Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

Роторно-эпитрохоидальный механизм. В качестве механизма передачи движения в двигателе Стирлинга можно использовать роторно-эпитрохоидальный механизм Ванкеля.

Принципиальная схема этого  механизма показана на рис. 13.

Два ротора 1, совершающих планетарное  движение в корпусе 5, установлены на эксцентриковом валу 3. Выходные патрубки 7 соединены последовательно через нагреватель 11, регенератор 10 и холодильник 9 таким образом, что двигатель может работать по циклу двигателя Стирлинга двойного действия.

В приведенной двухроторной схеме  осуществляются два полных цикла за один оборот эксцентрикового вала. Применение роторно-эпитрохоидального механизма позволяет значительно снизить массу и объем двигателя Стирлинга по сравнению

Рис. 14. Схема двигателя с бесшатунным  силовым механизмом.

/ — поршень; 2 —шток; 3 — ползун; 4 — направляющая ползуна; 5 — нагреватель; 6 — регенератор; 7 — холодильник; 8 — уплотнение; 9 —коленчатый вал; 10 — шарнир; 11 — вал отбора мощности.

 

с конструкциями, где в качестве привода использован криво- шипно-шатунный механизм. Конструкция уплотнений двигателя  Стирлинга с роторно-эпитрохоидальным механизмом аналогична конструкции  уплотнений двигателя внутреннего сгорания Ван- келя. Однако материалом для радиальных и торцевых пластин служит тефлон, который работает без смазки. Двигатели Стирлинга роторного типа разрабатываются в лаборатории Университета Калгари (США), а также фирмой Даймлер-Бенц (ФРГ) [23].

Бесшатунный силовой механизм. Одним из возможных вариантов силовой передачи в двигателе Стирлинга является бесшатунный механизм, предложенный советским ученым и изобретателем С. С. Баландиным [1, 2]. Он имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с крйвошипно-шатунным механизмом. Отсутствие шатунов и прямолинейное движение поршневых штоков позволяют сократить размеры картера и максимально приблизить рабочие цилиндры к валу, благодаря чему значительно уменьшается поперечный габарит двигателя. Положительной особенностью бесшатунного механизма является то, что он позволяет конструктивно просто осуществить двусторонний рабочий процесс в цилиндрах.

Принципиальная схема двигателя  Стирлинга с бесшатунным силовым  механизмом Х-образной компоновки показана на рис. 14. Поршни 1 каждой пары цилиндров соосно по обе стороны картера соединены общим штоком 2. В средней части штоков имеются ползуны 3, скользящие по направляющим 4, расположенным в картере. Ползуны связаны с шейками коленчатого вала 9, который, в свою очередь, с помощью шарниров 10 соединен с кривошипами вала отбора мощности 11. Направляющие 4 и коленчатый вал 9 обеспечивают прямолинейное возвратно-поступательное движение штоков и связанных с ними поршней строго по взаимно перпендикулярным осям соответствующих цилиндров. Поршни и цилиндры при этом полностью освобождены от боковых сил при работе двигателя.

Полости расширения и полости сжатия рабочих цилиндров последовательно  соединены с помощью газовых  каналов через нагреватели 5, регенераторы 6 и холодильники 7. Уплотнение рабочих полостей осуществляется по схеме с чулочным уплотнением.

§7

Уплотнение рабочего контура

Одной из важнейших задач, стоящих  перед конструкторами двигателей внешнего сгорания, является решение проблемы создания надежного уплотнения рабочего контура с большим ресурсом работы. Наибольшее распространение получила конструкция уплотнения с выворачивающимся чулком (roll sock), разработанная фирмой Филипс в 1960 г. Принципиальная схема чулочного уплотнения и его основные элементы приведены на рис. 15. Конструкция обеспечивает герметичное, достаточно надежное уплотнение между полостью высокого давления 1 и картером 11 при движении штоков вытеснителя и рабочего поршня (на принципиальной схеме показан один шток 2). Уплотняющий элемент, представляющий собой тонкую фасонно- кольцевую оболочку из синтетического материала (обычно из специальных сортов полиуретана), неподвижно закреплен манжетами на штоке и верхней части картера двигателя. Синтетическая оболочка (чулок) 3 опирается на масляную подушку 6. Во время работы уплотнения размеры синтетической оболочки должны оставаться постоянными. Объем масла в масляной подушке в течение хода также не должен изменяться. Эти условия обеспечиваются при соблюдении соотношения

df—dl = dl—dl, 

где di — максимальный диаметр масляной полости; cf₂ — минимальный диаметр масляной полости; d₃ — максимальный диаметр штока, или

di + di

Вследствие равенства (или малого перепада) давления газа в рабочей  полости и давления масла в  подушке оболочка испытывает сравнительно малые механические нагрузки. С целью удаления газа, диффундирующего через чулок в масляную подушку, масло непрерывно обновляется. Подача масла на каждый шток осуществляется насосным кольцом 7 с помощью пружинного кольца 9 или специальным маслоподаю- щим насосом. Перепускной (регулирующий) клапан 4 одновременно отводит то же количество масла по каналу 8 в картер, поддерживая таким образом заданное давление в масляной подушке. Перепад давления между полостью высокого давления газа и масляной подушкой в известных конструкциях двигателей Стирлинга составляет до 5 кгс/см². Перепускной клапан выполняет также дополнительную функцию: при остановленном двигателе верхняя запорная игла 5 поднимается и гелий поступает под оболочку. Таким образом исключается повреждение оболочки из-за падения давления в масляной подушке.

i2

■d₃.

Рис. 15. Принципиальная схема чулочного уплотнения.

/ — полость высокого давления; 2 — шток; 3 — уплотнение; 4 — регулирующий клапан; 5—.запорная игла; 6 — масляная подушка; 7 — насосное кольцо; 8 — канал стока масла; 9 — пружинное кольцо; 10 — смазка разбрызгиванием; // — картер.

Ресурс разработанных к настоящему времени оболочек из синтетических  материалов приближается к ресурсу  всего двигателя. Например, чулочные уплотнения, установленные на двигателе типа 4-235, обеспечивают ресурс 10 000 ч до первой переборки. Имеются сведения об образцах из специальной резины, способных работать при температуре 100° С более 30 000 ч. На лабораторных образцах двигателей фирмы МАН/МВМ моделей 1-400 и 4-400 наблюдались случаи выхода из строя уплотнений из-за нарушения расчетного перепада давлений между рабочей полостью и масляной подушкой, вызванного отказом регулирую 
щего клапана, а также насыщением масла газом. Естественно, что попадание стружки или других механических примесей в масло также вызывает быстрый износ уплотнения. Поэтому систему уплотнения нельзя признать окончательно отработанной. Она продолжает оставаться одной из проблем, решение которой поможет обеспечить реализацию серийного выпуска надежных двигателей внешнего сгорания с большим ресурсом.

§8

Нагреватель

Рис. 16. Эволюция конструкции нагревателя  двигателей фирмы Филипс Глоеилампен  фабрикен.

ботающих на углеводородном топливе, теплообмен происходит между газообразными продуктами сгорания и рабочим газом через стенки трубчатых каналов. Разница давлений газов дости-

В нагревателе теплота горячего источника передается рабочему газу (гелию или водороду), имеющему высокие теплофизи- ческие свойства. В выполненных конструкциях двигателей, ра- 
гает 100—180 кгс/см², температура стенок трубок нагревателя зависит от расчетного режима и принятых материалов и, как правило, составляет 700—800° С. Повышение температурного уровня на 1° при работе ДВПТ на гелии, согласно данным зарубежных исследований, дает увеличение к. п. д. на 0,03—0,04 %, а при работе на водороде — на 0,01% [30], поэтому разработчики применяют для нагревателя наиболее жаропрочные стали. Од-

Рис. 17. Цилиндр в сборе с теплообменником двигателя фирмы МАН.

1. — U-образный переходник;
2. — трубка нагревателя; 3— оребрение; 4 — головка цилиндра; 5 — канал нагревателя; 6 — кольцо; 7 — втулка цилиндра; 8 — корпус; 9— рубашка охлаждения: 10 — канал охлаждения; 11 — водяная полость холодильника; 12 — трубки холодильника; 13 — корпус холодильника; 14 — набивка регенератора; 15 — корпус регенератора.

нако задача выбора жаропрочного материала  решается конструкторами с учетом технологии обработки, предельных нагрузок, а следовательно, надежности и стоимости конструкции.

В ДВПТ первого поколения наибольшее распространение получила конструкция  нагревательной головки, разработанная  фирмой Филипс. Эволюция этой конструкции  показана на рис. 16. Трубки нагревателя  смонтированы вокруг каждого цилиндра, образуя в целом цилиндрическую поверхность, причем, как правило, в целях увеличения поверхности нагрева трубки запаивают с петлевым изгибом. Технология сборки такой нагревательной головки достаточно сложна и трудоемка.

Более технологичной является конструкция так называемого плоского нагревателя, разработанная исследовательской груп 
пой МАН/МВМ (ФРГ). Элемент конструкции, показанной на рис. 17, состоит из четырех трубок (одна из них имеет оребре- ние) и U-образного переходника. Из таких элементов, примыкающих один к другому фрезерованными сторонами оребрения, набираются батареи нагревателей. Соединения трубок через переходник, а также соединения элементов в батареи выполнены на резьбе. Между элементами при сборке оставляют щели для прохода потока газа-теплоносителя (продуктов сгорания). К недостаткам такого нагревателя следует отнести несколько большую массу по сравнению со сварными или паяными нагревателями.

Наиболее эффективная с точки  зрения теплового к. п. д. и массогабаритных  показателей конструкция нагревательной головки (рис. 18) разработана фирмой Юнайтед Стерлинг для

ДВПТ модели V4X [17]. Для передачи теплоты из камеры сгорания к рабочему телу двигателя использованы тепловые трубы. Головка нагревателя выполнена единой для всех четырех цилиндров двигателя. Коллекторы I, отводящие рабочий газ из блока регенератора-холодильника, и коллекторы 2, подводящие по каналам 3 нагретый рабочий газ в цилиндры двигателя, размещены вертикально, параллельно друг другу, и образуют пары, которые соединены батареями тепловых труб 4 таким образом, что двигатель работает по циклу Стирлинга двойного действия. Тепловые трубы расположены по образующим всех коллекторов. Для каждой пары коллекторов они изогнуты по дуге окружности так, что в целом пары коллекторов всех цилиндров, соединенные тепловыми трубами, образуют цилиндрическую полость, причем сами тепловые трубы находятся внутри, а коллекторы снаружи цилиндра. Эта цилиндрическая полость одновременно является стенкой камеры сгорания. Рабочее тело циркулирует через коллекторы тепловых труб, причем работа капиллярных сил в тепловых трубах значительно улучшает транспортировку гелия и, как следствие, повышает эффективность нагревателя в целом. Форсунка размещена в центре камеры сгорания.

Рис. 18. Принципиальная схема нагревательной головки двигателя V4X.

Используемый в данной конструкции  принцип движения теплоносителя (рабочего тела) в тепловых трубах обеспечивает практически изотермические условия процесса подвода теплоты в цикле двигателя. Это способствует увеличению к. п. д. Способность тепловых труб выравнивать температурное поле сни 
жает вероятность прогорания элементов нагревателя, т. е. увеличивает ресурс и надежность.

Головка нагревателя испытывает высокие  тепловые напряжения и является одним из элементов, лимитирующих ресурс двигателя. Рабочей группой фирм МАН/МВМ выполнены расчеты температурного поля нагревателя (рис. 19). С учетом температурных напряжений и перепада давлений на стенках трубки было рассчитано напряжение и определен срок службы трубок из условия ползучести. Применяемые в опытных образцах дви-

Ресурс, v

ползучести) трубок нагревателя двигателя МАН/МВМ. / — нержавеющая сталь (18% Сг, 8% Ni); 2 — мультимет (20% СО, 20% Сг, 20% N1).

 

гателей трубки из нержавеющей стали (18% Сг, 8%Ni) имели небольшой ресурс (около 100 ч); эксперимент подтвердил результаты расчетов. Применение мультимета (20% Со, 20% Сг, 20% Ni) должно обеспечить ресурс нагревателя около 10 000 ч при максимальной температуре стенки трубки около 850° С.

§9

Регенератор

Регенератор является одним из основных элементов двигателя, определяющим возможность его экономичной работы. На установившемся режиме работы около 60—75% теплоты рабочего цикла подводится в изохорном процессе и, следовательно, только около 25—40% в изотермическом процессе.

Регенерация теплоты, участвующей  в изохорных процессах, обеспечивает высокую экономичность работы двигателя. 

Термодинамический анализ цикла показывает, Что при 100 % - ной регенерации теплоты  к. п. д. идеального двигателя Стирлинга равен к. п. д. цикла Карно. Степень регенерации современных регенераторов ДВПТ достигает 95%. Известные конструкции регенераторов состоят из корпуса с набивкой, имеющей достаточно большую теплоемкость. В числе требований, предъявляемых к материалу набивки, выдвигается требование обеспечения малых гидравлических сопротивлений и возможно меньшей тепловой инерции.

В качестве материала набивки широко используется так называемая «путанка» из медной проволоки малого диаметра (0,03—0,015 мм). Толщину проволоки и ее массу выбирают с учетом количества теплоты, участвующей в изохорных процессах, и времени перетекания газа между горячим и холодным пространством двигателя.