5.5. Схема и цикл работы машин Стирлинга и Эриксона [1].

Одной из главых причин использования водяного пара как рабочего тела расширительных машин была доступность воды. И только значительно позже появились проекты использования еще более доступного рабочего тела – воздуха. По сравнению с водой воздух необходимо было вначале сжать, подвести к нему теплоту для нагревания и только после этого можно было получить от воздуха работу. Сейчас этот аргумент выглядит забавно, но в восемнадцатом и начале девятнадцатого века это было достаточно сложной задачей.

Первый патент на двигатель, использующий нагретый воздух в качестве рабочего тела получил в 1816 году в Англии священник Роберт Стирлинг (работавший министром по делам церкви Шотландии).

Двигатель Стирлинга почти не известен и существуют только его прототипы. Он представлял собой расширительную машину, в цилиндре которой рабочее тело (воздух) перед сжатием охлаждалось, а перед расширением нагревалось.

Схема и принцип действия двигателя Стирлинга приведена на рис.5.21.

Рис. 5.21. Схема и принцип работы двигателя Стирлинга.

В верхней части цилиндра имеется водяная охлаждающая рубашка, а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень, уплотненный поршневыи кольцами и соединенный с коленчатым валом (на рис.5.21 не показан).

Между дном цилиндра и рабочим поршнем расположен поршень-вытеснитель, двигающийся в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух поршнем - вытеснителем перегоняется или к нагреваемому днищу цилиндра или к к рабочему поршню.Поршень-вытеснитель приводится в движение штоком, проходящим через уплотнение в рабочем поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом,который вращается с углом отставания около 90⁰ по отношению к приводу рабочего поршня.

В положении а рабочий поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ), и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и поршнем-вытеснителем. В следующей фазе б поршень-вытеснитель движется вверх, а рабочий поршень остается в НМТ. Воздух между рабочим поршнем и поршнем-вытеснителем выталкивается в зазор между ним и цилиндром ко дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра.

Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня (рабочий и поршень-вытеснитель) вверх к верхней мертвой точке (ВМТ). После совершения рабочего хода поршень-вытеснитель возвращается в нижнее положение ко дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под рабочим поршнем. Воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Так как работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа:

(Работа расширения газа) – (Работа сжатия газа) = Полезная работа

Акумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.

В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низкий КПД, т.к. теплоту, содержащуюся в воздухе, после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода порщня не успевал охлаждаться в достаточной степени, поэтому приходилось увеличивать время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя была небольшой. Отведенная теплота терялась полностью.

Двигатель Стирлинга представляет интерес по нескольким причинам:

- в нем осуществлен замкнутый цикл рабочего тела;

- в качестве источника тепла может быть использовано любое горючее;

- теоретически цикл Стирлинга может быть достаточно высоким.

Но в свое время эта идея двигателя не была понята, а после внедрения двигателей внутреннего сгорания, а позже газотурбинных двигателей о нем просто забыли. Трудности во время жизни имелись из-за отсутствия необходимых материалов, способных выдерживать рабочие нагрузки в деталях двигателя.

В 30-х годах двадцатого века голландская фирма «Филипс» начала исследования в области создания двигателей небольшой мощности. Двигатели предполагалось использовать как источники электропитания радиоаппаратуры. Инженеры этой фирмы реализовали проект двигателя по циклу Стирлинга мощностью 200 Вт. В 1948 году была изготвлена партия двигателей в несколько сот штук. Были продолжены работы по совершенствованию, как конструкции, так и цикла работы двигателя.

На рис.5.22 приведен вид современного двигателя, работающего по циклу Стирлинга.

Рис. 5.22. Конструктивная схема современного двигателя

Стирлинга с ромбическим кривошипо-шатунным механизмом.

Прежде всего, был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю часть под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору был включен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в оьратном направлении аккумулятор вновь отдает теплоту воздуху. Радиатор, размещенный за регенератором , отводит только часть теплоты отработавших газов, остальная часть сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Такое изменение компоновки двигателя обеспечивает не только повышение термического КПД двигателя, но и повышает частоту вращения, что обеспечивает возможность делать двигатель более компактным.

Поршень 2 (рис.5.22) является рабочим. Он передает давление (усилие) воздуха на кривошипо-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю часть. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8.

В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается вначале в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть остаточной энергии, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже.В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.

Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому двигатель работает без выпуска (выхлопа). Для подогрева воздуха можно использовать любой источник тепловой энергии. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого содержания вредных веществ. Таким образом, двигатель Стирлинга является двигателем с внешним подводом тепла.

Преимущество двигателя Стирлинга в том, что он может использовать различные источники теплоты и работать автономно. Это обеспечивает возможность применять его в космосе и в подводных лодках.

Согласование движение обоих поршней обеспечивается ромбическим механизмом привода. Для каждого из поршней имеются свои коленчатые валы, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Шток вытеснителя 1 движется внутри пустотелого штока 2. Каждый из штоков соединен со своим коленвалом.

Противоположное вращение коленвалов позволяет разместить на них противовесы, обеспечивающие уравновешивание сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательного движения масс поршней.

Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковых сил. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с высоким КПД необходимо высокое давление рабочего тела.

Рис.5.23. Цикл Стирлинга.

Еще одной моделью воздушного двигателя с внешним подводом тепла оказался двигатель шведского инженера Д. Эриксона, появившийся в 1852 году. Тогда из Америки в Англию прибыло судно с четырьмя двигателями Эриксона. Схема такого двигателя приведена на рисунке 5.24

Рабочий цилиндр двигателя устанавливался вертикально, а под ним располагалась топка. Компрессорный цилиндр располагался сверху над рабочим. Рабочий цилиндр через выхлопное окно соединялся с теплообменником, а теплообменник имел два поочередно перекрываемых патрубка: первый –для сообщения с нагнетательным клапаном компрессорного цилиндра, второй - для сообщения с атмосферой. В топке разводили огонь, воздух в рабочем цилиндре нагревался и поднимал рабочий поршень. При своем преремещении этот поршень передавал усилие на механизм отбра мощности и одновременно перемещал поршень компрессора, сжимая находящийся в компрессорном цилиндре воздух. Затем открывалось выхлопное окно, и трабтавший горячий воздух из рабочего цилиндра выпускался в атмосферу через теплообменник..

Рис.5.24. Конструктивная схема двигателя Эриксона.

Теплообменник был заполне медной сеткой, и выходящий воздух нагревал эту сетку, отдавая ей тепло, не использованное в рабочем цилиндре. Затем в рабочий цилиндр через теплообменник начинал поступать сжатый воздух из компрессорного цилиндра. Проходя через ячейки сетки теплообменника, воздух нагревался апасенным в нем теплом. Происходил процесс регенерации потерянного тепла. После того как рабочий цилиндр заполнялся, механизм отбора мощности опускал поршень, сжимая заряд. Цикл повторялся.

В описании своего двигателя Д. Эриксон предусматривал возможность работы по замкнутому циклу (без удаления рабочего тела за пределеы двигателя). Вследствие возврата части тепла двигатель Эриксона должен был быть очень экономичным. Но реальное исполнение показало, что он уступал по экономичности паровым машинам. Поэтому широкого применения он не нашел.