Авторами было проведено исследование по новым возможностям применения двигателя Стирлинга. В данной статье приводятся примеры для развития  основных предпосылок новой концепции означенной темы.

А именно, для создания свободнопоршневого двигателя Стирлинга нужно изменить «угол зрения» рассматриваемых проблем. Для этого авторы изучили такое поле приложения, как энергетический сектор, о чём имеется ряд публикаций в научных сборниках Международных Конференций по энергетике [1]. Например, авторами рассматриваются вопросы применения двигателя Стирлинга для целей автономного энергоснабжения.

Рассмотрим основные положения указанного исследования:

1. Двигатели с внешним подводом теплоты (двигатели Стирлинга) конструкционно практически не поменялись с момента их создания в 19-ом веке.
2. Одним из недостатков двигателя Стирлинга является значительное превышение, чем в ДВС количества трущихся сопряженных деталей, что приводит к необоснованным потерям КПД.
3. В этой связи авторами было проведено консультирование со специалистами по трибологии, исследованы работы С.Б. Герасимова по данной тематике и проведен ряд экспериментов [3].
4. Также было выявлено в результате проведённых экспериментов, что ещё одним недостатком двигателя Стирлинга является «завышенная», увеличенная масса агрегата по сравнению с другими конструкциями двигателей.
5. В результате исследовательской работы, проведённой авторами, авторы предложили свой путь модернизации двигателя Стирлинга, который заключается в применении свободнопоршневой линейной конструкции двигателя с оппозитным расположением цилиндров.

Цель:

Разработать, отвечающий современным требованиям, двигатель для применения в энергоустановках различного назначения.

Введение:

Повышение экологических требований к энергооборудованию заставляет разработчиков выходить на новый уровень исследований. Понятно, что основным аспектом при выработке энергии, теперь ставятся вопросы о необходимости повышения КПД двигателей. Вторым важным условием для выполнения этого требования является   поиск новых конструкций энергоустановок. Есть и третий фактор, который сегодня не может не учитывать разработчик. Это себестоимость предлагаемой энергоустановки. Современные рыночные условия, в сфере энергоустановок,  не дают шанса на разработку какого-либо нового агрегата, когда тормозятся все перспективные разработки в угоду быстро заработанным деньгам. Поэтому авторами и было произведено исследование на данную тему с учётом всех изложенных факторов.

Сегодня тепловой КПД Атомных Электростанций составляет примерно 30%, что является не достаточным с точки зрения авторов. Экологи даже вывели целый класс негативных параметров таких, как «тепловое загрязнение экологической среды» [4], при котором начинают создаваться необратимые последствия для экологической ситуации. Причём от усиленного теплового воздействия даже начинает падать КПД атомных энергоустановок. Такие критерии по тепловому загрязнению являются аналогичными и при широком распространении ТЭС (Теплоэлектростанций). Авторы видят свой путь в решении означенной проблемы, который заключается в повышении КПД энергоустановок, за счет применения новых, ранее не использованных технологий.

Итак, рассмотрим основные виды, применяемых на сегодняшний день, двигателей для энергоустановок.

На автотранспорте и в небольших энергоустановках (до 500 КВт/ч) получили всеобщее распространение двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Что само по себе не снимает вопроса о необходимости получения в большом количестве высокопотенциального топлива, с высокой температурой сгорания и ряда других, зависимых от типа ДВС свойств топлива, что особенно важно при неизменно сокращающемся объёме нефти на планете Земля.

Не менее широкое распространение в средней и крупной энергетике получили паровые турбины, пришедшие на смену поршневым паровым машинам. Однако при всех плюсах паровых турбин, которые работают на ТЭС без цикла когенерации, у этих турбин есть один недостаток. Этот недостаток заключается в том, что при работе используется только «богатый пар», а при подаче бедного пара, т.е. при снижении давления пара, резко падает КПД.

На базе же двигателя Стирлинга возможна организация подачи практически любого вида топлива, за счёт применения внешнего подвода теплоты. Также возможна работа двигателя и в альтернативных источниках энергии (гелио и геотермальные установки). Двигатель Стирлинга (ДС) наиболее предпочтителен для преобразования из тепловой энергии в механическую энергию. Когда разница температур отличается всего на несколько градусов. Но ДС являются не экономичными из-за большого количества трущихся сопряжённых частей, а также ДС имеют низкую плотность энергии по сравнению с аналогами.

Задачи:

1. Проанализировать все концепции существующих двигателей, в том числе ДС.
2. Выявить недостатки в существующих двигателях с целью их исправления.
3. Разработать компоновку двигателя, с учётом всех недостатков и требований, предъявляемым, к современным энергоустановкам.

Рассмотрим стандартные компоновки ДС (Двигателей Стирлинга).

Первые двигатели с внешним подводом теплоты были известны ещё в конце XVII века. Но запатентованный, в 1816 году Робертом Стирлингом двигатель отличался новизной. Прежде всего, нововведением Стирлинга стало введение в конструкцию двигателя регенератора рабочего тела, что повысило КПД двигателя.

В основном существует три типа двигателей Стирлинга т.е.: Альфа-Стирлинг; Бета-Стирлинг; Гамма-Стирлинг; [2].

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий объём горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую - через регенератор.

Гамма-Стирлинг —  в нём 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 (теплообменник) в данной конструкции может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических вида.

Авторская разработка.

Проанализировав все предыдущие попытки, авторы разработали свою конструкцию линейного двигателя Стирлинга (ЛДС). Значительная часть ЛДС разработана по принципу работы «Гамма-Стирлинга». Все вышеупомянутые двигатели имеют ряд недостатков таких как: 1- повышенная масса агрегата; 2- значительные потери КПД; 3- строгие требования к обслуживающему персоналу; 4- пониженная плотность энергии на единицу мощности; 5- низкий ресурс агрегата; и ещё целый ряд сопутствующих проблем, которые авторы смогли решить в результате проведённого исследования.

Авторы предложили отказаться от жёсткой привязки поршней друг к другу, где данную роль будут осуществлять линейные двигатели и генераторы тока. Поэтому и изменяется принцип работы ЛДС.

Рис.1: 1-Поршень холодного цилиндра; 2-Поршень горячего цилиндра; 3-теплообменник; 4-Холодный цилиндр; 5-Горячий цилиндр; 6-Постоянный магнит (якорь); 7-Статор (электромагнит).

Принцип работы авторской конструкции двигателя (рис.1). В теплообменнике 3 происходит нагрев рабочего тела, в связи с чем происходит расширение рабочего тела (РТ), которое приводит в движение горячий поршень 2 горячего цилиндра 5. Далее посредством соединительного штока приводится в движение холодный поршень 1, который выталкивает остывшее и уменьшившееся в объёме, рабочее тело (РТ) в противоположный теплообменник. Далее рабочий цикл повторяется, когда насыщенное РТ  приводит в движение горячий поршень, а он, в свою очередь, приводит в движение холодный поршень, который снова вытесняет рабочее тело, обратно в противоположный теплообменник.

Следует пояснить, что горячий и холодный поршни жестко соединены, а между ними на соединительном штоке установлен постоянный магнит 6, который при каждом возвратно-поступательном движении поршней наводит магнитное поле на статор 7, представляющий из себя электромагнит, в результате в нём образуется ЭДС (электродвижущая сила).

Авторы также предлагают регулировать согласование работы поршневых пар, при помощи «подтормаживания» или «подталкивания» одного из поршней за счёт включения в работу одного электромагнита.

Таким образом, как видно из схемы выше, данная конструкция двигателя является менее массивной, т.к. в ней отсутствуют шатуны, храповики, лишние коленчатые валы. Схема двигателя максимально упрощена с целью удешевления и упрощённой схемы производства, эксплуатации, ремонта.

Заключение:

Авторами были произведены поиски наиболее подходящего типа двигателя для автономного энергоснабжения. Было принято решение в данной работе, что целесообразно остановиться на двигателе Стирлинга (ДС). Далее авторами было решено усовершенствовать ДС, т.к. патентные поиски привели к знакомству с разнообразием вариаций ДС. Однако вариативность отличалась  лишь  усложнением конструкции, но при этом наблюдалось падение как КПД, так и потребительских свойств (сложность ремонта, уменьшение плотности энергии на единицу массы и т.д.). Проведёнными авторскими исследованиями доказывается, что применение авторской конструкции ДС возможно, в том числе и для автономного энергоснабжения, причём  в установках альтернативной энергетики. Применение же данной установки целесообразно и в ряде областей промышленности и сельского хозяйства. Особенно это рационально применять там где, требуется получение максимального КПД при стеснённых массогабаритных характеристиках объекта.

Выводы:

1. В статье был приведён краткий анализ существующих моделей двигателей, и авторы решили в данном исследовании остановиться на усовершенствовании двигателя Стирлинга.
2. Авторы разработали новую модель двигателя Стирлинга, которая отвечает предъявляемым к двигателям параметрам.
3. Авторская модель ЛДС имеет улучшенные показатели в сравнении с аналогами, что выражается: в уменьшении цены изделия; уменьшении стоимости ремонта агрегата; в повышении КПД двигателя; и ряде других, не менее важных показателей.

Литература:

1. Ершов И.А., Принцев Н.В., Томановский Я.Ю. // «Разработка Электромагнитных поршневых двигателей и их технические особенности» // Транспорт России: проблемы и перспективы-2014 // ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко РАН // стр.302-306 СПБ 2014г.
2. Г. Уокер // «Машины, работающие по принципу двигателя Стирлинга» // перевод с английского / изд. «Энергия» Москва  1978г. 152с.
3. Г. Корн, Т. Корн // Справочник по математике для научных работников и инженеров / Издание четвёртое / изд. «Наука» Главная Редакция Физико-Математической Литературы / Москва 1977г. 832с.
4. А.П. Еперин // «О проблеме охлаждения технической воды атомных электрических станций» // Междисциплинарный научный и прикладной журнал «Биосфера» // том-3 №1 2011г. СПб стр.38-40.

Соискатель Принцев Н.В.

(«Научный Центр» Ленинградская Область)

Соискатель Ершов И.А.

 («Научный Центр» Ленинградская Область)

Соискатель Томановский Я.Ю.

(НПК «Древо» Ленинградская Область)