Схема стирлинга. Что такое двигатель стирлинга и какое отношение он имеет к автономной энергетике

Перечислим основные особенности работы двигателя:

1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование теп­ловой энергии в механическую посредством сжатия постоянно­го количества рабочего тела при низкой температуре и после­дующего (после периода нагрева) его расширения при высо­кой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень со­вершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабаты­вает полезную механическую энергию.

2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

3. Необходимое изменение температуры рабочего тела обес­печивается наличием разделенных холодной и горячей полос­тей, по соединительным каналам между которыми под дей­ствием поршней перемещается рабочее тело.

4. Изменения объема в этих двух полостях должны не сов­падать по фазе, а получающиеся в результате циклические из­менения суммарного объема в свою очередь не должны совпа­дать по фазе с циклическим изменением давления. Это - усло­вие получения механической энергии на валу двигателя.

Таким образом, принцип Стирлинга - это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном простран­стве рабочего тела. Чтобы наглядно представить, как этот про­стой принцип реализуется на практике, рассмотрим сначала элементарную систему поршень - цилиндр, в которой рабочее тело изолировано от внешней среды жестким поршнем, меха­нически соединенным с кривошипом (рис. 1.4).

По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабо­чего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться впра­во под действием расширяющегося рабочего тела (рис. 1.5).

При расширении рабочего тела давление в цилиндре па­дает. Для компенсации охлаждения рабочего тела при его рас­ширении подвод тепла продолжается, благодаря чему процесс

Протекает при постоянной температуре. Когда поршень дости­гает своего крайнего правого положения (нижней мертвой точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение головки цилиндра с помощью какого-либо внешнего источника (рис. 1.6).

В процессе охлаждения давление продолжает падать. Затем поршень начинает перемещаться влево, сжимая газ. Процесс

Рис. 1.8. Завершение рабочего цикла.

Охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать на­грев при сжатии, так что и сжатие протекает при постоянной температуре (рис. 1.7).

Когда поршень достигает своего крайнего левого положения (верхней мертвой точки) охлаждающее устройство заменяется источником тепла (рис. 1.8).

Эту последовательность можно изобразить на диаграммах термодинамического состояния (рис. 1.9).

Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охла­ждением, двигатель совершает полезную работу Однако такой метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен, так как теплоемкость материалов, из которых изготавливается го­ловка цилиндра, слишком велика для реализации требуемых
быстрых изменений температуры. Тем не менее основная кон­цепция попеременного нагрева и охлаждения изолированного рабочего тела при различных давлениях для получения меха­нической работы изложена здесь вполне точно.

Объем А

Возникает проблема воплощения этой концепции на практи­ке. Очевидным решением было бы поддерживать на одном тор­це цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом - постоянную низкую. Однако в этом случае невозможно было бы использовать систему поршень - цилиндр, упомянутую при описании рабочего цикла, поскольку рабочее те­ло одновременно и получало, и отдава­ло бы тепло в сменяющих друг друга фазах процесса. Роберт Стерлинг пре­одолел эту трудность, введя вытеснн­тельный поршень, или вытеснитель, расположенный последовательно с пер­воначальным поршнем, получившим

Теперь название «рабочий поршень». Вытесннтельный поршень предназначен для перемещения рабочего тела между локально расположенными горячей и холодной полостями (рис. 1.10).

Вытесннтельный поршень свободно размещен в цилиндре, так что рабочее тело может обтекать его со всех сторон, как показано на рис. 1.11, где действие вытеснительного поршня иллюстрируется безотносительно к рабочему поршню.

При движении вытеснителя вверх, к горячему концу ци­линдра, нагретое рабочее тело поступает в холодную полость через кольцевой зазор у боковых стенок вытеснительного
поршня. При этом давление рабочего тела вследствие охлажде­ния понижается. В цилиндре отсутствуют клапаны, поэтому, если не принимать во внимание небольшого, практически пре - небрежимого падения давления в кольцевом зазоре вокруг вы - теснительного поршня, давление во всех зонах цилиндра будет одинаковым. При движении к нижней мертвой точке вытесни - тельный поршень заставляет рабочее тело перемещаться через холодную полость и кольцевой зазор вокруг боковой поверхно­сти поршня в горячую полость для подогрева. Поскольку при

Движении вытеснительного поршня давление у обоих его тор - цев всегда одинаково, на это движение работа не затрачива­ется.

Движение вытеснительного и рабочего поршней не совпа­дает по фазе. Объяснение этого с позиций термодинамики бу­дет дано ниже. Однако уже сейчас нетрудно понять, что если все рабочее тело в какой-то фазе цикла должно быть в горя­чей полости, а в другой фазе цикла - в холодной, то оба порш­ня не могут находиться в одной фазе. Чтобы получить такое не совпадающее по фазе движение поршней, необходим. меха­низм привода, отличный от общепринятого. Пример механизма, использованного самим Стирлингом, показан на рис. 1.12.

Необходим еще один элемент, чтобы получить двигатель Стирлинга в том виде, в каком он известен сейчас. Это реге­нератор, или «экономайзер», как его первоначально назвал Стирлинг. Когда вытеснительный поршень перемещает расши­ряющееся рабочее тело в холодную полость (рис. 1.11), оно должно пройти через горячую полость где из-за продолжаю­
щегося нагрева получает избыточное тепло, которое необходи­мо отвести в холодильник. После того как рабочее тело сжато, оно перемещается в горячую полость через холодную, дополни­тельно охлаждаясь. Следовательно, рабочее тело поступает в горячую полость более холодным, чем требуется, а в холод­ную - более горячим.

Если в кольцевом зазоре вокруг вытеснительного поршня, по которому перетекает рабочее тело, установить сетку из стальной проволоки, то рабочее тело, проходя через этот зазор из горячей полости в холодную, будет иметь бо­лее высокую температуру, чем сетка, и, следовательно, будет отдавать теп­ло этой сетке. В этом случае сетка действует как предварительный холо­дильник, снижая термическую нагруз­ку основного холодильника. После процесса сжатия рабочее тело будет перетекать в горячую полость, нагре­ваясь при прохождении через сетку, т. е. будет вновь получать тепло, ра­нее отданное сетке. Теперь регенера­тор действует как предварительный нагреватель, уменьшая требуемое ко­личество подводимой энергии. Описанная система в целом по­казана на рис. 1.13.

Хотя схема, показанная на рис. 1.13, находит практическое применение во многих двигателях, проблема быстрой передачи энергии остается нерешенной, поскольку необходимо еще пре­одолеть тепловую инерцию стенок цилиндра. При проведении работ по усовершенствованию двигателя Стирлинга фирмой «Филипс» были применены трубчатые теплообменники для на­гревателя и холодильника, и, хотя при этом потребовалось уплот­нить вытесннтельный поршень, основная цель была достигнута. Полный рабочий цикл теперь можно описать с помощью рис. 1.14. На рис. 1.14 легко различаются составляющие процессы рабо­чего цикла, изображенного на диаграмме давление - объем (рис. 1.9, а).

На рис. 1 14, а рабочий поршень находится в крайнем ниж­нем положении, вытеснитель - в крайнем верхнем положении, и все рабочее тело заключено в холодной полости. Затем под действием внешних сил рабочий поршень начинает переме­щаться вверх, сжимая рабочее тело в холодной полости, при­чем температура рабочего тела поддерживается на минималь­ном уровне. В точке 2 (рис. 1.15) вытесннтельный поршень все еще находится в крайнем верхнем положении, рабочий
поршень заканчивает свое движение вверх, и процесс сжатия за­вершается (рис. 1.14,6). Рабочий поршень остается в своей верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень начинает движение вниз, перемещая рабочее тело в систему холодиль­ник - регенератор - нагреватель и далее в горячую полость. Объем рабочего тела в этом процессе остается постоянным, а давление возрастает. В процессе между точками 2 и 3 рабоче­му телу передается тепло от регенератора. Точка 3 соответ­ствует пребыванию всего рабочего тела в горячей полости, при

Этом рабочий поршень все еще остается в своей верхней мерт­вой точке. Следует отметить, что вытеснительный поршень в точке 3 еще не достиг своего крайнего нижнего положения.

Теперь рабочее тело, находясь в горячей полости, получает тепло от трубчатого нагревателя и расширяется. Воздействуя на вытеснительный и рабочий поршни, расширяющееся рабочее тело заставляет их совместно перемещаться вниз, пока они не займут свое крайнее нижнее положение. В процессе между точ­ками 3 и 4 совершается положительная работа. Точка 4 соот­ветствует пребыванию обоих поршней в своих нижних мертвых точках. Рабочий поршень продолжает оставаться в этом поло­жении, а вытеснительный поршень перемещается вверх, вытес­няя расширившееся рабочее тело через систему нагреватель - регенератор - холодильник в холодную полость. При этом ра­бочее тело отдает остаток своего тепла регенератору. В процес­се 4 - 1 объем остается неизменным, а давление падает. Так осуществляется цикл Стирлинга в том виде, как он показан на двух диаграммах состояния (рис. 1.15).

Сравнивая движение поршней относительно друг друга в последовательных процессах (рис. 1.14), легко заметить, что их движение на протяжении всего цикла не совпадает по фазе.

Для обеспечения протекания такого цикла в соответствии с его описанием, приведенным выше, необходимо прерывистое перемещение поршней. Этот вывод можно наглядно проиллю­стрировать диаграммой перемещений поршней (рис. 1.16).

Рис. 1.15. Термодинамические диаграммы состояния идеального цикла Стир­линга.

Горячая полость расширения определяется переменным объемом VE между головкой цилиндра и верхним торцем вы­теснительного поршня. Она об­разуется исключительно благо­даря перемещению вытесни­тельного поршня. Холодная по­лость сжатия определяется пе­ременным объемом Vc между нижним торцем вытеснитель­ного поршня и верхним тор­цем рабочего поршня. Объем нагревателя, холодильника, ре­генератора и примыкающих к ним патрубков является не­рабочим объемом и называет­ся объемом мертвого простран­ства (мертвым объемом) V D . Любой мертвый объем умень­шает мощность, вырабатывае­мую двигателем, и его необходимо сводить к минимуму, допу­скаемому конструктивными особенностями двигателя. Однако в некоторых условиях путем увеличения мертвого объема можно увеличить КПД двигателя.

Теперь следовало бы рассмотреть проблемы термодинами­ки, газодинамики и теплообмена, которые необходимо решить для реализации принципа Стирлинга. Не ппеодолены также
трудности, связанные с высокой сложностью механизма при­вода и необходимостью обеспечить достаточную балансировку двигателя.

На рис. 1.16 показана зависимость изменения объема от угла поворота кривошипа, при выполнении которой реализует­ся идеальный цикл Стирлинга. Основной функцией механизма привода является наиболее точное воспроизведение этой зави­симости. Однако полное удовлетворение требований термоди­намики возможно только при прерывистом движении поршней, а механическое устройство не в состоянии точно воспроизвести такое движение. Хотя в принципе и можно создать механизм, воспроизводящий закон изменения объема, близкий к идеаль­ному, при его проектировании необходимо учитывать и другие факторы, а именно: простоту конструкции, компактность, дина­мические факторы и возможность установки системы уплот­нения.

Чем больше в механизме привода движущихся частей, тем меньше, как правило, механический КПД; при этом преимуще­ства, обусловленные воспроизведением закона изменения объ­ема, близкого к идеальному, могут быть сведены на нет низ­ким общим КПД двигателя. Кроме того, большое число дета­лей приводит к повышению стоимости изготовления механизма привода, общей стоимости агрегата и затрат на эксплуатацию, а также к снижению надежности по сравнению с механизмами привода обычных двигателей внутреннего сгорания. Простран­ство, в которое должен «вписываться» двигатель Стирлинга, также может быть определяющим фактором, а это поставит конструктора перед выбором, что предпочесть: громоздкий ме­ханизм привода, обеспечивающий почти идеальный закон изме­нения объема, или более компактный механизм, но воспроизво­дящий закон изменения объема с меньшей точностью.

Динамические факторы, которые необходимо принимать во внимание при конструировании, можно разделить на две груп­пы: связанные с динамической нагруженностью и связанные с динамической балансировкой движущихся частей двигателя. Динамические нагрузки оказывают решающее влияние на оп­ределение основных размеров двигателя Стирлинга. Термоди­намический анализ работы двигателя предъявляет определен­ные требования к рабочему объему, длине шатуна и др., одна­ко количественно эти требования выражены безразмерными параметрами и, следовательно, не устанавливают каких-либо реальных размеров. Определение размеров этих компонентов основывается на последующих динамических расчетах, включа­ющих определение нагрузок на подшипники, величины изгиба­ющего момента на шатуне и т. п. Двигатель Стирлинга благо­даря используемому в нем замкнутому циклу по своей приро­
де является бесшумным, и если в нем предусмотреть свобод­ный от вибраций (а следовательно, динамически уравновешен­ный) механизм привода, то потенциальные возможности его практического применения существенно расширятся. Некото­рые механизмы привода, разработанные для двигателей Стир­линга, удовлетворяют этим требованиям.

И наконец, в двигателях Стирлинга большого литража воз­никает проблема уплотнений, отделяющих цилиндры двигате­ля от картера и изолирующих картер от избыточного давле­ния. Таким образом, мы перечислили основные факторы, влия­ющие на выбор механизма привода двигателя Стирлинга.

В двигателях Стирлинга чаще всего используются: криво - шипно-балансирный механизм, ромбический привод, косая шайба и кривошипно-шатунный механизм.

Первым в двигателе Стирлинга был использован криво - шипно-балапсирпый механизм привода (рис. 1.17), в котором балансир сочленяется посредством двух рычагов с рабочим и вытеснительным поршнями, а рабочий поршень приводится не­посредственно от коленчатого вала. При таком типе привода неизбежно избыточное давление в картере, и поэтому он при­годен только для небольших двигателей. Такой привод не обес­печивает также динамической балансировки одноцилиндрового двигателя.

Увеличение мощности двигателя Стирлинга в процессе его совершенствования привело к необходимости изолировать ци­линдры от картера, чтобы избежать избыточного давления в картере. Эту проблему решает установка ромбического приво­да (рис. 1.18), разработанного фирмой «Филипс» в 50-е годы. Преимуществом такого привода является также возможность динамической балансировки даже в случае одноцилиндрового двигателя. Основными его недостатками являются сложность ме­ханизма, поскольку он состоит из большого числа движущихся частей, трущихся по­верхностей и т. п., и наличие в механизме двух находящихся в зацеплении зубчатых колес.

Косая шайба (рис. 1.19) применяется главным образом в двигателях, предназна­ченных для установки на автомобилях, где решающим фактором является компакт­ность силового агрегата. Такой механизм динамически сбалансирован при определен­ном угле наклона шайбы. Он также позво­ляет легко изолировать цилиндры от кар­тера. Однако в случае установки двигателя на автомобиль возникает проблема надеж­ности уплотнений в условиях быстрой сме­ны большого количества циклов. Косая шайба позволяет также управлять мощно­стью двигателя изменением угла наклона шайбы, что ведет в свою очередь к изме­нению величины хода поршней двигателя. В этом случае двигатель динамически сба­лансирован только при одном значении угла наклона шайбы.

Кривошипно-шатунный механизм (рис. 1.20) в течение мно­гих лет используется в двигателях внутреннего сгорания. Он исключительно надежен, и к настоящему времени накоплен большой опыт его эксплуатации. Этот механизм широко при­меняется в двигателях Стирлинга двойного действия как с крейцкопфом, так и без него. Преимуществами механизма явля­ются его надежность и простота изготовления, однако динами­ческая балансировка двигателя с таким механизмом привода практически недостижима.

Кривошипно-шатунный механизм, как мы могли убедиться, не является простым решением проблемы привода в случае, когда рабочий и вытеснительный поршни последовательно рас­положены в одном цилиндре. Однако такой механизм широко

Применяют в компоновочной модификации двигателя Стирлин­га со сдвоенными цилиндрами. Первоначально в такой модифи­кации использовали рабочий и вытесннтельный поршни, распо­ложенные в двух цилиндрах, соединенных коротким патрубком (рис. 1.21).

В XIX в. такой двигатель был построен Хенричи и Робин­соном . В литературе по двигателям Стирлинга, начиная с (>0-х годов нашего века и позднее, этот вариант часто назы­вают гамма-конфигурацией. Дальнейшие усовершенствования

Двигателя со сдвоенными цилиндрами были предложены Рай - дером , что привело к существенному увеличению удельной мощности по сравнению с другими модификациями двигателя Стирлинга, созданными к тому времени. С этого времени дви­гатели со сдвоенными цилиндрами получили всеобщее призна­ние. В модификации Райдера применены два полностью уплот­ненных в цилиндрах поршня вместо системы поршень - вытес­нитель. Теплообменники типа «нагреватель - регенератор - холодильник» встроены между двумя цилиндрами, образуя со­единительный канал (рис. 1.22).

Такая компоновка расширила возможности создания раз­личных конфигурации двигателя, реализующих принцип Стир­линга; например, цилиндры могут располагаться один против другого горизонтально или вертикально, параллельно один другому, в форме буквы V (рис. 1.23) и по другим схемам.

Все двигатели, о которых говорилось выше, по своему об­щему принципу действия являются двигателями простого дей­ствия. Следует подчеркнуть, что это название относится к дви­гателю, а не к поршню, поскольку, несмотря на то что
вытеснительныи поршень может производить двойное действие, когда его верхняя и нижняя поверхности управляют перемеще­нием газа, двигатель в целом при этом все еще может опреде­ляться как двигатель простого действия. Термины «двигатель

Простого действия»» и «двигатель двойного действия» примени­тельно к двигателям Стирлинга используются для характери­стики двигателя в целом. Например, как показано ниже, не-

Сколько агрегатов простого действия можно объединить в дви­гатель двойного действия. Этот способ мы проиллюстрируем на примере расположения цилиндров, предложенного Райдером и называемого также компоновочной модификацией альфа (рис. 1.24).

Цикл простого действия обеспечивается совместным дей­ствием верхней поверхности одного поршня и нижней поверх-

Ности другого поршня в соседних цилиндрах. Рабочее тело цир­кулирует между этими двумя цилиндрами. Оно не перемещает­ся через всю систему - от первого цилиндра до четвертого. Таким образом, поршень в каждом цилиндре выполняет функ­ции как рабочего, так и вытеснительного поршня, и при этом

Каждый поршень одновременно участвует в двух рабочих циклах. Следовательно, в четырехцилиндровой компоновке (рис. 1.24) одновременно протекают четыре отдельных цикла:

Этот тип двигателя Стирлинга был первоначально предло­жен английским инженером Сименсом и независимо от него голландскими инженерами Рини и Ван-Вееном в период их работы в фирме «Филипс», где он был усовершенствован. Двигатель двойного действия особенно эффективен среди ■устройств, вырабатывающих механическую энергию, из-за своей высокой удельной мощности, получаемой благодаря тому, что при каждом обороте коленчатого вала в каждом цилиндре поршень совершает полный рабочий ход.

Сказанное означает, что в двигателе двойного действия пор­шень выполняет две функции (или имеет двойную функцию):

1) заполнение рабочим телом двух полостей переменного объема и вытеснение рабочего тела из этих полостей;

2) передачу усилия на выходной вал.

Двигатели Стирлинга двойного действия неизбежно должны быть многоцилиндровыми, поскольку для получения сдвинутых по фазе процессов расширения и сжатия (необходимость тако­го сдвига отмечалась ранее) требуется не менее трех порш­ней. На практике же применяются обычно не менее четырех поршней, соединенных с одним коленчатым валом, причем соседние поршни дей­ствуют совместно в паре, чем и до­стигается двойное действие. Меха­низмы привода двигателей двойного действия должны. выполнять упомя­нутые выше две функции. Наибо­лее подходящим для этого представ­ляется обычный многоопорный ко­ленчатый вал рядного двигателя

Рис. 1.26. Соосная конфигурация ]РИС" L25)- Этот тип механизма осо - двигателя двойного действия. бенно подходит для крупногабарит­ных силовых агрегатов.

Лучшую компактность обеспечивает расположение ци­линдров в квадрате, так называемое соосное расположение (рис. 1.26), которое позволяет не только использовать общую систему сгорания, но и применять различные типы механизмов привода. Большинство пригодных для таких двигателей типов механизмов привода представляет собой модификации криво - шипно-шатунного механизма, однако фирмы «Филипс», «Дже­нерал моторе» и «Форд» потратили значительные усилия на со­вершенствование механизма с косой шайбой. Оптимальная кон­струкция привода этого типа обеспечивает механический КПД. превышающий 90 %.

Конфигурации двигателя Стирлинга в сочетании с различ­ными механизмами привода показаны на рис. 1.27. Разумеется, основанием для выбора того или иного механизма привода яв­ляется не только его компактность, но и другие факторы. Эти факторы подробно рассмотрены в разд. 2.5.

Во всех до сих пор рассмотренных двигателях использова­лись механизмы привода, в которых поршни жестко соединены друг с другом с помощью различных кинематических звеньев, а эти звенья в свою очередь жестко связаны с выходным ва­лом, служащим для передачи механической энергии от двига­теля. Двигатель Стирлинга может работать и без механической
. ииHi между поршнями. В этом случае рабочий и вытеснитель - iii. iii поршни называются свободными поршнями. Эта концеп­Ции может быть использована не только в двигателях Стар­инна, однако только применительно к таким двигателям ее п. чоп. успешно реализовать. Впервые ее воплотил в реально

I "m I Ч Mi.............. и.Im приводи, применяемые в двигателях Стирлинга. ||||||||"||||||ми<| ни rviniuil; t> ромбический; в - дезаксиалышй крнвошипно-шатунный; | . inn nil iii. itiiiiuV, l кршшшшшо-кулисный; e- крнвошипно-балансирный (механизм г. . .1 связанных с поршнями. Шток вытеснительного поршня - по­лый, открытый со стороны своего нижнего торца, так что ра­бочее тело, находящееся внутри вытеснительного поршня, по­стоянно сообщается с рабочим телом в так называемой буфер­ной полости, где все время поддерживается постоянное давле­ние. Эта полость служит газовой пружиной и, как будет пока­зано ниже, выполняет функцию, аналогичную функции коленча­того вала в обычном двигателе Стирлинга. Положение вытеснительного и рабочего поршней в начальный момент рабочего цикла показано на рис. 1.29, а весь цикл последо­вательно показан на рис. 1.30- 1.32. В начальном положении давление и температура рабоче­го тела во всем агрегате одина­ковы, причем давление равно его величине в буферной полости рв По мере передачи энергии рабо­чему телу в расширительной по­лости от трубок нагревателя тем­пература рабочего тела возрас­тает, что влечет за собой воз­растание давления до величины Pi (состояние 1). Это в свою оче­редь заставляет вытеснительный и рабочий поршни начать свое движение вниз. Чтобы двигатель развивал полезную мощность, необходимо обеспечить сдвиг по фазе движений обоих возвратно-поступа­тельных элементов. Поэтому вытеснительный поршень имеет меньшую массу, чем рабочий. Воздействие рабочего тела на рабочий и вытеснительный поршни приблизительно одинаково, однако из-за меньшей массы вытеснительный поршень движет­ся с большим ускорением. Благодаря этому рабочее тело вы­тесняется из полости сжатия и по соединительному каналу (в котором может находиться регенератор) перемещается в го­рячую полость, вызывая дальнейшее повышение давления; со­ответственно увеличивается разность давлений относительно давления в буферной полости, создающая движущую силу. В конечном счете вытеснительный поршень вступает в контакт с рабочим поршнем (состояние 2), и дальнейшее движение вниз оба поршня совершают совместно. Очевидно, что, как только оба поршня соединились, вытес - m мне рабочего газа из холодной полости сжатия прекращает - » я п соответственно прекращается поступление газа в расши - 1 Давление в буферной полости I"m I "I I Id. iu/ki fiih - поршнем н начальный момент рабочего цикла свободно- II |1|||||> lull и НИИ ИГ.1Я < "г1111."11111[ .1. I | Г1 I I II мп II. 1 MI"HI lll. nl III) МП и. Л буферная полость. 1>и It - Ц. м Hi Пи 1"и Ii . | ■ I Mi I момента давление в двигателе на­Чиним н.| I . Mi . In I . I | I . Ii - Iii Ii Pcini Рабочего тела Однако это ми мчим in I i mi" iiprni. iiii. ier давление в буферной полости, и Рис. 1.32. Полный рабочий цикл свободнопоршневого двигателя Стирлинга. 1 - горячая полость; 2- холодная полость; 3 - буферная полость. Сначала лишь замедляет направленное вниз движение возврат­но-поступательно движущихся элементов. Поскольку вытеснн­тельный поршень легче рабочего, он останавливается быстрее, отделяясь от рабочего поршня; при этом вновь начинает обра­зовываться полость сжатия. Рабочий поршень продолжает дви­гаться вниз и после остановки вытеснительного поршня (со­стояние 5), при этом рабочее тело начинает перетекать из рас - Ширшелмюи полости в полость сжатия, вызывая дальнейшее imi. hi" быстрое падение давления в рабочих полостях и соот - III-11-1 nyioni. ee увеличение направленной вверх силы, действую­Щем на поршни. # Иы геенн гельный поршень теперь очень быстро перемещает - » » и in рмиою часть цилиндра, вытесняя дополнительное коли - 411 ню рабочего тела из расширительной полости в полость I /К, м и» Наконец, вытесннтельный поршень достигает своего конечного положения (состояние 6) и остается в этом положе­нии нее время, пока давление в буферной полости превышает ми. ieНпе рабочего тела. Тем временем рабочий поршень, дой - III in своего крайнего нижнего положения (состояние 7), начи - и. h i перемещаться вверх, сжимая рабочее тело, заключенное Mi I i верхней поверхностью рабочего поршня и нижней по - ||| pMnu"ii. ii) in, I гее нательного поршня. В процессе сжатия дав - II щи раоочею тела возрастает по сравнению с давлением в ||п piiiiiiПо. кнмп п в результате возникает сила, перемещаю - 1н, in miieeiini(.цапли поршень вниз. Изолированное в рабочем ним ме рабочее тело перетекает в полость расширения, сооб - IIIни ими мппе п. ному поршню дополнительное ускорение, под Lelii |пнем ыиорого он догоняет рабочий поршень (состоя - IIiii М| la им |>,|(нI"niii цикл повторяется. IniiiiM ini|iii him, рабочий цикл сноболпоноршневого двигате - hi < шр ими I ночш полностью идентичен циклу двигателя, в I. пиром p. ioiiMim и ныкчииге. и.иын поршни механически свя - I. MII. I upuiioiiiiiiiiiuMMi xaiiiiImom обычного типа. Этот вывод не I пинком иео/китан Ун и. ям hil l, изучая ромбический привод, м 1.1 и .1 Ii И 1М. т привода, а один из студентов Била впервые построил птп пщощпп свободнопоршневой двигатель . Конфигурация ныитшпельпый поршень - рабочий поршень» в свободно - iiiipiiiiienoM двигателе, по существу, является колебательной си - iieMi. H масса - пружина, и эта система настраивается на ра­ню г резонансной частотой, которая и является рабочей ча - I иной ишгателя. Однако необходимо заметить, что двигатель liii ia может работать и в таком режиме, при котором вытесни - h и. in, hi поршень будет совершать не простые гармонические (| пни-пичальные) колебания, вызываемые резонансом, а коле- оання. график которых имеет более прямоугольную форму. I". ном случае двигатель работает в так называемом режиме наш банг». Это название, может, и не строго научное, очень П. И.1ЯДИО отражает физическую природу работы двигателя. Как и двигатель Стирлинга с обычным кривошипным при­ми юм, свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различ­ные модификации, определяемые методами отбора мощности, ра ншваемой двигателем. Классификация этих модификаций часто вызывает затруднения, так как, несмотря на название, в некоторых случаях свободным является только вытеснитель­ный поршень, а в других - движущийся цилиндр. Во всех слу­чаях рабочий цикл одинаков, однако динамика движущихся ча­стей различна, что связано с различными модификациями си­стемы масса - пружина. Попытаемся обойти эти затруднения двумя путями: во-первых, используя определение, которое про­сто констатирует, что свободнопоршне - вым двигателем Стирлинга называется двигатель, в котором отсутствует механи­ческая связь между элементами, совер­шающими возвратно-поступательное дви­жение; во-вторых, мы дадим краткое опи­сание трех существующих модификаций свободнопоршневых двигателей. Первые две - это двигатели Била, третья пред­ставляет собой двигатель со свободным вытеснителем, известный также как «ха­руэллская машина». Если считать схему на рис. 1.28 и 1.29 основной формой двигателя Била, то главной проблемой такого двигателя ста­новится отбор и использование развивае­мой им мощности. Один метод представ­ляется особенно эффективным. Он заклю­чается в превращении рабочего поршня в постоянный магнит. Если разместить вокруг цилиндра обмотку, то при пере­мещении поршня внутри обмотки будет генерироваться электри­ческий ток. Фактически устройство в этом случае будет линей­ным генератором переменного тока (рис. 1.33), и его можно классифицировать как двигатель Била, буквально соответствую­щий названию свободнопоршневой. Цилиндр двигателя также можно использовать в качестве элемента, передающего мощность, если сделать цилиндр исклю­чительно легким, а поршень - исключительно массивным. Поршень в этом случае будет действовать как опора, оставаясь практически неподвижным, а вытеснитель и цилиндр станут свободно перемещаться. Тогда цилиндр можно использовать в качестве постоянного магнита или в более привычном вариан­те присоединить к рычагу привода гидравлического насоса (рис. 1.34). Гидронасос в свою очередь можно использовать для привода гидромотора, что делает возможным установку свободнопоршневого двигателя на автомобиле . Однако, несмотря на множество возможных вариантов применения сво­боднопоршневых двигателей, наиболее перспективным являет- I ii использование такого двигателя в качестве привода гидро - иагпга. 15 эгом направлении и проводятся многочисленные и 1 ппипмг разработки. I im одним типом свободноноршневого двигателя является ирмолкхапический генератор (ТМГ). Этот вариант - один из 11 vi i. i ммм пени, | i. i ip. iiiiiT. niiiUN группой сотрудников Центра im iiiiMiiun >iic111 им и Харуэлле (Англия) под руководством Км Яроори. 1МГ, 1МИ харуэллском машине, как его иногда мл ii. iuaioi. иомлощена идея свободных поршней, однако рабочий inipiiiem, здесь заменен металлической диафрагмой, и упругость Mcia. i.ia усиливает действие газовой пружины. Схема этой мо - пп||||кац|ш показана на рис. 1.35. Вместо поршня, перемещающегося в цилиндре вверх и вниз, в ТМГ установлена металлическая диафрагма, обычно изготав­ливаемая из нержавеющей стали. Эта диафрагма колеблется под действием изменяющегося давления рабочего тела. С диаф­рагмой жестко связан постоянный магнит, который колеблется в обмотке генератора, возбуждая электрический ток. Действие пружины, соединенной с вытеснителем, дает возможность си­стеме совершать резонансные колебания при частоте, равной I-радиатор; 2 - охлаждающий змеевик; 3-вытеснитель; 4 - якорь; 5 - диафрагма; 6 - пружина; 7-горелка. Частоте собственных колебаний системы. Частота колебаний легко регулируется подбором пружины и движущихся масс, что позволяет «подстроиться» под любую частоту в системе элек­троснабжения. Первоначально ТМГ предполагалось использо­вать в сочетании с источником тепла на радиоактивных изото­пах, но в настоящее время в таких двигателях используют про - пановые горелки (рис. 1.36). Замкнутый металлический цилиндр, содержащий рабочее тело, нагревается со стороны днища пропановой горелкой и охлаждается с внешней стороны диафрагмы, расположенной в верхней части цилиндра, охлаждающим змеевиком. Рабочий цикл полностью идентичен циклу двигателя с рабочим и вы - теснительным поршнями, за исключением того, что здесь вытес­нитель приводится в действие пружиной, расположенной между ним и корпусом цилиндра. Диафрагма совершает колебания с амплитудой, не превышающей нескольких миллиметров, ноэто- м (. 1я приведения в действие вытеснителя появилась необхо - I и мое I ь установки пружины. Все спободнопоршневые устройства легко герметизируются, ииски. п.ку из них не выступают движущиеся детали, например 111.11 мы п т. п. Можно обойтись и без поршневых колец, сведя к минимуму зазоры между движущимися частями за счет жест­ких ишусков. Отпадает необходимость в трубчатых нагревате - 1я, мня они и могут быть использованы. Появляется возмож - Ц|» и. использования регенерирующего действия кольцевого за- шра никрм вытеснителя, так называемой щелевой регенера­ции lli ск. иапного следует, что свободнопоршневые устройства I "ll! I I/ " м мп пии III II "I" III iii I. Illll I i << |i»i "i-ttt ii Im mihhiim in минным ap. iMi рпешкам сходны с двигателями 1 iup nun, I и 11 in ршшача. п.пых вариантах. It и pi н[г(ч с район, I над устройствами, действующими по и и к. I < I пр. шпга, группа ученых из Харуэлла помимо ТМГ | I . I ipaiuiI ала новый тепловой двигатель «Флюидайн», относя - пиин я к классу двигателей Стирлинга с двумя поршнями (дви - I л 11Iям Райдера). Отличительной особенностью нового двига - имя является изменение рабочего объема вследствие пере - мг i не 11 п я столбов жидкости, а не поршней, изготовленных из nirpiux материалов (рис. 1.37). < >i повой двигателя «Флюидайн» являются две U-образные |рпы (которые могут быть изготовлены из стекла), связанные < фсмя рабочими полостями, соединенными между собой. Что - iii. i понять принцип работы этого двигателя, допустим, что жид - Mirib в нем невязкая. Допустим также, что U-образной трубы < D не существует и что холодная полость герметизирована. Когда жидкость в U-образной трубе А - В (трубе вытесните - 1я) перемещается по часовой стрелке, левый столб жидкости поднимается, горячий газ перемещается в холодную полость, и явление рабочего газа понижается. Когда же столб жидкости движется против часовой стрелки, холодный газ возвращается в горячую рабочую полость, и давление газа возрастает. Та­ким образом происходят циклические изменения объема и дав­ления, но полезной работы в этом процессе не производится. Однако при наличии выходной трубы появляется эффект изме­нения суммарного объема газа при его колебаниях и так же, как и в других двигателях Стирлинга, при наличии меньшего чем 180° сдвига по фазе колебаний вытеснителя относительно колебаний выходного элемента возникает термодинамический цикл, в котором вырабатывается полезная работа. Эта полез­ная работа передается на мениск С столба жидкости в выход­ной трубе. Колебания столба жидкости в выходной трубе яв­ляются вынужденными и вызываются разностью давлений в двух рабочих полостях - С и D, в то время как колебания столба жидкости в трубе вытеснителя являются свободными, поскольку на мениски А и В действует одно и то же давление. Нетрудно заметить, что в случае вязкой жидкости ее колеба­ния в трубе вытеснителя постепенно бы затухали. Причиной стабильной непрерывной работы двигателя «Флюидайн» явля­ется «перекачка» энергии вынужденных колебаний в выходной трубе к свободным колебаниям в трубе вытеснителя. Эта энер­гия компенсирует действие вязкого трения и поддерживает устойчивые колебания. Существует по меньшей мере три наи­более распространенных способа перекачки энергии: 1) с помощью разности давлений (рис. 1.38, а); 2) с помощью качающегося стержня (рис. 1.38,6); 3) с помощью реактивной струи (рис. 1.38,в). В двигателе «Флюидайн», использующем способ перекачки энергии с помощью разности давлений, в отличие от схемы, рассмотренной выше, холодная полость выходной U-образной трубы совмещена с холодной полостью вытеснителя. Столбы жидкости, связанные с холодной и горячей полостями, разли­чаются по длине и, следовательно, имеют разные частоты соб­ственных колебаний. Рабочая частота всей системы заключена между частотами собственных колебаний горячего и холодного столбов жидкости. Возбуждающая сила, поддерживающая ста­бильные колебания, обусловлена разностью давлений на от­крытом торце выходной трубы и в рабочем газе. Система с качающимся стержнем имеет пружину, с по­мощью которой поддерживается равновесие системы относи­тельно фиксированного шарнира. В процессе работы колебания в выходной трубе вызывают смещение центра тяжести систе­мы относительно его первоначального положения и поворот си­стемы относительно шарнира. При сжатии и растяжении пру­жины возникает восстанавливающая сила, действующая на си-

I"m". 1.38. Варианты двигателя «Флюидайн» с различными способами «пере­дки» энергии.

Ра. шость давлений; б качающийся стержень; в - реактивная струя; 1 - горячая теть; 2 - холодная полость; 3 -шарнир; 4- восстанавливающая пружина.

«■тему. Система совершает угловые перемещения, и, поскольку темпа» конструкция является жесткой, эти угловые перемеще­ния передаются столбам жидкости вытеснителя, где они ней­трализуют вязкие потери и поддерживают устойчивые коле­бания.

В двигателе «Флюидайн» с реактивной струей, так же как ii и двигателе, использующем разность давлений, имеется объ - (чиненная холодная полость. Холодная и выходная трубы со­единяются с горячей трубой у ее основания. Такое соединение обеспечивает эффект реактивной струи. При перемещении вниз
мениска в горячей полости часть жидкости отводится по на­правлению к холодной полости, что заставляет столб жидкости в холодной трубе перемещаться вверх, а при обратном ходе жидкость, направляющаяся в горячую трубу, заставляет поток из холодной трубы двигаться в вытеснителе с ускорением. Тем самым как при ходе вверх, так и при ходе вниз достигается

	V //////>/ J

Рис. 1.39. Последовательные этапы «самозапуска» двигателя «Флюидайн».

А - начальное положение перед пуском; б - фаза расширения; в -первичное перерегули­рование: г-вторичное перерегулирование; д - фаза самовозбуждения.

Эффект реактивной с, труи. Однако реальные процессы, проте­кающие в этом гидравлическом соединении, исследованы еще недостаточно . Несмотря на это, модификация с реактив­ной струей является наиболее распространенной среди двига­телей «Флюидайн». Рабочий цикл двигателя с реактивной струей будет рассмотрен ниже.

Теперь же подробнее рассмотрим процессы, последователь­но протекающие при пуске двигателя «Флюидайн», поскольку одна из важнейших его особенностей - возможность «самоза­пуска».

Последовательность процессов при самозапуске показана на рис. 1.39. В положении предпускового равновесия уровни жидкости hu h 2 и h 3 определяются величинами статического давления в трубах. Если давление в рабочих полостях пере-
мсиного объема равно атмосферному, то все уровни одинако­вы (отметим, что уровни hi и h2 в этот момент всегда одина­ковы). При подведении тепловой энергии к правой трубе 1емпература рабочего тела возрастает, и оно расширяется. Дав - и"ние в рабочих полостях также возрастает, и из-за этого уров­ни жидкости в горячей и холодной трубах также начинают снижаться. Одновременно повышается уровень жидкости в вы­ходной трубе. Следует отметить, что все изменения уровня жид­кости весьма незначительны. Первичное расширение приводит к самозапуску устройства только по достижении критического шачения параметра Tss , зависящего от основных значений па­раметров, определяющих условия работы двигателя:

Эта формула основана на анализе явления, подробно рассмат­риваемого в разд. 1.6. Для большинства двигателей «Флюи - 1айн» Tss ~ 0,1.

По окончании фазы первичного расширения уровень жидко­сти в выходной трубе продолжает повышаться благодаря инер­ции движущейся жидкости. Уровень жидкости на горячей сто­роне продолжает падать, пока не будет достигнуто равнове­сие между жидкостью и рабочим телом. В этот момент уровень жидкости в трубе с холодной стороны выше, чем в трубе с горя­чей стороны. Это состояние, заключающееся в последователь­ности фаз, сменяющих друг друга при пуске двигателя, полу­чило название «первичное перерегулирование».

Как только под действием силы тяжести прекращается дви­жение жидкости вверх в выходной трубе, стабилизируется и ровень жидкости на горячей стороне; одновременно появляется тенденция к выравниванию уровней жидкости на горячей и хо­лодной сторонах. Следовательно, уровень жидкости в горячей трубе повышается, а в выходной понижается. Одновременно объем нагретого газа и его давление в рабочей полости умень­шаются из-за понижения температуры в этой полости, обуслов­ленного повышением уровня жидкости в горячей трубе и соответствующим уменьшением количества рабочего газа, под­вергающегося нагреву. Этим процессам способствует продолжаю - цееся движение вниз уровня жидкости в выходной трубе, вызы­вающее существенный динамический напор в гидравлическом соединении и дополнительное повышение уровня в трубе на го­рячей стороне. Действуя совместно, эти процессы вызывают возрастание уровня жидкости в трубе на горячей стороне до величины, превышающей уровни в других двух трубах. Это состояние называют вторичным перерегулированием. Оно приво­дит к дальнейшему возрастанию гравитационного потенциала между менисками.

В этот момент система находится в состоянии неустойчиво­го равновесия, и уровни жидкости начинают перемещаться в направлении к состоянию устойчивого равновесия. Уровень жид­кости на горячей стороне понижается, что позволяет большему количеству рабочего тела получать энергию от источника энер­гии. Рабочее тело расширяется, и процесс начинается вновь,

Однако теперь колебания становятся самовозбуждающимися и устойчивыми.

Рабочий цикл, описанный выше, имеет ту же физическую основу, что и цикл системы с двумя U-образными трубами.

«Флюидайн» может работать как в «мокром», так и в «су­хом» режиме. В первом случае существует контакт между вы­тесняемой жидкостью и рабочим телом. Во втором поверхности жидкости и рабочего газа разделены либо слоем «инертного» газа, либо механическим поплавком. Энергия в «Флюидайне» вырабатывается в виде колебаний жидкости в выходной трубе, и это особенно удобно для использования двигателя в качестве нагнетательного устройства. (История техники знает очень по­хожее устройство - насос Хэмфри с незамкнутым рабочим цик­лом.) Нагнетательный эффект достигается двумя основными способами, известными как прямое и косвенное нагнетание . В первом случае выходная, или резонансная, труба полностью преобразована в нагнетательную часть насоса, в то время как при косвенном нагнетании резонансная труба остается в перво­начальном виде, а нагнетательный эффект достигается с по­мощью отдельного канала, соединенного с холодной полостью (рис. 1.40, 1.41).

В случае косвенного нагнетания трудно осуществить «само - tanycK» и необходимы специальные дополнительные устройства, такие, как сливной тракт, встроенный параллельно выходной грубе и действующий как первичное нагнетающее устрой­ство .

Необходимо отметить также, что в «мокром» «Флюидайне» невозможно установить регенераторы с насадками, поскольку они не слишком эффективны в атмосфере тумана, образуемого

Парами жидкости. Отсутствием регенератора в «мокром» «Флюи - 1айне», вероятно, можно объяснить, почему такие двигатели имеют очень низкий КПД. Однако следует принять во внима­ние и то, что «мокрый» «Флюидайн» может работать только при температурах порядка 350 К (77°С) и разности температур при подводе и отводе тепла не более 25°С. При таких условиях КПД цикла Карно меньше 10 %.

15 двигателях Стирлинга, рассмотренных выше, использова­лось газообразное рабочее тело; даже в «мокром» «Флюидайне» рабочее тело в подавляющем большинстве случаев газообраз­ное. В настоящее время выдвигают предложения по использо­ванию рабочих тел с изменяющимся фазовым состоянием, на­пример таких, которые применяют в паровых машинах и па­ровых турбинах, однако пока нет сведений о том, что такие устройства успешно работают или по крайней мере разработа­ны. Английский инженер Мелоун еще в 30-е годы построил пшгатель возвратно-поступательного действия с замкнутым никлом, используя в качестве рабочего тела жидкость . Уокер предполагает, что двигатель Мелоуна в действитель­ности является двигателем Стирлинга, и единственная публи­кация Мелоуна как будто бы дает дополнительные основания

4 Зак. 839 для такого предположения. Однако более внимательный анализ и последовавшее детальное обсуждение этого вопроса в коллек­тиве исследователей, работающем в этой области под руковод­ством проф. Уитли в Калифорнийском университете (Сан-Ди­его, США), привели к выводу, что скорее всего двигатель Мелоуна работает по циклу, напоминающему цикл двигателя Стирлинга, однако имеющему существенные отличия. В то же время двигатель Мелоуна после небольшой модификации может в точности соответствовать двигателю Стирлинга. Тем не ме­нее остается невыясненным ряд вопросов относительно принци­пов работы двигателя Мелоуна даже в его первоначальном виде, поэтому мы считаем преждевременной попытку описания его рабочего цикла.

Рабочие циклы различных форм двигателя Стирлинга, пре­образующих тепловую энергию в механическую, уже нами описаны. Все эти двигатели имеют одни и те же основные принципы работы, однако есть и некоторые различия в конст руктивном воплощении, особенно там, где дело касается спо­собов использования вырабатываемой энергии. Схематические диаграммы и детальные описания, хотя и весьма полезные для облегчения понимания основных принципов, на которых осно­ваны эти двигатели, не всегда облегчают дело, когда надо определить, относится ли рассматриваемое устройство к двига­телям Стирлинга. В следующем разделе приводятся фотогра­фии и описания уже построенных двигателей Стирлинга раз­личных видов, что позволит устранить эти трудности.

Двигатель Стирлинга, некогда известный, был надолго забыт из-за широкого распространения другого мотора (внутреннего сгорания). Но сегодня о нем слышно все больше. Может быть, у него есть шансы стать более популярным и найти свое место в новой модификации в современном мире?

История

Двигатель Стирлинга — это тепловая машина, которая была изобретена в начале девятнадцатого века. Автором, как понятно, был некий Стирлинг по имени Роберт, священник из Шотландии. Устройство представляет собой двигатель внешнего сгорания, где тело движется в замкнутой емкости, постоянно меняя свою температуру.

Из-за распространения другого вида мотора о нем почти забыли. Тем не менее, благодаря своим преимуществам, сегодня двигатель Стирлинга (своими руками многие любители сооружают его дома) снова возвращается.

Основное отличие от двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что энергия тепла приходит извне, а не вырабатывается в самом двигателе, как в ДВС.

Принцип работы

Можно представить замкнутый воздушный объем, заключенный в корпусе, имеющем мембрану, то есть поршень. При нагревании корпуса воздух расширяется и совершает работу, выгибая таким образом поршень. Затем происходит охлаждение, и он вгибается снова. В этом состоит цикл работы механизма.

Немудрено, что термоакустический двигатель Стирлинга своими руками многие изготавливают в домашних условиях. Инструментов и материалов для этого требуется самый минимум, который найдется в доме у каждого. Рассмотрим два разных способа, как легко его создать.

Материалы для работы

Чтобы сделать двигатель Стирлинга своими руками, понадобятся следующие материалы:

• жесть;
• спица из стали;
• трубка из латуни;
• ножовка;
• напильник;
• подставка из дерева;
• ножницы по металлу;
• детали крепежа;
• паяльник;
• пайка;
• припой;
• станок.

Это все. Остальное - дело нехитрой техники.

Как сделать

Из жести готовят топку и два цилиндра для базы, из которых будет состоять двигатель Стирлинга, своими руками изготовленный. Размеры подбирают самостоятельно, учитывая цели, для которых предназначено это устройство. Предположим, что мотор делается для демонстрации. Тогда развертка главного цилиндра составит от двадцати до двадцати пяти сантиметров, не более. Остальные части должны подстраиваться под него.

На верху цилиндра для передвижения поршня делают два выступа и отверстия диаметром от четырех до пяти миллиметров. Элементы выступят в роли подшипников для расположения кривошипного устройства.

Далее делают рабочее тело мотора (им станет обычная вода). К цилиндру, который сворачивают в трубу, припаивают кружочки из жести. В них проделывают отверстия и вставляют трубки из латуни от двадцати пяти до тридцати пяти сантиметров в длину и диаметром от четырех до пяти миллиметров. В конце проверяют, насколько герметичной стала камера, залив ее водой.

Далее приходит черед вытеснителя. Для изготовления берут заготовку из дерева. На станке добиваются, чтобы она обрела форму правильного цилиндра. Вытеснитель должен быть немногим меньше диаметра цилиндра. Оптимальную высоту подбирают уже после того, как двигатель Стирлинга своими руками будет сделан. Потому на данном этапе длина должна предполагать некоторый запас.

Спицу превращают в шток цилиндра. По центру деревянной емкости делают отверстие, подходящее под шток, вставляют его. В верхней части штока необходимо предусмотреть место для шатунного устройства.

Затем берут трубки из меди длиной четыре с половиной сантиметра и диаметром два с половиной сантиметра. Кружок из жести припаивают к цилиндру. По бокам на стенках делают отверстие для сообщения емкости с цилиндром.

Поршень также подгоняют на токарном станке под диаметр большого цилиндра изнутри. Наверху подсоединяют шток шарнирным способом.

Сборку заканчивают и настраивают механизм. Для этого поршень вставляют в цилиндр большего размера и соединяют последний с другим цилиндром меньшего размера.

На большом цилиндре сооружают кривошипно-шатунный механизм. Фиксируют часть двигателя при помощи паяльника. Основные части закрепляют на деревянном основании.

Цилиндр наполняют водой и под низ подставляют свечку. Двигатель Стирлинга, своими руками сделанный от начала и до конца, проверяют на работоспособность.

Второй способ: материалы

Двигатель можно сделать и другим способом. Для этого понадобятся следующие материалы:

• консервная банка;
• поролон;
• скрепки;
• диски;
• два болта.

Как сделать

Поролон очень часто используют, чтобы сделать дома простой не мощный двигатель Стирлинга своими руками. Из него готовят вытеснитель для мотора. Вырезают поролоновый круг. Диаметр должен быть немного меньше, чем у консервной банки, а высота — чуть более половины.

По центру крышки проделывают отверстие для будущего шатуна. Чтобы он ходил ровно, скрепку сворачивают в спиральку и паяют к крышке.

Поролоновый круг посередине пронизывают тонкой проволокой с винтом и фиксируют его сверху шайбой. Затем соединяют кусок скрепки пайкой.

Вытеснитель вталкивают в отверстие на крышке и соединяют банку с крышкой путем пайки для герметизации. На скрепке делают маленькую петлю, а в крышке — еще одно, более крупное отверстие.

Жестяной лист сворачивают в цилиндр и спаивают, а потом прикрепляют к банке настолько, чтобы щелей не осталось совсем.

Скрепку превращают в коленчатый вал. Разнос при этом должен быть ровно девяносто градусов. Колено над цилиндром делают слегка больше другого.

Остальные скрепки превращаются в стойки для вала. Делается мембрана следующим образом: цилиндр оборачивают в пленку из полиэтилена, продавливают и крепят ниткой.

Шатун изготавливается из скрепки, которую вставляют в кусок резины, и готовую деталь прикрепляют к мембране. Длина шатуна делается такой, чтобы в нижней валовой точке мембрана была втянутой в цилиндр, а в высшей — вытянута. Таким же образом делается и вторая деталь шатуна.

Затем один приклеивают к мембране, а другой — к вытеснителю.

Ножки для банки можно также сделать из скрепок и припаять. Для кривошипа используют CD-диск.

Вот и готов весь механизм. Осталось лишь под него подставить и зажечь свечку, а затем дать толчок через маховик.

Заключение

Таков низкотемпературный двигатель Стирлинга (своими руками сооруженный). Конечно, в промышленных масштабах такие приборы изготавливаются совсем другим способом. Однако принцип остается неизменным: происходит нагрев, а затем охлаждение воздушного объема. И это постоянно повторяется.

Напоследок посмотрите эти чертежи двигателя Стирлинга (своими руками его можно сделать без особых навыков). Может быть, вы уже загорелись идеей, и вам захочется сделать что-либо подобное?

Как и большинство "виртуальных стирлингостроителей", заинтересовавшихся теоретическим КПД двигателя "Стирлинга" , столкнулся с множеством вопросов и заново вспомнил (да и пересмотрел с практической точки зрения) законы термодинамики. В итоге, так до конца и не выяснил, почему же при таких хороших показателях в теории, все так плохо обстоит на практике. Вот то, что смог нарыть в Интернет.

1. Теоретический КПД, вроде бы, может быть равен КПД идеального цикла Карно (то есть максимально возможному, при определенной разнице температур), но при условии "идеального" регенератора, с коэффициентом теплопередачи 1,0. Вот тут неясно. В одних источниках пишут, что максимальный коэффициент 0,5, обосновывая тем, что тепло будет переходить от горячего тела к холодному, пока не сравняется их температура, то есть достигнет половины разницы температур горячего и холодного тела (тот самый коэффициент 0,5). Но в некоторых источниках упоминается коэффициент теплопередачи регенератора до 0,98, при этом не описывается, каким образом это достигается. Где правда, непонятно.
2. Альфа-стирлинг (два цилиндра с поршнями - горячий и холодный) имеет проблемы со смазкой горячего поршня. Тогда почему именно этот тип пользуется популярностью?
3. Бетта-стирлиг (один цилиндр, с вытеснителем в горячей части и поршнем в холодной) и гамма-стирлинг (два цилиндра - горячий с вытеснителем и холодный с поршнем) не имеют проблем со смазкой, так как трение о стенки только в холодном цилиндре, а вытеснитель имеет зазор от стенок цилиндра и не нуждается в смазке. То есть, такие двигатели могут работать с большой разницей температур, а значит с большим КПД. Но, почему-то, они считаются менее перспективными, чем альфа-стирлинги.

К тому же, важным показателем, влияющим на КПД, является время циклов (количество оборотов) - чем оно больше, тем лучше теплообмен и выше КПД. Но, при этом, наблюдается «гонка за оборотами», которую обосновать чем-то, кроме как маркетинговыми интересами довольно трудно. То есть, причина типа «потери в редукторе при низких оборотах» не выдерживает критики - такие потери исчисляются всего лишь процентами, а прирост КПД может быть выше 10-30%. Поэтому, создается ощущение, что разработчики гонятся больше за такими характеристиками, как удельная мощность и оборотистость, чтобы противопоставить «стирлинги» ДВС, а КПД приносят в жертву.

Но ведь можно оставить пока гонки с ДВС на транспорте и сосредоточится на стационарных двигателях Стирлинга, работая над повышением их КПД и удешевлением конструкции. Работающие на любом виде топлива, в том числе и на солнечной энергии, эти двигатели могут, в перспективе, конкурировать с солнечными батареями. И у них неплохие перспективы в области возобновляемой энергии, в том числе древесное топливо, которое за счет солнечной энергии «восстанавливается» за несколько десятилетий. И опять же, всеядность этих двигателей позволяет создавать электростанции (в том числе бытовые) комбинированного типа - пока есть солнце, работает от солнечной энергии, когда нет, то на твердом топливе.

Правда, достижение высокого КПД, это не единственное направление, за которое стоит бороться, двигатели Стирлинга имеют еще один недостаток - так как источник тепла находится за пределами объема двигателя, а рабочее тело (газ) имеет низкую теплопроводность, то получается, что в работе участвует только газ, находящийся у стенок цилиндра. А значит, что отношение роста мощности к увеличению объема цилиндра, находится в обратной квадратичной зависимости. То есть, чтобы увеличить мощность в 5 раз, надо увеличить объем цилиндра в 25 раз.
Именно поэтому, на заре «стирлингостроения» более-менее мощные двигатели были массивнее даже паровых машин при той же мощности. Сейчас эта проблема решается путем накачки двигателя газом под большим давлением, то есть увеличивается масса рабочего тела при том же объеме. Но этот путь тоже тупиковый - в двигателях больше пары литров, опять же, стоит та же проблема, квадратичное отношение роста объема к росту мощности. Да и проблемы с утечкой рабочего тела при давлениях в 100-200 атмосфер трудно решить.

На этом фоне, более перспективным видится другое решение - заставить работать весь газ внутри двигателя, независимо от объема. Такое решение, несмотря на простоту реализации было предложено только недавно (источник - http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) - поставить насос или вентилятор, которые будут создавать потоки газа внутри двигателя. И, по аналогии с вентилятором, дующим на радиатор, будет увеличиваться скорость охлаждения стенок цилиндров рабочим газом двигателя и обеспечиваться максимальное участие этого газа в работе, независимо от размера цилиндра. По идее, это должно дать толчок развитию двигателей Стирлинга, так как позволяет создавать довольно простые и мощные варианты этих двигателей.
А если не гнаться за массогабаритными показателями автомобильных ДВС, то, может быть, скоро мы наконец то услышим о двигателях, работающих на дровах или солнечной энергии, с КПД 60-70%. И пусть они не смогут конкурировать по размерам с ДВС, но зато могут обеспечить выработку дешевой электроэнергии. А это, в свою очередь, может поспособствовать увеличению экономической целесообразности электромобилей. Ну, а в сочетании с получающими распространение пиролизными котлами, может привести к полной автономии в энергоснабжении жилья (особенно новых домов, для подключения которых к электросети и газопроводу требуется немалая сумма).

Вот как-то так. Буду рад услышать критику моих выкладок.

Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, детальное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций, показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.

При движении вытеснителя в бета-конфигурации изменение состояния рабочего тела происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных стирлингах, ниже потери на трение, т. к. давление на поршень более равномерно. Схожая картина в альфа-стирлингах с разным диаметром поршней. Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку, равномерно распределённую между поршнями, т. е. между рабочим поршнем и штоком вытеснителя.

Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого теплообмена, кроме передачи тепла от рекуператора рабочему телу. И этот нагрев тут же совершает полезную работу При изобарном сжатии происходит отдача тепла рекуператору.
В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.

Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

• Альфа-Стирлинг - содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

• Бета-Стирлинг - цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

• Гамма-Стирлинг - тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра - один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Также существуют разновидности двигателя Стирлинга не попадающие под вышеуказанные три классических типа:

• Роторный двигатель Стирлинга - решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, т.к. двигатель роторный) .

Недостатки

• Материалоёмкость - основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела - водород, гелий.

• Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно , а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

• Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

• «Всеядность» двигателя - как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
• Простота конструкции - конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
• Увеличенный ресурс - простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
• Экономичность - в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.
• Бесшумность двигателя - стирлинг не имеет выхлопа, а значит - не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).
• Экологичность - сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Применение

Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока

Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим компактный преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Термоакустика – раздел физики о взаимном преобразовании тепловой и акустической энергии. Он образовался на стыке термодинамики и акустики. Отсюда такое название. Наука эта очень молодая. Как самостоятельная дисциплина она возникла в конце 70-х годов прошлого века, когда швейцарец Никалаус Ротт закончил работу над математическими основами линейной термоакустики. И всё же она возникла не на пустом месте. Её возникновению предществовали открытия интересных эффектов, которые мы просто обязаны рассмотреть.

С ЧЕГО ЭТО НАЧИНАЛОСЬ
Термоакустика имеет длинную историю, которая берёт своё начало более двух веков назад.

Первые официальные записи о колебаниях, порождаемых теплом, сделаны Хиггинсом в 1777 г. Он экспериментировал с открытой стеклянной трубкой, в которой акустические колебания возбуждались с помощью водородной горелки, расположенной определённым образом. Этот опыт вошёл в историю, как «поющее пламя Хиггинса».

Рисунок 1. Поющее пламя Хиггинса

Однако, современным физикам более известен другой эксперимент, получивший название «трубка Рийке». В процессе своих опытов Рийке создал новый музыкальный инструмент из органной трубки. Он заменил водородное пламя Хиггинса на подогреваемый проволочный экран и экспериментально показал, что самый сильный звук рождается в том случае, когда экран расположен на расстоянии четверти трубки от её нижнего конца. Колебания прекращались, если накрыть верхний конец трубки. Это доказывало, что для получения звука необходима продольная конвективная тяга. Работы Хиггинса и Рийке позже послужили основой для зарождения науки о горении, которая сегодня применяется везде, где используется это явление от

Рисунок 2. Трубка Рийке.

горения пороховых шашек до ракетных двигателей. Явлениям, протекающим в трубке Рийке посвящены тысячи диссертаций во всём мире, но интерес к этому устройству не ослабевает до сих пор.

В 1850 г. Сондхаусс обратился к странному явлению, которое наблюдают в своей работе стеклодувы. Когда шарообразное утолщение из горячего стекла гонит воздух в холодный конец трубки стеклодува, генерируется чистый звук. Анализируя явление, Сондхаусс обнаружил, что звук генерируется, если нагревать шарообразное утолщение на конце трубки. При этом звук изменяется с изменением длины трубки. В отличие от трубки Рийке трубка Сондхаусса не зависела от конвективной тяги.

Рисунок 3. Трубка Сондхаусса.

Похожий эксперимент позже осуществил Таконис. В отличие от Сондхаусса он не подогревал конец трубки, а охлаждал его криогенной жидкостью. Это доказывало, что для генерации звука важен не подогрев, а перепад температур.
Первый качественный анализ колебаний, вызванных теплом, был дан в 1887 г. Лордом Рэлеем. Сформулированное Рэлеем объяснение перечисленных выше явлений сегодня известно термоакустикам как принцип Рэлея. Он звучит примерно так: «Если газу передать тепло в момент наибольшего сжатия или отобрать тепло в момент наибольшего разряжения, то это стимулирует колебания. » Несмотря на свою простоту, эта формулировка полностью описывает прямой термоакустический эффект, то есть преобразование тепловой энергии в энергию звука.

Вихревой эффект

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect ) - эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. В конце 1931 г Ж.Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как труба Ранке). Получить патент удается только в 1934 году в Америке (Патент США № 1952281). В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода.

С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.

Существуют и применяются вихревые теплогенераторы и микрокондиционеры.

В этом мире есть вещи гениальные, непостижимые и совершенно нереальные. Настолько нереальные, что кажутся артефактами из некой параллельной Вселенной. К числу таких артефактов наряду с двигателем Стирлинга, вакуумной радиолампой и чёрным квадратом Малевича в полной мере относится т.н. "турбина Тесла".
Вообще говоря отличительная черта всех подобных вещей - абсолютная простота. Не упрощённость, а именно простота. То есть как в творениях Микеланджело - отсутствует всё лишнее, какие-то технические или смысловые "подпорки", чистое сознание, воплощённое "в железе" или выплеснутое на холст. И при всём при этом абсолютная нетиражность. Чёрный Квадрат - это своего рода "орт" искусства. Второго такого написанного другим художником быть не может.

Всё это в полной мере относится и к турбине Тесла. Конструктивно она представляет собой несколько (10-15) тонких дисков, укреплённых на оси турбины на небольшом расстоянии друг от друга и помещённые в кожух, напоминающий милицейский свисток.

Не стоит и объяснять, что дисковый ротор намного более технологичен и надёжен, чем даже "колесо Лаваля", я уж молчу о роторах обычных турбин. Это первое достоинство системы. Второе состоит в том, что в отличие от других типов турбин, где для ламинаризации течения рабочего тела необходимо принимать специальные меры. В турбине Тесла рабочее тело (которым может быть воздух, пар или даже жидкость) течёт строго ламинарно. Поэтому потери на газодинамическое трение в ней сведены к нулю: КПД турбины составляет 95%.

Правда следует иметь в виду, что КПД турбины и КПД термодинамического цикла - несколько разные вещи. КПД турбины можно охарактеризовать, как отношение энергии, преобразуемой в механическую энергию на валу ротора турбины к энергии рабочего цикла (то есть разнице начальной и конечной энергий рабочего тела). Так КПД современных паровых турбин так же весьма высок - 95-98%, однако КПД термодинамического цикла в силу ряда ограничений не превышает 40-50%.

Принцип действия турбины основан на том, что рабочее тело (допустим - газ), закручиваясь в кожухе, за счёт трения "увлекает" за собой ротор. При этом отдавая часть энергии ротору, газ замедляется, и благодаря возникающей при взаимодействии с ротором кориолисовой силе, подобно чаинкам в чае "скатывается" к оси ротора, где имеются специальные отверстия, через которые осуществляется отвод "отработанного" рабочего тела.
Турбина Тесла, как и турбина Лаваля преобразует кинетическую энергию рабочего тела. То есть превращение потенциальной энергии (например сжатого воздуха или перегретого пара) в кинетическую необходимо произвести до подачи на ротор турбины с помощью сопла. Однако турбина Лаваля, имея в целом достаточно высокий КПД, оказывалась крайне неэффективной на низких оборотах, что заставляло конструировать редукторы, размеры и масса которых многократно превышали размеры и массы самой турбины. Фундаментальным отличием турбины Тесла является тот факт, что она вполне эффективно работает в широком диапазоне частот вращения, что позволяет соединять её вал с генератором непосредственно. Кроме того, турбина Тесла легко поддаётся реверсированию.

Интересно, что сам Никола Тесла позиционировал своё изобретение, как способ высокоэффективного использования геотермальной энергии, которую он считал энергией будущего. Кроме того турбина без каких-либо переделок может превратиться в высокоэффективный вакуумный насос - достаточно раскрутить её вал от другой турбины или электродвигателя.

Технологичность турбины Тесла позволяет изготавливать её варианты буквально из чего угодно: дисковый ротор можно сделать из старых компакт-дисков или "блинов" от вышедшего из строя компьютерного "винчестера". При этом мощность такого двигателя не смотря на "игрушечные" материалы и габариты получается весьма внушительной. Кстати о габаритах: двигатель мощностью 110 л.с. был не больше системного блока нынешнего персонального компьютера.

Устройства на эффекте Ранка

Эффект Ранка с самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации - в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы - его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто - добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам. Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение - например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».

Суть эффекта Ранка

При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) - область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.

Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил - стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!

Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее - возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.

На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина - главный соперник бензинового мотора - обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина. Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора с бесшумностью и "всеядностью" паровой установки. Это - знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Физика процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду - цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5-7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».
Однако попытки увеличить мощность до 250 л. с. окончились полным провалом. Машина с цилиндром диаметром 4,2 метра развивала меньше 100 л. е., огневые камеры прогорели, и судно, на котором были установлены двигатели, погибло.
Инженеры без сожаления распрощались с этими слабосильными мастодонтами как только появились мощные, компактные и легкие бензомоторы и дизели. И вдруг, в 1960-е, спустя почти 80 лет о «стирлингах» и «эриксонах» (будем условно называть их так по аналогии с дизелем) заговорили как о грозных соперниках двигателей внутреннего сгорания. Разговоры эти не утихают и поныне. Чем же объясняется такой крутой поворот во взглядах?

Цена методичности

Когда узнаешь о старой технической идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: что же препятствовало ее осуществлению раньше? В чем состояла та проблема, та «зацепка», без решения которой она не могла проложить себе дорогу в жизнь? И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новому материалу. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением.
Теоретические расчеты показывают, что к.п.д. «стирлингов» и «эриксонов» могут достигать 70 процентов - больше, чем у любого другого двигателя. А это значит, что неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, скрупулезное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка каждой детали позволили реализовать преимущества цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали КПД 39 процентов! (к.п.д. бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, соответственно 28-30 и 32-35 процентов.) Какие же возможности «просмотрели» в свое время и Стирлинг и Эриксон?
той самой емкости, в которой попеременно то запасается, то отдается тепло. Расчет регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры принимались на глазок, а как показывают расчеты, КПД двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от качества регенератора. Правда, его плохую работу можно в определенной степени компенсировать повышением давления.
Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности - малыми.
Доведя к.п.д. регенератора до 98 процентов и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры наших дней увеличили экономичность и мощность «стирлингов», которые даже в таком виде показали к.п.д. более высокий, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь еще не исчерпываются достоинства этих возрожденных из забвения машин.

Как работает Стирлинг

Принципиальная схема двигателя внешнего сгорания :
1 - топливная форсунка;
2 - выпускной патрубок;
3 - элементы воздухоподогревателя;
4 - подогреватель воздуха;
5 - горячие газы;
6 - горячее пространство цилиндра;
7 - регенератор;
8 - цилиндр;
9 - ребра охладителя;
10 - холодное пространство;
11 - рабочий поршень;
12 - ромбический привод;
13 - шатун рабочего поршня;
14 - синхронизирующие шестерни;
15 - камера сгорания;
16 - трубки нагревателя;
17 - горячий воздух;
18 - поршень-вытеснитель;
19 - воздухоприемник;
20 - подвод охлаждающей воды;
21 - уплотнение;
22 - буферный объем;
23 - уплотнение;
24 - толкатель поршня-вытеснителя;
25 - толкатель рабочего поршня;
26 - ярмо рабочего поршня;
27 - палец ярма рабочего поршня;
28 - шатун поршня-вытеснителя;
29 - ярмо поршня-вытеснителя;
30 - коленчатые валы.
Красный фон - контур нагрева ;
точечный фон - контур охлаждения

В современной конструкции «стирлинга», работающего на жидком топливе, - три контура, имеющих между собой лишь тепловой контакт. Это контур рабочего тела (обычно водорода или гелия), контур нагрева и контур охлаждения. Главное назначение контура нагрева - поддерживать высокую температуру в верхней части рабочего контура. Контур охлаждения поддерживает низкую температуру в нижней части рабочего контура. Сам контур рабочего тела замкнут.
Контур рабочего тела . В цилиндре 8 движутся два поршня - рабочий 11 и поршень-вытеснитель 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела, движение его вниз вызывается расширением газа и сопровождается совершением полезной работы. Движение поршня-вытеснителя вверх выжимает газ в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Движение же его вниз соответствует нагреванию газа. Ромбический привод 12 сообщает поршням перемещение, соответствующее четырем тактам цикла ({на схеме показаны эти такты).
Такт I - охлаждение рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18 движется вверх, выжимая рабочее тело через регенератор 7, в котором запасается тепло нагретого газа, в нижнюю, охлаждаемую часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в НМТ.
Такт II - сжатие рабочего тела. Энергия, запасенная в сжатом газе буферного объема 22, сообщает рабочему поршню 11 движение вверх, сопровождающееся сжатием холодного рабочего тела.
Такт III - нагревание рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18, почти примкнув к рабочему поршню 11, вытесняет газ в горячее пространство через регенератор 7, в котором к газу возвращается тепло, запасенное при охлаждении.
Такт IV - расширение рабочего тела - рабочий такт. Нагреваясь в горячем пространстве, газ расширяется и совершает полезную работу. Часть ее запасается в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя.
Контур нагрева . Воздух вентилятором нагнетается в воздухоприемник 19, проходит через элементы 3 подогревателя, нагревается и попадает в топливные форсунки. Получившиеся горячие газы нагревают трубки 16 нагревателя рабочего тела, обтекают элементы 3 подогревателя и, отдав свое тепло воздуху, идущему на сжигание топлива, выбрасываются через выпускной патрубок 2 в атмосферу.
Контур охлаждения . Вода через патрубки 20 подается в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра 9 охладителя, непрерывно охлаждает их.

"Стирлинги" вместо ДВС

Первые же испытания, проведенные пол-века назад, показали, что «стирлинг» почти идеально бесшумен. У него нет карбюратора, форсунок с высоким давлением, системы зажигания, клапанов, свечей. Давление в цилиндре, хотя и повышается почти до 200 атм, но не взрывом, как в двигателе внутреннего сгорания, а плавно. На двигателе не нужны глушители. Ромбовидный кинематический привод поршней полностью уравновешен. Никаких вибраций, никакого дребезжания.
Говорят, что, даже приложив руку к двигателю, не всегда удается определить, работает он или нет. Эти качества автомобильного двигателя особенно важны, ибо в крупных городах остро стоит проблема снижения шума.
А вот другое качество - «всеядность». По сути дела, нет такого источника тепла, который не годился бы для привода «стирлинга». Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, на соломе, на угле, на керосине, на ядерном горючем, даже на солнечных лучах. Он может работать на теплоте, запасенной в расплаве какой-нибудь соли или окисла. Например, расплав 7 литров окиси алюминия заменяет 1 литр бензина. Подобная универсальность не только сможет всегда выручить водителя, попавшего в беду. Она разрешит остро стоящую проблему задымления городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и расплавляет соль в баке. В черте города топливо не сжигается: двигатель работает на расплаве.
А регулирование? Чтобы сбавить мощность, достаточно выпустить из замкнутого контура двигателя в стальной баллон нужное количество газа. Автоматика сразу же уменьшает подачу топлива так, чтобы температура оставалась постоянной независимо от количества газа. Для повышения мощности газ нагнетается из баллона снова в контур.
Вот только по стоимости и по весу «стирлинги» пока уступают двигателям внутреннего сгорания. На 1 л. с. у них приходится 5 кг, что намного больше, чем у бензинового и дизельного моторов. Но не следует забывать, что это еще первые, не доведенные до высокой степени совершенства модели.
Теоретические расчеты показывают, что при прочих равных условиях "стирлинги" требуют меньших давлений. Это - важное достоинство. И если у них найдутся еще и конструктивные преимущества, то не исключено, что именно они окажутся самым грозным соперником двигателей внутреннего сгорания в автомобилестроении. А вовсе не турбины.

"Стирлинг" от компании GM

Серьезная работа по усовершенствованию двигателя внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Предложены различные конструктивные варианты двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Есть проекты моторов с наклонной шайбой для регулирования хода поршней, запатентован роторный двигатель, в одной из роторных секций которого происходит сжатие, в другой - расширение, а подвод и отвод тепла осуществляется в соединяющих полости каналах. Максимальное давление в цилиндрах отдельных образцов доходит до 220 кГ/см 2 , а среднее эффективное давление - до 22 и 27 кГ/см 2 и более. Экономичность доведена до 150 г/л.с./час.
Наибольшего прогресса достигла компания General Motors, которая в 1970-е годы построила V-образный «стирлинг» с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Один цилиндр у него рабочий, другой - компрессионный. В рабочем находится только рабочий поршень, а поршень-вытеснитель - в компрессионном цилиндре. Между цилиндрами расположены подогреватель, регенератор и охладитель. Угол сдвига фаз, иначе говоря угол отставания одного цилиндра от другого, у этого «стирлинга» равен 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной в тот момент, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвых точках). Смещение фаз в движении поршней достигается расположением цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «стирлинг». Но он уступает двигателю с ромбическим кривошипным механизмом в уравновешенности. Для полного уравновешивания сил инерции в V-образном двигателе число его цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Принципиальная схема V-образного «стирлинга» :
1 - рабочий цилиндр;
2 - рабочий поршень;
3 - подогреватель;
4 - регенератор;
5 - теплоизолирующая муфта;
6 - охладитель;
7 - компрессионный цилиндр.

Рабочий цикл в таком двигателе протекает следующим образом.
В рабочем цилиндре 1 газ (водород или гелий) нагрет, в другом, компрессионном 7 - охлажден. При движении поршня в цилиндре 7 вверх газ сжимается - такт сжатия. В это время начинает двигаться вниз поршень 2 в цилиндре 1. Газ из холодного цилиндра 7 перетекает в горячий 1, проходя последовательно через охладитель 6, регенератор 4 и подогреватель 3 - такт нагревания. Горячий газ расширяется в цилиндре 1, совершая работу, - такт расширения. При движении поршня 2 в цилиндре 1 вверх газ перекачивается через регенератор 4 и охладитель 6 в цилиндр 7 - такт охлаждения.
Такая схема «стирлинга» наиболее удобна для реверсирования. В объединенном корпусе подогревателя, регенератора и охладителя (об их устройстве речь пойдет позже) для этого сделаны заслонки. Если перевести их из одного крайнего положения в другое, то холодный цилиндр станет горячим, а горячий - холодным, и двигатель будет вращаться в обратную сторону.
Подогреватель представляет собой набор трубок из жаростойкой нержавеющей стали, по которым проходит рабочий газ. Трубки нагреваются пламенем горелки, приспособленной для сжигания различных жидких топлив. Тепло от нагретого газа запасается в регенераторе. Этот узел имеет большое значение для получения высокого КПД. Он выполнит свое назначение, если будет передавать примерно в три раза больше тепла, чем в подогревателе, и процесс займет меньше 0,001 секунды. Словом, это быстродействующий аккумулятор тепла, причем скорость теплопередачи между регенератором и газом составляет 30 000 градусов в секунду. Регенератор, КПД которого равен 0,98 единицы, состоит из цилиндрического корпуса, в котором последовательно расположены несколько шайб, изготовленных из проволочной путанки (диаметр проволоки 0,2 мм). Чтобы тепло от него не передавалось холодильнику, между этими агрегатами установлена теплоизолирующая муфта. И наконец, охладитель. Он выполнен в виде водяной рубашки на трубопроводе.
Мощность «стирлинга» регулируется изменением давления рабочего газа. Для этой цели двигатель оборудуется газовым баллоном и специальным компрессором.

Достоинства и недостатки

Чтобы оценить перспективы применения «стирлинга» на автомобилях, проанализируем его достоинства и недостатки. Начнем с одного из важнейших для теплового двигателя параметров, так называемого теоретического КПД Для «стирлинга» он определяется следующей формулой:

η = 1 - Тх/Тг

Где η - КПД, Тх - температура «холодного» объема и Тг - температура «горячего» объема. Количественно этот параметр у «стирлинга» - 0,50. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин, бензиновых и дизельных двигателей, у которых теоретический КПД соответственно равен 0,28; 0,30; 0,40.
Как двигатель внешнего сгорания. стирлинг» может работать на различных топливах: бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже на твердом. Такие характеристики топлива, как цетановое и октановое числа, зольность, температура выкипания при горении вне цилиндра двигателя, для «стирлинга» не имеют значения. Чтобы он работал на разных топливах, не требуется больших переделок - достаточно лишь заменить горелку.
Двигатель внешнего сгорания, в котором горение протекает стабильно с постоянным коэффициентом избытка воздуха, равным 1.3. выделяет значительно меньше, чем двигатель внутреннего сгорания, окиси углерода, углеводородов и окислов азота.
Малая шумность «стирлинга» объясняется низкой степенью сжатия (от 1,3 до 1,5). Давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в бензиновом или дизельном двигателе. Отсутствие колебаний столба газов в выпускном тракте определяет бесшумность выхлопа, что подтверждено испытаниями двигателя, разработанного фирмой «Филлипс» совместно с фирмой Ford для автобуса.
«Стирлинг» отличается малым расходом масла и высокой износостойкостью благодаря отсутствию в цилиндре активных веществ и относительно низкой температуре рабочего газа, а надежность его выше, чем у известных нам двигателей внутреннего сгорания, так как в нем нет и сложного газораспределительного механизма.
Важное преимущество «стирлинга» как автомобильного двигателя - повышенная приспособляемость к изменениям нагрузки. Она, например, на 50 процентов выше, чем у карбюраторного мотора, за счет чего можно уменьшить число ступеней в коробке передач. Однако совсем отказаться от сцепления и коробки передач, как в паровом автомобиле, нельзя.
Но почему же двигатель с такими очевидными достоинствами до сих пор не нашел практического применения? Причина проста - у него немало еще неустраненных недостатков. Главнейшие среди них - большая сложность в управлении и регулировке. Существуют и другие «рифы», которые не так просто обойти и конструкторам и производственникам.- в частности, поршням нужны очень эффективные уплотнения, которые должны выдерживать высокое давление (до 200 кГ/см2) и препятствовать попаданию масла в рабочую полость. Во всяком случае, 25-летняя работа фирмы «Филлипс» по доводке своего двигателя пока не смогла сделать его пригодным для массового применения на автомобилях. Немаловажное значение имеет характерная особенность «стирлинга» - необходимость отводить с охлаждающей водой большое количество тепла. В двигателях внутреннего сгорания значительная часть тепла выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшими газами. В «стерлинге» же в выхлоп уходит только 9 процентов тепла, получаемого при сгорании топлива. Если в бензиновом двигателе внутреннего сгорания с охлаждающей водой отводится от 20 до 25 процентов тепла, то в «стирлинге» - до 50 процентов. Это значит, что автомобиль с таким двигателем должен иметь радиатор примерно в 2-2.5 раза больше, чем у аналогичного бензинового мотора. Недостатком «стирлинга» является и его высокий удельный вес по сравнению с распространенным ДВС. Еще довольно существенный минус - трудность повышения быстроходности: уже при 3600 об/мин значительно возрастают гидравлические потери и ухудшается теплообмен. И наконец. «стирлинг» уступает обычному двигателю внутреннего сгорания в приемистости.
Работы по созданию и доводке автомобильных «стирлингов», в том числе для легковых машин, продолжаются. Можно считать, что в настоящее время принципиальные вопросы решены. Однако еще много дел по доводке. Применением легких сплавов можно понизить удельный вес двигателя, но он все равно будет выше. чем у мотора внутреннего сгорания, из-за более высокого давления рабочего газа. Вероятно, двигатель внешнего сгорания найдет применение в первую очередь на грузовых автомобилях, особенно военных - благодаря своей нетребовательности к топливу.