Двигатель Стирлинга, принцип работы
14.03.2005
В этом двигателе основным нововведением является наличие промежуточного контура, выполняющего роль буферной емкости для отработанного газа и временного замедлителя, дающего возможность нагреть газ за время движении кулачка по промежуточному контуру. Размеры контуров можно менять, газовые магистрали также можно изменять, можно отказаться от клапанов, внутри ротора можно разместить электродвигатель, тем самым конструкция будет полностью герметичной, или заменить рекуператор регенератором, и т.п. Достоинство конструкции в относительной простоте, аналогичные схемы давно используются в гидронасосах высокого давления. Современные достижения трибологии позволяют обойтись без смазки и без "компрессионных" устройств. Роторный принцип имеет значительные положительные качества, которые недоступны поршневым двигателям, и первое из них - это миниатюрность, позволяющая сделать не только миниатюрным сам двигатель, но и разместить внутри него электрогенератор без существенного увеличения размеров. Другое важное преимущество - постоянство крутящего момента, т.к. плечо ротора постоянно. Еще одно преимущество - это строгая очередность протекания тактов - ротор переходит в следующий сегмент только после того, как полностью отработал в предыдущем, в поршневом же двигателе движение поршней подчинено синусоидальному закону, что снижает усилие газа на величину противодавления. К тому же, многие конструкции содержат газовый демпфер, т.е. картер под давлением, что также снижает мощность на величину противодавления в картере. Немаловажным качеством является и то, что отсутствуют возвратные движения, ротор движется только поступательно, нет необходимости демпфирования, что также увеличивает эффективный кпд. Еще одним положительным качеством является то, что в теплопереносе участвует весь объем рабочего тела, а не часть его, как в поршневых двигателях.
РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА
(принцип работы)
На фигуре 1 изображена секция роторного двигателя внешнего сгорания с кулачковым ротором.
На фигуре 2 изображены такты рабочего цикла роторного двигателя внешнего сгорания.
На фигуре 3 изображена секция роторного двигателя внешнего сгорания с роликовым ротором.
Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из преобразователей энергии механической и тепловой. Секция двигателя внешнего сгорания содержит один статор 16 (фиг.1), оборудованный тремя подвижными пластинами 6, 12, 17, прижимаемыми к поверхности ротора 13 посредством пружин 28, 11, 19. Статор 16 с торцов закрыт торцевыми крышками (не показаны). Внутри статора 16 на силовом вале 15 вращается по стрелке "а" ротор 13, оборудованный кулачками 14 и, возможно, 9. Внутренний объем статора посредством подвижных пластин 6, 12, 17 разделен на силовой ("с"), промежуточный ("п") и вытеснительный ("в") контуры, а сами пластины герметично прижимаются под действием пружин 28, 11, 19 к ротору 13 и к торцевым крышкам и тем самым противодействуют проникновению рабочей среды из одного контура в другой, минуя каналы, соединяющие эти контуры. При прохождении через подвижные пластины кулачка 14 ротора 13 подвижные пластины отжимаются в тело статора 16. Каналы разделяются на выходной 24, оборудованный обратным или выпускным клапаном 18, перепускной 29, оборудованный обратным клапаном 20, и, при наличии на роторе 13 кулачков 9, 14, входные – 3, 2, оборудованные впускными клапанами 7, 8 и обратными клапанами 1, 30. Каналы проходит, как правило, через преобразователь тепловой энергии, состоящий из нагревателя ("н") 5, регенератора ("р") 26 и холодильника ("х") 4 (или в обратной последовательности), но, для уменьшения динамического сопротивления и удобства компоновки, возможна схема проводки каналов как на фигурах 1, 2, которые проходят через регенератор и/или через какой-либо из конечных преобразователей тепловой энергии. Внутренний объем статора и каналов заполнен рабочей средой, которой может быть, например, газ - пар, водород, гелий или другой подходящий для этого наполнитель.
Роторный двигатель внешнего сгорания работает следующим образом. Запуск двигателя производится после разогрева нагревателя ("н") 5 и охлаждения холодильника ("х") 4 и принудительного проворота силового вала 15 по стрелке "а" на один-два оборота. При этом замкнутый цикл Стирлинга осуществляется за три такта при постоянно протекающем выпуске (фиг.2): положение I – сжатие-впуск; положение II – перепуск-охлаждение,нагрев; положение III – рабочий ход. Стрелками показано движение газа: волнистой – горячего, пунктирной – теплого, ровной – холодного.
Такт I - сжатие-впуск – вытеснение в регенератор холодного газа и после его предварительного подогрева проталкивание его в нагреватель. Кулачек 14 ротора 13 движется по стрелке "а" в вытеснительном контуре "в" и, сжимая холодный газ (рабочую среду) в этой области статора 16, вытесняет его в канал 27, проходящий через регенератор 26 и, по каналу 3, в нагреватель 5. В увеличивающуюся нижнюю область контура "в" при продвижении в ней кулачка 14 втягивается из канала 29 холодный газ, выходящий из промежуточного контура "п" через холодильник 4. При этом после выхода кулачка 14 из контура "в" в контур "п" обратные клапаны 25,30,1 не позволят газу после увеличения объема вследствие нагрева переместиться в контур "в".
Такт II - перепуск-охлаждение,нагрев. При продвижении кулачка по контуру "п" происходит вытеснение теплого газа через холодильник 4 (где происходит его охлаждение) в контур "в". При этом в контур "п" газ поступает под давлением или засасывается из силового контура "с", пройдя предварительно через регенератор "р" и оставив там часть тепла. За время продвижения кулачка 14 по контуру "п" происходит достаточный нагрев газа в нагревателе 5, при этом газ концентрируется в нагревателе, где его удерживают обратный клапан 30 и впускной клапан 8.
Такт III – рабочий ход. При вхождении кулачка 14 в силовой контур "с" после прохождения им подвижной пластины 12 принудительно открывается впускной клапан 8, при этом горячий газ под большим давлением толкает кулачек 14 (т. к. пластину 12 сдвинуть невозможно) по стрелке "а", тем самым осуществляется вращение силового вала 15. . Одновременно кулачком 14 вытесняется горячий газ из силового контура "с", оставшийся там после предыдущего рабочего хода, в регенератор 26, ранее охлажденный проходом холодного газа, где отдает часть теплоты, и затем поступает в промежуточный контур "п". В момент перехода кулачка 14 через подвижные пластины (6, 12 или 17, фиг.1) – последние отжимаются кулачком за внутреннюю поверхность статора 16 и беспрепятственно пропускают кулачек 14 (подвижные пластины всегда прижаты пружинами 11, 19, 28 к поверхности кулачка 14 и ротора 13), при этом происходит отсекание газа и обеспечивается герметичность контуров. Далее процесс повторяется.
Выпуск горячего газа из контура "с" в канал 24 открыт постоянно.
Для осуществления двукратного действия (т.е. количества рабочих ходов за один оборот силового вала) требуется дооборудование ротора 13 дополнительным кулачком 9 (что улучшит балансировку ротора), и нагревателя 5 дополнительным входным каналом 2 с обратным клапаном 1 и впускным клапаном 7. При этом теплый газ из регенератора 26 под действием кулачков 14, 9 будет поочередно вталкиваться в каналы 2 или 3, т. к. если в одном из них будет происходить нагрев, то высокое давление не позволит втолкнуть в него порцию газа, поэтому газ войдет в канал, в котором уже упало давление. Каналы 2 и 3 соединены с впускным каналом 10, впуск горячего газа в который регулируется впускными клапанами 7, 8. Таким образом, увеличивая количество кулачков ротора и входных каналов кратность можно увеличить до разумной достаточности.
В описанном двигателе отсутствует осаждение продуктов сгорания или реакций на внутренней поверхности статора от рабочей среды, что позволит применить в нем роликовый ротор 13 (фиг.3), посаженный на кривошип 31 силового вала 15 и катящийся по внутренней поверхности статора 16.
