|
Статья с нашей кафедральной конференции, июнь 2008 г.
ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ,
ОБЕСПЕЧИВШИЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА
В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК
В.В, Юрин, К.О. Смирнов, С.П. Столяров (СПб, ГМТУ)
Успешное окончание испытаний подводной лодки «SAGA I» в 1988 положило начало применению двигателей Стирлинга в энергетических установках боевых подводных лодок. Главные достоинства этих двигателей, определившие их перспективность, состоят в высокой экономичности, возможности работы от различных источников теплоты, хороших вибро-акустических характеристиках. Тепловыделение при внешнем сгорании обеспечивает независимость параметров рабочего процесса от глубины погружения и относительную простоту и надежность внешнего нагревательного контура.
Первый двигатель Р. Стирлинга был построен в 1818 году. Этот был одноцилиндровый двигатель вытеснительного типа. Несколько позже, в 1827 г. Р. Стирлинг предложил использовать вместо атмосферного воздуха химически стойкие газы, в частности, азот и двуокись углерода. Тогда же была разработана система поддержания повышенного давления в рабочем контуре, что обеспечило значительное увеличение мощности двигателя. Эти мероприятия были реализованы в 1843 году, в двигателе, установленном на металлургическом заводе для привода станков. В нем впервые был применен поршень двойного действия, охладители кожухотрубного типа и регенератор с пористой насадкой из тонких металлических полос. Этот двигатель стал также первым многоцилиндровым двигателем этого типа /1/.
Дальнейшие работы над двигателями Стирлинга в значительной степени определялись достижениями в смежных областях, в частности, в металлургии, технологии уплотнений, кинематических механизмов и камер сгорания. Отработка инженерных решений осуществлялась и на других типах двигателей, а именно, на паровых машинах, двигателях внутреннего сгорания, двигателях Эриксона.
С середины 1930-х годов работы по двигателю Стирлинга возобновлены в Голландии на фирме «Филипс». Одна из главных целей этих работ, – обеспечение высокого КПД, – обусловила применение компактных нагревателей, работающих при температуре более 800 К. После окончания Второй мировой войны на фирме «Филипс» был создан ромбический механизм для привода поршней. Практически одновременно были опробованы несколько кинематических схем для двигателей двойного действия, в том числе компактная схема с наклонной шайбой.
В 1960-е годы на фирмах «Филипс» и «Дженерал Моторс» были созданы первые макетные образцы энергетических установок подводного назначения, в том числе с химическим источником теплоты на композиции Na+Li+SF6. В двигателях Стирлинга началось широкое применение гелия в качестве рабочего тела, преднагревателя для повышения эффективности внешнего контура, высокотемпературных сплавов на основе никеля для деталей горячей части двигателя, регенераторов из капиллярной сетки или проволоки /2/.
Применение гелия или водорода обусловило создание штоковых и поршневых уплотнений, работающих либо без смазки, либо с полной герметизацией рабочей полости. Уплотнения, работающие в режиме сухого трения были созданы с использованием материалов на базе фторопласта Ф-4 с наполнением углеродом, дисульфидом молибдена и других компонентов, обеспечивающих высокую несущую способность, интенсивный теплоотвод и антифрикционные свойства.
С целью выравнивания температурного поля нагревателя на фирме «Филипс» впервые были применены системы передачи теплоты в виде тепловых труб или циркуляционных контуров с использованием жидких металлов в качестве теплоносителя. В этих работах были впервые опробованы в качестве источников теплоты тепловые аккумуляторы и воздухо-независимые химические источники теплоты /3/.
Наибольшие успехи в 1970 – 80-х гг. были получены на шведской фирме «Юнайтед Стирлинг». Созданная ими компоновка в виде квадратной четверки с общей камерой сгорания для всех цилиндров на сегодня является единственной, применяемой на подводном флоте. Общая камера сгорания при работе на дизельном топливе и кислороде с коэффициентом избытка окислителя равным 1 для понижения температуры пламени до 2200 К имеет внутреннюю рециркуляцию продуктов сгорания за счет энергии поступающего кислорода.
Кинематический V-образный механизм этих двигателей сочетает в себе компактность, конструктивную простоту и идентичность рабочего процесса в четырех независимых контурах.
В 1980-е гг. на ряде фирм, в том числе фирмой «Санпауэр», были созданы Стирлинг–генераторы в капсулированных вариантах с общим прочным корпусом для кривошипно-шатунного механизма и электрогенератора. В этих двигателях исключается потеря рабочего тела через уплотнения в подвижных деталях и значительно упрощаются проблемы, относящиеся к поршневым и штоковым уплотнениям.
Появлению первого двигателя Стирлинга на подводной лодке предшествовали работы фирмы «Юнайтед Стирлинг» (в настоящее время входит в состав концерна «Кокумс»), в которых опытные образцы последовательно отрабатывались в лабораторных условиях, в составе наземных макетов отсека подводной лодки и в герметизированных автономных модулях, которые на заключительной стадии испытаний погружались под воду.
Список литературы.
1. Столяров С. П., Медведев В. В. Эволюция поршневых энергетических машин. Хронологические таблицы (период до 1850 г.). Часть 1. СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2001. 108 с.
2.Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Сокр. пер. с англ. Б. В. Сутугина и Н. В. Сутугина. – М.: Машиностроение, 1985. – 408 с., ил.
3. Hargreaves C.M. The Philips Stirling Engine. – Amsterdam: Elsevier, 1991. – 457 c.
_________________
Дизелисты обязаны знать все!
|
Вход
Регистрация
FAQ
Поиск
