Б. Р. Арапов, Б. Б. Арапов

Неисчерпаемым и экологически чистым источником энергии для земли является энергия солнечных лучей. На поверхность земли от нашего светила поступает огромное количество тепла, которое является и первоисточником других видов энергии, таких как энергия ветра, воды и биомассы земли. Однако пока использование энергии солнца в общем балансе энергопотребления землян небольшое. Несмотря на это, нет сомнения в том, что в будущем одним из главных источников энергоснабжении людей, станет солнце.

Вопрос использования энергий солнца для получения электричества и разработка для этого новой эффективной технологии и оборудования на сегодняшний день является наиболее актуальной задачей, стоящей перед учеными и исследователями в нашей Республике.

Трудности использования тепла солнечных лучей для производства электроэнергии заключаются в первую очередь в необходимости ее сбора с огромной площади и связанная с этим сложность и дороговизна инженерных конструкций, используемых для этих целей. Следующая трудность заключается в отсутствии эффективных способов и оборудования, дороговизна существующих технологий и устройств, предназначенных для преобразования собранной тепловой энергии в электрическую. Сейчас для этой цели, в основном, используются солнечные батареи, преобразующие энергию солнечных лучей непосредственно в электрическую энергию и традиционный способ, работающий по многоступенчатой схеме «парогенератор – паровая турбина – электрогенератор». Однако пока стоимость солнечных батареи очень высокие для широкого их использования в быту, а второй способ эффективен только при больших мощностях энергоустановки, составляющих сотни и тысячи МВт.

Широкому использованию бесплатной, неисчерпаемой и экологически чистой энергии солнца сейчас препятствует ряд трудностей. Одним из них является все еще недостаточно эффективные преобразователи (двигатели) тепловой энергии солнца в электрическую энергию.

Тепловую энергию солнечных лучей, а так же энергию, выделяемую в процессе ядерного распада некоторых радиоактивных элементов, использовать в двигателях внутреннего сгорания невозможно. Поэтому разработка новой и совершенствование существующей технологий преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, будет связана с использованием для этой цели двигателей наружного сгорания.

Как известно, КПД двигателей наружного сгорания, работающие по циклу Стирлинга тем выше, чем выше избыточное давление рабочей среды в цилиндре, в качестве которой в основном используются водород, гели или воздух. Согласно данным многочисленных источников [1-4], эффективность работы ДНС, работающих по циклу Стирлинга, достигается при давлении рабочей среды порядка 15÷20 МПа (150÷200 атм.) и при использовании в качестве рабочей среды водород.

Именно эти обстоятельства препятствуют широкому использованию ДНС и делает его в настоящее время неконкурентоспособной по сравнению с ДВС. Это связано с тем, что большое давление рабочей среды и необходимость надежной герметизации подвижных частей двигателя, предъявляют повышенные требования к конструкции самого двигателя и ее уплотнительных систем. Поскольку утечка рабочей среды из замкнутой системы приводит к снижению ее давления, и как следствие падению эффективности ее работы, поэтому герметизация замкнутой системы двигателя должна быть абсолютно надежной.

Обеспечение надежной герметичности системы с избыточным давлением в сотни атмосфер и при наличий уплотняемых подвижных частей двигателя, является весьма сложной и дорогостоящей задачей. Сложная конструкция, используемые дорогостоящие материалы и технология изготовления уплотнительной системы ДНС, является одним из основных причин повышающих ее стоимости. Кроме того, тяжелая работа уплотнения приводит к частому выходу их из строя, что приводят к высоким эксплуатационным расходам. Проблема уплотнения подвижных частей, является одной из сложных для двигателей, работающих по циклу Стирлинга.

Поэтому конструкторами фирм «Филипс», «Дженерал моторс», «Юнайтед Стирлинг» и «Форд» и других, прилагаются значительные усилия по созданию различных конструкции уплотнений. На рисунке 1 показана конструкция уплотнения штока типа «скатывающийся чулок», разработанный фирмой «Филипс» [5].

2

3 6

5

Рисунок 1 – Уплотнения штока типа скользящего «скатывающий сячулок», фирмы «Филипс» [5]

Основным элементом системы уплотнения, показанной на рисунке 1, является тонкая непроницаемая для газа упругая резиновая диафрагма. Чтобы избежать механических повреждений диафрагмы, разность давлений с обеих сторон уплотнения поддерживается на минимальном уровне, составляющем примерно 0,5 МПа, и поддерживается благодаря системе подкачки масла и регулирующему клапану. Несмотря на то, что с технической точки зрения это уплотнение является наиболее подходящим для двигателей Стирлинга, оно не находит широкого распространения на практике из за трудности изготовления и наличия сложной системы регулирования давления компенсирующего масла.

2

3

5

1 – распределительное кольцо, 2 – шток, 3 – корпус двигателя, 4 – уплотняющий элемент из фторопласта-4, 5 – запорное кольцо, 6 – крышка сальника.

Несмотря на надежность в обеспечении герметичности системы и достаточную для практического использования долговечность сальниковое уплотнение требует совершенствования и дальнейшей модернизации. Поскольку в конструкций системы, показанной на рисунке 2 уплотняющий сальник работает в условиях, когда перепад давления (напор) на один уплотняющий элемент доходит до 15 МПа, обязательно происходит проскок небольшого объема газа в атмосферу. При длительной работе, это приводит к постепенному падению давления рабочего газа в цилиндре, и снижению эффективности работы двигателя. Это требует регулярной накачки рабочего газа в цилиндр из баллона, с заполненным газом (водород или гели), с высоким давлением (до 200 МПа).

Имея высокие физические, термо- и гидродинамические характеристики (применительно к работе двигателя Стирлинга), рабочие газы, как водород и гели имеют ряд недостатков. В случае водорода, он, во-первых, взрывоопасен и во-вторых, имеет свойство внедряться в структуру металла рабочего цилиндра, постепенно охрупчивая его, что приводит к преждевременному разрушению и выходу из строя двигателя. У гелия характеристики несколько ниже водорода, он безопасен и нейтрален к металлу, но имеет очень высокую стоимость производства.

Поэтому воздух, несмотря на низкие показатели физических, термо- и гидродинамических характеристик, по сравнению с водородом и гелием, обладает рядом преимуществ таких, как доступность, безопасность, нейтральность по отношению металла конструкций двигателя и наконец он не требует дополнительных емкостей для хранения. Накачка воздуха в рабочий цилиндр двигателя при этом, можно осуществить прямо с окружающей среды.

Применение воздуха в качестве рабочей среды в двигателях наружного сгорания позволит организовать их производство в массовом объеме. Даже при относительно низких характеристиках применение воздуха как рабочей среды при работе двигателя от тепла солнечного света, бесплатной и безграничной, в смысле запаса, и экологически чистой, становится экономически выгодной.

При работе двигателя на воздухе можно сконструировать систему уплотнения штока таким образом, что ее конструкция упростится в разы, а надежность и долговечность значительно улучшится. С этой целью разработана конструкция узла уплотнения штока, состоящая из нескольких уплотнительных элементов, расположенных последовательно друг за другом вдоль цилиндрической поверхности силового штока.

12 8
13

1 – бронзовая центрирующая втулка, 2 – распределительные кольца, 3 – крейцкопф, 4 – маслосъемный сальник, 5 – к трубопроводу, соединенный с рабочим пространством, 6 – забор воздуха, 7 – уплотняемый шток, 8 – вал компрессора, 9 – запорные кольца, 10 – рабочий цилиндр, 11 – рабочий поршень, 12 – рабочее пространство, 13 – буферное пространство.

Многоступенчатый компрессор обеспечивает необходимые величины и соотношения избыточного давления в полостях, благодаря соединению полостей рабочего цилиндра, буферного объема и полостей узла уплотнения к соответствующим цилиндрами компрессора, как это показано на рисунке 3. Компрессор будет работать в начальный период при первоначальном заполнений полостей сжатым воздухом и после достижения нужных величин давления, он останавливается. Однако он может периодически включиться в работу автоматически в случае, если среднее давление в рабочем пространстве (цилиндре) снизится, ниже установленной величины.

1. 
   В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонов, М.Г. Круглов, А.Г. Шувалов Двигатели Стирлинга. Под редакцией М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1977.
   
2. 
   Г. Уокер Машины, работающие по циклу Стирлинга. Перевод с английского Б.В. Сутугина. М.: Энергия, 1978.
   
3. 
   Г. Уокер Двигатели Стирлинга. Сокращенный перевод с английского Б.В. Сутугина и Н.В. Сутугина. М.: машиностроение, 1985.
   
4. 
   Г. Ридер, Ч. Хупер Двигатели Стирлинга. Перевод с английского д.т.н. С.С. Ченцова, к.т.н. Е.Е. Черейского и В.И. Кабакова. М.: Мир, 1986.
   
5. 
   Percival W.H., Rept CR-121097, NASA, 1974.
   
6. 
   Kitzner E.W., Rept CR-159836, NASA, 1980.
   

УДК 621.41 (088.8)

Одним из основных препятствий к широкому использованию двигателей наружного сгорания, работающих по циклу Стирлинга, является условия его работы и связанные с этим сложности герметизации замкнутой системы двигателя. В статье приводится усовершенствованная конструкция уплотнительного устройства, используемое в двигателях Стирлинга, работающих от солнечной энергий. В отличие от известных устройств, в предлагаемой системе решена проблема упрощения конструкций уплотнения штока с корпусом и повышения ее долговечности. Ил. 3, библиогр. 6 назв.

Стирлинг циклы бойынша жұмыс жасайтын сырттан жану қозғалтқыштарының кең қолданылуын шектеп отырған кедергілердің бірі, оның жұмыс істеу ерекшелігіне байланысты тұйықталған жүйесін тығыздау күрделілігі болып табылады. Мақалада күн энергиясын пайдаланып жұмыс жасайтын Стирлинг қозғалтқышының жетілдірілген тығыздағыш құрылымы келтірілген. Оның белгілі конструкцияларынан ерекшелігі, ұсынылып отырған құрылымда Стирлинг қозғалтқыштарының конструкциясында кездесетін поршень штогының корпуспен арасын тығыздауды оңайлату мәселелері шешілген. Сурет 3, библиогр. 6 атау.

Английское название статьи Б.Р. Арапова, Б.Б. Арапова
THE METHOD RAISING OF RELIABILITY AND LOWING OF COST SEAL SYSTEM OF EXTERNAL COMBUSTION ENERGY


Түйіні

Мақалада күн энергиясын пайдаланып жұмыс жасайтын Стирлинг қозғалтқышының жетілдірілген тығыздағыш құрылымы келтірілген. Оның белгілі конструкцияларынан ерекшелігі, ұсынылып отырған құрылымда Стирлинг қозғалтқыштарының конструкциясында кездесетін поршень штогының корпуспен арасын тығыздауды оңайлату мәселелері шешілген.
Summary

The some versions of new perfect construction of engine by Sterling, working with use sun energy are presented. The propounding construction in contrast to of engine by Sterling has simple compact system of, piston with cylinder and are reduce load on constructive elements of engine.
Резюме

В статье приводится усовершенствованная конструкция уплотнительного устройства, используемое в двигателях Стирлинга. В отличие от известных устройств, в предлагаемой системе решена проблема упрощения конструкций и повышения ее долговечности.

Английское название статьи Б.Р. Арапова, Б.Б.Арапова