ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

Двигатель Стирлинга – это машина, которая работает по замкнутому термодинамическому циклу. Циклические процессы сжатия и расширения происходят при отличных температурах, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Двигатель характеризуется:

1. отсутствием клапанного механизма;

2. свободным от масла рабочим пространством;

3. высокими значениями среднего давления газа;

4. передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.

Эта формулировка является общей для большого семейства машин Стирлинга, различающихся по своим характеристикам, функциям и конструктивным схемам. Эти двигатели могут быть роторными и поршневыми различной степени сложности.

Машины Стирлинга могут работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки и генераторы давления. Вместе с тем, существуют машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов.

Такие машины более точно могут быть названы двигателями Эриксона по фамилии его изобретателя. Между двумя типами этих машин не делается никакого различия, поэтому название "двигатель Стирлинга" употребляется для всех без исключения регенеративных машин.

Основные термодинамические процессы, протекающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, поглощение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в процессе поглощения тепла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершающих механическую работу на выходном валу при подводе к ним тепловой энергии.

Полезная работа в рабочем цикле Стирлинга совершается за счет сжатия рабочего тела, в качестве которого используется гелий или водород при низкой температуре, и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре В ДВС распыленное топливо соединяется с окислителем, чаще всего это воздух, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания).

А в двигатель Стирлинга энергия поступает и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (Схема 1). Самым значительных отличием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или отверстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.

Изменение количества газа или величины среднего давления позволяет изменять характеристики двигателя Стирлинга. Применяя эти средства регулирования скорости, необходимо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не составляющих с ними одно целое.

При этом клапанный механизм имеет другое назначение и другие характеристики по сравнению с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания У двигателя Стирлинга, работающего по замкнутому циклу имеются как свои преимущества, так и существенные недостатки.

В связи с тем, что рабочее газообразное тело постоянно находится в полости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник. А в двигателях с незамкнутым циклом производится выпуск горячих газов из цилиндров. Это значит, что двигателю Стирлинга, по сравнению с двигателем внутреннего сгорания, требуется более развитая система охлаждения, что и видно из структуры энергетического баланса .

В системах, предназначенных для транспортных средств, где необходимо сэкономить пространство, занимаемое двигателем, необходимость использования радиатора с увеличенным рабочим объёмом является недостатком, в то же время это может стать преимуществом в системах, потребляющих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник больших размеров может увеличить КПД системы.

В конструкции двигателя отсутствуют клапаны в основном корпусе. Работа без периодических взрывов означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно значительно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и тем самым более перспективным для применения в военных целях.

Двигатель Стирлинга нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего сгорания, поскольку любой источник тепла с подходящей температурой (энергия солнца, аккумулированная, тепловая энергия, энергия, выделяющаяся при горении, ядерная энергия и т.п.) может быть использована для этой цели.

Из-за простоты использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки в настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо. В двигателях Стирлинга применяются регенеративные теплообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по которым газ перемещается между горячей и холодной зонами двигательной установки.

Функцией регенератора является попеременное накопление и возвращение части тепловой энергии, полученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пульсирующему газовому потоку должна происходить таким образом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в то же время поддерживать на заданном уровне мощность, снимаемую с вала.

Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого типа - существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на практическое применение Наиболее верным будет определение двигателя Стирлинга как теплового двигателя, работающего по замкнутому регенеративному циклу .

Конструктивной особенностью двигателя Стирлинга является принцип разделения горячей и холодной рабочих полостей и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной полости в другую.

Управлять эти потоком, искусственно поддерживая разность давлений в полостях, нежелательно, поскольку энергия, вырабатываемая двигателем Стирлинга, почти прямо пропорциональна давлению цикла, и, следовательно, падение давления уменьшает величину полезной механической работы, совершаемой двигателем.

Поэтому для создания необходимых газовых потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих полостей. Естественно предположить, что для этой цели требуется система поршень - цилиндр, а не система турбина - сопло.

Особенно подходит такая система для создания возвратно-поступательного движения, хотя можно предположить, что роторный двигатель типа двигателя Ванкеля также пригоден для реализации принципа Стирлинга.

Все двигатели Стирлинга, как уже сконструированные, так и разрабатываемые, основаны на принципе возвратно-поступательного движения. Имеются различные способы осуществления такой формы движения, и именно это помогает классифицировать различные типы двигателей Стирлинга

 

Двигатель Стирлинга