Классификация двигателей Стирлинга

Итак, неотъемлемой частью двигателей внешнего сгорания являются две полости с периодически изменяющимися объемами при различных температурных уровнях. Эти полости, как нам уже известно, соединены между собой посредством регенератора и вспомогательных теплообменников. Двигателями Стирлинга принято в настоящее время называть такие двигатели, в которых управление потоком рабочего тела происходит путем изменения объемов.

По принципу действия они могут быть классифицированы как двигатели одностороннего (простого) и двойного действия. В двигателях одностороннего действия две полости (сжатия и расширения), соединяемые теплообменниками, могут находиться в одном или в двух цилиндрах. В одноцилиндровых двигателях предусмотрены два поршня – рабочий и вытеснительный (рис. 2), а в двухцилиндровых – два рабочих или рабочий и вытеснительный. Каждая из рассмотренных компоновок представляет собой самостоятельные модули, из которых могут быть собраны многоцилиндровые двигатели с передачей мощности на общий коленчатый вал или другой механизм.

Рис. 2. Основные схемы двигателей Стирлинга одностороннего действия: а – с рабочим поршнем и вытеснителем в одном цилиндре; б – с рабочим поршнем и вытеснителем в разных цилиндрах; в – двухпоршневые (с двумя рабочими поршнями);1 – рабочий поршень; 2 – вытеснитель; 3 – полость расширения; 4 – полость сжатия; 5 – регенератор; 6 – нагреватель; 7 – холодильник

Рис. 3 Схема работы двигателя двойного действия: 1 – полость расширения; 2 – нагреватель; 3 – регенератор; 4 – холодильник; 5 – полость сжатия; 6 – рабочий цилиндр; 7 – шток; 8 – газовый тракт

Двигатели двойного действия – это многоцилиндровые двигатели, в которых полости расширения каждого цилиндра последовательно соединены через ряд теплообменников с полостью сжатия соседнего цилиндра. В цилиндре предусмотрен один поступательно движущийся элемент – поршень-вытеснитель. Число таких элементов в двигателе равно числу цилиндров. Большим преимуществом двигателей двойного действия по сравнению с двигателями одностороннего действия является сокращение в 2 раза числа поршней. Это упрощает кинематическую схему приводного механизма и снижает стоимость двигателя (рис. 3).

Все существующие конструкции двигателей Стирлинга можно свести к α-, β- и γ-модификациям (рис. 4). Такая классификация двигателей внешнего сгорания достаточно точно позволяет определить типы двигателей без необходимости тщательного изучения деталей конструкции:

Рис. 4. Модификации двигателей Стирлинга: а – α-модификация; б – β-модификация; в – γ-модификация; Н – нагреватель; R – регенератор; С – холодильник.

Двигатели α-модификации – это V-образные двигатели. Рабочая полость распределена между двумя цилиндрами, в одном из которых находится горячая полость, а в другом – холодная. Регенератор располагается между цилиндрами.

Двигатели β-модификации имеют только один цилиндр. Объем горячей полости изменяется с помощью поршня-вытеснителя. Изменение объема холодной полости происходит посредством движения как поршня-вытеснителя, так и рабочего поршня.

В двигателе γ-модификации аналогично двигателю β-модификации имеется рабочий поршень и поршень-вытеснитель. Однако они находятся в отдельных цилиндрах. Холодная полость разделена на два цилиндра, и, следовательно, ее минимальный объем всегда больше нуля.

Стирлинг может работать не только на жидком, но и на любом другом виде топлива – твердом и газообразном. Он может работать и совсем без топлива! Ведь нагреть часть рабочего объема через стенку цилиндра можно любым теплом – теплом, исходящим от ядерного реактора, от солнечных лучей, от расплава каких-либо веществ и т.д. Если же нагревательную головку стирлинга заполнить расплавом вещества, обладающего большой теплотой плавления, стирлинг без всякой дозаправки может работать несколько часов. Подсчитано, например, что 5 литров расплава окиси алюминия эквивалентны 1 литру бензина, а 8 литров расплавленного фтористого лития хватает для работы стирлинга мощностью 3 кВт (электрической) в течение пяти часов. Естественно, современные стирлинги в десятки раз, если не в сотни, меньше, чем двигатели внешнего сгорания, построенные в XIX веке. Применение сжатого водорода или гелия в качестве рабочего тела позволило современным машинам настолько снизить размеры и интенсифицировать теплообмен в нагревателе, что двигатели стали на редкость компактными. Замкнув цикл, современные инженеры вынуждены были позаботиться о том, чтобы искусственно охлаждать рабочее тело. В двигателях Стирлинга появился охладитель, тогда как у прежних двигателей внешнего сгорания порции воздуха забирались прямо из атмосферы. Наличие нагревателя и охладителя, как бы компактны они ни были, увеличивает вес двигателя по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, но зато сообщает им еще одно чрезвычайно важное качество. Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от какого-либо источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе – то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. И тогда-то у стирлинга появляются преимущества перед своими соперниками (ДВС) даже по весу. Информация о двигателях внешнего сгорания будет неполной, если не упомянуть о своего рода «антистирлингах» – двигателях, превращенных в холодильные машины. Еще в 1834 году было замечено: если вращать двигатель внешнего сгорания с помощью паровой машины и не разводить огонь под рабочим цилиндром, температура воздуха в нем понижается. На первый взгляд, в этом нет ничего удивительного. В принципе, у любого теплового двигателя есть свой «антипод» – холодильная машина, работающая по такому же циклу, но в противоположном направлении. Поразительно вот что: если паровую машину, дизель или бензиновый двигатель вращать принудительно, никакого охлаждения не получится. Нужны специально сконструированные холодильные машины, чтобы реализовать обращенные циклы паровой машины, дизеля или бензинового двигателя. Двигатель же внешнего сгорания фантастическим образом совмещает в «едином лице» и тепловую и холодильную машину. В 1945 году инженеры фирмы «Филипс» раскрутили электромотором опытную модель двигателя внешнего сгорания мощностью в 1 лошадиную силу и, к своему удивлению, с поразительной легкостью охладили его головку до минус 190 ° С (83 °К). Однако, к сожалению, такие низкие температуры в то время были не нужны. И только после 1950 года, когда техника низких температур начала выходить из научных лабораторий в промышленность, снова вспомнили о стирлингах. Но об этом мы расскажем в следующем номере журнала. (По материалам, опубликованным в российской и зарубежной печати).

В. П. Бреусов, д.т.н., профессор

Двигатель внешнего сгорания

К классу двигателей внешнего сгорания относятся все двигатели циклического типа, включая паровые машины Дж.Уатта и Стирлинга, в которых рабочее тело приобретает необходимые для работы параметры за пределами цилиндра, в котором осуществляется преобразование внутренней энергии пара или газа в работу. Ниже показана иллюстрация принципа работы двигателя внешнего сгорания, без возврата отработавшего рабочего тела в цикл.

Схема двигателя включает внешнюю камеру сгорания и качающийся цилиндр, подача рабочего тела в который осуществляется аналогично паровой машине. Цилиндр прикрепляется к монтажной плите и может качаться. Рабочее тело через впускное отверстие поступает в цилиндр, толкает поршень, а затем, провернув вал, выходит через выпускное отверстие.