
Среднее давление рабочеrо тешl., KrC!C:\.o12. . . 220
Ср дняя номина"IЫШЯ температура рабочеrо тела,
",... 7 00
\......... ...... .......... .-..... .
Средпяя номннальная темпер8тура ())ЦlаЕкдающси
" с
ВОДЫ,' ........... 111 . . .. . . .
.моторесурс (по ожидаемоЙ пш)зучсстн HarpeTblX
деталей) t ч . . . . . . . . . . . . . . . .
rабаРИТИliе размеры, ВК.lючая вспомоrате,1lhные
механизмы и пр. (длииа Х ПНI рина Х высота). м
rабаритныЙ объем, м 3 . . . . . . . . .
Масса cyxoro двиrате..'1Я, Kr . . . . . . . . .
6(}
1 О 000
1 ,357 Х О . ;:)7 Х 1 , 11
0,86
756
I l;\.
\1ассз .'1.пиrате.'IЯ I Вl\:.'1Ю i (iНl ::\13ССЫ С!\'шзочиоrо
:\'lзсла, ох.1зждающсй ВОДЫ, nспомоrп re.:'1hlILlX
устроЙств и Т. Д.. Kr . . . . . . . . . . .
Литрован мощность, .FJ. С. /л. _.... ..
у дель lIая масса, к r / л. с. . . . . . . .. ..
"д 7 дельныЙ объем, ..l!Л. с.. . . . . . . . . . .
800
21.1
4
4,3
Двиrатель имеет четыре (по числу rrилиндров) ромБИ l JССI\I1Х
механизма, вследствие чеrо он практически полностыо ypaBHO
Бешен. Уплотнсния ме:ж:ду буферными полостями BbJcoKoro дaB
JIСНИЯ и картером с атмосферным давлением обс:спечиваются
свертывающимися диафр аrмами.
Ilаrрсватель 8 собран из отде.rrьных трубок, смонтнропанных
n виде пучка на верхней стороне rоловки 9 цилиндра. На пср
!.> <> ,..,
вон стадии испытании среднее даВ.пенис раоочеrо тела оrрапп
чивалось величиной 110 KrcjcM 2 , так как наиболее иаrретые Y3
...lЫ и детали двпrателя (rO.ll0BKa ЦИлиндра, трубчатыЙ HarpeBa
те.ПЬ и т. д.) изrОТОВ.'Iя..1ИСЬ из неР)I{авеющих сталей (типа
Х 18Н9Т). На второй стадии дета.ни и узлы, подверrкенные воз
u
деИСТВИIО ВЫСОКИХ тсмператур, от.пиваЛIlСЬ из сплава «хеинез
"
j
5 -,
I
8 q
10 l!
'7
,l..
2В C
'> ............
"
" 7
1-
/JЗ
/
"
/1..
25
Z
.f8 ,
, I
\
16
15
Fис. fit). ДвмrатеJ1h СТИРЛИllfа фИРМЫ ФИ.1ИПС ТИпа 4Х235:
.[ наfнстаТСJlЬНЫЙ ВО3!J.уховод: 2 воздухоподоrревате.1Ь; 3 топливопровод. 4 TPy
{)ОПРОБОД первичноrо воздуха: 5 свеча аажиrания; 6 I'оре.лка; 7 камет)а srсраНШi;
.8 наrреватедь; 9 rОЛОЕка ци.;rипдр.а; 10 оре,брение; 1/ nbliIycK lOti ТРУllстровсд;
12 ВСПОМоrате.'IЬНЫЙ :k.oMnpeccop; 13 центробежный КО lПрессор; 14 стартер; J5 CHH
хронизирующие ше,стерпи; 16 КО,l1енчатые ВЭ:IЫ; 17 Вhlтеснительныf[ IlЩ)ПI{'НЬ; 18
узел уплотнений со спеРТЫВ8ющейся диафраrмой; 19 траверса DытеСЭI-iте:IЫfОfо r:uршня;
20 шатун вытесннтельноrо ПОРШJ-IЯ; 21 шатун ра60ЧСiО ПОрIlIНЯ; 22 тр-э.верса раба-
чеrо порН1НЯ; 23 f1абочиЙ поршень; 24 охладитель; 25 ?е['енсратор; '26 . 6.11ОК I-\(1H
тро.'1ЬНЫХ. псрепускных И раЗI'РУ30ЧfIЫХ клапанов; 27 рСI У.1ЯТОр; 28 б.'Ю'к фИЛhТрОВ
114
' теЛЛllт 31» (540/0 Со) 250/0 Cr, 10 % Ni, 80/0 \V), XOpOliiO CGI:,
ТИВ.llяющеrося ползучести. Отде,,1Ыlые дета.пи: наrреВ:lТl'.ПЯ: l'(
.единены меи{ду собой и с rоловкой Ilилиндра при ПО\1.0ЩИ па ii
ки твердым припоем (содержащим i, Cr, Si) в baKYY:'-fНОЙ пеЧIl
при температуре ОКОЛо 1200° с. В результате удалось JIОВЫСИТЬ
-среднее давление рабочеrо тела до расчетноЙ ве.rrичины, а He
которое увеличение ero темпсратуры в HarpeBaTe e ПОJПОЛИЛО
.получить эффективную MOIHHOCTb 225 л. с.
Над наl"р('ватслсм расположена Ka .1epa сrорания 7 вихре..
Boro типа. ТОIIJlИНО и JlСрВJ1ЧНЫЙ воздух подаются по трубопро
водам 3 и 4 в rорслку 6, располо)кеНIIУЮ в верхнеЙ части ка..
меры сrораIlИЯ. В rорелке псрвонача,,1ьное восп.аамененис ТОПЛr1
.ВОвоздушпои смеси производится с ПОМОЩью свечи за:tкиrания 5
Бысокоrо напря)кения. Так как в rорелкс вссrда находптся пере..
rобоrащенная смесь, то основное сrорание происходит в ка..
Mcpe сrорания в месте подвода ВТОрИЧlIоrо воздуха. Продукты
сrорания проходят ме}кду трубками наrревате.llЯ. пrИlrем раз..
HOCTЬ ме)l(ДУ темпср атура м и стснок трубок В ПРПДУКТОВ cropa
'.ния достиrает 600 9000 с. В НIПКII(,jt части наrревате"lЯ, ПрИМЫ
v
кающеи к f'ОЛОВКС ЦИJlипдrа. Тl\lIлонсрсдача улучшена путем ис
пользования Tpyt10K с маКСИМНJrЫlоii Тl'ПЛОВОСПрИППl\IaJОUlеЙ по
верхностью в форме отдсльно собраНIIоrо .,lитоrо ореGрення 10.
Значительное КО.пичество теплоты, которой располаl ают продук"
ты сrорания после наrревателя, передается свежему воздуху
>в противоточном ВОЗДУХОподоrревателе 2, что улучшает общиЙ
.К. п. д. двиrателя. Теплообменные поверхности ВОЗ..1ухоподоrре
.вателя (матрицы) изrотовляются из )каропрочной ста.ll1 AJS 1 310
(25% Cr, 20% Ni).
Пуск двиrателя ОСУlцествляется следующим образом. Э.аект
:родвиrатель, питающийся оТ аккумуляторной батареи. прнводит
..
В движенис вспомоrательныи компрессор, компрессор возд:v'шно
u ..
'ro распылите.JIЯ и топливиым насос, в то время как коленчатыи
вал двиrателя неПОДВИ)I{ен. Воспламенение топливноЙ смеси в
; K8Mepe сrорания происходит от свечи зажиrания.. Да)J{е при
,совершенно непроrрстом двиrателе Bcero через неСКО.1оКО минут
(2 3 мин при окружаЮПl,ей температуре от 20 до 400 С)
'после зажиrания температура в наrревателЕ' достнrает ПОМII
-на.,1ьноrо уровия. Затем пуск двиrатеollЯ осуществляется с IIOMO
,щью обыкновенноrо Э.,1ектростартера. При выключенном ПУ('КО
'вом Э&llектродвиrателе вспомоrатсльнос оборудоваНIIС ПрИВО,JJIТ
'ся в движение ()т двиrателя через разобщаЮЩУIО муфту. В
транспортном двиrателе небольшой вспомоrательныЙ компрсс
.сор с постоянноЙ частотой вращения, приводящиЙся в дви}кение
-от электродвиrателя, необходим для реrулироваIlИЯ подачи воз..
духа прн работе двиrателя с ма.ПОЙ частотой враUl,ения.
ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ двиrДТЕЛЕЙ
СТИР ЛИНr А
СПОСОБЫ PEry лиров.дния
i\10ЩJlОСТЬ И частоту вращения ДВИI'зте..1Я можно реrу.пировать
изменеflие 1 те:\1пературы и давления рабочеrо те,,1а в цилиндре
а таl0ке изменением фазовоrо уr.па меж:ду ПОЛО.lкениями BЫTec
.; ...
нительноrо и раоочсrо ПОрfllнеи и смещение11 ЦИКЛОВ в OTne.llb'"
ных I\И.;1нндрах мноrОЦИollипдровоrо двиrатсля. Возможно также
реrу.ПНрОВ8ние изменением степени с)катия ДвиrаТСJIЯ.
Реrулврованис путем ИЗ 1еJ-lеНIIЯ фазовоrо yrv1a. степсни C)Ka
.
l'Пя И смещения циклов связано с созданием слол{нои механи'"
ческоЙ систс:иы и с ухудшением К. Н. д. двиrателя при работе
на ре)кима с частичной наrрузкоЙ. Поэтому реI'у.пирование д..ви
rате.:lей Стнрлннта в наСТОЯll ес время пронзводитсн в основном
изменением температуры и давления рабочеrп тела в ЦИ.llИНД'"
ре. Систе!\1а реrулировання нзмеllение 1 температуры ОТлича
стсЯ большой спо)кностьЮ, так как этот IIроцесс прот кает очень
медленно из за значительноЙ инерциопности процесса ТСПJlооб..
мена в двиrате.пе с внешним ПОДВ(JДО теп.П()ТЫ. Кро:ме Toro, из..
-'
мснение температуры раuочеrо те.па связано с существенным из..
..
1енснием IC п. д. двиrателя, которыи СНИiкается при частичныХ
наrрузках.
I1:аиБОJfее быстрое реrулированис режима двиrателя изме..
нснне давления рабочеrо тела. Одновременно Д"lЯ поддер)кания
L'
ПОстояннои температуры наrревателя рсrулируется и подача
топлива. Для сохранения оптимальиоrо значения I<оэффициен
та избытка воздуха, paBHoro примерно 1,6, с помощыо системы:
датчиков в завиСимости от расхода топлива ИЗ\1сняется и рас..
ХОД воздуха [14]. в этом случае к. п. д. двиrате,,1Я остается
почти постоянным в широком диапазоне изменения наrрузки
от 100 до 60%. Описанная система реryлирования требует ис
пользования дополнительноrо резервуара с запасом рабочеrо Te
.па и компрессора, который подает рабочее те.ПО из рсзервуара
....
Б UИJ1ИНДР двиrателя или, наооорот, из цилиндра в резервуар..
Фирма Филипе разработала систему реrулирования, в KOTo
рой rаз в цилиндр подается из баллона при давлении 200
300 Krc/cM 2 [46]. l(О"lнчество рабочеrо тепа изменяется при по
116
'\10ЩИ реrУ.,lирующеrо клапана, евязаННОI'О с рс'rУЛ5IТОрlнr. ТаI..:ая
'Lистема обеспечивает быстрыЙ переход двисате.'1Я с ОДllоrо pc
жима работы на друrои при перестановне opraHOn управ.nснИЯ.
Так, например, двиrатеЛI> Стирлинrа МОЩI10СТЫО 20О Л. с. с Ha
u u,., u u
J(.;IОННОИ шаноои переходит O'f ре.iкима холостоrо хода к полнои
tlаrрузкс за О,3 с, а при работс на XOJIOCTO 1 хпду частота Bpa
и
Щения Ba.lla повышается от МIfнимальнои до максима.ПЬНОП
(3000 об/мин) в течение 0,1 с. :Необходимо отметнть С.ПО)К
ность форсирования ДВИI ателя по частоте враПl,ення, так как при
ее увсличении возрастаIОТ потери при перетекании rаза из oд
..
нои ПО.J10СТИ В друrую и УХУДIпаются условия ТСП.llопер('даЧIl
В(:,,1сдствие инерционностИ процесса теплообмена. Поэтому YBC
.I1ичсние частоты вращения двиrателя ведет к СНllj[(l'IIIIЮ ('["()
к. п. 11.; частоту вращения 4.500 об/мип мож:но раССМЗТРllват[)
l\:ак маКСИ 1 адьно возмо)н:ную в наСТОЯlIlСС ВрС:\1 Н.
Н.а рис. 67 показаны схемы рl'I')'ЛJlрОВ::JIIJВI J(rУТЯII t'f'О M()Mt'lJ
та одноци.пиндровоrо ДВПI'аТСJIН с P<)\1UIl'll\<.'I\IIM I1рIIВОДОМ 11 MIIO-
rоцилиндровоrо двн ('tlTCJI Н двоii I JOf'O Д{' ii C'l'ВI 1 SI ('1 (i (.
Система рсrу.пНрОВUllllН СОСТОIIТ II:J ()aJ1J10Ha ,'J ,"' pa()O\lllM Tl'
.пом под даВЛСII неМ около 300 J\IT/CM'l 11 Ilrll ()()jtll VlOI'O В ДП 11 iI':(\I1 Пl'
ОТ 11виrатrл я IJСnО.JJЫIIОI'О J{OM JJ Р('ССОРН BI)I COJ\O 1'0 }{а ВЛС JI НЯ 5, а
также системы клапанов, ('В НllIIIЫХ е рЫЧ31'ОМ упраUJIСНИЯ IIO
дачей топлива. Повышение мощности двиrатсдя ДОСТНI'аеТС5I
путем увеличения подачи топлива l( форсунке с одновременноЙ
подачей раGочеrо тела из баллона через клапан 2 в ;холодную
по.,тIОСТЬ цилиндра двиrателя.
Д.пя снижения мощности уменьшают подачу ТОП lива с OДHO
временным откачиванием рабочеrо тела компрессором из X(),"oд
поii ПОJl0СТИ через к.аапан 1 сброса давления в ба;IЛОН. Откачка
рабочеrо тела компрессором из цилиндра в баллон происходит
значительно медленнее, чем перепуск сто из баллона в цилиндр.
Чтобы не увеличивать rабаритные размеры компрессора и YCKO
u
рнть процесс сни}кения мощности, одновре:\1енно с откачкаи pa
оочеrо тела производится перепуск Cro в буферную ПQ,,10СТL пли
t J
I
I
J
'I
'"
1 J
1 1,Т \1'-- 5
а)
z
,}
д)
,
. ) .д
/ r r
1 / d J I! ' ,,)
Рис. 67. Схемы рсrулирования д,Dиrате.YJЯ:
,/ ОДНОIl,Н.iIиндровоrо с ромБИЧССКИ:\I ПрНВОДО I: С :о.llrorОТ(И.'IиН!l.розоrо ;,iH1ii 1'''1"0 дс:iстншt
I 17
1
полость низкоrо дaB
.iIения черсз !,]lапап 4.
Степень открытия пере
пускноrо К,,1апана pery"
,11ИРУЮТ так, чтобы он
закрылся в момент дo
lJ холоiJНIjЮ стижения в ЦИJIиндре
!l;;;;;СПJЬ давления рабочеrо тела
при котором обеспсчи
вается требуемая мощ
ность двиrателЯ. С no
МОIЦЬЮ такой системы
двиrатель может рабо
тать и в ре:ж:име тор..
можения, который необ..
ходим при установке
Двиrателя на транспорт..
ных средствах.
flрuизводительность ко прессора выбирают таким образом.
,; u ..,
чтооы двиrатель Mor переити с ре)кима полном мощности на ре...
ЖП\1 холuстоrо хода за 30 с. Рассмотренная система реrулиро
ваНJIЯ оБУС.!lовливает быструю реакцию двиrателя на переста..
HOBI(y opraHOB управления.
1\ настоящему Bpe 1eHII разработано болыпое количСство' aB
томатических устройств 'для реrулирования количества рабочеrо
тела, поступаlощеrо в ЦИЛИНДР ДВиrателя. Схема одноrо из них
показапа на рис. 68. Рабочая и буферная полости через aBTO
матическое устройство сообщаются с компрессором и баллоном
с rазом BbIcoKoro давления. Чувствительный рычаr 7 наrружен"
с одной стороны, силой пру)кипы элемента 8, а с друrой эле
ментом 6 датчика давления, который установлен в рабочей по..
.п:ости двиrателя и рсrУ"lируется на среднее давление. Рычаr 7
управляет !(лапанами 2, 3, 4, 5 и 6. При снижении дав.п:ения в
рабочей полости открываIОТСЯ клапаны 4 и 5: первый служит
для выравниваиия давления в рабочей и буферной полостях, а
второй Д..:1я дополнительной подачи рабочеrо тела в буфер..
ную подоrть из баллона. Обратные клапаны прерывают этот
процесс, Ноrда давление в полостях двиrателя ВЫШе, чем даВ"
ление в базлоне. При увеличении давления в рабочей полости
более заданпоrо открываются к.,тlапаны 2 и 3: через первый ра..
бочее Те,,10 отводится к компрессору и далее в балдон, а с по..
мощью BToporo выравнивается давление в рабочей и буфер
ноЙ полостях. Уlзмененис натяжения пружины элемента 8 pe
rулируют педалью управления 1.
'=: комлресспр
в tJуqJt;РН/jЮ
!Ю/lt7t:!ПЬ
.
J
s
2
"
t 5
' ] ::,uлuнrJpа.
+ в оаллон
Рис. 68. РеrУ,1ЯТОР подачи рабо'Чеrо те.1а
ХАРАКТЕРИСТИКИ двиrАТЕЛЯ
ДвИrатеJJИ часто работают на различных режимах,
между их основными параметрами на этих режимах
118
и связь
устанав--
ливается .характеристиками, которые обычно получают ври иr
пытании ДRиrаТС.}IСЙ. Ре}J{И
1 работы двиrатео!lЯ определяется ero
назначением. Так, например, стационарные двиrатели, соединсн
u
ПЫс с .электрическими rенсраторами, раоотают при ПОСТОЯIIИОИ
частоте вращения при ИЗ
1енении мощности от холостоrо хода
О'
ДО полнои, а транспортные двиrатели изменяют частоту враще
нпя в завпсимости от внешних еопротив,пснии. Режим работьr
Двиrаrеля может характеризоваться средним эффективным
u
давлснием Ре и частотои вращения вала двпrате.rrя 11.
В двиrатслях Стирлинrа среДнее эффективное давление
(в KrC/CM 2 )
Ре == 75. 60N j(пV'l).
:На рис. 69 показаны экспериментаЛI}пые скоростные xapaK
тсристнки четырехuилиндровоrо двиrате.ТIЯ Стирлнпrа мощно
стью 115 .п. с. при температуре ра60чсrо TCu.13 в наrревателе
6ЗО О С и температуре воды па выходе ИJ холодильника 400 C
Номинальная частота вращсния 1500 об/МИJr, рабочее тело
r'е,,1ИЙ r зз 1.
Давленис Ре заметно снижается при ПОВЫUIСНИИ частоты Bpa
щения ва.,т]а Двиrатt'ЛЯ, что вызвано, в первую очередь, уве,,1И
чением rидравлическнх потерь в наrревателе, реrеиераторе"
ОХ,,1адителе и еоединнте..тIЬНЫХ канаJlах, а так)ке уменьшением
времени протекания рабочеrо ЦИКЛа.
Д"lЯ определения индикаторной мощности N i И среднеrо ин
дпкаторноrо давления Pi необходимо индицировать OДHOBpeMeH
4-
Pi,PiO
J(
C/CM2
25 f
.......... .L\......
20 ...... \
2
......
15
3
10
......
4
5 ..........
Ре, Ifбс/см 2
1
15
10
з
5
о
500 750 1000 П,ОО/I1(jtl
о
500 750 1000 1250ПРО/1'10Н'
Рис. 69. Зависимость cpeAHero эффективноrо давления () е двиrателя Стнрлинrа от чаС'I{J'IЬtf.
вращения вала п и cpeAHero давления Р т рабочеrо тела:
.,
Р т ::= 100 ,<тc/c
д2; 2
Р т
75 к[с/см 2 ; 3
Р т ==50 ктс/см 2 ; 4
Р т ==25 KrcJcM
РИС. 70. Зави('и!\tость среДнете индикаторноrо даВЛСllИЯ р i цикла двиrателя Стирлннrа OT
"c.lCTOTbl вращения вала n и среднето давления р m
або..еrо тела:
с. учетом rидравпических потерь;
без учеТа rидраВЛи'-IССКИХ потерь;
1
р 1ll == 100 Krc icM l ; 2
Р m =-=75 Krc/cM 2 ; 3
Р m
50 ю'с/см 2 ; 4
Р т -=25 )\rcfcM z
119
expert22 для http://rutracker.org
по ХОЛОДНУIО И rорячую ПО.IIОСТИ. так I-:ак давление в НИХ heO-ТНI
hakoBof-'.
Эффективная МОIЦНUСТЬ отличается от ИНДИI{аторной на ВСJlИ
чину мощности JV T1 J , 3 атра чиваемоЙ н анривод BcnoMor аТЕ:ЛЬНЫХ
arperaTOB и на трсние в подвижных элементах 'двпrателя,
1'1 е ::::= 1vr. N'l'P.
Эти затраты обычно ОI СНlIваЮтся средним давлением Tpe
ния
Ртр 75. 60iV'J'p/(п V /l)'
Н"lИ
Ртр == Pi Ре'
[де
Pi::::= 75. 60N i!(п V h).
KaR. показывают исследования, для определенноrо значенпя
.n даНJlение Р; приблизительно пропорпионально cpeДHe 1Y дaB
'oJ'JеНИIО рабочсrо тела Р'т (рис. 70) [33]. Поэтому величину ртр
l\'IO)l{HO сравнительно точНО определить rrYTeM экстраПОЛ5IUНП
кривой Ре t (Рт) (рис. 71).
.Nl0ЩНОСТЬ мехапических потерь зависнт так}ке от таких фак
""
ТОрОВ, I{aK давление раоочеrо тела н КОо: Iичество масла в Kqp
-тере двиrаТС"lЯ. Давление рабочсrо Те"lа II ero молекулярная
Масса I3"lИЯЮТ на веНТИ,,'!ЯЦИОНI lые потери, а количество !\.fac.:.Ja
определяет ЭlJерrию, затрачнваеМУJО па «взбалтыванис}) масла,
так I(aK смазка ДВНI'атЕ.\ПЯ очень часто осvществляется методом
раз брызrивания.
Изменение 10ЩНОСТИ механических потерь в ДБиrателе не
CTporo пропорционально изменеНИIО маКСJIмальноrо давления
цикла. Поэтому экономические показатели Двиrателя тем .,'lvч
те, чем выше 1\1аКСJlмальное давление цикда (рис. 72) [48]. 6д
нако с повышением давления ПИКoilа возрастаI{)Т наrрузки на
детали механизма привода, а следовательно, ero размеры 11
масса. ДJIЯ обеспечения требуемой прочиости детали при повы
lllении давления цикла необходимо использование дороrостоя
щих жаропрочных материаoilОВ. Одновременно с ростом Давле
ния усложняется работа системы уплотнениЙ, поэтому, как Уlке
отмечалось выше, час.то стремятся к снижению давления раоо--
Чl'rо Tl\,'!a. что позволяет использовать ДЛЯ производства ДБиrа
теoi'Jей обычные нержавеЮlцие стаЛJI.
Увеличение rидраВ"lических потерь при перетекании рабо..
" -
чеrо тела из 01lНОИ по.!JОСТИ lНI"lиндра в ,.1руrую вызывает CHH
женпе Pi при увеличении л (см. рис. 70).
rидравличсскис потерн (Рrидр == piD Pi) MorYT быть опреде..
" "
лены И И измерением разностп давлении в rорячеи и холоднои
полостях при ИНДIIuировании двиrателя, или расчетным путем.
120
f I, , r.c :,jCM 2
[ I
10' 1
"2
!
1
,
!
I'
71
I
I
l ,1
1L'
п I
10 1 PTP I l',Ю
j r N f
О 25 50 fJт,f( есдн 2 {) 500
с.
у
(j
7000 7500 2000 п, п/ijf'tl/Н
Рис. 71. ЗаВJfСИМОСТЬ (редн('('о эффектннноrо даll"lСНИП р е от частоты враЩения вада n
и среднеrо давления рабочсrо тела Р т :
J п 750 QG/MHll 2 H \500 об/мин; 3 n 1230 06/мин
Рис. 72. 3авнсиr.IOСТЬ эффектиuной мощности N н ЭффеКТИВtlоrо к. П. Д. '1'1 дииrате.'lЯ
е '/е
С'Jнрлиш'а от максимально('о давления рабочеrо тела Ртах и ..астоты вращеllИЯ вала п:
1 Рш х """140 ){rc/cM'1; 2 Ртах 0:=0110 I<.rc/cM 2 ; 3 pm[]X flll Krc/c:\I ; 4 '}шах""'50 KrcJcM 2
в литературе описав метод опреДС.J1енпя PiO путем пзмерения
даВ.rIения Р1 при раЗollИЧIIЫХ п [33]. В последнем случае, чтобы
v
HaJiTH Рrидр, измеряют Pi при ностоянном И высоком средне:и
u
давлении цикла Рт при JlОМИlJальнон частоте вращения п н и при
п (2/З)п п . Принимаетс}!, ЧТО IIО.Ilное индикаторное давление PiO
на обоих режимах работы одинаковое, а потери давления, ВЫЗЫ
BaC 1ыe rндраВoIll'Iчески:ми СОПРОТИIЗлеНI:IЯМII. возрастают пропор
цнонаЛЫIО п 2 , т. С.
2
PiO Pi Pmп .
Полученные таким метоДОМ диаrраммы изменения PiO (см.
рис. 70) npoTeKaloT I10ЧТН rО[НIЗОIIТ3ЛЫIО 11 только ПрIl ВЫСОКНХ
значениях Р'1)1 наблюдается некоторое умеиьшение PiO при ма..
,...
лых п, что вызвано ВJIиянием перетекания -рзоочеrо тела через
лоршневые кольца. [идрав.пичеСI\ие потерн зависят от фИЗИLlе
СIПIХ своЙстВ рабочеrо тела. Эти потери инимаЛЫfЫ при ис-
пользовании в качестве рабочеrо тела водорода.
Отмечается, что для ИССо!l€дованноrо двиrателя в ШИрОI\ОМ
диапазоне частоты вращения отиошенпе Pio/pm==0,22. Эта веJIП
чина не завИсит от наl'РУЗКИ и является ва)кным показателем
рабочеrо процесса двиrателя.
ЭффективныЙ к. п. Д. двиrате,,1Я
'1е Qe!QT 632N e /(G T H ll).
Некоторая часть теплоты топлива отводится с продуктами
сrорания, а остальное ее количество расходуется в осиовном на
HarpeB рабочеrо тела и двиrатедя
QT QBblX + (QBH + Qдв).
{) Зак. 468
121
(lr/J[j{j +f:1,б/f, ,'i!1{!Л/с
75
25
I 1 1
,
Di}{) +/J{jff,ют///с
75 r
1
I
50
50
25
,
,
,
о
ьоо 750 1000 П,ОО/МI1Н
о
,500 1000 15[/0 П-Рт.l(Zljr.( Сl"!2,,'
РИС Т 73. Влияние средиеrо давления рабочеrо те..lа р т и '.астоты вращения вала п на,
раСПрсд лсние тепповых потоков в двиrателе Стнрлииrа
1 Р m 0;0 ]00 Krc/cM"1; 2 Р m ==75 Krc/cM 2 ; 3 Р т ==50 Krc!c I : 4 Р т 25 !{rc!cl\12
Рис. 74. Зависимость теплоты QIШ' рчходуемой на паrрев двиrателей и рабочеrо тела,.
от 11арамстра пр
т
На рис. 73 приведена зависимость количества '{'еп.ТIОТЫ, вы..
u
де..r:lяемои ври сrорании топлива, и количества теп.IIОТЫ, исполь
u
зуемои для HarpeBa раоочеrо те.па и двиrателя, от частоты вра--
щения вала при раЗ<ilИЧНЫХ средних давлениях рабочеrо тела;
эта заВИСИ}10СТЬ построена по результатам испытания двиrа.
тел я мощностью 115 л. с. [33].
При установившемся тепловом реЖI-Iме работы пвиrатсла
теП.,10та, затрачиваемая на ero HarpeB, передается в окружаю..
щую среду путем излучения и теплоотдачи. Эту часть теплотЫ
мо}кно прибли.ж:енно рассчитать, если известны температура и
размеры поверхностей двиrателя. излучающих теплоту. Она 1\10"
)кет быть TaKJKC опрсделена методом экстраПОЛЯIlИИ опытных
данных, показывающих зависимость величины Q:1H + Qип от п и
Рт. При этом ИСПО,,1ьзуется линейная зависимость этой теплоты.
от параметра nРт (рис. 74). Ве..тJичина теплоты Qдn + QBII при НУч"
...
левои чаСтоте вращения вала определяет количество теплоты;
...
J10лучасмои ДВlIrателсм.
Уменьшение частоты вращениЯ вала двиrателя по сравне-
u
нию С номинальнои сопровождается снижением ero мощностц
и повышением экономичиости (см. рис. 72).
1(. п. д. и мощность двиrателя уменьшаются при увеличении
..
температуры ОХJIаждающеи жидкости и снижении температуры
н аrревателя (см. рис. 25 и 26) [48], т. е. они зависят от отно-
шения максима.пьной и минимальной температур рабочеrо тела..
Важным ПОКgзателем двиrате.пя яв.пяется коэффициент при'\
способvlяемости
с
Кп р ::::: М ир ша х! М ир н _
122
",f'v/"t71 /11(1' M
-- I
1
10
б
11
о
20()О fi.и i '1fjH
тои
'le
{ 110
о, .30
[{20
10
20
30 Nе)л.с.
'Рис. 75. :S.ШII(НМОСТЬ "рутящсrо OMeHTa ;\:1 к:р ДllИrателя Стир.тrинru ОТ максима.ll.ноrо
даОJlt'НИН Р<lбочеrо тела P rn <:1 н "НlCTOTЫ вращения Ba.la п:
.Х
/ Рrш:х' 140 I\rc/o1 ; 2 РШ8Х-"'" 110 I...rc/cM 2 : 3 Ртах '="80 Krc/c:\1:!; 4 Ршах 3t1 :\: C/C..12
РНС. 76. В;Jияние 9ффе ТllВllOji :'>tОЩIIOСТИ N (' на эффсктивный 1\. П. Д. 11 е Двиrа те.'lЯ Стир
.'1иНrа при п==сопst
I'де .iИ 1ф nHl.x MaI\CHMaJJbIILIii КРУТЯIl ИИ 1(H1CIIT двиrате.JIЯ при
работе по ВНСlllпеЙ характеРИСТИI(е; М нр I1 крутящиЙ момент
двиrатеJIЯ при работе на НОМlIнальном реЖIJМС.
Приспособляемость двиrателя в значительнои степени зави.
сит от отношения rидравличеСКIIХ потерь к полному ПНДlп(атор
:ПО!\1У давлению (PiO pi) /Рю.
11ССollсдования показывают, что впеUIIПlе характеристпки дви--
rателеи Стиrлинrа соответствуют внешним характеРИСТJlкам co
временных !lПlrr3Тl'.пей IЗнутреннеrо сrораНIIЯ. Двиrатель Стир
..;lПНI а И.\1еет БЛ3fОПРИЯТНОС протекание характеристик крутяще
ro момента, Т. с. С У '1l'ньшеIlНСМ частоты враlцения вала двиrа
теля крутящий момент возра
стает (рис. 75) [48]. В некоторых
,Gлучаях приспособляемость дви
rате.пя Стирлинrа примерно па
.50 о/о выше, чем у карбюраторноrо
двиrателя. Это позволяет ис
пользовать ДВИl ате.JlИ Стирлинrа на
современных автомобилях с теми
же коробками передач, что и для
автомоБИ.,1ей с двиrателями в НУТ--
peHHero с['орания. Число стvпе
u
неи передач Д Я Двиrателей Стир--
, п:иПrа может быть меньше, так каи:
-К. п. Д. ero снижается на частич
'РИс. 77. Ко БИННрОDанная характеристика ДБИrа
тепя Стирпинrа:
J I}max==140 Krc/cM 2 ; lJ fJ шdх "'50 I\Тc!c\{!
1 , "'.., /1"" 1 2
'I?' пCJI.Jj ,1
" ,;:, '/" /' л r . 1\
':!В 1'j'rJ /t . .I,
20
.
I
15
10
ь
"
! 9Р. =l50z/fдс,ч)
1000 2000
10
п.о6/мШI
6* 123
..
ных наrрузках в меньшеи мере, чем к. п. д. дпиrателя внутреп
Hero сrорания (рис. 76) [25].
При сравнении дпиrателеи широко ИСПОЛЬЗУIОТСЯ комбиннро"
ванныс характерl1СТПКН. ПРСДстаВ.ПЯIОШПС собой зависимость
меzкду мноrИМII парамстрамп двиrателя. Такая характеристика
двиrателя Стирлинrа привсдена на рис. 77 [481. Комбинирован
ная характсристика позволяет выявить зоНу наиБОJIес ЭКОНОМIfЧ
ной работы дпиrателя.
ОСОБЕННОСТИ двиrДТЕЛЕЙ стирлинrд
При современном развитии техники остро стоит вопрос о не..
обходимости создания энсрrетических установок, в которых MO
rYT быть нспо.п:ьзованы различные источники тепловой эперrии,
не заrрязняюшис окру}кающую среду и имеюшие низкий ypo
вень шума и вибрации. К таки перспективны силовым YCTa
новкам мо}кно отнести двиrате.пи Стирлинrа.
Поскольку современные образцы двиrателей Стир.аинrа И 'Iе
ЮТ такие же удсльные показатели по расходу топлива, мощно..
стИ, массе н rабаритньв'I размерам, как и Двиrатели внутрен"
иеrо сrорания, а в отдельных случаях н превосходят ИХ, то
большое значение приобретают особенности тепловых двиrате
"
леИ этоrо типа, которые следует учитывать при решении вопро"
са об их применении. l( особенностям двиrатедеi:f СТИРЛJIнrа
...
С.,lедует отнести высокии К. п. д., ВОЗМО)КllОСТЬ использования
различных теп...l0ВЫХ источников, в том числе и теп.rJОВЫХ aK
кумуляторов, малую токсичность (или отсутствие ее), низкий
уровень шума и вибрации, незначительпый расход смазочноrо
материала, высокий К. п. д. при работе на неномииа..тIЬНОМ pe
.
жимс, нечувствительность к пыли в окружающеи среде, воз
можность работы со значительными краТI{овременными nepe
rрузками, большую теплоотдачу в охлаждающую среду. слож
ность реrулироваIlИЯ и пока относительно высокую стоимость.
изrотовления.
Высокий к. п. д. Возможность по.пучения BblcoKoro К. п. Д., а
следовательно, И большой экономичности является ва.iКНОЙ oco
бепностью двиrателя Стирлинrа. Это связано с тем, что терми..
ческий к. п. д. термодинамическоrо llнкла Стирлинrа равен
К. П. д. цикла l(арио. По данным фирмы Филипс, двиrатели
в диапазоне мощностей 6 900 л. с. имеют к. п. д. 0,26 0,43, а
D диапазоне мощностей O)014 0,39 л. с. их К. п. д. составляет
O,079 O, 14. В настояшее время созданы двиrатели Стираинrа
с к. п. д. 0,41 0,43, ведутся работы над двиrателем с 1<. п. д.
0.50, т. е. с удельным расходом жидкоrо нефтяноrо топлива
около 127 r/(л, с. ч). Предельная величина к. п. д. С учетоМ
достиrнутых в настоящее вре 1Я температур составляет около
0,6. Однако для реализации этих возможностей необходимо
преодолеть значительные конструктивные и технолоrические
124
труд.ности II трудности, связанные с подбором материалов для
..
изrотовления дета.ТIеи Двиrатеая.
Различные тепловые источиики.. Внешний подвод теплоты,
ИСПО.пъзусмый в двиrатслс Стирлинrа, позволяет при менять раз
OI'Jичные тепловые ИСТОIIНИКИ без каких либо существенных изме
v
нении конструкции двиrателя.
flрактичеСJ{И все ископаемые топлива от твердых до rазо06..
разных MorYT быть нспосрсдственно использованы в д.виrате..rrе
Стирлинrа. Для этоrо Двиrатель оборудуют камерой сrорания
с рекуперативным тсплообменнико для подоrрева воздушноrо
заряда тrплотой отработавших rазов.
ФИрМD Филипе построила arperaT постоянноrо тока МОIЦНО"
стью 10 л. с. с двиrателем Стирлинrа, который работа.ТI на жид-
ком топливе различных видов (спирте, этилнрованном бензине,
керосине, дизе.ПЬНО топливе, мазуте, соляровом, оливковом и
подсолнечно маслах, сырой нефти) и на некоторых rазах (про"
пане, бутане, природном rазе). При любой наrрузке Двиrатель
переводился без остановки с одноrо вида топлива на друrой,
при этом было зафиксировано незначительное влияние вида
ТОПollива на МОIЦНОСТЬ и экономичность двиrателя.
По мере увсличения долrовечиости двиrателя Стирлинrа
(в настоящее время rарантируемый фирмамн изrотовителямн
моторесурс составляет 10 000 15 000 ч) все БОЛЫI1ИЙ интерес
вызывает применение ядерно.rо rорючеrо в качестве источника
теплоты. В начале 60 x rодов в США разрабатывался проект
создания судовой СIl.JlОВОЙ установки с двиrателем Стирлинrа
мощностью в несколько тысяч лошадиных сил с атомным pe
актором в качестве источника тепловой энерrин [10J. Наряду
с ВЬfсокоте пературными атомными реакторами, приrодиыми
для питания двиrателей Стирлинrа средней и Бо.J1ыliий МОЩ
НОсти (от нескольких сот до нескольких тысяч л. с.) имеется
возможность ИС,ПО.ТIьзовать для питания двиrателей Стирлинrа
малой мощностн (0,7 20 л. с.) радиоизотопных ИСТОЧIJИКОВ теП
..'
ловон энерrии.
Фирмой Аллисои была спроектирована, построена и испыта..
на космическая энерrоустановка мощностью 3 кВт с двиrател,ем
Стирлинrа, использующим в качестве источника тепловой энер"
rии солнечную радиацню [10]. В этом случае двиrатель ПО.J1У
чает теплоту от абсорбера, расположенноrо в фокусе отража
тельноrо коллектора, конuентрирующеrо лучистую солнечную
энерrию па абсорбер, в котором наrревается теплоноситель, He
обходимый для подвода теплоты к двиrатедю. В качестве теп
лоносителя в абсорбере ИСПОollьзуется калиево натриевый pac
ПCJ1ав, отдающий теП,,10ТУ рабочему телу rелию в HarpeBa
тельном теплообменнике двиrателя. Система имеет также блок
t>
аККУМУЛЯЦIIИ теплоты с rидридом .пития, которыи используется
в то время коrда аппарат попадает в тень Земли. Энерrетн"
ческая установка оказалась наибо.пее деrкой и малоrабарит.,
125
ной 1'0 сравнеllИТ-О со вссмп H:Oll:-'::УРИРУIОLUП:\1П СПСТС:'1 ! !lf. Она
Рёl()ОТ?Л<J ()о,;тее 1000 ч.
В п;: ,С/ ах с высот<ой интснси[Зно,:ть; ,'IВП 'I{ :НIЯ дЛЯ IIpHMC
Еения lIа транспортных средствах 6oo1bUJjI ncpCnCf\TJlBbI нмеет
двиrатель Стирлинrа с тепловЫм аККУ IУ.!IЯТОРО
Влияние на окружающую среду (токсичность, ШУ'1, впбра
ции). Очевидно, что о токсичности ДВИrаТС..lЯ Стпрлинrа (в
обычном смысле этоrо понятия) можно rоворить ТОЛЬКО при
использовании теплоты сrорания топлива.
Наиболее ШироКое распространение в настоящее время по..
лучили Двиrатели СтирлИнrа, работающие на жидком топливе
нефтяноrо происхождения. При этом источниками ВЫДеления
ТОксичных вещсств яв..rrяются продукты сrорания топлива и ис
парения ero из системы питания. Двиrатель Стирлинrа рабо-
тает по замкнутому цик.п:у, поэтому в ero картере нет продук
тов сrорания и ВС...1едствие Этоrо из картера не выделяются
токсичные вещества.
Испарение топлива в атмосферу в ДВИrате"lе Стирлип'rа зна
чительно меньше. чем у карбюраторных двпrатслей внутрениеrо
сторания, так как ТОп"lивная система закрытоrо Типа. ПраJ{ТИ
u
чески единственныи источник токсичных веществ продукты
сrорания, ВЫХОДЯIцИе в атмосферу из камеры сrорания.
Основными токсичными веществами, содержащимися в про
дуктах сrорания TaKoro топ.тrива, ЯВЛЯIОТСЯ окись уr.rтерода со;
..
иесrоревшие уrлеводороды СхНу, окислы азота NO х. альдеrи
ды, ажа, окислы серы (при использовании сернистых топлив),
соединения свинца (для этилированных бензинов) [16].
Оценим токсичность двиrателя Стирлинrа по ВЫДелению оки--
си уrлерода, уrдеводородов, окислов азота а так}ке по дымно--
сти. На эти выделения Имеются или вводятся законод.ательные
оrраничения. Токсичные продукты иеполноrо сrорания (СО 11
СхН у) являются следствием недостатка кислорода при cropa--
нии (при мадых общих И,,'IИ местных коэффициентах избытка
Еоздуха). .
. Сажа в отработавших rазах появляется в тех сдучаях, коrДа
происходит термическое разложение уrЛеводородНоrо топлива
(крекинr) при высоких температурах и недостатке кислорода.
Камеры сrорания двиrатс.ПЯ Стирлинrа подобны камерам
сrорания rазотурбипных и паровых двиrателей. Процесс cropa--
иия в них является стационарным. В таких условиях моЖно
обеспечить достаточно хорошее качество смесеобразования. Воз--
. u
дух, поступаюшии в I(a epy trораНИЯ, подоrревается в специ--
альном подоrревателе отработавшими l'аза 1Н. Очевидно, что BЫ
де,,1ение токсичных веществ С отработавшими rазаМII в двиrа
теле Стирлинrа зависит от коэффициента избытка воздуха при
* Под NO x понимается суммарНое КО.1ичеСТБО ОКПСИ NO И двуокиси NO z
азота.
126
Рис. 78. Влиянне КОЗФФИЦllента и::\бытка воздуха
а На основные токсичные KO IHOlItHTh, 8 отработан
ших rазах двиrателя Стир.rzинrа модели GPU
1 несrоревшне уr.Т[еВОДЩЮД",I; 2 О;':ИС:J '>1' азота;
3 ОЮ СЬ )Т.lерода
NO x } %
1
l Сн. %
0.0006
аООD4
0,0002
о
О,fч
0.12
0,10
0,08
ОДб
ОДч
ЦО2
О 1jJ 1,3 1,6
СО, %
о,Оч
0.03
0.02
0,01
1.9 2)2 2,5 СХ
сrорании а и температуры воздуха
на входе в камеру сторания т н . На
рис. 78 показано влияние а на
КОНllСlIтрациlO основных токсич
ных I\OMIIOlJeHTOB (СО, СхНу, I\TO X )
в ОТр<1 ботавших rазах.
С Уl3сличениехl коэффициента избытка воздуха при cropa..
НИИ У.\tfеныпается l\онцептрация NO x . СО и СхНи. Рассмотренпе
массы тоКсичных компонентов, выделяющихся при сrорании
единицы количества топлива, при водит к такому же выводу
[16]. Необходимо отметить очень малые концентрации СО и
СхН'у КонцентрациSl NO x уменьшается с ростом а из за более
существеНJlоrо ВЛИЯIIJlЯ СНИ)l{СНИЯ температуры по сравнению с
влиянием увеЛИЧСIIПЯ I(оличсства Сllободноrо кислорода в про
дуктах сrорания. Так как при увеличении а [{, п. д. двиrателя
несколько падает, то рациональное значение коэффициента из
БЫТRа Боздуха ПрlI сrорании составляет примерио 1 ,5 1 ,8.
С повышением температуры воздуха, поступающеI'О в каме..
ру сrорания, при постоянном коэффициенте избытка воздуха со..
держание продуктов неполноrо сrорания (СО и СхНу) умсньша
ется, а концентрация NO x возрастает (рис. 79). К. п. д. двиrа..
теля СТИР.,1инrа так}ке увеличивается с возрастанием Т 1-\. YMeHЬ
Ulение концентрации СО и СхНу объясняется улучшением усло
вий сrорания в более rорячем воздухе. Увеличение KOlIцeHTpa
цаи NO x вызвано повышением максимальной температуры cro
рания при неИЗменном КОЭффИIlиенте избытка воздуха. Темпе..
. ратура воздуха на входе в камеру сrораНИ51 в двиrателях Стир
линrа достиrает 600 8000 С [14].
Необходимо отметить, что отработавшие rазы двнrатеЛ51
СТИРЛIIнrа не I-В1еIОт запаха н практически не содержат сажи
[ 40 J .
Приведенные выше материалы показывают. что наибольшее
В&ilияние на токсичность отработавших rазов двиrате.пя Стир
линrа оказывают окислы азота. Выделение их может быть умень-
u
шено воздеиствием на условия сrорания ТОП.J'lива в камере
(уменьшением максима.;lЬНОИ температуры и концентрации КИС
.порода). Для понижения температуры в зоне сrораиия подби..
рают соответствующие параметры камеры сrорания или при
меняют рециркуляцню отработавших rазов (как и в двиrате
лях BHYTpeHHero сrорания) [16].
127
rze
0,20
0,15
цtO
'1е
0,32
0.31
1
о
2
СН,%
О, ОООч
0,0002
О
ЦЗ0
со,
"Ох%
0.04
D,OJ
0,02
0.01
о
СО, NO x . % 2
0,016
0,012
0.008
0.00'1
О
200
11f)0 600 l/< ос
о 20 1,0 60 8/) ('1,> %
.
Рис. ',9. В.']ИЯНИе температуры воздуха ТЕС на входе в 'Камеру сrорания на конце':l'рацию
токсичных компонентов 8 отработавших rазах и эффективный К. п. д. ДDИrателя стирлинrа:
I 'I1е; 2 несrоревшие уrлеводщюДЫ; 3 окись уrЛСРО!l.а; 4 ОIШСЛЫ азота
Рис. 80. Влияние КОJlнчества реU.НРКУ.1ИРУЮЩИХ rазов r Ц в Процентах от количества no
ступающеrо 80здуха на концентрацню токсичных компоиеJJТОВ в отраоотавших .'азах И
вффективный К. п. д. --1 е двИrатеЛН Стир.lJинrа:
1 t\e 2 окись уr.'lерода 3 OKHc.rrbl азота
Ia рис. 80 показано в..rrияние рецирку.аяции отработавших
rазов на токсичность двиrателя. величение количества пере-
пускаемых отработавших rазоВ бо.пее 330/0 J{оличества ПОСТУIlа
""
ющеrо свежеrо воздуха нецелесоооразно, так как при этом су-
щественно возрастает концентрация СО, а концентрация NO x
уменьшается менее значительно.
7. ,. сжсичные составляющие отработавших l'азС}В
.
Токсичные соетаlтяющие в ",r,. (.'I. с. .с)
ТИП двиrате.ШI NO x С}1у
со
r
С'rирлииrа О , 1 o ,2 O,O5 O,2 O,OOI5 O.OO9
fЗЗ0вая турбина (с pereHeparo O,7 2,O 2,O 3,6 O,O120 O.O72
ром) O,2 5,O O.6 12
зе.1Ь O,4 2,O
рбюраторный двнrаТС.I1Ь O.6 2,O 40 lOO 15 120
Для оценки уровня токсичности двиrателя Стирлинrа в
табл. 7 приведены удельные выделения токсичных веществ в
этом двиrателе, в дизе.,тIе, rазовой турбине и карбюраторном
двиrателе.
128
.Из нриведенной таблицы следует, ЧТО даже без принятия
специальных мер токсичность отработавших rазов двиrателей
Стирлинrа значптедьно НИ)КС токсичности теllДОВЫХ двиrателей
друrпх ТIlПОВ.
Основными ИСТОЧПIн ами шума в двиrателях внутренпеrо cro
рания ЯВJIЯЮТСЯ турбокомпрессор, процесс сrоранпя, процессы
впуска 11 выпуска, механизм rазораспределения, кривошипно
шатунный и всномоrатсльные механизмы (из за наличия зазо
ров в зубчатых ]аЦСП.JIениях, периодически перекрывающихся
зазоров в ЛОДfНI)I,НЫХ соединениях и т. п.). fенераuию шума
вспомоrаТ .III)НЫМИ механизмами в двиrателях BHYTpeHHero и
...
внешнеrо сrорания можно принять одинаковои друrие источ
нпкп шума в двпrателях Стир.пинrа отсутствуют, поэтому ypo
вень [пума, производимоrо работающим двиrателем Стирлин"
ra, зиаЧИТС.1[ЬНО еНЬШе, чем у двиrате.,lЯ BHyrpeHHero сrорания.
Внешнее сrорание в двиrателе Стирлинrа происходит lIепрсрьrв"
НО 1I не имеет ВЗрЫВНоrо характера, блаrодаря чему при crO
рании в выпуске IПУМ почти не rенерируется.
Кроме Toro, давление в uилиндрах двиrатеollЯ Стирлинrа из..
меняется плавно, практически по синусоидальному закону. Впу..
скные и выпускные клапаны, а TaIOKC механизм rазораспреде
ления в двиrателе Стирлинrа отсутствуют. Уровень Iпума 3Toro
ДВИrателя в среднем на 20 30 дЕ ниже, чем дизеля такой же
мощности.
Двиrатель Стирлинrа с обычным кривошипно шатунным ме..
ханизмом имеет примерно ту же иеуравновешенность, что и дви
rатели BHYTpeHHero сrорания. Однако применение в двиrателе
Стирлинrа ромбичсскоrо приводноrо механизма ПОЗВОЛяеr
уравновесить почти по..тrностью все инерционные силы и моменты
от них. При этом а.иплитуда колебаний свободно подвешен
Horo двиrателя составляет 5 8 мкм.
Расход смазочноrо масла. В двиrателях BHYTpeHHero cropa--
...
ния попадание MaccJla в ЦИлиндр, с однон стороны, всдет к BЫ
..
rоранию масла, а с дрУrои, к ero старению вследствие сопри
косновения с rорячимн: rазами и деталями двиrатеcJ1Я.
В двиrателях СТИР,,1инrа ПРJl примененин уплотнения HOBoro
типа свертывающейся диафраrмы масло практически не может
rопасть в рабочие полости и, кроме Toro. ниrде не соприкаса
стся ни r rорячими rазами, ни с наrретыми деталями, поэтому
не происходит нп выrорания, ни осмолен ия масла. Вследствие
этоrо в двиrателях Стирлинrа отпадает необходимость вперио..
Дическом добавлении масла. В принципе двиrатель Стирлинrа
может проработать в течение Bcero моторесурса с первоначаль
но заправленным маслом (если оно с течением времени не из..
меняет своих качеств под воздействием окружающей среды), ко--
торое очищается только от абразивных чаСТИll. Для двиrателей
Стирлинrа большой и средней мощности это является важней
тим экономически пренмуществом (стоимость смазочноrо )1ac
129
.lа в 8 I О раз выше стоимости топлива). Д.'lЯ двиrателеii Стир"
...
ДПJл"а мадом мощности это значительно уменьшает трудоемкость
оБС.IJу)кивания.
Попадание масла в рабочие полости двиrателя Стирлинrа
u U
краине нежелательное и чрезвычаино вредное явление, та[{ как
при этом парами мае.па заrрЯзняется набивка pereHepaTopa и
u
значительно ухудшается ero к. п. д., а та[{же изменяются свои
ства раБО'lеrо тела Н, как следствие, эффективный к. п. д. дви
rате.;'IЯ. Поэтому n двиrателе Стирлинrа применяются несмазы-
13аеМЫе поршнсвыс кольца, а с аЗОЧIIЫЙ материал требуется
только для смазки механизма прнвода и вспомоrательных arpe
raTOB. В качестве поршневых упдотнений в двиrате.пе применя
ются неразрезные кольuа из фторопласта или композиционных
материалов на основе последнеrо.
Высокий К. п. д. при работе на неиомииальных режимах.
ТОII,,1нвная ЭКОНОl1ИЧНОСТЬ транспортиоrо двиrателя в эксплуа
u
таЦИ[l характеризуется среднеэксплуатационнои экоиомично
стыо.
В ДВНI'ателе Стирлинrа снимаемая с вала У10ЩНОСТЬ реrули
руется ПутеМ изменения давления рабочеrо тела во внутрепни,
полостях двиrателЯ. В то же время температуры наrревателя 11
охладителя автоматически поддерживаются постоянными. Сл'е
,LLOBaTeoJ1LHo, при изменении ошности и частоты вращеНИя вал
rраНИЧllые температуры 11 ИХ отношение оСтаются постоянными.
Блаrодаря этому экономпчность двиrателя при работе на HeHO
мннальном режиме меняется незиачительно. Так. при изменении
частоты вращения от номинальной до 200/0 номина.1JЬНОИ не..
сколько увеличнвается эффективныЙ К. п. д. двиrате.пя. Таки
образом, установки с двиrателем Стирлинrа обладают 'высокой
экономичностью.
Надежный и быстрый пуск двиrателя при низкой темпера
туре.. Двиrатель Стирлинrа, имеющий большое давление рабо
чеrо тела во внутренних полостях и Достаточно высокую темпе
ратуру трубок наrревателя. леrко пускается при .n:юбой темпе
р2туре окружающей средЫ. Ero пуск зависит исключительно от
надежности. с которой может быть воспламенено топливо в ка-
мере сrорания. Свеча зажиrания, которая объединена с форсун-
.,
кои в одно целое, практически rарантирует пуск дви.rате,,1Я пра
любых параметрах окружаIОШСЙ среды.
Нечувствитепьность к пыли окружающеrо пространства.. Так
как дВиrатель Стир.п:инrа двиrатель внешнеrо сrорания, то
u
пы.тrь, попадающая в воздушным заряд камеры сrорания нз OK
ружающеrо пространства, не поступ ает в цилиндры и картер
(в двиrателе ,Стирлинrа вентиляция картера не требуется).
Вследствие 3Toro в ДВJIrателе Стирлинrа отсутствует дополни.
" те.IIЬНЫЙ абразивный износ движущихся деталей' механизма при"
вода. Кроме Toro. из за малой скорости движения воздушноrо
аряда II отработавших ra oB в рекуперативном теплообменнике
130
камеры сrорания (подоrрева'fеле ВОЗДУШНОI"U .';IIHll .I' JI В се
распылпваlощем устройстве коррозия этих дстаJIс.'i"\ Jll': lIа1JИ"
Te.,'IbH3.
Работа с кратковременными переrрузками. MOTopecYi)C дпи..
l aTe';Tci1 С ТПРJlипrа опре Д<:'vlяется СКОрОСТЬЮ н аступлеНJ'(Я II1)('}{4.'.1I;I
ПОJIзучести материала деталей наrревателя, работающих 1l()1L
высокой температуре. С повышение 1 давления рабочеrо 1ела
во внутренних полостях двиrателя скорость наступления предс
ла ползучести возрастает. Тем не менее, кратковременные пере..
rрузкн, свнзапные с повышением давления рабочеrо тела во
внутренних полостях, незначительно уменьшаIОТ долrовеЧI:IОСТЬ
v
двиrателя, так как температура деталеи наrреваiеля остается
...
неИЗМСПIlОН
В общем случае любой двиrатель Стирлинrа мо)кет rаранти'"
рованно выдерживать кратковременную 50 800/0 НУЮ переrруз-
ку без замеrноrо сни)кения долrовечности.
Теплоотдача в охлаждающую среду. Вследствие наличия в
двиrателе Стирлинrа замкиутой системы циркуляции рабочеrо
Te.тIa ТСIIЛООТВОД практически полностью осуществляется через
охлаДlIтс..1Ь, при этом теплоотвод дол}кен происходить при воз"
мо:жяо более пизкпх температурах. Поэтому количество тепло-
ты, 01'ВОДIН10С в ох.тrа)кдающую воду, в Двиrателс Стирлииrа
прнБJlIIЗИТСЛЬНО в 2 раза больше, чем в двиrателях В1Iутренпеrо
сrораиия, при :их одинаковых эффективных к. п. д. Следова
...
тельно, размеры радиатора системы охлаждения двнrателеи
СТИРЛIIнrа на транспортных средствах ПОJlучаются больше, Че :1
...
у двиrателеи внутрепнсrо сrорания Toro же назначения.
В судовых двиrателях Стирлинrа эта особенность не явдя.
ется серьезным HeДOCTaTKO 1.
Сложная система реrулирования. Особенности орrанизаuии
рабочеrо пrодесса Двнrателя Стирлинrа обусловили слОжность
ero системы реrулирования. Об этом свидетельствует большое
количес'['во изобретений, связанных с усовершенствованием этой
системы. Часть этих усовершенствований связана с 7лучшением
работы ДВИI'ателя на неустановившихся п переходных режимах.
Высокая стоимость. До недавнеrо времени СТОИМОСть наибо
дее доведенных моделеЙ двиrателей Стирлииrа была в 2 3 ра..
за бо.пыне чем стоимость двиrателей BHYTpeHHcro сrорания Ta
кой )ке мощности. Создание двиrателей ДВОЙноrо действия cy
щественно уменьшило этот недостаток. В настоящее время 03
дaT€.,1I1 двнrателей Стирлинrа заняты интенсивными поисками
решениЙ, позво.ляющих существенно снизить их стоимость. Ряд
этих решений (создание двиrатслей двойноrо действия, привод
Horo l\.rеханизм а с косой шайбой, применение отъемноrо Harpe
v
вате.пя н простых 110 конструкции подоrревателеи воздуха, упро
1дение технолоrии ИЗrОТОВJlения и т" п.) .уже реализован," что
\
позполило значнте.аьпо снизить стоимость двиrателя и у.аучшить
ero IIоказатеЛII. По оптимистическим проrнозам некоторых НС:-
131
U Q
следователе и можно IIрСДПОЛО)l{ИТЬ, что при сериином выпуске
доведенных двпrателей СТПРЛННI'а их стоимость CTaHer одинако
.--' U u
вои со стоимостью двиrате"lеи внутреинеrо сrораНIIЯ та кои же
м ОIЦНОСТИ.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕпловоrо АККУМУЛЯТОР А
Теп.повой аКI{УМУЛЯТОР состоит из теплоноспте.JlЯ, lI"lИ теП.rIоза
...
пасающеrо материала, контеинера, в котором он хранится, теп
ловой изоляции, обусловливающей мнннмадьную утечку «запа
u
сеннон» теплоты, II устроиства лдя подвода теплоты к теП.iIОНО-
сите.пю.
Теплоноситель должен иметь большую удельиую теплоем
кость; большую теплоту плавления при температуре плавдеНII)l
более высокой, чем максимальная температура рабочеrо тела в
двиrателе; низкое давленне паров при рабочей температуре ДBII
rателя; высокую плотность для обеспечения компактности теп..
ловоro аккумулятора; химическую стабильность во всем диапа
зоне рабочих температур; достаточно высокую механическую и
u
термическую прочность; совместимость с :материалом контеинера
и поверхности теплопередачи; низкую стоимость. Кроме Toro,
теплоноситель должен быть практически нетоксичным и допу
екать большое число ЦИК.IIОВ персзарядкн. В природс не суще
ствует материа.,1а, который обладал бы всеми перечпсленными
.
.
выше своиствамп, однако, возможно создание IIскусственных
..
материалов, в разнои степени удовлетворяющих указанным Tpe
бованиям.
Тепловые аккумуляторы MorYT быть двух типов: с теПJIОJIО
сителем в TBepДO 1 состоянии и с тепдоноситеoJlем в }f';ИДКОМ C()
стоянии.
На рис. 81 показана массовая и объемная энерrоеМI{ОСТЬ He
которых материалов. которые MorYT быть использованы в качр
стве теплоносителя. За нижнюю rраницу температурноrо и}-l
терва.па была принята температура 5380 С, так l<aI( при этоi1
температуре двиr'атель Стирлинrа имеет еПlе достаточно BЫCO
.. v
кни термическии к. п. д.
Верхняя rраница температуриоrо интервала ддя отдельных
материалов оrраничивалась степенью изученности IIХ теП.!lОфII
зических характеристик при этоЙ температуре. Следует замr-
тить, что практические оrраничения по СОВ 1естимости материа
<>
.па теПлоноситеJIЯ и материалов контеинера I1 изоляции MorYT
существенно менять rраницы рабочеrо интервала температур.
Тем не менее, приведенная иа рис. ,81 rистоrрамма ПОЗВО..тIяет
оценить относительный потенциал по удельной массовой и объ
..
емнои энерrоемкости каждоrо из приведенных материалов.
Четыре вещества LiH, LiF, NaF и Mg 2 Si представ.пяют co
бой жидкие соли. rидраr лития LiH 'имеет наибольшую удел .
ную массовую энерrоемкость. Однако эта соль разлаrается при
132
t "a . (''''
7Dч
1010
1012
1102
lJ10
1з10
1370
1370
1370
1370
лс.Ч/КZ 1,2 1 0,8 0,6 0.4 0.2 О 0,5 1 1 5 2 л-с.чjл
ЗнереоемУ. ость
1
2
Рис. 81. Энерrоемкость различных теплоносителей:
J воспринятое теп;lO; 2 скрытая тсп,;юта ШIaВ.;IеlIИЯ
u
сравнителыlо 111I31<0И температуре, лишь незначительно превос
ХО,J,Яlцей се ТС:\1пературу плавления (6900 С). Фторид литпя Li "
сравннм по удельной, массовой и объемной энерrоемкостп с rИД
раТО\1 аНТIISI LiH и имеет высокую температуру плавления
(847" С), что делает erO более приrодным для нспользоваНIIЯ в
I<ачестве теплоносителя.
Друrие материалы твердые всщества, они запасают теПЛО
вую энерПIJО без фазовых переходов, II поэтому их температура
по мере ОТДаЧИ теплоты понижается. Для одинаковых l-\:оличестr.
<>
и конечном температуры теП.поносителя это приводит К YMeHЬ
..
luению количества используемои теплоты по сравнению с )I{ИД
кими теплоносителями.
Хотя допустимая верхняя рабочая rраница температуры для
указанных на рис. 81 твердых материалов более высокая, че '1
ДЛЯ Корродирующих жидких (расп.павов СО,,1ей), тем не менее
трудности в подборе надежной и высокоэффективной изоляции.
работающей при этих температурах в течение длительноrо cpo
ка, де.Пают такие рабочие температуры труднореаДllзуемымп.
Эти трудности усуrубляются цик"тrическим изменением т€':мпера
туры (1800 700 1800° С) теплозапасающих материалов.
ПРИf!1енение твердых 1атериа.JlОВ в тепловом аКI(УМУ:Iяторе
целесообразно при верхней rранице рабочих температур свыше
120if С, Однако в настоящее время практически трудно обес
печить надежную работу двиrатедя при такой температуре. Be
щества с изменением arperaTHoro состояиия при наrреваНlIИ и с
достаточио высокой массовой 11 объемной энерrоемкостью име
ют верхнюю rраиицу рабочих темпера тур ОКОЛО 1 ooo 11 000 С.
при которых возможна надежная работа двиrателя. Кроме TO
1 0, при использовании ЖИДКоrо теП"lОIlОСИТС"lЯ упрощается пере-
133
, l ,1 запа,:снной теплоты во внутрснний контур ДБl1тателя. J Ia
I'р('взтельны трубки двитателя можно поместить непосрсдствеп..
НО в расплаве теплоносителя, что обусловливает достаточно эф
фективную передачу теплоты от жидкоrо теплоносителя рабо
чему телу.
В случае ПрllМСllения твердоrо теП,ilозапасаЮlцеrо материала
теплопередача от иеrо к наrревателю двиrателя осуществля
ется промеЖ:УТОЧIIЫМ теплоносителем, теплофизические свойства
KOTOpOI'O в Конечном итоrе определяют эффективность теплопе
редачи. В 'O же время при использовании промежуточноrо теп
лоносителя (обычно rаза) требуется развитая теплообменная
поверхность как со стороны наrревателя двиrателя, так и со
стороны теплозапасаюшеrо материала. Поэтому в тепловом aK
кумуляторе твердый теплозапасающий материал может быть
при снен только в виде высокопористой массы, имеJощей бодь
тую теплообменную поверхность. Вследствие этоrо действите,пь
ная объемная эверrоемкость Твердоrо теп.позапасающеrо MaTe
,..
риала оудет в несколько раз меньше, че 1 приведенная на
рис. 81 объемная энерrоемкость твердоrо материада в состоянии
мuнолита. Положительным качеством твердых теплозапасаIО-
щих материа.,10В является то, что они не вызывают коррозии
митериала контейнера, трубопроводов и наrревателя двиrателя.
В н астоящее время наиболее подходящими теплозапасающими
матеРИL1.лами для двиrателей Стнрлинrа являются в твердоЙ
фазе I)КИСЬ алюминия АI 2 О з , а в жидкой фторид лития
LiF. ИЗ 9ТИХ теПJlозапасающих материалов в тепловых аккуму-
ляторах чаще ПРИМt'нястся фторид лития В ж'идкой фазе.
Пров денные испытания на совместимость фторида лития с
рядом материалов при ВЫСОКИХ температурах показаoJ1И, ЧПУ
сплав марки хасте.:1ЛОЙ С (17% Cr, 17% Мо, 2% Мп) оказался
u u
наилучшим по коррозионнои стонкости при длительном KOHTaK
те с Фторидом лития (свыше 4000 ч), причем температура из
меня.т.ась цнклически (цикл около 3 ч) с 427 до 9000 С, что наи
более полно соответствует реальным условиям работы теп.;rIо'
Boro аккумулятора. В случае применения фторида лития в Ka
честве теплозапасающеrо материала трудно обеспечить иадеж
ную теплопередачу во время зарядки и разрядки тепловоrо
аккумулятор а.
Проблема теплопередачи от nOCTopOHHero источника к фто
риду лития ОС.пожняется из за Toro. что LiF меняет фазовое co
стояние во время зарядки И разрядки. при застывании объем
.литиЯ уменьшается почти на 50%, что вызывает образование
раковин в застывшем расплаве. Наибо.пьшее отрицательное воз
действие на эффективность двиrателя оказывают раковины, об
разующиеся на теплопередающих поверхностях. Если раковины
образуются Н,а тепдопередающих поверхностях иаrревающих
элементов при зарядке тепловоrо аккумулятора, то элементы
переrреваются н разрушаются.
134
л.с.чlm
Дf,.'I/М J
700
250
БОО
200 500
1
t1:
150 "00
c:u
::t::
300
100 t::I
:::t:
t..) 200
t:)
<: 50
<:::>
!ОО
о
о
1
2
3
ч
5
б
РИс. 82. Объемная и М8ССОllан знерrоемкости раЗJlИЧИЫХ 9нерrетических CllCTeM типа aK
КУМУJlЯТОр знерrии лреобразующее устройство:
J работа, КОТОРУЮ может произвести сжатыn rаз; 2 энерrия, запасенная маховиком;
-з энерrия СЕИНЦ.ОВОКИСЛотноrо электроаККУ:МУ"1ятора; 4 энерrия серебрюlOЦИНКОВОl'О
51лектроаккумулятора; 5 тепловоЙ аккумулятор LlF двиrатс,IIЬ CrnpJIl-iэrа с 11е :=0,36;
6 теп.r.овой аю<умулятор АI 2 О з Двиrате.'1Ь LТирлинrа с l1е::оО,Зб
К.роме отрицате.п:ьноrа воздействия на процесс теплопереда
ЧИ, раковины вызывают значительные механические напряже-
ния в деталях контейнера. Структура раковин, как было уста-
новлено экспериментально, зависит в основном ОТ скорости теп-
..,10передачи. Так, при медленном внутреннем охлаждении рас-
плава образуются большие раковины, в случае быстроrо охла.iК-
дения застывающий расп.пав не садерJКИТ больших раковин,
На рис. 82 приведены объемная и массовая энер'rоемкость
раз.I1ЙЧНЫХ энерrетических систем типа аI\.Куму.пятор ЭНерrии
преобразующее устроЙство [9]. Как по объемной, так и по мас-
, u
сован энерrоемкости система теП.,10ВОИ аккумулятор двнrа
тель СТИрЛИlIrа (с l1е=== 0,36) в несколько раз превосходит дpy
rие системы, в том числе и наиболее перспективную: электриче"
ские серебряноцинковые батареи Э..,1ектродвиrатель. Кроме
Toro, время увеличения емкости тепловоrо аккумулятора на
1 кВт. ч в десятки раз еНЬШе, чем у любых электрических aK
КУМУДЯТОРНЫХ батарей с оrраниченной влотностью зарядпаrо
тока.
В зависимости от Toro, в какой фазе твердой или )кидкой
..
используется теплозапасающии материал в тепловом аl{КУМУЛЯ
торе, возможны различные конструктивные схемы системы теп"
.повой аКI(УМУЛЯТОР двиrатель Стирлинrа.
135
r'Пr' ",.
,()и,; to
?
[!
4
Рис. 83. Энерrетичеr)(ая
система тспдовоn aKI\Y
МУJIЯТОР с твердым Jтеп
...... .'lозапасающим мат р иа.
...
.'10М ДВИrатель СТlfрЛИН
ra: i
I
[lIТРИХОПЫС CTPE'JI"tf за
ряд"а тел.'ЮВOI.о atKY:"IY
.'Jятора; СПJlоШНые .стрел
ЮI разрядк :
j
,
1
AllOJ
...
........
\
\
Б 5
........
.
На рис. 83 изображена схема системы с твердым теП.,10запа...
сающим материалом в виде окиси а.пю иния А1 2 О з . Воздvхо..
дувка 1 через подоrреватель 2 полает воздух в камеру cropa
IIИЯ 3, объединенную с КонтсйнерО 1 тепловоrо аккуму.пятора 4.
При зарядке теп.,човоrо аккумулятора и одновремеlIНОЙ работе
двиrателя 6 продукты сrорания с высокой температурой цирку
..
лируют по двум контурам: одна часть через иаrреватеЛЬНЬП1
контур двиrателя инеработающую высокотемпсраТУРНУIО B03
духодувку 5 поступает в сборный канал и после прохо)кдения
предварительноrо подоrревателя 2 выбрасывается в атмосферу;
друrая прохоД'ит через пористую массу теплозапасаю.щеrо
материала, отдает ей свое тепло, а затем через сбориый кана.п:
и предварительный подоrреватель также выбрасывается в aT
мосферу. После Toro ка[{ температура массы теплозапасающеrо
материала Достиrнет определенной величины (1500° С, как пока
зано на rрафике вверху) воздуходувка 1 отк.пючается. и работа
камеры сrорания 3 прекращается, а система клапанов отсоеди"
пяст воздушно rазовые коммуникации от атмосферы. Одновре...
мен но включается высокотемпературная воздуходувка 5 011 про..
дукты сrораН'ия, оставшиеся в тепловом аккумуляторе и Harpe
ватсльном контуре двиrателя, циркулируют теперь по замкну..
u
тому кон туру: тепловои аI<КуМУ.пятор наrревательныи КОНТУО
двиrатепя. По мере снижения температуры теплозапасающеrо
..
материаJI3 количество теплоты, передаваемои в контур двиrа..
те.п:я. уменьшается. Чтобы в этом случае сохранить постоянным
<>
КО.,1ичество теплоты, вводимои в двиrате..1Ь, увеличивают цасто"
ту враlдения воздуходувки 5, вследствие чеrо возрастает ceKYHД
ныIl расход ЦИрКУЛИрУlощсrо rаза в замкнутом контуре.
Схема 'с использованием в качестве теплозапасающеrо Ma
териала жидкоrо расп..'!ава соли LiF при температуре более BЫ
СОКОМ, тем температура плавления, показана на pJtc. 84. :Вместо
136
...
высокотеМIJературпои ВОЗДУХОДУВКИ ДДЯ поддерn\аllПН НII рК:У.ТIЯ
цип расплава LiF в замкнуто:и контуре тепловой аКИУМУJ1ЯТОР
4 L.. наrреватель ДВиrате,,'IЯ 5 Испо.J1ьзуется ВЫСОRотемпсратур
нь й циркуляционный насос 6. В систему замкнутоrо контура
фтррид лития заливают в распдав.пенном состоянии при TCMпe
ра+уре более высокой, чем температура ero плавления. При па..
деJ-tии температуры расплава соли LiF до температуры плавле
ниn ВКJlючается в работу воздуходувка 1 и камера сrорания 3."
!
ВС.:lедствие чеrо повышается температура расплава до необхо
диМой. затем камера сrорания вновь ОТК.аючается. Воздух по-
дается в камеру сrорания через подоrреватель 2. Таким обра..
зом, при работе системы тепловой аккумулятор двиrате.пь
Стирлииrа по этой схеме скрытая теплота плавлеиия фторида
..
.пития не используется, что, ('однои стороны, несколько ухуд..
тает массовую и объемную энерrоемкости 'системы, но, с дру"
rOH стороны, обеспечивает надежную работу, так как при это-м
не образуется раковин.
Прямую теплопередачу ОТ расплава LiF в наrревательный'
контур двнrатсля наиболее просто осуществить, помещая иаrре..
ватедьные труб({и двиrателя непосредственно в резервуар с pac
плавом. В этом случае массовые и объемные характеристики си..
стемы по энерrоеМRОСТИ улучшаются, так как ИСПО.rIьзуется
скрытая теплота плавления (или затвердевания) теплозапаса
ющеrо материала. Непостаток такой системы меньшая надеж-
ность вследствие образования раковин на поверхностях тспло
передачи. Кроме Toro, для обеспечения продол>кительноrо функ
ционирования системы необходимо большое количество теп.поза
пасаюrцеrо материала, что при отсутствии циркуляционноrо Ha
, соса представляет 'Собой проблему для передачи теплоты от всей
массы Э'fоrо матернала к наrревательным трубкам rо.повкн ДВИ
Рис. 84. Энерrf'ТИЧfская
система тепловой акку-
мулятор с ЖИДКИМ TenJlO
запасаюЩИМ "1аТf'риа
ЛОМ ДВlfr ате.ль Ст IfРЛИН
ra
t: ,
r
2
J
l
I. ........... .........
В r
4
5
t
LiF
131
2
5
(
Рис. 85. Схема ЭIlсрrетиqеской уста.
IIОВКИ, u котОРой ТСIЫОDQЙ аккуму-
лятор соединен с Д8иrате_lем СТl1р
линrа при помощи тепл{)вой трубltI:
1 контейнеры с раСП.1Э80М СОJIИ
LiF: 2 слой nopHC'I'oro ЫJтерИЭJJа;
3 отсечной КJJапан тепловой 1 py'
бы; 4 двиrатель Стирлпиrа; 5
теп.r.овая изоляция; б теП..'Iоt ()(;п
тель в тепловой трубе жидкий шп
рий; 7 ЭЛеКТрОНаrреВающее YCT
ройство; штриховые стре..1КИ 1СП
ЛО'ВОЙ ПОТОК при зарядке теn:ЛО{ЮfО
аккумулятора; СI1.rrошныс стреЛК;I
тепловой ПОТОК при разрядr;е те!lЛо
Boro аККумулятора
5 4
l
6
7
l ате lЯ, ДЛИНа которых оrраничивается выбраННЫМII I\()НСТРУКТИВ
ными параметрами последнеrо. Тем не менее эта система в
u , v
сочетании с ооычнои камерои сrорания, раоотающеи на rззо
образном или жидком топливе, может быть использована для
I'ородскоrо транспорта (пассажирские автобусы, небольшне [py
зовыс фурrоны и т. д.), так как силовая установка в этом слу
чае обладает минимальноЙ ТОКСИЧНОСтью и низким уровнем
llIYM а.
I-Iаиболее Сvlабым звеном в системе тепловой аККУМУ",lЯТОР
двиrатель Стирлинr() с )КIIДI{ИМ теПJIоззпасающим матерпаЛО :I
ЯВJIяется циркуляционный насос. 11ока НСТ достаточно нзде/кных
насосов для перекачки .iкидкоrо металла при температуре 900
10000 с. Поэт му несомненный интерес вызывает при:менение
в системах с :}кидким теплозапасающим материалом тепловых
труб. Отсылая читателя для ознакомления с конструкцией и
принципом работы тепловых труб к специальной зитературе
[30], отметим те специфические особенности, которые ДСо!lают
u
их приrоДНЫМИ для применения в системе тепловои аккумуля"
тор двиrатель Стирлинrа.
Помимо Toro что тепловые трубы MorYT передавать большое
количество теП..10ТЫ (в десятки и да)ке сотни раз большее, чем
мо)}(но передать через медный трубопровод TaKoro )ке сечения)
..
при весьма малои разности температур, их можно еще paCCMaT
ривать и как преобразователи тепловоrо потока. Большая по..
верхиость тепловой трубы позволяет использовать для ее Harpe..
ва тепловой поток малой плотностью. Теплота, полученная та-
ким образом, может вновь передаваться тепловым потоком BЫ
сокой плотности К друrой поверхности теплообмена. В этом
случае тепловая труба в отношении плотности тепловоrо пото
ка действует как траисформатор напряжения электрическоrо
тока.
На рис. 85 показана схема эиерrетической установки, в KOTO
... v ..
рои тепловои аккумулятор соединен при помощи тепловои тру-
бы с Двиrателем Стирлинrа. Тепловой аккумулятор состоит нз
..
нескольких rерметичных тонкостенных контеинеров, заполнен..
138
ных раСН.:1авом СО.!lИ LiF. Контейнеры помещены u 1\0[>11)''-', 1"\\)--
торыЙ одновременно является наружной оболочкой ТL
J[.rIОlюii'
трубы. [Iри заполнении контейнеров расплавом СО.пи LiI.... ЖIfДI<:НI
соль пр актически занимает весь объем и то.n:ько часть СI'О lllljt
u
расплавленнои солью заполняется инертным rазом
arH'OlfLJM;
ero давление выбирают так, чтобы при затвердении СОЛII <"О:1ДU-
валось паиБО.:1ьшее избыточное давление внутри KOHTCiiIlL'PO.
предотвращающее ero разрушение. Через слой пористоrо м 81'С-
риа.;lа 2 теплоноситедь тепловой трубы
натрий возвращаС1"СJ
в л(идком состоянии В зону испарения. Тепловой аккумулятор
и ДВИI'атеiIЬ 4 соединены между собоi'! элементом тепловой тру-
бы с отсечным клапаном 3.
Если дно иаружноrо корпуса HarpeTb электрическим током.
то натрий псп аряется и конденсируется на контеЙнерах с LiF
с отдачей соответствующеrо КО.п:ИчесТВО теплоты. Жидкий нат-
u u
рии возвращается в нижнюю часть корпуса через пористыи ма-
териал 2. Этот процесс продолжается до тех пор, пока нся соль
В контейиерах Не будет расплавлена, что можио определить по
изменению СI<ОРОСТИ повышения температуры. В этом случае
..
тепловои аккумулятор считается заряженным, и электроподоrре-
вающее устройство 7 может быть отключеио. Если требуется.
пустить двиrатель, то клапан 3 открывают, и пары натрия начи
нак)т !(ондепсироваться на трубках наrревателя двиrате.п:я, а
сконденсировавшийся жидкий натрий течет обратно к виешней
u u
поверхнuсти I<онтеинеров, которые теперь становятся зонои ис...
па рения теп.ПОВОЙ трубы.
Совершенно очевидно, что при применении тепловоrо aKKY
МУJIятора в качестве источника теплоты возможно ИСПО.i1ьзова...
ние различных видов энерrии: энерrии деления ядер в атомном
реакторе 1I радиоактивноrо распада различных веществ; энер-
I
ИИ солнечноЙ радиации и от сrорания любых видов ископае
мых ТОIIЛИВ, 9лектроэнерrии и т. д.
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Перечис.п:енными выше положительными качествами двиrа..
теля СТИРЛlIнrа объясняется интенсивность работ, ведущихся
по ero созданию и доводке, а так}ке по определеиию наиболее
раuиональных областей lero применения. В настоящее время
созданы эксперимента.,'lъные двиrатели Стирлинrа различиоrо
назнаЧЕ'IIИЯ: судовые, для автобусов и автомобилей, для работы
n условиях космоса II rаубин мировоrо океана и т. п.
преимущества двиrателей Стирлипrа по сравнению с Дви"
rателями друrих типов позволяют считать наиболее перспектив"
пым установку их на судах, подводных аппаратах, электростан-
циях и тепловозах. НИЗI\:ИЙ уровень шума. малая токсичиость,
возможность использования различных топлив, высокая эконо
мичность при работе на частичных наrрузках
все это стиму"
13
expert22 для http://rutracker.org
" J IJ рует работы IIО создаНI1Ю .JвиrаТС.1Сй Стир.lинrа Д.ан aBTOMO
, ..,
ОИ,,1t:'и ра-З"lичноrо назначеНIIЯ.
Bccь a рационаollЫJО прИмснепнс ДВlIrателси СТИрлинrа 13 Ma
.. IОШУМНЫХ мноrОТОПJIИВНЫХ 9нсрrеТllчеСКIIХ установках дЛЯ ПII
"
тания радиотелепсредаЮIЦИХ, припимаrощих и друrих устроиств.
8. Основные параметры двиrателей С'rирлииrа
ПараМСТjJЫ
Страна. фир!tНI. Моде.1Ь
Нидерланды, Фи.тпшс
Моде ль Мод('ль 4Х2З5 4х615
J 956 r'. 196 О r. 1 91 f r. 1972 r.
Чис.'ю цнлиндров 1 4 4 4
ЛJ е , Л. с. 40 115 200 205
п, об/мин 2500 3000 3000 2400
1500 1000 1000
О'
11е' ;0
33,Б
39,0
32,0
41, О
30,0
41,0
SjD (S и D в мм) 60 49,8
88 77,5
Ре. KrcjcM 2 22,4 32.0
V h, 0/'] 0.36 0,94 2,4р,
ir/t x 710 700 700 720
15 25 БО 65
Рт. KrcjcM 2 110 110 220 110
acca двиrателя, Rr 204 456 757 900
Лнтровая МОЩНОСТЬ, 110 212 85
.11. C./.ТI 5. 1 4,0 3.8 4,4
У дельная Macc a, ,
Rf ,Л. с.
ОбъемН2Я . 155 280 1"95
мощность,
л. c./M 3
rабарИ'I'ные раз !ерЫ . м 1,5 1.25 1,4
1.0 0,52 0,57
0,5 1 , 1 1,33
Рабочее тело Водород rе.r:ни
Тип прнвода Ро!\tбич:еский
Распо.тIОЖ ение ДШ1ИНД В I п р р
ров**
ИСТОЧНИК теП.rюты Камера сrораиия па Дизе.I]ЬНОМ
lfазиачение двнrателя
Лаборатор
..
ныи
образец
Судовой
Автомо.
бильныЙ
Авто ю
бильиый
и судовоЙ
Ik С reHepaTopOM.
*". В вертикальное; П противолежащее: Р рЯДНое; Б барабаНIIое; V V"образное.
......
140:
Как укззывалось выше, ЭТИ двиrате"lИ MorYT УСllt'ШIlО ра()от()ть
при использовании соднечноЙ энерrин. Известны ПРОl'I\:ТЫ и
экспериментальные образuы таких СТ3IIионарных установок н
установок ДJlЯ космоса. Так, фирмой А"Т'JЛИСОН совместно с фир
мой Филипе в 1961 r. для привода reHepaTopa бы." создан Il ис
Страна, фирма. :\fодель
Нидерланды, США. Дженерал Моторе И др.
Филипе
.'\1oдe.'IЬ Мuдель Модель Moдe.11Ь Модель
) 961 r. 1963 r. 1 961 r. 1962 r. 1960 r.
4 1 1 1 4 1
275 8,6 10 4 30 90
1600 3600 3000 3000 2000 ]500
600 2400 2500
2000
1600
30,0 26,4 37,2 25 35,0
27
30
32
34 34 35
60 60 44
29,4 13,5 18,5 31,0
2,63 0,081 0,081 0,22
710 705 815 672 690
71 38 19 65 62
220 70 70 105 200
44 40 100* 100
105 105 125 140
5.1 4,0 25* 3,3 }, .
210 19 22,5 254 .
1,5 0,346 0,465
0,537 0,61 0,61
1 ,3 0.814* 0,712
r е '1ИЙ Водород rе"lИЙ Водород
Ромбический Качающаяся Ромбическш'i
I шайба
Р В В В Б В
Тепловой
топливе Мноrотопливная Солнечный
камера сrорания кондентратор аККУМУ. f JЯI0Р
Автомо. Для энерrоустановок Космическая Для
бнльный эиерrо- подводнЫХ
установка аппаратов
141
Страна. фирма, МОДель I
США, ДженераJ1, i\1oтopc
Лараметры
4X1210
1960 r.
Модель
1 96 1 r.
ч ИС.'Ю ци...'1JШДРОВ
N e , л. с.
n. об/мин
l1е
S/D (8 п D в мм)
6
1400
810
З9 0
4 1
360 3
1500 3000
..............
38,0
20
40
18 0
0,025
I 2
Ре. KrC см
V 1z t Л
trJtx
Рm. Krc/cM2
Масса двиrателя, Kr.
Литровая мощность, л. с./л
Уде.rzьная масса, кr/л. с.
Объемная мощность, л. с./м 3
f аба.ритные размеры. м
700
25
НО
20
120
7
Рабочее тело
Тип привода
175
3,4
1, О
2,4
fелий
300
1 , 135
0,65
1,645
ВОДОРОД
Ромбнческий
f
НазначеШ-lе двиrа1еля
Р Р
Тепловой
аккумулятор
ДЛЯ ПОДВОДНЫХ
юmаратов
в
Тепловой
аккумулятор
Лаборатор-
u
нЫИ
образец
Расположение II.Илнндров* *
ИСТОЧН1iК теплоты
пытан в космическом пространстве двиrатель Стирлинrа, в KO
тором В качестве источника теплоты использова.пась энсрrия
..
солнечных .пучеи,
Двиrатели Стирлинrа небольшой мощности (lO 500 Вт) с
к. п. д. 10 200/0 MorYT быть выполнены со свободными порш--
нямн. В качестве источника 9нерrии в них можно использовать
радиоизотопы. Подобные двиrатели отличаются высокой надеЖ
ностью и поэтому MOryT применяться в установках типа искус
...
С'твенное сердце, aBTOHO HЫX радиомаяках, приоорах электро
ники и пневмоники.
Использование в качестве источников теплоты тепловых aK
u
КУМу.iIЯТОРОВ открывает перспективы для применения двиrателеи
СТИРЛIlнrа на подводных аппаратах, в шахтах и в друrих за
крытых помещениях.
142
I
Страна, фирма, модель
и др. Швеция ФРf
,
Модель .модель P 75 Р.150 IX400 4Х400
1'914 '. 1973[". 1974 [". 1974 [". 1972 [". 1912 т.
4 4 4 8 1 4
175 65 100 200 30 115
4000 3500 2400 2400 1500 1500
800
25,0 36 36 30 30
34
23,0 22.5 22,5
'0.86 0.4 1,6
650 630 БЗО
.
52 42 42
185 110 110
205 125 350 650
.
210 75 75
J.2 2,0 3,5 3,2
.
220 210
0,92 1,48
0,58 0,68
0,9 1 . 025
fелии
Качающаяся
шайба
Б
Водород rелий
Аксиа.1JЬНЫЙ кривошипно-шатунный мexaHH3 1
I v 1 v I р I
Камера сrорания
р
v
Для леrковых
автомобилей
Для rрузовых
автомобнлей
Автомобильный
.,
и судовои
.
Применение тепловых rазоохдаждаемых реакторов дает воз
можиость использовать в сочетании с ии ми двиrате.rrи Стир
..1Iинrа.
Наиболее перспективными конструкциями двиrателя Стир
линrа, обеспечивающими ВЫСОI{ие удельные показатели по мощ
насти, ЭI{ОНОМИЧНОСТИ массе и объему являются V образные
двиrате..1И и двиrатели 'с барабанным расположением цилиндров
ДВОИНоrо действия. В настоящее время достиrнутые эффсктив
иые К. п. д. двиrателя Стирлинrа находятся на уровне К. п. д.
и ...
дизелеи та кои же мощности и возможно существенное повыше
ние ero. По величине среднеrо эффективноrо давлеиия и литро
ВОЙ мощности двиrате...1И Стирлинrа превосходят дизели. OCHOB
ные параметры некоторых конструкциЙ двиrате..тJеи Стирлинrа
приведены в табл. 8.
143
a< l Ы il'I i Шl'С YCOBl'pIIIl' Нtтвованис двиrзтелей СТИР.J1! Iнrа СВЯ'
зано с проведением БО':llJLuоrо объема научно исследовательских
11 опыIпо КОIIСТРУКТОРСКIIХ Р а бот, которые целесообразно вести
в С.,1СДУIОЩИХ нан r 3В.iI еIIИЯХ.
1. Разработка совершенной математической модели Двиrа"
теля СТИР.,lинrа с целью расчеТIIоrо анализа и оптимизации па.
раметрав рабочеrо процссса.
2. РазраООТI<а и исследование условий опти изации истоЧ'-
Ликов теп.ЛОТЫ раоочеrо тела и пара метров конструн:пии двиrа.-
теля прпменпте"lЬНО к областям применення и условиям ра-
боты.
з. Разработка и ИСС.llедование различных схем приводноrо
и
механизма для создания простаи рациопальнои конструкции.
4. Разработн:а и исследоваНие более совершенных уплотне..
<> ..
нии ма.,10И СТОIС\10СТИ И, в частности, поршневых колец для на..
дежной работы без смазки.
5. }lзученпе теПЛовоrо расширения составных элементов дви
rателя и разработка методов устранения вредных последствий
ero: поддержание в допустимых пределах теп.ЛОВЫХ напряже...
...
иии.
б. Создание оде.,lИРУЮЩИХ установок для экспериментально-
ro исследования теп.пообменных аппаратов при циклической
работе с целью получения экспериментальных данных для раз-
работкн и создания высокоэффективных малоrабаритных теп-
лообменников.
7. Созданпе и исследование надежных и достаточно простых
систем реrулирования.
8. Разработка и внедрение совершениых технолоrических ме..
...
ТОIIОВ изrОТОВ.,lения деталеи двиrателя, а также надежных ма-
и
териалов М3ЛОН стоимости.
9. Определенпе областей рациональноrо применения двиrа..
"елей Стирлннrз различных схем.
Перечисленное выше безусловно ие оrраничивает Kpyr ра..
бот. необходимых Д.!lя успсшноrо внедрения двиrате..тIеЙ Стир"
линrа. В зависимости от I-Iззначения двиrателя B03MO)fOIO появ
ление новых проблем.
СПИСОК ЛИТЕР А ТУРЫ
1. Балаидин с. с. Бесшатунные двиrатеЛII BHYTpCHHero сrорnния. Л'l., «Nla
шиностроеlIие», 1972, 176 с.
:2. Буиди" Л. Л. Термодинамическнй анализ цикла Стпр.тrинrа. «Изв.
высш. учеб. заведений. ,!\'1.ашиностроснис», 1969, N 2, с. 106 109.
.3. Водородиая rубка и тепловая БОЧf{Cl. «ИзоGретате.1Ь и рацпонаЛIl
затор», 1974. N5! 5, с. З5 36.
.4. Возмn>киости создания IIСТОI\сичноrо двпrатеu1Я. Поршисвые п rазо
турбинные двиrатели. !v\., 1973, с. 19. 23. (ВИНИТII. Экспресс
ииформация, N 44).
5. Выбор системы внешнсrо сrорания двиrате.rIЯ Стнр..1ШIrз С pereHepa-
тивным циклом. Поршневые и rазотурБНllиые двпrате,.f'JН. 1\1., 1971,
с. 12 19. (ВИНИТИ. Экспресс ниформация, N 11).
f(). fречиев В. И., Лушпа Л. И. Теш'lОВОЙ балаис двиrатсля Стпрлинrа
н 1'еПЛОВЫе потери во внешнем и внутреннем контурах ДВIIrатею(. .\1.,
JfЗД ВО МАДИ, 1974. с. 62 70 (труды 1\-1 АД и, вып. 96).
7. ДВllrатель внеШнсrо сrораиня (типа Стир.rшиr) для .,,:erKoBoro 3ETOy{0
бил я фнрмы Форд. Автомобнлестроение. М., 1973, с. 39 43.
(винити. Экспресс информация, N!? 44).
:8. ДВllrатеЛII впутреииеrо сrорания. Конструкция и расчет поршнеВh1Х и
комбннированных двиrаТС.:Jей. М., «л,1ашииостроенис»,. 1972. 464 С.
Авт.: А. с. Орлии, Д. н. Вырубов, В. И. Ивин и др.
'9. Двиrатели впутреннеrо сrорания. Теорня рабочнх процессов поршне.
вых и комбинироваиных двнrателей. 1"1. «МаШIIностросние», 1971.
400 с. Авт.: А. С. Орлнн, д. Н. Вырубов, В. И. Ивин Il др.
ПО. Двиrателн Стирлннrа. Пер. с аllrЛ. Под ред. В. 1\1. Бродянскоrо
М., «Мир», 1975. 448 с.
11. Двнrатель Стирлннrа. в качестве источника энерrии Д.1Я искусственио-
ro cepдцa. Поршневые и rазотурбннные двиrатели. Л,., 1969, с. 16
22. (ВИНИТИ. Экспресс ииформацня, N!:? 40).
.12. Двиrатe.n:ь Стирлинrа на автобусс. Автомобилсстроение. М., 1971,
с. 6 7 (ВИНИТИ. ЭкспреСС IIнформация, 15).
'3. ДВИfатеЛII типа Стирлннr фирмы ФНJlИПС. Поршневые н rазотурбии.
ные двиrатели.. J. 7v l., 1973, с. 11 18 (винити. ЭкспреСС I1нформацня.
N!! 44).
145
Д0l50iн.:а ),13Ш а J: C:. i.i1 Tllil;.l С !пr:JJшr. Ilоршневые il rазотурuшшыС' ..J.вri.
';]ТL:'-Ш. .\1 , 1973, с, 8 12. (I3инити. Экспрс<':с ннформация, N 42)
15. Е.1Jиссев В. В., CepreeB д. 1-1. Что тЩ ОС ТеП.'IОВRЯ труба. \'1., «Эперrия>>-,.
1911. 136 с.
16. Звонов В. л. Токсичность двиrатедей BH}'TpCHHcro сrорания. М., «l\1a
шиностроенне», 1973. 200 с.
17. Звонов В. А., Даииличев В. Н. Исследование термодииамическоrо ЦИК
Л3 двиrате.'1Я Стирлииrа. В н:н.: Двиrатели виутренпеrо сrорания
Харьков, изд во Xry, 1974, NQ 20. с. 7 14.
18. Звонов В. А., CepreeB п. B. ШмереJIЬ30И я. Ф. ВЫбор основиых па
pa reTpOB ромбнческоrо механнзма двиrателя СТИР.тIинrа. В КН.: ДВИ'
rатели внутрениеrо сrорания. Харьков, H3Д BO Xry, 1973, Ng 18, с. 98
J 11.
19. Истомии П. Л. Кинематика и динамнка IIОРШНСВЫХ ДВС. Л., Cyд
прочrиз, 1961, 304 с.
20. Мельцер Л. 3., I(араванский И. И. Исследование ндеальноrо, цнкла
машины ФИ.'1ипс методами теРМОДI1намнки перемеННОfО количества
rаза. «Хо.поднльная технин.а», 1959, .N 5.
21. Наумов Л. Н., Нестереико В. Б. Состояиие развития двиrате.JIеЙ Стир
.1I:fнrа. «Изв. АН БССР. Физико-энерrетическис науки», 1972. J'{ 1,
с. 28 31.
22. Неймаи и. Ш. Динамт;:а авиационных двиrателсй. Т. 1. J\.1.. Л., Обо:
pOHfH3. 1940. 475 с.
2:3. Новые работы ПО ;:шиrате.1Я:\1 СТИРЛНlIrа. Поршневые и fазотурбин
Hы ,1lшrате"lИ. Nl., 1966, с. 8 1 О (ВИНИТИ. Экспресс ннформация,
.N222).
24. Петровский Ю. В.. Фастовский В. r. Современные эффективные тепло
обl\1енннки. .М. Л.. rосэнерrонздат, 1962. 256 с.
25. Применение двиrате.1Я, раоотаlOщеrо по циклу СТИрЛИН,rа. ПОрШJlе-
вые н rа.:зотурбинные двиrатслн. 1\1.., [964, NQ 9, с. 3 12. (ВИНИТИ
ЭI.-:спресс информация, ]\2 9).
26. Применение двиrателя ТНIl<l СТНР.'Iинrа в подводноЙ энерrетическоii'!
YCTaHOBKe. Поршневые и rазотурБннны ДниrатеЛl1. \., 1970, реф. 209-
(винити. Экспресс: информ.аII.ИЯ, ом! 31).
27. rlрименеиие теп.rю.воrо ЦИК,'Iа Стирлипrа Д.1Я двиrате.1Я, н,осмнчеСКоrО'
аппарата. Поршневые и rазотурбинные ДВИrате.'lИ. 1\1.., 1963, с. 1 10
(винити. Экспресс информация. "g 12).
28 Работа двиrатсля типа СтирЛИНfа с малым содержанием вреДIIЫХ
примессЙ в отработавших rазах. Поршневые н rазотурБНlIные двиrа
те.IШ. 1\'1., J 969, с. 12 ]З (ВИНИТИ. ЭКСПресс информация, ,M 25).
29. СмаИJIJJС В. и. .lvlа....юТоКсичные дизелн. л., «л,1ашиностроение», 1972
1 8 с.
ЗО. Тепловые трубы. Пер. с анrл. н неМ. ПОД ред. э. Э. Шпнльрайна
М.. «Мир». 1972.
31. Трухин л. Х. Повышение надежности и долrовечностн поршневых.
J":oMlIpel"COpHbIX машин. Л1.., «fv1ашиностроение». 1972. 176 с.
32. Успехи в развнтии ДВНfате.'Iей типа CTHp..1HHr. Поршневые и rазо ,
турбинные двиrатсли. 1'1.., 1966, с. 15 17 (ВИНИТИ. Экспресс инфор
мацня N!2 28).
-33. ХRрактеристИКИ двиrате..1Н СТН:РДИl.:::rа. Поршневые и rазотурбииные
146
]1виrате.iIИ. Nl., 1973, с. 17 24 (ВИНИТИ. Экспрссс пнфорыация,
N2 33).
34. Цедерберr Н. В. Термодинамическпе и ТСПvlОфИ3ИЧЕ'СКlIС CBoiicTB3 re
..'Iия. 1\1., Атомиздат, 1969. 276 с.
35. Эксперимента.lьиые исследования Д1:шrа'Тсля Стирлинrа. Поршневые
и rазотурбинные двиrатели. 1., 1969, с. 22 28 (ВИНИТИ, Э[{спрссс
IfНфОрМ3UНЯ, N2 40).
36. Ястржембский А. С. Термодинамика и история ее развития. . \.-Л.,
«Энерrия», 1966. 653 с.
37. Bjerklie John W. Соmрэrisоп of С0 2 cycles for automati\'e (1ower
рlапts. «7 the Iпtеrsос. Energy Con".ers. ng. Conf. San Diego. Calif..
1972». \\'ashington, D. С., 1972, р. 89 904.
38. Fiпkеlsfеiл Т. СусНс. Processes in Closed Regenerati\'e Gas !V\асhiпеs
Analyzed Ьу а Digital Computer Simulating а Differential апаlуzеr.
«Transactions of the ASME. JOllrnal of Engineering for Indostry».
1962, February, р 165 l79
.39. Greswick F. Д. Thermal Dcsign of StirIing' Cycle IHacl1ines_ SAE.
1965, Paper 650079, р. 6.
40. John Н. Lienesch, Wallace R. Wade. Stirling Engine Progress Report.:
Smoke. Odor, Noise and Exhaust Emissions. SAE. 1968, Paper
680081, 21 р.
41. Kirkley о. W. S. Determination оС the optimum configuration for а Stir-
1ing епginе. «Jоurпаl mechanicaI engineering sсiепсе», 1962, v. 4, N 3.
42. Lia Т. Д., Lagergvist R. S. G. Stirling Епgiпе with unconvertional Ьеа-
ting System. «8 the Intersoc. Energy Convers. Епg. Conf. Proc.»
Philadelphia, Ра, 1973», New York, 1973, р. 165 17З.
43. Ludvigsen Karl. Zukunftsmusik. «Auto, Mot. tшd Sport». 1972. N 23,
N 49.
44. Martini W. R., Johnston R. Р., Noble J. Е. Mechanical епgiпееriпg
problems in energetics Stirling engines. «Paper Amer. Soc. Nlech.
Eng.». 1969. р. 15 16.
45. Meijer R. J. Der Philips НеШgаsmоtоr тН Rhombengetriebe. «Philips
technische Rundschau». 1958/1959, N 20, s. 29З 311.
46. Meijer R. J. Der Philipg. Stirling motor. «J\1otortechnische. Zeitschrift»,
1968, N 7, s. 284 298.
47. Meijer R. J. The Philips Hot. gas engine with Rhombic Drive 1ecba.
пism. «Рhiliрs Thechnical Review», [958, v. 20. N 9. р. 245 276.
48. Meijer R. J. ТЬе Philips Stirling Thermal Engine. «Philips Research
Reports Supplements», 1961, N 1-----4.
49. Моол John F. European progress with Stirling engine. «Diesel and
Gas Turbine Progr.». 1972, v. 38, N 12, р. 14. 17.
50. Rietdijk J. А. et. al. Een hermetische en Zeigerafdichting voor grote
drukverschillen. «Philips techn.», 1964 1965, v. 26, N i 1 12,
р. 345 354.
.51. Seculich Stephen Д. Development i TFE schaft seals. «Diesel and Gas
Turbine Progr.», 1972, v. 38. N 2. р. 44.
52. The Stirling engine for тапу duties. « hipbuild and Mar. Епg. Int.»,
1973. v. 96, N 1164. р. 152 161.
147
53. Vnterwood Arthur. L s possibilites du moteur Stirling. Вullеtiп dc
l'association [rancaise der techniciens du petrole.» 1964, N 163, р. 6T
91.
54. Walker G. Operations Cycle of The Stirling Eпgjne with Particиlar
Re[erence То the Fиnction о[ The Regenerator. «Journal Mecl1anical
Епgiпееriпg Science. 1961, v. З, N 4, р. 394 408.
55 Walker G., Кhап М. J. Theoretical Performance о[ Stirling Сусlе Engi
nes. SAE. 1965, Paper 650003, 7 р.
оrЛАВЛЕНИЕ
ПреДИС.'lOвие
ПРИНЦИП РАБОТЫ И
rАТЕ.тIЯ
ТЕРJ\1.0ДИНАNПIЧЕСКИй ЦИКЛ ДВИ
т ер::\1 ОДИИ а-миче СI{ИЙ цикл
Принцип работы двиrателя
Ана..l'ИЗ теР
\10динамичесн:оrо цикла
Реадизация термодннамичс.скоl'О цикда Стнрлинrа в поршневом
двиrэтеле . . .. ..
РАБОЧИИ ПРОЦЕСС двиrАТЕ.тIЯ
Основные конструктивные схемы двиrателя
Расчет рабочеrо процесса Двнrателя с учетом действительноrо закс.
"
на движення Поршнеи . . . . . .
Влияние фазовоrо сдвиrа поршнеЙ на пО]<азателн рабоч:еrо процесса
Движенне рабочеrо тела в ПО.l0СТЯХ двиrателя
Выбор рабочеrо тела .
Основы расчета буферной ПО.'lости
Тепловой баланс Двиrателя .
Процессы в теплообменных аппаратах
Основы уточпенноrо расчета рабочеrо процесса двю'ате.ття
КИНЕМАТИКА И ДИНАf\.\ИКА двиrАТЕЛЯ
.
.
.
Общие положения
Кинематика двнrателя
Динамика двиrателя
Уравновешиваиие ДВИfателя
КОНСТРУКЦИЯ ДБиrАТЕЛЯ
.
Устройство двнrате.тIЯ
Компоиовка двиrателя
Механизм двнжения
Уп.тютнеиия
Наrреватель
Камера сrорания
.
.
.
expert22 для http://rutracker.org,
.
3
.
5
5
6
10
14
20
20
.
22
28
29
31
35
38
45
47
53
53
57
66
78
,83
83
86
91
94
104
108
.
.
.
.
Реrеиератор
Охладите.аь .' .....
Конструкция Д,вш'ате:ш типа 4Х235
:ОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕ.I(ТИВЫ РАЗВИТИЯ
'ирлинrА .....
Способы реrулирования . .
Ха рактеристики двиrателя .
Особеннос,-н двиrателей Стнрлннrа
Использование теПЛовоrо аккумулятора
Перспективы развитня .
.
.
] 1 ]
112
113
.
.
.
.
.
.
ДВ Иr
ТЕЛ Ей
.
116
116
118
124
132
139
145
.
.
.
(ИСОК "lитерзтуРЫ
H
438
Владимир Николаеви'ч Даниnиqев, Се,вер Иванович Ефимов,
Васил,ий Але'ксеев.И'ч Звонов, Миха,ил rеорrие.ви-ч KpyrnoB,
Александр rриr{)рьев.и.ч Шуваnoв
ДВИr АТЕЛИ
СТИР ЛИНr А
Редактор издательства Л. и. Еrоркина.
Технические редакторы л. Т. Зубко, л. п. [ардеева
Корректор Н. и. Шару"ииа
Обложка художннка Ф. ю. 9ленбум
зо в на бор 24 fV 1977 r. Подписано к печати 29/VII 1977 r. Т -09889. Формат 60 Х 901 /118.
ara типоrрафСJ<RЯ
1. Уел. печ. л. 9,5. УЧ.
нзД. .1. 9,55. Тираж 7500 ЭК3. Заказ N
468.
Цена 50 J<ОП.
Издате,nьство о&:'машиностроевие»-. 107885, rCM. Москва. l
й Басманный пер.. 3
'hосковсхая типоrрафия Nt 6 СОЮЗПОJIиrpафПРОМа при rосударствениом комитете
':;овета МИННСТРО:В СССР по делам издательств, ПOJlиrpафии и книжной Торroвпп.
109088. Москва. Ж.В8. Южнопортован у.n.. 24.
expert22 для http://rutracker.org
Изда1СЛЬСТВО «МАШИ НОСТРОЕВ И t.);
НОВЫЕ книrн
по ЭНЕРrЕIИЧЕСКОМУ l\\АШИНОСIРОЕНИЮ
Выnцск- 1978 сода
А н т п n о в Л. и., [З.ос \' ш к о В. .П.
Стацноиарные бензиновые двиrате
ли ВОЗДУIllиоrо охлаждения. 7 ПЗД. Л.
40 К.
Лэродниамиqеские характеристикн
ступеней 'rепЛОrJЫХ турбин. ПОД
peд В. А. Ч с р н п к :1 В:: 19 пзд. ,1.
2 р. 97 K
.Б о } j jl а 11 i Н К () Ю. А., Р с 1 c
Т и п ф С. Вихревые КО:\1прессоры.
I 3 ИЗД. ,'1. 80 к-
Б о т I\: а Ч н к Н. А. Реrе lера1'ивные
воздухоподоrреватели пароrеl-lера
торов. 20 iiЗД .1. ] р. 30 к
Б Р (J н о в с к и ji- r. А., r о л ь ..'I.
Ф :J Р б Л. И , Ф а с у ,1 а '1' 11 Р. К.
Тех но.rlOrи Я rицротурбостроения.
20 НЗ:!.. :I 1 р. 20 к.
В а с н JI Ь е Б В. Д., С ол О Ж е II
ц р в E П. Кибернетические t\';:eTO
ДЫ при созданни nоршнесых Ma
шин. О "j:JЗД. .:1. БО К.
В е ш к с л ь С К П й с. А.. JI \' 1-: L я Н
Ч Е' JI К () Б. С. ТеХНИ1lеская эксплуа
тация ДБиrате.'1ей BHYTpeHHero cro
,/.. " ,.,
рании. .у ч( ,еШJ(' посооле Д.1Я техин.
1<) ; I оп. 11 IB.J.. .'J. 51 к.
rазотурбниные устаиовки. .l(OHCTpYK
!1.ИП Н расчет. Справочно\.:' посоrНlе.
32 изд. л. 1 p 9() 1<. А!п.: П. П. А p
с е [f h е Б, Е. Е. Л е в И п, В. [. Т ы-
р ь1 Ш l{ И Н П др.
r р и r о р ь е в Е. А. Статистическая
.... 'дmm Т\Пi'Ка '1Thрш " евых двиrа'rелеt\:.
8 изд. л. 1 р. 30 к.
Д е м и Д о в В. п., А паш е в 1\1.. Д.
Двиrателн С переменной степенью
Сжатия. 12 из;!. л. 70 к.
Использованне моториых топлив Д.1Я
rазовых турбин. 8 изд. д. 50 К. Авт.:
Л. К. 1( и с т ь Я Н ц, М. Е. М ей .ТI H
Х О в, В. А. Ж а р и к О в, В. М. Iv1 и
хаЙловский-
1( 2. У т О в В. И. Двиrате '1Ь внутреи
пеrо cropa нтt как реrулнруемыii
объек'I'. 30 изд. л. 2 р. 1 О к.
Л Я М а е в Б. Ф., н е б о л ь с и н r. П.,
н е .н ю б О в В. А. Стационарные
и переходные процессы в сложных
rидросистемах. li\tlе:тоды расчета на-
эr:Еvl. 16 пз,J.,. Л 1 р. 10 к.
Машиино ориеитироваННbJе методы
расчета комбиннрованиых Двиrате...
лей. 12 1-131.. ,11. 65 К. Авт.:
,
Б. Н. И п а 11 ч t' fl J.: О, 1:). И. К а п
."1 а н, К. 1:). Ц ы р с т (j р о в
и др.
М.1-I хай л о н Е. И.. Рез н п к В. А.,
К Р и н с r-: п й А. А. Комплексные
..
воздухоочиститеЛhные устроиства
Д.'1я эиерrетических устансвок.
12 изд. .1. 80 '\:.
О Р r о В. М. Осиовы КОНСl'руирова
ния и расчета на прочl-tОС'I'Ь r.идро
'I'урбин. Учебное пособие для вузов.
19 ИJД. .,1. 1 р. 03 K
Паровые турбииы и паротурбинные
УС'I'аиовки. 43 l1;jiL. ..'1. 4 р. 66 се ABT.
Н. И. Klfplf.'(,irOB, Н. А Ива
fI () В, Л. и к 11 Р Н .'1 ,'} О в. Н. А. С 0-
р о к н 11.
П О r о д и н С. И. Рабочие процессы
""
транспортных туроопоршнеВbJХ дви
rателей. 20 IIЗД. Л. 1 р. 50 се
П О л 11 П а II о в И. С. Защнта Сliсте
мы охлаждения дизеля от касита
Ционноrо разрушения. 12 нзд. л.
80 lC
Расчет температурных полей УЗЛОВ
Эi lерrетических установок. 14 изд.
д. 88 К. Авт.: И. А. И с а к с е в,
и. [. к 11 С С .'1 е в: о. к. Н и к о .1 ь
С I\: (\ Я, Б. А. С о . ! О В Ь е Н.
е в е Ч к О в И. Н., я р О С .rт а в.
с [( и н А. 1.. Технолоrия компрессо
ростроення. 15 И3Д. л. ] р.
с т е Ф а н о в с I\: 11 Й Б. e Теплообмен
" шнев ы x двнrателях. 1 О ИЗД. .'1.
60 к.
е т О р О Ж У к Я. П. Камеры сrораиия,'
стационарных rазотурбиииых и па .
роrазовых установок. 19 изд. .'1.
1 р. 20 IC
Т У .:'1 Я К О В [. А. Термическая YCTa .
JIOCTb в теплоэнерrетнке. 15 изд. ,11..
1 р. 20 к.
Форсированные дuзели. Доклады на'
. Х' Л1.еЖДУllа РОДИО),f KOHrpecce ПО1
15t