CC BY
46Воздухонезависимые двигатели
внешнего сгорания
для судовых энергоустановок
В.И. Карагусов, профессор Омского государственного технического университета, д.т.н.
Двигатели внешнего сгорания на базе пульсационной трубы и термоакустики являются перспективными для судовых энергоустановок. В них могут отсутствовать механически подвижные детали и узлы, что определяет длительный ресурс, высокую надёжность, минимальные шумы и вибрации. Для работы такие двигатели могут использовать любое топливо, практически не требуют обслуживания.
__Ключевые слова:
судовые энергоустановки, воздухонезависимые двигатели Стирлинга,
пульсационная труба, термоакустика.
вигатели внешнего сгорания имеют ряд преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания. В наибольшей степени эти преимущества могут быть реализованы в судовых энергоустановках [1]. Основное преимущество двигателей внешнего сгорания - возможность использования в них как традиционных топлив (бензин, дизельное топливо), так и альтернативных (природный газ, спирты, солнечная и ядерная энергии и пр.) [2, 3]. Другим преимуществом двигателей внешнего сгорания (за исключением паровых, которые не будут рассматриваться в данной статье) являются более низкие уровни шумов и вибраций этих двигателей [4, 5].
Единственным двигателем внешнего сгорания, который использовался и используется в судовых энергоустановках, является двигатель Стирлинга [6].
Создание судовых двигателей Стир-линга требует решения целого ряда технических и технологических задач, что осуществлено в настоящее время только в некоторых странах, которые произво-
дят и ставят серийные судовые двигатели Стирлинга в анаэробные системы автономного энергоснабжения на подводные лодки.
На рис. 1 показана воздухонезависи-мая система автономного энергоснабжения подводной лодки на базе двигателя Стирлинга, работающего от СПГ и жидкого кислорода [7].
На рис. 2 показана схема двигателя Стирлинга с параллельным расположением поршней.
При сжигании топлива в камере сгорания 8, которая находится снаружи рабочих объемов двигателя, теплота сгорания передаётся через стенки цилиндра в «горячую» полость 7, где нагревает рабочее тело. Рабочее тело через регенератор 4, газовые каналы 6 и 9, соединительную трубку 13 поступает в «холодную» полость 11, где охлаждается через стенку цилиндра от охладителя 10. Поршень 12 и вытеснитель 5 должны двигаться строго синхронно с определённым сдвигом фаз. Уплотнения 2, 3 и 14 предотвращают перетекание рабочего тела.
Рис. 1. Воздухонезависимая система автономного энергоснабжения подводной лодки на базе двигателя Стирлинга
Рис. 2. Схема двигателя Стирлинга с параллельным расположением поршней: 1 - шток вытеснителя; 2 - уплотнение штока; 3 - уплотнение вытеснителя; 4 - регенератор; 5 - вытеснитель; 6, 9 - газовые каналы; 7 - «горячая» полость; 8 - камера сгорания; 10 - охладитель «холодной» полости; 11 - «холодная» полость; 12 - поршень; 13 - соединительная трубка; 14 - уплотнение поршня; 15 - шток поршня; 16 - коленчатый вал
При всех положительных свойствах двигателя Стирлинга он обладает и рядом недостатков, таких как сравнительно большие габариты и масса, инерционность, сложность регулирования. Но основными проблемами, сдерживающими применение двигателей Стирлинга, являются конструктивные и материаловедческие.
Основные трудности создания двигателей Стирлинга можно разделить на три основные группы:
• Теплообмен в двигателях Стирлинга проходит в тяжёлых условиях. С одной стороны, сжигаемое в камере сгорания 8 топливо должно отдать теплоту рабочему телу (как правило, гелию) в «горячую» полость 7 через ограниченную площадь поверхности торца цилиндра, которую трудно развить из-за неизбежного увеличения мёртвого объёма. С другой стороны, теплообмен в регенераторе 4 требует высоких значений теплоёмкости и теплопроводности насадки регенератора при высоких температурах (до 900 °С), а также отсутствия паров смазки в рабочем теле. Охлаждение рабочего тела в «холодной» полости также осуществляется в условиях дефицита теплообменной поверхности.
• Уплотнение 3 вытеснителя 5 и уплотнение 14 поршня 12 должны работать в условия сухого трения, то есть без жидкой смазки, так как пары и туман масла попадают на теплообменные поверхности, выгорают на них, значительно ухудшая теплообмен и увеличивая гидравлические потери. Работа поршневых уплотнений без смазки резко снижает ресурс работы двигателя и его надёжность. Коренные и шатунные шейки коленчатого вала также требуют смазки.
• Детали, работающие при высоких температурах, должны быть выполнены из жаропрочных и жаростойких материалов, причём часть из них должна иметь высокую теплопроводность, а часть -низкую.
Кроме того, существуют и другие технические проблемы, связанные с герметичностью, температурными деформациями, потерями на трение и пр.
Опыт криогенной техники показывает, что существует более простая, дешёвая и надёжная альтернатива машинам Стирлинга, в которой ряд перечисленных трудностей отсутствует. Это так называемые машины на базе пульсационной трубы [8]. Конструктивно они похожи на значительно упрощённые машины Стирлинга.
Рис. 3. Схема двигателя внешнего сгорания на базе пульсационной трубы: 1 - камера сгорания; 2 - «горячая» полость; 3 - регенератор; 4 - пульсационная полость; 5 - охладитель «холодной» полости; 6 - «холодная» полость; 7 - поршень; 8 - магнитный подвес поршня; 9 - линейный электрогенератор
На рис. 3 показана схема двигателя внешнего сгорания на базе пульсацион-ной трубы.
При нагреве от камеры сгорания 1 «горячей» полости 2 в пульсацион-ной полости 4 под действием разности температур возникают пульсации давления рабочего тела, которые через «холодную» полость 6 заставляют поршень 7 двигаться возвратно-поступательно. На поршне 7 установлен ротор линейного электрогенератора 9.
Так как в этой конструкции поршень всего один, то его можно разместить в цилиндре бесконтактно при помощи магнитного подвеса 8. Уплотнение поршня также выполняется бесконтактным - щелевым или лабиринтным. Расчётные и экспериментальные исследования показывают, что машины на базе пульсационной трубы по КПД не уступают машинам Стирлин-га, а по ряду других параметров превосходят их [9].
Действительно, если посмотреть на трудности разработки двигателя Стир-линга, которые были приведены выше, то следует отметить, что проблемы с теплообменом в пульсационной трубе практически не существует, так как нет мёртвого объёма у «горячего» поршня
из-за отсутствия такового. Ввиду бесконтактного подвеса поршня 7 в двигателе не требуется смазка, следовательно, она не помешает теплообмену. Ресурс и надёжность двигателя на базе пульсаци-онной трубы будут очень высокими, так как определяются только старением материалов. Проблем с герметичностью и температурными деформациями также не должно быть, так как в горячей зоне нет подвижных деталей, а механическая энергия наружу не выводится.
Перспективными для судовых энергоустановок являются и термоакустические системы, которые могут генерировать акустическую и электрическую энергию, вырабатывать холод. Их конструкции внешне похожи на пульсационную трубу [10], но физические принципы и методы расчёта иные [11]. На рис. 4 показана схема термоакустического двигателя-генератора внешнего сгорания.
Термоакустические системы могут не иметь не только поршня, но и вообще подвижных деталей, поэтому называть их двигателями можно только условно [4]. Они имеют наименьшие уровни шумов и вибраций, которые находятся в более высокочастотном диапазоне, чем у других двигателей.
Рис. 4. Схема термоакустического двигателя-генератора внешнего сгорания: 1 - вентиль подачи природного газа; 2 - камера сгорания; 3 - теплообменник нагрева; 4 - регенеративный теплообменник (стек); 5 - охлаждающий теплообменник; 6 - резонансная труба; 7 - электрогенератор; 8 - теплообменник сброса теплоты; 9 - циркуляционный насос
Параметры Дизельный двигатель Двигатель Стирлинга Двигатель на базе пульсационной трубы1 Термоакустический двигатель-генератор1
Удельная масса, кг/кВт 2,0...3,0 2,0.3,0 1,0.1,5 < 1,0
Относительные габариты2 1,0 0,8 0,5 0,4
КПД, % 25.35 30.50 35.50 30.50
Ресурс, тыс. ч 100.200 10.50 Определяется электрогенератором Определяется электрогенератором
Топливо ДТ, ПГ ДТ, Б, ПГ, В, С, СЭ, КЭ, ЯЭ ДТ, Б, ПГ, В, С, СЭ, КЭ, ЯЭ ДТ, Б, ПГ, В, С, СЭ, КЭ, ЯЭ
Шумы, дБ 100.110 70.80 50.60 40.50
Вибрации, дБ 90.100 65.70 55.60 < 50
Относительная себестоимость2 1,0 0,8.1,5 0,5 0,3
Обслуживание2 1,0 0,5 0,2 0,1
Экологичность2 - + + +
1 - прогноз;
2 - по сравнению с дизельным двигателем;
ДТ - дизельное топливо; Б - бензин; ПГ - природный газ; В - водород; С - спирты; СЭ - солнечная энергия; КЭ - криогенная энергия; ЯЭ - ядерная энергия.
В рассмотренных двигателях внешнего сгорания может использоваться не только энергия сжигания топлива, но и эксергия криогенных жидкостей, например, сжиженного природного газа и жидкого кислорода [12].
В таблице приведено сравнение технических характеристик двигателей для использования в автономных и возду-хонезависимых системах энергообеспечения.
В заключение следует отметить, что двигатели внешнего сгорания на базе пульсационной трубы и термоакустики являются наиболее перспективными для автономных и воздухонезависимых систем электроснабжения, так как экологичны, существенно проще по конструкции и в обслуживании, дешевле в производстве, чем другие двигатели, имеют больший ресурс, надёжность, КПД, меньшие массу и габариты.
_ Литература
1. Карагусов В.И. Магнитокалорические двигатели внешнего сгорания на речных судах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 2. -С. 38-41.
2. Карагусов В.И. Комбинированная магнитокалорическая силовая установка на речных судах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 3. -С. 37-38.
3. Карагусов В.И. Реконденсация паров СПГ на речном транспорте // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 1. - С. 11-12.
4. Карагусов В.И., Мальцев П.С. Бортовой термоакустический кондиционер на природном газе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4. -С. 45-47.
5. Карагусов В.И., Карагусов И.В. Термоакустические охладители на солнечной энергии для орбитальных комплексов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 4. - С. 47-50.
6. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. - М.: Машиностроение, 1985. - 408 с. 55
7. Кириллов Н.Г. Производство двигателя Стирлинга - новая отрасль в машиностроении XXI века // Турбины и дизели. - 2010. - № 2. - С. 2-5.
8. Шахметов Е.Б., Липин М.В., Карагусов В.И. Разработка одноступенчатого микроохладителя на базе пульсационной трубы холодопроизводительностью 4 Вт на температурный уровень 80 К // Россия молодая: технологии - в промышленность. -2013.- № 2. - С. 357-360.
9. Tyatyushkin N.V., Karagusov V.I., Baranov E.D., Karagusova E.E. Mathematical model of pulse-tube microcoolers // Chemical and Petroleum Engineering. - 2003. -V. 39. - Issue 1-2. - P. 87-91.
10. Карагусов В.И., Юша В.Л., Карагусов И.В. Термоакустический ожижитель природного газа для заправки речных судов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 2. - С. 66-68.
11. Карагусов В.И., Тятюшкин Н.В., Карагусов И.В. Математическое моделирование и расчетные исследования термоакустической системы охлаждения // Химическое и нефтегазовое охлаждения. - 2014. - № 2. - С. 2-6.
12. Карагусов В.И., Юша В.Л., Карагусов И.В. Использование холода газификации природного газа для кондиционирования на транспорте // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 5. - С. 66-67.
Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале
В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в обновленный Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:
1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:
заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.
2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.
3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).
Редакция журнала также доводит до сведения авторов требования, которые необходимо соблюдать при подготовке статей для публикации.
Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи -не более 15 000 знаков с пробелами.
Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать
в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов. Текст и таблицы должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии и графические рисунки (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Не следует форматировать текст самостоятельно.
При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.
Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА) ijpil
"^еоци»^
