Из журнала Model Engineer, июль-сентябрь 1981 г
Двигатель Стирлинга типа Райдер объемом 35см^3
Анди Росс, США
Эта машина Райдера (альфа - прим.перев.) рабочим объемом 35см^3 разработана для двух определенных целей. Главная цель - предоставить для любого независимого экспериментатора с двигателями Стирлинга, будь то профессионал или любитель, дешевый, простой и легко модифицируемый маленький двигатель Стирлинга, подходящий в качестве использования как тестовая машини или как "частичная" машина. Вторая цель - сделать для себя и других моделистов привлекательный маленький двигатель Стирлинга, обладающий потенциалом стать 100-ваттной машиной низкого давления, подходящей для приведения в действие байдарок, велосипедов или других приспособлений "в одну человеческую силу" мощностью. В идеале, знания, полученные через опыт и экспериментирование различных строителей, будут объединены в базовую конструкцию, и получится действительно практичная машина.
Я выбрал двухпоршневую машину типа Райдера за ее простоту и хорошую производительностью. Отсутствие концентричного штока вытеснителя (и его уплотнения) в любом поршне сильно упрощает не только изначальное конструирование, но также постоянную сборку и разборку, которая необходима в экспериментаторской работе с машиной. Потенциал Райдера по достижению хорошей, высокоскоростной работы был умело продемонстрирован недавно машиной для соревнований "Ergo II" Р.С.Роббинса (R.S.Robbins) объемом 19см^3. Моя 35-сантиметровая машина дает большую скорость и мощность, и все это представляет собой только ранний этап разработки.
После долгих дискуссий я решил использовать кривошип в виде коромысла, а не более простую V-образную компоновку, потому что такая геометрия дает очень низкие боковые силы на поршнях (благодаря очень малым углам соединяющих штоков) и близко расположенные, параллельные цилиндры. Низкие боковые нагрузки на поршень позволяют использовать множество различных схем смазки поршня, включая возможность использования сухой смазки или поршней, покрытых тефлоном, что, в соединении с игольчатыми подшипниками на коромысле дает более или менее безмасляную машину с низким трением. Многие конструкторы боятся загрязнения регенератора маслом при обычной схеме смазки, хотя Филип с использовали такую смазку в своих воздушных машинах, явно успешно. Я уверен, что еще слишком рано говорить, будет ли действительно необходима безмасляная конструкция, но некоторые экспериментаторы, по понятным причинам, хотят заниматься ей и машина с коромыслом скорее позволит это, чем машина с V-образной компоновкой. Гибкость в этом направлении, очевидно, желательна в тестовом двигателе общего назначения.
Близко размещенные параллельные цилиндры тоже расширяют гибкость конструкции, в данном случае, конструкции теплообменников. Разработчик всегда может соединить близкие цилиндры с короткими или длинными теплообменниками; даже с простым и эффективным кольцевым нагревателем и регенератором, охладитель (который тогда служит для соединения цилиндров) все еще может быть сделан коротким. Такие короткий, прямые каналы могут быть легко сделаны на станке, собраны и уплотнены; в серийной версии машины они могут быть даже отлиты под давлением. Головки цилиндра в V-образной компоновке находятся гораздо дальше друг от друга, и, особенно если разработчик хочет сохранить кольцевой нагреватель и регенератор, соединительные каналы (холодильник) обязательно будут достаточно длинными, с существенным вредным пространством. Такое расположение может оказаться вполне удовлетворительным, но (опять) еще слишком рано говорить уверенно.
Особенности конструкции
Коромысло, используемой в этой конструкции, дает 90 градусов сдвига по фазе с движением поршней, вполне аналогичным тому, которое имеется в V-образной компоновке; но применение коромысла допускает любой фазовый угол, который может пожелать разработчик. Из теоретических соображений следует, что фазовый угол в схеме Райдера должен быть около 100 градусов; как показано ниже, это может быть легко получено, используя только лишь чуть другую геометрию коромысла. Фактически, картер становится заметно более компактным, если при разработке сразу задаться этим, большим значением фазового угла. Даже в теории, увеличение мощности не будет большим; но следует отметить, что при росте фазового угла общий рабочий объем (total swept volume) уменьшается для любого заданного хода поршня. Таким образом, в соревновании, в котором критерием оценки служит мощность на единицу общего рабочего объема, больший фазовый угол может быть очень полезен.
Использование коромысла также предоставляет многие необычные возможности. Например, если бы было некоторое преимущество в использовании сильно отличающихся отношений диаметр цилиндра/ход поршня в горячем и холодном цилиндрах (например, для приспособления свободной от утечек диафрагмы с коротким ходом в холодном цилиндре, которая вместе с огромным диаметром цилиндра используется для установки изотермализаторов), то коромысло позволяет такую конструкцию с тем же самым хорошим балансом. Для этого разработчику следует всего лишь сдвинуть картер и применить коромысло с горизотальными ручками разной длины. Стоит только сесть и набросать различные устройства коромысла, как напрашивается множество других идей.
Однако, наиболее критичные части конструкции любого двигателя Стирлинга - это не механизм коленвала, а нагреватель, регенератор и охладитель. Именно эти части в наибольшей степени определяют мощность, скорость и эффективность, а также допустимые для работы газы и допустимое давление. Площадь нагревателя - это, вероято, ключевая величина, определяющая производительность машины.
При использовании воздуха в качестве рабочего тела, 8 ватт на квадратный дюйм (1,25Вт/см^2 - перев ) - это обычная цифра для двигателя Стирлинга с регенератором. Если машина выдает меньше этой величины, то, вероятно, она допускает более высокий уровень давления.
Некоторые читатели могут удивиться почему так подчеркивается роль нагревателя, а не холодильника - ведь оба они существенны для производительности машины? Но в случае холодильника относительно легко добиться достаточной поверхности теплообмена, особенно вследствие того, что почти любая часть машины, кроме нагревателя, является в какой-то степени холодильником. Тепло от рабочего газа теряется в цилиндрах, поршнях, головках цилиндров, соединительных каналах, даже в регенераторе, так же, как и собственно в холодильнике.
Принимая решение, какое сечение, площадь, вредное пространство и отношенией длина/диаметр (или длина/ширина) использовать в нагревателе и холодильнике, наиболее полезное руководство - это использовать производительность, достигнутую в уже известных разработках. В моем случае, я в большой степени полагаюсь на мои собственные предыдущие машины, особенно на 65-кубовую 80-ваттную машину с ромбическим приводом, и на наиболее впечатляющую 200-ваттную машину Филипс 102С. Таблица 1 показывает, на мой взгляд, очень полезные данные о конструкции этих машин, а также параметры рассматриваемой новой 35-кубовой машины типа Райдер. Я мог бы на этой странице долго и занудно рассказывать о конструкцировании теплообменников, но это не дало бы ничуть не больше, чем можно извлечь из внимательного изучения таблицы 1. Я надеюсь, другие разработчики начнут предоставлять такие данные об их конструкциях, так, что эта таблица могла бы быть пополнена и стала бы еще более полезной.
| Двигатель | Philips 102C | 35см^3 дв. Росса с коромыслом | 65см^3 дв. Росса с ромбическим приводом | G.M.GPU с ромбическим приводом |
| Тип | бета | альфа | бета | бета |
| Макс. объем горячей полости, см^3 | 62 | 25 | 75 | 117 |
| Общий ометаемый объем, см^3 | 62 | 35,4 | 65 | 117 |
| Отношение макс.объема гор.полости к общему ометаемому объему | 1 | 0,7 | 1,15 | ~1 |
| Газ; среднее давление, бар | воздух; 12-15 | воздух; 1-? | воздух; 2,7 | гелий; 67 |
| Мощность, ватт | 250-689 | 44-? | 81 | 6000 |
| Общее вредное пр-во (нагреватель, холодильник, регенератор), см^3 | 30,8 | 10,3 | 19,8 | 133 |
| Т нагревателя, С | 650-800 | примерно 650 | примерно 650 | 700 |
| Макс. скорость без нагрузки, об/мин | 4700 | 2100 | ||
| Нагреватель | ||||
| Тип | кольцевой с оребрением | кольцевой | кольцевой | трубчатый |
| Кол-во элементов | 180 | 1 | 1 | 40 |
| Площадь внутренней поверхности, см^2 | 378 | 45,8 | 71,6 | 588 |
| Площадь внешней поверхности, см^2 | 374 | 48 | 73 | 955 |
| Длина нагреваемой части, см | 3,76 | 3,18 | 3,8 | 15,5 |
| Общая длина, см | 3,76 | 3,18 | 3,8 | 24,1 |
| Сечение для прохода газа, см^2 | 1,35 | 0,58 | 0,95 | 2,84 |
| Вредное пространство, см^3 | 5,1 | 1,9 | 3,6 | 69 |
| Внутренние размеры |
Ширина: 0,3мм |
Зазор: 0,406мм |
Зазор: 0,508мм |
Диам: |
| Внешние размеры |
Диам: 4,76см |
Диам: 6,11см | Диам: 0,4826см (0,19дюйма, ошибка - перев) |
|
| Регенератор | ||||
| Тип | Кольцевой | Кольцевой | Кольцевой | 8 банок |
| Длина, см | 3,18 | 1,59 | 1,91 | 2,26 |
| Внутр.диам, см | нет данных | нет данных | нет данных | 2,26 |
| Площадь сечения, см^2 | 9,16 | 4,03 | 4,8 | 7,81 |
| Общий объем, см^3 | ~26,2 | 6,78 | 14,9 | 72,1 |
| Степень заполнения | ~25% | 11% | 16% | 29% |
| Вредное пр-во, см^3 | ~20,5 | 6,03 | 12,5 | 52 |
| Охладитель | ||||
| Тип | оребрение | оребрение | оребрение | трубчатый |
| Охлаждение | воздушное | водяное | водяное | водяное |
| Кол-во элементов | 180 | 25 | 120 | 312 |
| Внутр.поверхность, см^2 | 380 | 75 | 190 | 460 |
| Длина, см | 3,8 | в среднем, 4,4 | 3,8 | 4,6 |
| Площадь сечения, см^2 | 1,34 | 0,54 | 0,97 | 2,5 |
| Вредное пр-во, см^3 | 5,06 | 2,4 | 3,7 | 11,8 |
| Внутренние размеры |
Ширина: 0,300мм |
Ширина: 0,711мм Глубина: 3,1см |
Ширина: 0,508мм Глубина: 0,16см |
Диам: 1,02см |
| Разные соотношения | ||||
| Общий объем регенератора/макс. объем горячей полости | 44% | 27% | 20% | 61% |
| Площадь внутр.пов.нагревателя/площадь внутр. пов. охладителя | 1 | 0,61 | 0,32 | 1,28 |
|
Половина макс. объема горячей полости/Активный объем нагревателя |
6,1 | 6,8 | 12,4 | 1,33 |
| То же для охладителя | 6,1 | 5,2 | 10,2 | 5 |
| Мощность на см^2 внешней поверхности нагревателя, Вт | 4-11,8 | 5,9 при 1 атм | 7,2 | 40,5 |
| Мощность/см^3 ометаемого объема/атмосферу давления | 0,3-0,75 | 1,24 | 0,46 | 0,76 |
| Активный объем нагревателя/общий объем регенератора | 0,25 | 0,27 | 0,24 | 0,85 |
| Объем охладителя/общий объем регенератора | 0,25 | 0,36 | 0,30 | 0,23 |
| Макс.объем горячей полости/площадь сечения нагревателя, см | 0,14 | 0,15 | 0,08 | 0,15 |
| Макс.объем горячей полости/площадь сечения регенератора, см | 0,94 | 1,1 | 0,66 | 1,8 |
| Макс.объем горячей полости/площадь сечения охладителя, см | 0,14 | 0,14 | 0,084 | 0,13 |
| Относительное вредное пр-во (вычисленное вредное пр-во нагревателя, регенератора и охладителя, деленное на макс. объем горячей полости) | 49% | 41% | 26% | 113% |
| Отношение длина/диаметр для активной части нагревателя | 125 | 78 | 62,5 | 21,4 |
| Отношение длина/диаметр для активной части охладителя | 125 | 62,5 | 75 | 45,3 |
