WWW.INFO.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Интернет документы
 


«Алексей Нефедкин [Конструкция двигателя Стирлинга.] Конструкции двигателей Стирлинга В процессе истории развития Стирлинг машин появилось множество конструкций и модификаций двигателей Стирлинга. ...»

2012

МОУ ЛИЦЕЙ №43

Алексей Нефедкин

[Конструкция двигателя Стирлинга.]

Конструкции двигателей Стирлинга

В процессе истории развития Стирлинг машин появилось множество конструкций и модификаций двигателей Стирлинга. Во всех машинах Стирлинга имеются две полости, находящиеся при разных температурных уровнях и соединяющиеся посредством регенератора. Эти узлы можно компоновать в множество различных систем. Единственный критерий, устанавливающий их характерную особенность - управление потоком рабочего тела. Все Стирлинг-машин, имеющие для этой цели клапана называются стирлинг-машинами Эриксона (в рамках данного сайта они не рассматриваются). Двигатели, не имеющие клапанов и управляющие рабочим телом посредством изменения его температуры и объема можно назвать истинными Стирлингами.

Мы кратко пройдемся по упрощенной классификации, рассмотрев альфа-тип, бета-тип и гамма-тип, а также рассмотрим нестандартные типы стирлинг-машин.

Альфа-тип двигателя Стирлинга

Альфа-тип Стирлинга имеет два цилиндра, соединенные между собой через последовательно смонтированные нагреватель, регенератор и охладитель. Либо нагревают и охлаждают сами цилиндры, но это менее эффективный способ. Шатуны поршней закреплены на общем коленчатом вале. Осевой разнос цилиндров - 90 градусов - так обеспечивается смещение фаз.

Рабочее тело нагревается в горячем цилиндре или нагревателе (на схеме он обозначен как цилиндр расширения). Давление в системе увеличивается. Усилие передается на поршень холодного цилиндра (на схеме - поршень сжатия). Он смещается, проворачивая коленвала. Одновременно поршень горячего цилиндра начинает выталкивать рабочее тело в холодный цилиндр через регенератор. Регенератор отбирает часть тепла рабочего тела и при перемещении рабочего тела обратно в горячую полость сообщает ему часть тепловой энергии перед последующим нагревом. За счет этого экономится часть подводимой к двигателю теплоты.

Поэтому регенератор является ключевым агрегатом, повышающим КПД двигателей Стирлинга. Это одна из главных заслуг Роберта Стирлинга. Его первый патент оформлен именно на регенератор, а не на двигатель!

Недостатки стирлингов альфа-типа: В двухцилиндровом альфа-стирлинге полость сжатия разделена на части, находящиеся в вытеснительном и рабочем цилиндрах, включая и соединительный канал. Поршни соединены с разносом фаз 90 градусов, поэтому суммарный объем полости сжатия в двигателе никогда не достигает нулевого значения за цикл. Поскольку объем этих полостей никогда не может быть уменьшен до нуля, полость сжатия, фактически, имеет большой нерабочий объем». Менее существенным недостатком, присущим всем стирлингам является "мертвый объем", образуемый нагревателем, регенератором и холодильником, а также магистралями, соединяющими их с цилиндрами. Определенные сложности вызывает смазка и обеспечение герметичности поршней. В основном данная проблема остро встает при увеличении рабочего давления в двигателе.

Бетта-тип двигателя Стирлинга

Бета-тип Стирлингов решает проблему нерабочего объема за счет иной конструкции. В данном двигателе используется один цилиндр, но с двумя поршнями - дисплейсером и рабочим поршнем, расположенными первый над вторым по оси цилиндра. Шток дисплейсера проходит через крышку рабочего поршня и внутри его штока. Для обеспечения герметичности используются сальники. С одного края к цилиндру подводят тепло, с другой - охлаждают (на схеме зоны нагрева, регенерации и охлаждения вынесены в отдельный агрегат).

Стенки рабочего поршня плотно прилегают к цилиндру. Дисплейсер - напротив - свободно движется в рабочем цилиндре. Дисплейсер выполнен из материала, имеющего низкую теплоемкость и выполняет роль "теплового клапана". Он перемещает рабочее тело из горячей полости цилиндра в холодную и обратно, препятствуя наступлению термодинамического равновесия переноса тепла в системе. Рабочее тело либо нагревается (дисплейсер при этом находится в нижней мертвой точке), либо охлаждается (дисплейсер - в верхней мертвой точке). За счет этого обеспечивается циклический перепад давления в системе, преобразуемый затем рабочим поршнем в полезную работу. "Мертвый объем" в данной конструкции практически такой же, как и в альфа-типе. Нерабочий объем минимизирован за счет размещения вытеснителя и рабочего поршня в одном цилиндре, что позволяет выиграть в мощности на единицу объема двигателя. На практике, в более сложных конструкциях стирлингов бета-типа используют трубчатые нагреватели, вваренные в торец горячей полости цилиндра. Это единственный конструктивный элемент, образующий незначительный "мертвый объем", но такие модификации относительно сложны в изготовлении. Сложность изготовления и обеспечения смазки и герметичности в сальниках бета-стирлингов - основной их недостаток. В остальном - идеальная компоновка при минимальных габаритах. Все разработанные прототипы стирлингов для автотранспорта спроектированы, как бета-стирлинги.

Гамма-тип двигателя Стирлинга

Гамма-стирлинги - компромисс между альфа - и бета - модификациями. В конструкции присутствуют два цилиндра, как в "альфе" и применяется дисплейсер - как в "бете". Один цилиндр является чисто теплообменным, другой чисто рабочим. К одному торцу теплообменного цилиндра подводят тепло, другой - охлаждают. Стенки цилиндра изготавливают из материала с низкой теплопроводностью, торцы - наоборот - с высокой. Внутри цилиндра размещен дисплейсер, шток которого через сальник крепится к коленчатому валу. Разность фаз движения также - 90 градусов. Таким образом, образуются холодная и горячая полость, разделенная "тепловым клапаном". Теплообменный цилиндр соединен с рабочим через регенератор.

К недостатку данной модификации можно причислить все тот же нерабочий объем, как и у двухцилиндровой "альфы" и относительно большие габариты, хотя для стационарных стирлингов это не существенно. Главная популярность конструкции заключается в простоте изготовления. Гамма-Стирлинг может изготовить любой желающий даже в кустарных условиях (изготовление подробно описано в разделе "МОДЕЛИ") и множестве возможных компоновок двигателя.

При всей сложности и "эксклюзивности" в основе конструкции большинства стирлинг-машин заложен один из вышеперечисленных типов. Ниже кратко рассматриваются альтернативные конструкции, не редко используемые при изготовлении многочисленных моделей.

Свободнопоршневые двигатели Стирлинга

Классические свободнопоршневые двигатели Стирлинга, получили свое название по имени их изобретателя - профессора Била из университета штата Огайо (двигатели Била). По своей кинематической схеме этот тип является бета-типом Стирлингов с одним отличием: в конструкции этих Стирлингов отсутствует коленчатый вал. Однако есть модификации, исполненные по альфа-типу (двигатель Рингбома - на фото).

Рабочий поршень дает только возвратно-поступательное движение. Перемещение рабочего поршня и дисплейсера организовано за счет сил инерции, резонанса и использования циклического перепада давления, возникающего при работе двигателя. Более подробно принцип действия двигателя Била описан здесь

Но имеется и вариант гибрида, где рабочий поршень присоединен к коленчатому валу, а дисплейсер не имеет с валом механического контакта. Движение дисплейсера также организовано за счет циклического перепада давления в двигателе. Такие двигатели имеют конструкцию гамма-типа. Дисплейсер в таком двигателе максимально облегчено. Шток дисплейсера в теплообменном цилиндре имеет увеличенное, по сравнению с обычными гамма-стирлингами, сечение и исполняет роль минипоршня. который при изменении давления двигает сам дисплейсер. Поскольку давление, оказываемое нагретым газом на рабочий поршень и шток-миницилиндр дисплейсера одинаково, а вес и сопротивление дисплейсера гораздо ниже, чем у рабочего поршня - дисплейсер реагирует на перепады давления быстрее. За счет этого образуется устойчивый сдвиг фаз движения поршня и дисплейсера, необходимый для работы любого стирлинг-двигателя.

Преимуществом свободнопоршневых стирлингов является полная герметичность конструкции. Специалисты NASA занимаются разработкой энергетических модулей для спутников на основе свободнопоршневых двигателей. Для вырабатывания электроэнергии применяют линейный генератор, размещенный внутри корпуса двигателя. Такие стирлинги не требуют обслуживания и могут работать в любой среде, в том числе и в вакууме.

Роторные двигатели Стирлинга

Роторные Стирлинги можно отнести к гамма-типу. Однако вместо классической схемы теплообменного цилиндра, где дисплейсер совершает возвратно-поступательные движения, функцию "теплового клапана" выполняет нессиметричный ротор. Вращаясь по оси он поочередно перекрывает горячую и холодную зоны, вызывая нагрев и охлаждение рабочего тела. Роторные Стирлинги отличаются более компактными размерами и могут быть выполнены полностью герметичными. Для этого в корпусе двигателя размещают генератор, или выводят механический привод через магнитную муфту.

Недостатком двигателя является сложность в обеспечении нагрева и охлаждения теплообменного цилиндра, поскольку в отличие от стандартного гамма-стирлинга нагревать и охлаждать приходится не торцы цилиндра боковые стенки. Вследствие этого теплопотери могут увеличиваться.

Есть стирлинги, спроектированные по классической схеме роторного двигателя внутреннего сгорания, но в моделировании такая схема не используется из-за высокой конструкционной сложности исполнения.

Двигатель Стирлинга замедленного нагрева

Данная конструкция стирлингов пожалуй самая "загадочная" из имеющихся. Ее "с натягом" можно причислить к бета-типу стирлингов. В основе работы двигателя заложен термоакустический эффект. Суть эффекта, на первый взгляд, проста. При неравномерном нагреве полой, запаянной с одного конца трубки, изготовленной из материала с низкой теплопроводностью в полости трубки возникают автоколебания воздуха. При определенной доработке трубка начинает издавать звук. Подробнее о термоакустическом эффекте читайте в разделе "ТЕОРИЯ"

Конструкторы решили использовать этот эффект для создания двигателя, поэтому данные двигатели имею второе название - термоакустические. Поскольку термоакустические двигатели получают внешний подвод тепла к системе и замкнутый объем с рабочим телом, их причисляют к стирлингам.

Работает двигатель за счет образования стоячей волны внутри рабочего цилиндра. Изменения давления смещены во времени относительно возвратно-поступательного движения поршня. Данное несовпадение по времени в колебаниях давления и поршня заменяют второй цилиндр. За счет этого поддерживается автоколебание в системе. Конструктивно двигатель очень прост, но его расчет весьма сложен. При изготовлении моделей длину рабочего цилиндра, размер регенератора и прочие тонкости находят, в основном, экспериментально.

В заключении отметим, что это далеко не полный и весьма поверхностный обзор стирлинг-машин. Главная задача - дать представление о конструкции основных типов стирлингов. Максимально полная на сегодняшний день классификация, описание физических принципов действия и упрощенных методов расчета представлена в книге Г. Уокера "Машины, работающие по циклу Стирлинга" перевод с английского М.: Энергия 1978 г.

Похожие работы:

«ПЛАН УРОКА Тема урока: Россия в эпоху петровских преобразований. Цели урока Обучающая: познакомить обучающихся с началом правления Петра I, охарактеризовать первые годы его правления, сформировать предст...»

«Прессдосье для брифинга http://uefexpo.ru/?id=78002Итоги 82-го Конгресса Всемирной ассоциации выставочной индустрии, UFI (4-7 ноября 2015 г., Милан). Первый российский президент UFI! Сразу после завершения Всемирной выставки Экспо-2015 более 480 делегатов из 53 ст...»

«HYPERLINK http://kultrabotnik.ru/archives/409Внеклассное мероприятие "Мир кино" Задачи: знакомство с историей возникновения советского кино, со спецификой и жанрами киноискусства; развитие зрительской активности, художественного вкуса; формирование навыков киновосприятия и стремления к самовоспитанию Музыкальная заставка. Ученик...»

«Зачёт по всеобщей истории в 5 классе I вариант Часть А1. Орудие труда, при помощи которого первобытные люди ловили рыбу?А) гарпун Б) лук В) рубило2. Египетский фараон, которому была поставлена самая большая пирамида?А) Эхнатон Б)...»

«Программа конференции "Великая Российская революция 1917 г.: трудные вопросы истории", посвященной 100-летию Великой Российской революции24 октября 2017 г. Место проведения: ГАУ ДПО ЯО ИРО Регистрация участников Время: 9.00 – 9.30 Мультимедийная выставка "Ярославль в 1917 г. От февраля к октябрю"...»

«1. Биотехнология растительных тканей1. История развития биотехнологии. Основные этапы культуры клеток и тканей. Человек использовал биотехнологию на протяжении многих тысяч лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, придумали способы...»

«Теоретические предпосылки возникновения национальных игр на территории Хакасско Минусинской котловины По данным археологических исследований Бутанаева В.Я, Кызласова Л.Р. доказано, что ранние предки человека поселились на просторах...»

«Пинъяо //Pngyo — уезд в городском округе Цзиньчжун провинции Шаньси, в 80 километрах к югу от административного центра провинции — города Тайюань. Из Пекина за 2 дня уже не было билетов в Soft sleeper, купили hard sleeper места были в одном вагоне, но в разных купе. Так что покупайте билеты на поезд как можно рань...»








 
2018 www.info.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - интернет документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 2-3 рабочих дней удалим его.