Двигатель Стирлинга

Как можно видеть все развитые страны ударными темпами разрабатывают и внедряют Стирлинги в серийное производство. И не удивительно, при сопоставимой с ДВС мощности Стирлинг-двигатели имеют высокий крутящий момент почти на всех режимах работы, малошумны, «всеядны» в плане топлива и могут работать в любых условиях.

Специалистами NASA (Национального  Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне. В качестве основного источника  энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.

К Стирлингам интерес проявляли и в России. В 1996 году на ОАО “Машиностроительный завод “АРСЕНАЛ”, в рамках договора с ГП ГОКБ “Прожектор” были начаты работы по теме “Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга”. Но, к сожалению, работы в данном направлении были приостановлены из-за отсутствия дальнейшего финансирования проекта.

В настоящее  время в России накоплен достаточный  научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО“Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.

Не менее мощное развитие получили Стирлинг-машины в области  криогенной техники. Поскольку Стирлинги  обратимы, на их базе создано множество  холодильных машин без фреона – газа, используемого в обычных холодильных компрессорах. Данное преимущество позволило уменьшить габариты системы охлаждения и повысить ее производительность. Холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинга, наиболее эффективны в диапазоне криогенных температур (очень низкие температуры), в более высоком диапазоне температур (низкие температуры, используемые в промышленности и в быту) в настоящее время главным образом работают фреоновые парокомпрессионные холодильные машины.

Цикл  Стирлинга

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило, воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения. В двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник. Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.

Цикл Стирлинга  основан на последовательном нагревании и охлаждении газа (его называют рабочим телом) в замкнутом объеме. Рабочее тело нагревается в горячей  части двигателя, расширяется и  производит полезную работу, после  чего перегоняется в холодную часть двигателя, где охлаждается, сжимается и снова подается в горячую часть двигателя. Цикл повторяется. Количество рабочего тела остается неизменным, меняется его температура, давление и объем. Весь цикл условно разделен на четыре такта. Условность заключается в том, что четкое разделение на такты в цикле отсутствует, процессы переходят один в другой. Это обусловлено отсутствием в конструкции двигателей Стирлинга клапанного механизма (Стирлинг-двигатели с клапанным механизмом называются двигателями Эриксона). С одной стороны данный факт резко упрощает конструкцию, с другой стороны вносит сложность в теорию расчета.

Рассмотрим  принцип работы на примере гама-Стирлинга. Этот тип наиболее часто применяют в моделировании. Двигатель состоит из двух цилиндров. Большой цилиндр - теплообменный. Его задача поочередно разогревать и охлаждать рабочее тело. Для этого один торец цилиндра разогревают, другой торец - охлаждают. Большой поршень выполненный из теплоизоляционного материала, свободно перемещается в теплообменном цилиндре (зазор между стенками цилиндра и поршня составляет 1-2 мм) и выполняет роль теплового клапана, перегоняющего рабочее тело то к холодному, то к горячему торцу. Малый цилиндр является рабочим. Поршень плотно подогнан к цилиндру.         

Гамма Стирлинг. Первый такт

Первый такт - такт сжатия при постоянной температуре рабочего тела: поршень теплообменного цилиндра находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем малого цилиндра. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через холодный торец теплообменного цилиндра в окружающую среду.Под условной неподвижностью подразумевают малую высоту перемещения поршня при прохождении коленвалом расстояния вблизи верхней или нижней мертвой точки.   

Гамма Стирлинг. Второй такт

Второй такт – такт нагревания при постоянном объеме: рабочий поршень рабочего цилиндра находится вблизи НМТ и  полностью перемещает холодный сжатый газ в теплообменный цилиндр, поршень которого движется к верхней мертвой точки (ВМТ) и вытесняет газ в горячую полость. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, рабочее тело разогревается давление повышается и достигает максимального значения. Это в теории. На практике прирост давления идет параллельно с выталкиванием рабочего поршня. В результате давление не достигает теоретически рассчитанного максимума. Данный факт также объясняет хороший к.п.д. на малых оборотах двигателя. Рабочее тело прогревается лучше, и прирост давления приближается к максимуму.

Гамма Стирлинг. Третий такт

Третий такт - такт расширения при постоянной температуре  газа: поршень теплообменного цилиндра находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Поршень рабочего цилиндра под действием давления газа движется к верхней мертвой точке. Происходит расширение горячего газа в полости рабочего цилиндра. Полезная работа, совершаемая поршнем рабочего цилиндра , через кривошипно-шатунный механизм передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя при этом падает, а температура газа в горячей полости остается постоянной, так как к нему подводится тепло от источника тепла через горячую стенку цилиндра. В моделях двигателей Стирлинга, где теплообменный цилиндр не имеет качественного нагревателя рабочее тело разогревается не полностью, но поскольку давление в газах распространяется равномерно во все стороны его изменение оказывает действие и на рабочий поршень, заставляя его двигаться и совершать работу.

Гама Стирлинг. Четвертый такт

Четвертый такт - такт охлаждения при неизменном объеме: поршень рабочего цилиндра находится  вблизи ВМТ и остается условно  неподвижным. Поршень теплообменного цилиндра движется к НМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей части в холодную часть цилиндра. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает  падать и достигает минимального значения. В моделях, содержащих рабочее тело при атмосферном давлении четвертый такт также является рабочим, поскольку давление падает резко и возникает кратковременное разряжение. В результате рабочий поршень с усилием втягивается в цилиндр, совершая дополнительную работу. Из четырех тактов два - рабочие!

Плюсы Стирлингов

- КПД двигателя  Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном  уровне проектирования и технологии  изготовления. Кроме того КПД  двигателя почти не зависит  от скорости вращения коленвала.  В двигателях внутреннего сгорания  напротив максимальный КПД достигается в узком диапазоне частот вращения.

- В конструкции  двигателя отсутствует система  высоковольтного зажигания, клапанная  система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и  технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.

- В ДВС сгорание топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.

- Двигатель  не будет "капризничать" из-за  потери искры, засорившегося карбюратора  или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов.  Понятие "двигатель заглох" не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.

-Простота конструкции  позволяет длительно эксплуатировать  Стирлинг в автономном режиме.

- Двигатель  Стирлинга может использовать  любой источник тепловой энергии,  начиная с дров и заканчивая  ядерным топливом!

- Сгорание топлива  происходит вне внутреннего объема  двигателя (в отличие от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).                                                                                           

Минусы Стирлингов

- Поскольку  сгорание топлива происходит  вне двигателя, а отвод тепла  осуществляется через стенки  радиатора (напомним, что Стирлинги  имеют замкнутый объем) габариты  двигателя увеличиваются. 

- Еще один минус - материалоемкость. Для производства компактных и мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокое рабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычная смазка для Стирлингов не годится - коксуется при высокой температуре, по этому необходимы материалы с низким коэффициентом трения.

- Для получения высокой  удельной мощности в качестве  рабочего тела в Стирлингах  используют водород или гелий.  Водород взрывоопасен, при высоких  температурах растворяется в  металлах, образуя металлогидриды - т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий, обладает высокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижных частей двигателя, снижая рабочее давление.

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-машины, имеющие для этой цели клапана называются Стирлинг-машинами Эриксона. Двигатели, не имеющие клапанов и управляющие рабочим телом посредством изменения его температуры и объема можно назвать истинными Стирлингами.

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. Давление в системе увеличивается. Усилие передается на поршень холодного  цилиндра. Он смещается, проворачивая коленвал. 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!

Недостатком Стирлингов Альфа-тип считается "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.

Бета-тип двигателя Стирлинга

Бета-тип Стирлингов решает проблему "мертвого 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. 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 минимален, 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.