Двигатель мухина


машина по циклу стирлинга - патент РФ 2117802

Машина по циклу Стирлинга может быть использована при изготовлении холодильников, тепловых насосов и двигателей. Машина снабжена золотником 17, установленным в отверстиях торцовых стенок 48. В стенках выполнены каналы, а в золотнике 17 распределительные окна 40, находящиеся на уровнях каналов. Рабочие камеры 33 и 34 сообщаются с каналами, которые могут сообщаться с полостями 41 и 42 регенератора 36 через окна только при определенных углах поворота золотника 17. Когда рабочие камеры 34 наполняются газом, проходящим через трубки нагревателя (процесс расширения), из камер 33 газ вытесняется в одну из полостей регенератора, минуя нагреватель. Регулировку ведет золотник 17 с помощью окон и каналов. В систему охлаждения уходит меньше тепловой энергии. 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

Рисунки к патенту РФ 2117802

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13 Изобретение относится к объемной роторной машине, предназначенной для работы по циклу Стирлинга, и может быть использовано при изготовлении холодильников, тепловых насосов и двигателей. В данной заявке рассмотрена конструкция двигателя. Известная объемная роторная машина с качающимся ротором, (патент СССР N 1174568). Она содержит корпус, с закрепленными на нем с внутренней стороны шиберами, концентрично установленный в корпусе и имеющий центральное отверстие ротор с вытеснителями, каждый из которых размещен между двумя соседними шиберами, причем в одном из вытеснителей выполнен кулисный паз, в котором расположена шейка коленчатого вала, имеющего кривошипные щеки, размещенные в полости, ограниченной торцовыми стенками. Из двух таких машин можно спроектировать классический двигатель Стирлинга, если кривошипные шейки коленчатого вала расположить под углом 90o, при этом роторы блока сжатия и блока расширения при вращении коленчатого вала будут двигаться в разных фазах с разными угловыми скоростями. Объемы в рабочих камерах будут меняться, можно конструктивно воспроизводить в них термодинамический процесс, соответствующий циклу Стирлинга. Также известна объемная роторная машина, взятая в качестве ближайшего аналога (патент СССР N 1836572), способная работать по циклу Стирлинга. В частности она содержит центрирующую ротор вставку, которая имеет две изолированные друг от друга полости и установлена в центре ротора так, что две такие машины можно скомпоновать в двигатель Стирлинга. Общим недостатком двигателя Стирлинга является относительно большие потери теплоты, отдаваемой в систему охлаждения. После расширения рабочее тело поступает в нагреватель, где его температура повышается. Далее в регенераторе рабочее тело отдает часть своей теплоты, но к холодильнику поступает все еще со значительной температурой. Другой недостаток - сложная система регулирования мощности. Известны двигатели с внешним подводом теплоты, снабженные с целью повышения экономичности обводными магистралями нагревателя и охладителя, а в обводных магистралях установлены обратные клапаны (см. например, журнал "Двигателестроение" N 10, 1981, c/ 6-10). Задача настоящего изобретения состоит в упрощении конструкции двигателя в случаях использования дополнительных обводных магистралей и системы регулирования мощности двигателя. Поставленная задача решается тем, что для конструирования двигателя использована машина по патенту СССР N 1174568 и она снабжена золотником с распределительными окнами, предназначенными для регулирования наполнения газом рабочих камер и вытеснения газа в полости регенератора, установленного в центральном отверстии ротора блока расширения и имеющего две изолированные между собой полости. Отличительные признаки состоят в следующем: а) золотник установлен внутри регенератора вдоль оси ротора в отверстиях, выполненных в стенках блока расширения, а каждая стенка снабжена двумя изолированными между собой системами каналов, причем каждая система соединяет соответствующие рабочие камеры с полостью регенератора через окно золотника при определенных углах поворота последнего; б) стенка блока расширения выполнена из трех частей, и каждая из систем каналов размещена между двумя частями стенок; в) золотник снабжен кольцевой проточкой и средством перемещения его вдоль собственной оси до совмещения проточки с системой каналов. Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан схематично общий вид двигателя по циклу Стирлинга; на фиг. 2 - общий вид более подробно, в увеличенном масштабе; на фиг.3 - разрез А-А на фиг. 1 условно не показан коленчатый вал; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.2; на фиг. 7 - разрез Д-Д на фиг.2; на фиг.8 - схема работы машины; на фиг. 9 - схема коленчатого вала, его положение, соответствующие положению роторов на фиг. 8; на фиг. 10 - положение коленчатого вала, соответствующее положению роторов на фиг.1 и 3; на фиг.11 - коленчатый вал в сборе; на фиг.12 - разрез Е-Е на фиг.11; на фиг.13 - схема двигателя Стирлинга, вариант выполнения. Машина по циклу Стирлинга (двигатель) состоит из блока 1 сжатия газа и блока 2 расширения газа. Блок 2 закрыт с торцов стенками 3 и 4, каждая из которых выполнена из трех частей. Блок 1 закрыт стенками 5 и 6, выполненными каждая из двух частей. К стенке 7 прикреплен герметичный привод вращения (герметичный ввод вращения ГВВ) 8, в котором ось 9 коромысла наклонена к оси 10 вала 11 со шпонкой 12. Шестерни 13 и 14 неподвижно закреплены на коленчатом валу с осью 15. Зубчатое колесо 16 вращает золотник 17 вдвое медленнее вращения коленчатого вала. Вал 11 ГВВ вращается медленнее коленчатого вала посредством зубчатого колеса 18. В стенке 5 образована полость 19, которая с помощью трубки 20 соединена с рабочей камерой блока 1. В распорке 21 выполнен канал 22, соединяющий полость 19 с полостью регенератора. Крышка 23 закрывает пространство 24, где циркулирует вода, охлаждающая трубки 20 и распорку 21. К трубкам 25 нагревателя подводят теплоту от любого источника. Экран 26 предназначен для крепления камеры сгорания с воздуховодами. Крышка подшипника 27 охлаждается водой. Внутри корпусов 1 и 2 находятся роторы 28 с вытеснителями 29 и 30. Пластины 31 и 32 уплотняют рабочие камеры 33 и 34 переменного объема, размещенные между вытеснителями и шиберами 35. Ротор 28 центрируется по генератору 36. Между корпусом и ротором имеются гарантированные зазоры а и б (а > б). Ниже оси 37 корпуса 2(фиг.3) в вертикальной плоскости симметрии внутри регенератора 36 установлен золотник 17, в котором выполнены распределительные окна 39 и 40. По отношению к окну 39 окно 40 повернуто на 90o. По наружному диаметру длина дуги, стягиваемой хордой, равной ширине окна, составляет одну восьмую длины окружности золотника, что соответствует 45o. Внутри регенератора 36 имеются изолированные между собой полости 41 и 42, заполненные набивками. Стенки 3 и 4 стянуты с корпусом 2 шпильками 43, 44, 45 и полой шпилькой 46, которая крепится неподвижно и герметично на наружных стенках 3 и 7. Каждая стенка блока расширения состоит из трех частей: К стенке 3 присоединены части 47 и 48, к стенке 4 - части 49 и 50. Между стенками 3 и 47 размещены каналы 51 и 52, соединенные между собой посредством окна 39 (фиг. 4). Трубки 53 соединяют рабочие камеры 51, 33 с каналом 51 (фиг.4). Рабочие камеры 33 соединены через отверстия 54 с каналами 55, выполненными в стенке 50. При определенных углах поворота золотника 17 рабочие камеры 33 могут сообщаться с полостью 41 регенератора через отверстие 56, канал 57, окно 40 и канал 58 (фиг.5). Рабочие камеры 34 сообщаются с полостью 42 регенератора через отверстия 59, каналы 60 и 61, окно 39, канал 62 и отверстие 63 (фиг.7). При определенных углах поворота золотника 17 рабочие камеры 34 могут сообщаться с полостью 42 регенератора через отверстия 59, трубки 25, отверстия 64, канал 65, окно 40 и канал 66 (фиг.6). На фиг.3 показано расширение газа в рабочих камерах 33, поступающего из полости 41 через отверстие 67 (фиг.6) в канал 52 (фиг.4). В стенке 5 выполнена вторая полость 68, изолированная от полости 19 и сообщающаяся с полостью 41 через отверстие 69 (фиг.7). Полость 58 соединена трубками 70 с соответствующими рабочими камерами блока 1. Схема соединения трубками рабочих камер блоков 1 и 2 показана на фиг.8. На фиг.9 условно показан с торца коленчатый вал. Положение кривошипа 71 точно соответствует положению ротора блока 1, а крипошипа 72 соответствует положению ротора блока 2. 73 и 74 - мертвые точки, соответствующие положениям роторов 28, когда их угловая скорость 3 - равна нулю. Внутри холодильника 75 проточная вода охлаждает трубки 20 и 70. В нагревателе 76 к трубкам 25 и 53 подводят теплоту. Коленчатый вал коренными шейками 77 вращается в подшипниках 78 сухого трения. На кривошипные шейки 71 и 72 надеты кулисные камни, взаимодействующие с кулисными пазами 79 роторов 28. В полости 80 шпильки 46 протекает вода, охлаждая в изнутри коленчатый вал. Благодаря особому соединению полости 81 с рабочими камерами (тема для отделенной заявки) давление газа в ней - минимальное. Для регулирования мощности двигателя в золотнике 17 выполнены две кольцевые проточки 82 и 83. В стенке 84 выполнено отверстие 85, через которое золотник 17 взаимодействует с мембраной 86, прижатой герметично к стенке 84, втулкой 87. Эластичная шайба 88 прижата жесткой шайбой 89 к мембране 86 винтом 90. Штифт 91 установлен в отверстии золотника и зацепляется с пазом 92 зубчатого колеса 16. Работа двигателя. При вращении вала 11 коромысло 9 передает вращение на зубчатое колесо 18, которое вращает шестерню 14 коленчатого вала. Роторы 28 блоков 1 и 2 начинают двигаться каждый в своей фазе. В рабочих камерах 33 и 34 начинаются процессы сжатия и расширения газа. Если при этом к трубкам 25 и 53 подводить теплоту, а от трубок 30 и 70 отводить теплоту, выделяющуюся при сжатии газа, то ротор блока 2 будет воздействовать на коленчатый вал, вращая его. Угловая скорость 1 ротора 28 (фиг.3) имеет максимальное значение при заданной постоянной скорости вращения коленчатого вала. Угловая скорость 2 (фиг.8) меньше скорости 1 . При положении кривошипной шейки коленчатого вала в мертвой точке (фиг.9) соответствующий ротор имеет нулевую угловую скорость. Угловая скорость 4 (фиг.8) чуть больше нуля, она увеличивается при дальнейшем вращении коленчатого вала. Отбор мощности производят от вала 11. Для регулирования мощности двигателя вращают винт 90, вследствие чего шайба 89 давит на шайбу 88 и через нее на мембрану 86. Эластичный материал мембраны выходит в отверстие 85 и толкает золотник 17, проточки 82 и 83 которого совмещаются в каналами 57, 58, 61, 62. Происходит постоянное сообщение полостей 41 и 42, регенератора с соответствующими рабочими камерами 33 и 34. Падает мощность двигателя из-за того, что меньше газа проходит через трубки нагревателя при расширении, т.е. меньше тепловой энергии подводят к рабочему телу. При вращении винта в обратную сторону золотник 17 движется обратно под воздействием обратной пружины 93 и давления газа. Проточки 82 и 83 не сообщаются с каналами стенок, при этом максимальное количество рабочего тела проходит через трубки 25 и 53 нагревателя. Мощность двигателя увеличивается. В данном двигателе рабочее тело после расширения (вследствие чего его температура падает) направляется в полости регенератора, а затем в холодильник. Меньше теплоты поступает в систему охлаждения, повышается КПД двигателя. Уменьшается тепловая нагрузка на регенератор. Особенности конструкции двигателя. 1. При работе ротор не давит на корпус и стенки (нет воздействия ротора в радиальном и торцовом направлениях). 2. Скорость уплотнительных пластин относительно корпуса в 10 раз меньше аналогичной скорости традиционных двигателей. 3. Между стенками и ротором нет зазоров (см. патент СССР N 1836572). 4. Применено абсолютное уплотнение внутреннего контура от внешней среды (пакет изобретений). 5. Высокое отношение рабочего (полезного) объема двигателя к габаритному объему, вследствие чего можно создать относительно тихоходный двигатель (обороты коленвала в среднем 2000 в минуту). 6. Внутри двигателя нет спец. смазки. Ротор и корпус вырезают на проволочном электроэрозионном станке с точностью 0,003 мм. Скорость вырезки (толщина металла 30 мм) - 10 мм мин. Для проектирования двигателя применены запатентованные технические решения (см. патент СССР N 1174568, N 1373875, N 1702021, N 18368572; патенты РФ N 2004864 и др.).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Машина по циклу Стирлинга, содержащая блоки сжатия и расширения газа, каждый включающий в себя корпус с установленным в нем ротором, причем роторы кинематически связаны коленчатым валом, а также регенератор и золотник, отличающаяся тем, что золотник установлен внутри регенератора вдоль оси ротора в отверстиях, выполненных в стенках блока расширения, а в каждой стенке выполнены по две изолированные между собой системы каналов, подключенные к соответствующим рабочим камерам и полостям регенератора, при этом золотник кинематически связан с коленчатым валом с возможностью разъединения соответствующих рабочих камер и полости регенератора в каждой системе каналов, или соединения их посредством окна золотника. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что стенка блока расширения выполнена из трех частей и каждая из систем каналов размещена между частями стенок. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в золотнике выполнена кольцевая проточка и он снабжен средством перемещения его вдоль собственной оси до совмещения проточки с системой каналов. 4. Машина по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что средство перемещения золотника выполнено в виде мембраны, закрепленной по периферии герметично с возможностью взаимодействия с торцом золотника, эластичной шайбы, прилегающей к мембране, твердой шайбы и винта, прижимающего твердую шайбу к эластичной шайбе. 5. Машина по п. 1, 3 и 4, отличающаяся тем, что средство перемещения золотника установлено в центре ротора блока сжатия.

www.freepatent.ru

Машина по циклу стирлинга

 

Машина по циклу Стирлинга может быть использована при изготовлении холодильников, тепловых насосов и двигателей. Машина снабжена золотником 17, установленным в отверстиях торцовых стенок 48. В стенках выполнены каналы, а в золотнике 17 распределительные окна 40, находящиеся на уровнях каналов. Рабочие камеры 33 и 34 сообщаются с каналами, которые могут сообщаться с полостями 41 и 42 регенератора 36 через окна только при определенных углах поворота золотника 17. Когда рабочие камеры 34 наполняются газом, проходящим через трубки нагревателя (процесс расширения), из камер 33 газ вытесняется в одну из полостей регенератора, минуя нагреватель. Регулировку ведет золотник 17 с помощью окон и каналов. В систему охлаждения уходит меньше тепловой энергии. 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к объемной роторной машине, предназначенной для работы по циклу Стирлинга, и может быть использовано при изготовлении холодильников, тепловых насосов и двигателей. В данной заявке рассмотрена конструкция двигателя. Известная объемная роторная машина с качающимся ротором, (патент СССР N 1174568). Она содержит корпус, с закрепленными на нем с внутренней стороны шиберами, концентрично установленный в корпусе и имеющий центральное отверстие ротор с вытеснителями, каждый из которых размещен между двумя соседними шиберами, причем в одном из вытеснителей выполнен кулисный паз, в котором расположена шейка коленчатого вала, имеющего кривошипные щеки, размещенные в полости, ограниченной торцовыми стенками. Из двух таких машин можно спроектировать классический двигатель Стирлинга, если кривошипные шейки коленчатого вала расположить под углом 90o, при этом роторы блока сжатия и блока расширения при вращении коленчатого вала будут двигаться в разных фазах с разными угловыми скоростями. Объемы в рабочих камерах будут меняться, можно конструктивно воспроизводить в них термодинамический процесс, соответствующий циклу Стирлинга.

Также известна объемная роторная машина, взятая в качестве ближайшего аналога (патент СССР N 1836572), способная работать по циклу Стирлинга. В частности она содержит центрирующую ротор вставку, которая имеет две изолированные друг от друга полости и установлена в центре ротора так, что две такие машины можно скомпоновать в двигатель Стирлинга.

Общим недостатком двигателя Стирлинга является относительно большие потери теплоты, отдаваемой в систему охлаждения. После расширения рабочее тело поступает в нагреватель, где его температура повышается. Далее в регенераторе рабочее тело отдает часть своей теплоты, но к холодильнику поступает все еще со значительной температурой. Другой недостаток - сложная система регулирования мощности. Известны двигатели с внешним подводом теплоты, снабженные с целью повышения экономичности обводными магистралями нагревателя и охладителя, а в обводных магистралях установлены обратные клапаны (см. например, журнал "Двигателестроение" N 10, 1981, c/ 6-10).

Задача настоящего изобретения состоит в упрощении конструкции двигателя в случаях использования дополнительных обводных магистралей и системы регулирования мощности двигателя.

Поставленная задача решается тем, что для конструирования двигателя использована машина по патенту СССР N 1174568 и она снабжена золотником с распределительными окнами, предназначенными для регулирования наполнения газом рабочих камер и вытеснения газа в полости регенератора, установленного в центральном отверстии ротора блока расширения и имеющего две изолированные между собой полости. Отличительные признаки состоят в следующем: а) золотник установлен внутри регенератора вдоль оси ротора в отверстиях, выполненных в стенках блока расширения, а каждая стенка снабжена двумя изолированными между собой системами каналов, причем каждая система соединяет соответствующие рабочие камеры с полостью регенератора через окно золотника при определенных углах поворота последнего; б) стенка блока расширения выполнена из трех частей, и каждая из систем каналов размещена между двумя частями стенок; в) золотник снабжен кольцевой проточкой и средством перемещения его вдоль собственной оси до совмещения проточки с системой каналов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан схематично общий вид двигателя по циклу Стирлинга; на фиг. 2 - общий вид более подробно, в увеличенном масштабе; на фиг.3 - разрез А-А на фиг. 1 условно не показан коленчатый вал; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.2; на фиг. 7 - разрез Д-Д на фиг.2; на фиг.8 - схема работы машины; на фиг. 9 - схема коленчатого вала, его положение, соответствующие положению роторов на фиг. 8; на фиг. 10 - положение коленчатого вала, соответствующее положению роторов на фиг.1 и 3; на фиг.11 - коленчатый вал в сборе; на фиг.12 - разрез Е-Е на фиг.11; на фиг.13 - схема двигателя Стирлинга, вариант выполнения.

Машина по циклу Стирлинга (двигатель) состоит из блока 1 сжатия газа и блока 2 расширения газа. Блок 2 закрыт с торцов стенками 3 и 4, каждая из которых выполнена из трех частей. Блок 1 закрыт стенками 5 и 6, выполненными каждая из двух частей. К стенке 7 прикреплен герметичный привод вращения (герметичный ввод вращения ГВВ) 8, в котором ось 9 коромысла наклонена к оси 10 вала 11 со шпонкой 12. Шестерни 13 и 14 неподвижно закреплены на коленчатом валу с осью 15. Зубчатое колесо 16 вращает золотник 17 вдвое медленнее вращения коленчатого вала. Вал 11 ГВВ вращается медленнее коленчатого вала посредством зубчатого колеса 18. В стенке 5 образована полость 19, которая с помощью трубки 20 соединена с рабочей камерой блока 1. В распорке 21 выполнен канал 22, соединяющий полость 19 с полостью регенератора. Крышка 23 закрывает пространство 24, где циркулирует вода, охлаждающая трубки 20 и распорку 21. К трубкам 25 нагревателя подводят теплоту от любого источника. Экран 26 предназначен для крепления камеры сгорания с воздуховодами. Крышка подшипника 27 охлаждается водой. Внутри корпусов 1 и 2 находятся роторы 28 с вытеснителями 29 и 30. Пластины 31 и 32 уплотняют рабочие камеры 33 и 34 переменного объема, размещенные между вытеснителями и шиберами 35. Ротор 28 центрируется по генератору 36. Между корпусом и ротором имеются гарантированные зазоры а и б (а > б).

Ниже оси 37 корпуса 2(фиг.3) в вертикальной плоскости симметрии внутри регенератора 36 установлен золотник 17, в котором выполнены распределительные окна 39 и 40. По отношению к окну 39 окно 40 повернуто на 90o. По наружному диаметру длина дуги, стягиваемой хордой, равной ширине окна, составляет одну восьмую длины окружности золотника, что соответствует 45o. Внутри регенератора 36 имеются изолированные между собой полости 41 и 42, заполненные набивками. Стенки 3 и 4 стянуты с корпусом 2 шпильками 43, 44, 45 и полой шпилькой 46, которая крепится неподвижно и герметично на наружных стенках 3 и 7. Каждая стенка блока расширения состоит из трех частей: К стенке 3 присоединены части 47 и 48, к стенке 4 - части 49 и 50. Между стенками 3 и 47 размещены каналы 51 и 52, соединенные между собой посредством окна 39 (фиг. 4). Трубки 53 соединяют рабочие камеры 51, 33 с каналом 51 (фиг.4). Рабочие камеры 33 соединены через отверстия 54 с каналами 55, выполненными в стенке 50. При определенных углах поворота золотника 17 рабочие камеры 33 могут сообщаться с полостью 41 регенератора через отверстие 56, канал 57, окно 40 и канал 58 (фиг.5). Рабочие камеры 34 сообщаются с полостью 42 регенератора через отверстия 59, каналы 60 и 61, окно 39, канал 62 и отверстие 63 (фиг.7). При определенных углах поворота золотника 17 рабочие камеры 34 могут сообщаться с полостью 42 регенератора через отверстия 59, трубки 25, отверстия 64, канал 65, окно 40 и канал 66 (фиг.6). На фиг.3 показано расширение газа в рабочих камерах 33, поступающего из полости 41 через отверстие 67 (фиг.6) в канал 52 (фиг.4). В стенке 5 выполнена вторая полость 68, изолированная от полости 19 и сообщающаяся с полостью 41 через отверстие 69 (фиг.7). Полость 58 соединена трубками 70 с соответствующими рабочими камерами блока 1. Схема соединения трубками рабочих камер блоков 1 и 2 показана на фиг.8. На фиг.9 условно показан с торца коленчатый вал. Положение кривошипа 71 точно соответствует положению ротора блока 1, а крипошипа 72 соответствует положению ротора блока 2. 73 и 74 - мертвые точки, соответствующие положениям роторов 28, когда их угловая скорость 3 - равна нулю. Внутри холодильника 75 проточная вода охлаждает трубки 20 и 70. В нагревателе 76 к трубкам 25 и 53 подводят теплоту. Коленчатый вал коренными шейками 77 вращается в подшипниках 78 сухого трения. На кривошипные шейки 71 и 72 надеты кулисные камни, взаимодействующие с кулисными пазами 79 роторов 28. В полости 80 шпильки 46 протекает вода, охлаждая в изнутри коленчатый вал. Благодаря особому соединению полости 81 с рабочими камерами (тема для отделенной заявки) давление газа в ней - минимальное. Для регулирования мощности двигателя в золотнике 17 выполнены две кольцевые проточки 82 и 83. В стенке 84 выполнено отверстие 85, через которое золотник 17 взаимодействует с мембраной 86, прижатой герметично к стенке 84, втулкой 87. Эластичная шайба 88 прижата жесткой шайбой 89 к мембране 86 винтом 90. Штифт 91 установлен в отверстии золотника и зацепляется с пазом 92 зубчатого колеса 16.

Работа двигателя.

При вращении вала 11 коромысло 9 передает вращение на зубчатое колесо 18, которое вращает шестерню 14 коленчатого вала. Роторы 28 блоков 1 и 2 начинают двигаться каждый в своей фазе. В рабочих камерах 33 и 34 начинаются процессы сжатия и расширения газа. Если при этом к трубкам 25 и 53 подводить теплоту, а от трубок 30 и 70 отводить теплоту, выделяющуюся при сжатии газа, то ротор блока 2 будет воздействовать на коленчатый вал, вращая его. Угловая скорость 1 ротора 28 (фиг.3) имеет максимальное значение при заданной постоянной скорости вращения коленчатого вала. Угловая скорость 2 (фиг.8) меньше скорости 1 . При положении кривошипной шейки коленчатого вала в мертвой точке (фиг.9) соответствующий ротор имеет нулевую угловую скорость. Угловая скорость 4 (фиг.8) чуть больше нуля, она увеличивается при дальнейшем вращении коленчатого вала. Отбор мощности производят от вала 11. Для регулирования мощности двигателя вращают винт 90, вследствие чего шайба 89 давит на шайбу 88 и через нее на мембрану 86. Эластичный материал мембраны выходит в отверстие 85 и толкает золотник 17, проточки 82 и 83 которого совмещаются в каналами 57, 58, 61, 62. Происходит постоянное сообщение полостей 41 и 42, регенератора с соответствующими рабочими камерами 33 и 34. Падает мощность двигателя из-за того, что меньше газа проходит через трубки нагревателя при расширении, т.е. меньше тепловой энергии подводят к рабочему телу. При вращении винта в обратную сторону золотник 17 движется обратно под воздействием обратной пружины 93 и давления газа. Проточки 82 и 83 не сообщаются с каналами стенок, при этом максимальное количество рабочего тела проходит через трубки 25 и 53 нагревателя. Мощность двигателя увеличивается.

В данном двигателе рабочее тело после расширения (вследствие чего его температура падает) направляется в полости регенератора, а затем в холодильник. Меньше теплоты поступает в систему охлаждения, повышается КПД двигателя. Уменьшается тепловая нагрузка на регенератор.

Особенности конструкции двигателя.

1. При работе ротор не давит на корпус и стенки (нет воздействия ротора в радиальном и торцовом направлениях).

2. Скорость уплотнительных пластин относительно корпуса в 10 раз меньше аналогичной скорости традиционных двигателей.

3. Между стенками и ротором нет зазоров (см. патент СССР N 1836572).

4. Применено абсолютное уплотнение внутреннего контура от внешней среды (пакет изобретений).

5. Высокое отношение рабочего (полезного) объема двигателя к габаритному объему, вследствие чего можно создать относительно тихоходный двигатель (обороты коленвала в среднем 2000 в минуту).

6. Внутри двигателя нет спец. смазки.

Ротор и корпус вырезают на проволочном электроэрозионном станке с точностью 0,003 мм. Скорость вырезки (толщина металла 30 мм) - 10 мм мин.

Для проектирования двигателя применены запатентованные технические решения (см. патент СССР N 1174568, N 1373875, N 1702021, N 18368572; патенты РФ N 2004864 и др.).

1. Машина по циклу Стирлинга, содержащая блоки сжатия и расширения газа, каждый включающий в себя корпус с установленным в нем ротором, причем роторы кинематически связаны коленчатым валом, а также регенератор и золотник, отличающаяся тем, что золотник установлен внутри регенератора вдоль оси ротора в отверстиях, выполненных в стенках блока расширения, а в каждой стенке выполнены по две изолированные между собой системы каналов, подключенные к соответствующим рабочим камерам и полостям регенератора, при этом золотник кинематически связан с коленчатым валом с возможностью разъединения соответствующих рабочих камер и полости регенератора в каждой системе каналов, или соединения их посредством окна золотника.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что стенка блока расширения выполнена из трех частей и каждая из систем каналов размещена между частями стенок.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в золотнике выполнена кольцевая проточка и он снабжен средством перемещения его вдоль собственной оси до совмещения проточки с системой каналов.

4. Машина по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что средство перемещения золотника выполнено в виде мембраны, закрепленной по периферии герметично с возможностью взаимодействия с торцом золотника, эластичной шайбы, прилегающей к мембране, твердой шайбы и винта, прижимающего твердую шайбу к эластичной шайбе.

5. Машина по п. 1, 3 и 4, отличающаяся тем, что средство перемещения золотника установлено в центре ротора блока сжатия.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13

www.findpatent.ru

Двигатель Стирлинга - Журнал АКВА-ТЕРМ

Очень тесно к современной тенденции использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) примыкает возможность реализации этой энергии в полезных целях с помощью двигателя Стирлинга. Данный двигатель представляет собой одну из вариаций двигателя внешнего сгорания и в силу этой особенности может быть легко переведен на работу от ВИЭ без вреда для экологии.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Это изобретение имеет довольно давнюю историю. Шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, который с тех пор носит его имя, еще в 1816 г., однако двигатели аналогичного принципа действия были известны и раньше – с конца XVII в. По сути, Роберт Стирлинг лишь усовершенствовал их, сделав конструкцию более энергоэффективной.

Двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело расширяется и сужается в замкнутом объеме вследствие периодического нагревания и охлаждения и совершает работу за счет притока тепловой энергии из внешней среды. Та особенность, что энергия подводится к рабочему телу из внешней среды, создает возможность для работы двигателя Стирлинга не только на энергии, выделяемой при сжигании топлива, но и от любого источника тепла, в том числе от ВИЭ.

Простейший двигатель Стирлинга представляет собой герметичный цилиндр, заполненный газом или жидкостью, внутри которого размещаются вытеснительный и рабочий поршни. Поршень-вытеснитель также имеет форму цилиндра, диаметр которого меньше внутреннего диаметра большего цилиндра настолько, что между их стенками остается небольшой зазор, по которому может перетекать газ или жидкость, заполняющая цилиндр. Рабочий поршень размещается за вытеснительным и толкает маховик, с которым связаны оба поршня по принципу кривошипно-шатунного механизма. Внешний цилиндр двигателя подогревается с одного конца. При этом рабочее тело (газ, жидкость) нагревается практически при постоянном объеме, затем рабочее тело расширяется при постоянной температуре, совершая работу и толкая рабочий поршень. Рабочее тело перемещается поршнем-вытеснителем в холодную зону, где происходит охлаждение при почти постоянном объеме.

Движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При нулевом сдвиге машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение).

Если физико-химические характеристики рабочего тела и цилиндра подобраны так, что в процессе цикла «расширение-сжатие» материал рабочего тела проходит через фазовый переход, работа двигателя может быть весьма эффективной, но потребует высокого давления внутри цилиндра. Стирлинг усовершенствовал двигатель за счет введения в него так называемого «эконома» – теплообменника-рекуператора или регенератора, который удерживает тепло в теплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Тем самым рекуператор (регенератор, эконом) повышает производительность двигателя. Рекуператор двигателя Стирлинга может представлять собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа или жидкости). Газ или жидкость рабочего тела, проходя через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдает (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (или отдает) его.

По термодинамической эффективности идеальный цикл Стирлинга не уступает циклу Карно, состоит из четырех фаз и разделен двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от теплого источника к холодному происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счет чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счет изотерм и зависит от разницы температур нагревателя и охладителя.

Рекуператор может быть внешним, а может размещаться на поршне-вытеснителе, что делает габаритные размеры и вес двигателя меньше. Роль рекуператора выполняет также зазор между вытеснителем и стенками цилиндра. При большой длине цилиндра надобность в дополнительном рекуператоре вообще исчезает, но появляются значительные потери на преодоление вязкости рабочего тела.

В зависимости от особенностей конструкции, в том числе от размещения рекуператора, различают несколько типов двигателя Стирлинга.

Типы двигателя Стирлинга

Традиционно выделяют альфа-, бета- и гамма-Стирлинг.

Альфа-Стирлинг содержит два раздельных силовых поршня (горячий и холодный) в раздельных цилиндрах. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объему достаточно велико, но высокая температура «горячего» поршня создает определенные технические проблемы.

В альфа-Стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

Работа бета-Стирлинга описана выше как пример наиболее простого двигателя Стирлинга. Цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещен с поршнем-вытеснителем. В конструкцию гамма-Стирлинга входят два цилиндра, а также поршень и «вытеснитель». В холодном цилиндре движется поршень, с которого снимается мощность. Во втором цилиндре, горячем с одного конца и холодным с другого, движется поршень-вытеснитель. Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Существуют и другие разновидности двигателя Стирлинга. Одним из самых интересных современных решений является роторный двигатель Мухина – наиболее компактный в ряду двигателей Стирлинга. Одним из его достоинств является отказ от кривошипно-шатунного механизма.

Преимущества и недостатки

Двигатель Стирлинга в XIX в. создавался и рассматривался как взрывобезопасная альтернатива паровым двигателям. Он действительно безопасен в этом отношении, но это не единственное его преимущество.

Как все двигатели внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать от любого перепада температур. Это определяет и возможность создания двигателей Стирлинга, совсем не наносящих при работе вреда экологии. Его конструкция проста, значительно проще двигателей внутреннего сгорания, предусматривающих газораспределительные системы для сжигания топлива, системы пуска двигателя и др. Двигатель Стирлинга при работе производит очень мало шума, значительно меньше, чем любые двигатели внутреннего сгорания. Безаварийный ресурс двигателя очень высок, этому способствует простота конструкции и отсутствие «уязвимых» узлов, которые, например, могут засоряться при сжигании топлива (в роторном двигателе Стирлинга, как говорилось выше, отсутствует даже кривошипно-шатунный механизм). Наконец, двигатель Стирлинга характеризуется достаточно высоким КПД.

Несмотря на указанные преимущества, двигатель Стирлинга не получил такого широкого распространения, как например, газо-поршневые или газо-турбинные двигатели внутреннего сгорания. Его недостатки перевешивали до настоящего времени вроде бы очевидные преимущества. Основным из недостатков двигателей Стирлинга считается высокая материалоемкость производства машин необходимой мощности. Рабочее тело двигателя Стирлинга необходимо охлаждать, что приводит к существенному увеличению массы и габаритных размеров установки за счет увеличенных радиаторов. Достижение характеристик двигателя уровня двигателей внутреннего сгорания требует высокого давления (свыше 100 атм) в цилиндре. Однако в последнее время, когда большое внимание уделяется экологическим характеристикам оборудования, применение двигателей Стирлинга может значительно расшириться, причем в различных сферах.

Применение и перспективы

В настоящее время рядом зарубежных фирм (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Эти двигатели имеют эффективный КПД (до 45 %), удельную массу от 3,8 до 1,2 кг/кВт, ресурс до 40 тыс. ч и мощность от 3 до 1200 кВт.

С 60-х гг. прошлого века двигатели Стирлинга начали применять на подводных лодках. Пионером на этом направлении выступила Швеция. В настоящее время шведские кораблестроители уже отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок путем врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка. Двигатели Стирлинга позволяют подводным лодкам находиться под водой без всплытия до 20 суток. Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках.

Одно из важнейших и самых перспективных применений двигателей Стирлинга – выработка электроэнергии. В данном случае большое значение имеет универсальность этих двигателей в отношении источника энергии и возможность работать при перепадах температур в таких диапазонах, где двигатели внутреннего сгорания применяться не могут. В частности, рассматриваются варианты применения двигателей Стирлинга для выработки электроэнергии в космосе. Такой двигатель, работающий на радиоактивных изотопах, разработан в NASA. Большие надежды возлагаются на использование двигателей Стирлинга для преобразования солнечной энергии в электрическую. В этой установке солнечной электростанции двигатель Стирлинга устанавливается в фокусе параболического зеркала таким образом, чтобы отраженные лучи солнца постоянно фокусировались на зоне нагрева. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела для таких двигателей Стирлинга используется водород или гелий. Эффективность выработки электроэнергии на этих установках (Sandia) достигает 31,25 %.

Компания Stirling Solar Energy строит в Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию, представляющую собой батарею из параболических солнечных установок, оснащенных двигателями Стирлинга. Выпускаются также и небольшие солнечные электростанции с двигателями Стирлинга, которыми могут пользоваться даже туристы. Фирмой Alisson разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт (КПД 37,5 %). В качестве источника теплоты используется параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, создающий в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения устанавливается тепловой аккумулятор, отдающий тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Такая установка долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли типа Gemini. В России РКК «Энергия», РНЦ им. Келдыша разрабатывали солнечную энергетическую установку для МКС «Альфа» на основе ДС мощностью 10 кВт и 36-лепесткового солнечного концентратора диаметром 10 м. Двигатель Стирлинга был создан и испытан на одном из предприятий Санкт-Петербурга в 2001 г.

Просматриваются интересные перспективы применения двигателя Стирлинга в тепловых насосах. Обычно в состав теплонасосной установки включается циркуляционный насос, который перекачивает теплоноситель по контуру, имеющему значительную протяженность. Агрегат, совмещающий двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга («стирлинг-стирлинг»), может изменить ситуацию. Двигатель Стирлинга отдает в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительного тепла, которое забирается из окружающей среды. В теплонасосе «стирлинг-стирлинг» совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, применяются непосредственно для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением. Согласно проведенным расчетам тепловой насос «стирлинг-стирлинг» в идеале должен на каждую калорию сожженного газа добавлять еще 3–10 кал из ВИЭ. При испытаниях эта величина оказалась меньше, и пока опыты по использованию таких устройств прекращены.

Поскольку двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любого вида теплоты, для России значительный интерес представляет возможность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 500 кВт) с двигателями Стирлинга, работающими на местных видах топлив, в том числе и на биомассе. В данном случае в качестве местного топлива могут использоваться торф, уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности и др.

В настоящее время рядом компаний (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых превосходят двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные установки. Эти двигатели характеризуются КПД до 45 %, удельной массой от 3,8 до 1,2 кг/кВт, рабочим ресурсом до 40 тыс. ч и мощностью от 3 до 1200 кВт.

Журнал "Аква-Терм" №3 (67), 2012  

Опубликовано: 28 сентября 2012 г.

вернуться назад

Читайте так же:

aqua-therm.ru

Примечательные «ляпы» Ю. И. Мухина

Примечательные «ляпы» Ю. И. Мухина

Подобно всем опровергателям программы «Аполлон», Ю. И. Мухин успел в своей «разоблачительской» деятельности сделать великое множество самых разных ошибок, от недостойных школьника ошибок в элементарной физике до грубых ошибок в изложении фактов. Здесь представлены лишь некоторые примечательные «ляпы» Мухина.

В статье, опубликованной 31 октября 2007 года порталом км.ру, в ответе на вопрос корреспондента Мухин сказал, в частности: [1]

Уже более трех лет вокруг Луны летает европейская космическая станция «Смарт», которая снимает поверхность Луны. Оптика у нее и разрешающая способность очень сильная. Наверное, брось на Луну монету – она сможет различить, какого она достоинства. И вот когда эта станция начала летать и снимать поверхность, она фотографии этой поверхности выставляла в Интернете. До того момента, пока ее траектория не стала пересекать места якобы высадки американцев на Луне. Вот тут все закончилось. <…> То есть сделайте фотографию места высадки американцев, покажите их следы, остатки стартовой ступени, чего они там наставили, американский флаг и т. п. Тогда все будет понятно, что какие-то доказательство есть, что они там были. Но ведь эта станция «Смарт» ничего не показывает.

К моменту, когда Мухин давал это интервью, станция «Смарт-1» уже более года как прекратила существование (разбившись о поверхность Луны 3 сентября 2006 года), о чем сообщали все крупные новостные агентства [2, 3, 4]. Что касается разрешающей способности ее камер, она не превышала нескольких десятков метров в наиболее благоприятных условиях (в ближайшей к поверхности точке орбиты). Возможно, Мухин мог не знать или забыть об окончании работы станции; но откуда он узнал об исключительной разрешающей способности — совершенно непонятно. Можно предположить, что он это просто выдумал. И его сетования на то, что «Смарт» не показывает «остатки стартовой ступени, американский флаг и т. п.» — по сути, обман читателя. Разрешающая способность «Смарта» в принципе не позволяла показать таких деталей.

Очередной день дураков, 1 апреля 2010 года, Ю. Мухин решил отметить соответствующим образом и разразился очередной изобличительной статьей [5]. На этот раз он решил заняться двигателем F-1 первой ступени «Сатурн-5»:

В двигателе молекулы кислорода окисляют топливо, в случае водородного двигателя — это водород, в случае керосинового — это смесь водорода и углерода. При окислении водород, в расчете на молекулу кислорода, выделится примерно 570 кДж тепла, а при окислении углерода — всего около 400 кДж. Мало этого, атом водорода в 14 раз легче атома углерода, а все это значит, что чисто водородный двигатель на единицу сгораемой топливо-кислородной смеси будет выделять большую энергию, следовательно, будет развивать большую тягу. Это довод в защиту мифического американо-браунского двигателя F-1. Кроме этого, на единицу энергии топливо из чистого водорода будет легче керосина, в котором к водороду подмешан и углерод. Это опять плюс водородному двигателю F-1.

(выделение наше — apollofacts.) Далее Мухин объясняет, почему водородные все-таки хуже керосиновых:

Правда, есть и оговорка, которую мне не просто даже прикинуть. У нас соседями был завод по производству ракетного топлива, разумеется, секретный, думаю, что он выпускал гептил-амиловое топливо. Как-то я болтал с его главным инженером, он, разумеется, ничего конкретного по соображениям секретности сказать не мог, но в принципе сообщил, что задача создания ракетного топлива заключается в ведении в сырье для этого топлива энергии с целью создать в топливе молекулы с как можно большим количеством химических связей. В момент горения этого топлива в двигателе ракеты, эти связи рвутся, выделяя энергию, дополнительную к энергии собственно горения водорода и углерода. Скажем, в метане один атом углерода и четыре атома водорода, но уже в этом простом соединении при его горении к энергии горения собственно водорода и углерода добавится и энергия образования самого метана, где-то 80 кДж. А керосин - это природная смесь достаточно сложных углеводородов. Поэтому я бы не стал утверждать, что водородный двигатель по тяге сильно превзойдет керосиновый, если вообще превзойдет.<…>Но это только цветочки проблемы водородного двигателя, которые видны даже в принципе. Керосин создала природа, его остается только выделить из нефти, а это по затратам энергии — пустяки. А для получения водорода, нужно затратить гораздо больше энергии, чем ее выделяется при горении водорода в двигателях ракеты. Далее, нужна огромная криогенная техника по хранению жидкого водорода, особо прочные баки для него. Выигрыш в весе топлива на глазах «съедается» весом оборудования для хранения этого топлива в ракете. Мало этого, этот гад-водород чрезвычайно текуч и пролазит в любую щель. Мало этого, пределы взрываемости водородо-воздушно смеси очень широки — работать с ним, как на минном поле.Таким образом, даже по мужицкому счету, тонна груза, выводимого на керосиновых двигателях, неизмеримо дешевле тонны груза, выводимого на водородных двигателях. Запомним это, чтобы понять, в чем еще выгода США в отказе от «шатлов» с их водородными двигателями (изначально являвшимися тупиком) и покупкой у России советских керосиновых двигателей.Но это ничего не значит в случае проекта высадки на Луну — случай был уникальный, посему США могли и имели право использовать и водородные двигатели. Если бы они у них были.Тут ведь дело в чем? Когда речь идет об удешевлении чего либо, а программа «шатлов» по своему смыслу обязана быть дешевой, поскольку речь идет о тривиальных выводах груза и людей на околоземную орбиту, то основное направление удешевления — это увеличение мощности единичного агрегата. Особенно, двигателя. Вдвое мощный двигатель всегда и легче, и экономичнее двух менее мощных. Это азбука. А что касается собственно работы нескольких двигателей, то тут возникает еще и порою не решаемая проблема согласования их работы (в чем и была основная трудность советской лунной ракеты Н-1). Увеличение количества двигателей, помимо прочего, это резкое увеличение вероятности отказа какого-либо из них, соответственно, срыв всей программы.Поэтому, если бы у американцев действительно был двигатель F-1 тягой в 600 тонн, то это он и стоял бы на «шатлах», а не три таких же водородных движка по 180 тонн. А если бы у американских конструкторов хватило ума создать керосиновые двигатели, хотя бы с такой тягой в 180 тонн, то именно они и стояли бы на «шатлах».

Самое пикантное в этих рассуждениях не то, что Мухин не знает и не понимает, чем определяется преимущество и недостатки того или иного ракетного топлива. Самое пикантное — то, что F-1 представлял собой именно керосиновый двигатель! Мухин не только демонстрирует, что не знает даже самых элементарных вещей. Более того, он доказывает, что водородные двигатели вообще хуже керосиновых, а потому и F-1 не мог быть хорош; тогда как F-1 был именно керосиновым.

Сами рассуждения Мухина столь же беспомощны: это рассуждения человека, ничего не смыслящего в том, о чем он пытается судить. Главное преимущество водородных двигателей в том, что их так называемый удельный импульс на 25 % — 30 % выше, чем у керосиновых. Удельный импульс же — экспоненциальная характеристика эффективности двигателя: использование водородного топлива позволяет значительно уменьшить массу ракеты или значительно увеличить полезный груз. Так, полезный груз советской лунной ракеты Н1 был примерно на 40 — 45 тонн меньше, чем у «Сатурна-5» при почти равной стартовой массе, и причина была именно в том, что на верхних ступенях «Cатурна-5» использовался водород, а на Н1 — керосин. Основной недостаток водородного топлива состоит в его низкой плотности, что увеличивает необходимый размер баков. Это зачастую делает нецелесообразным использование водорода на первых ступенях: их размер был бы особенно велик (тем не менее, на американской ракете «Дельта-4» водород используется и на первой ступени). Поэтому водород обычно используют либо на верхних ступенях (как это было и на «Сатурне-5»), либо на первой ступени в комбинации с менее эффективными по удельному импульсу, но более компактными и мощными твердотопливными ускорителями (как на многих современных ракетах: американском «Спейс Шаттле», европейском «Ариане-5», японской H-II). Что касается технологических сложностей, связанных с высокой степенью криогенности жидкого водорода, их преодоление вполне оправдывается получаемым выигрышем; об этом свидетельствует и то, что советскую тяжелую ракету «Энергия» сделали по той же схеме, что американский «Спейс Шаттл»: ускорители большой мощности на менее эффективном по удельному импульсу топливе скомбинировали с центральным блоком, работавшим именно на водороде.

Мухин же слишком далек от этих азбучных истин. Он живет в своем мире. Впрочем, когда он узнал, наконец, от посетителей форума о том, что F-1 был керосиновым, то быстро приспособил свой мир к открывшимся ему фактам:

Ю, Мухин (01.04.2010 23:50)Товарищ прав и я благодарю его, а читателям приношу извинения за ненужные в статье умствования по поводу энергетики водорода и керосина, поскольку то, что F-1 керосиновый, делает лунную аферу США еще более убогой. Объяснить, почему они при якобы имеющемся керосиновом двигателе, покупают советские, вообще невозможно.

То, что невозможно для Мухина, не представляет никакого труда для тех, кто знает факты. Американцы покупают двигатель РД-180, тяга которого составляет порядка 400 тонн, на 1-й ступени семейства ракет-носителей «Атлас-5», стартовая масса самых легких представителей которого несколько превышает 300 тонн. На эту ракету попросту невозможно поставить двигатель F-1, поскольку его тяга близка к 700 тоннам. При стартовой тяге, настолько превышающей вес ракеты, ракета стартовала бы с огромным ускорением и была бы разрушена как аэродинамическими силами, так и действующей на нее перегрузкой. F-1 можно было бы использовать только на самых тяжелых ракетах этого семейства, но тогда требовалось бы изготавливать два различных варианта центрального блока вместо нынешнего стандартного и унифицированного. Есть еще одна причина, почему американцы предпочитают РД-180: его удельный импульс заметно выше, чем у F-1. Иными словами, по удельным характеристикам РД-180 имеет значительное превосходство перед более мощным, но менее эффективным F-1, это позволяет уменьшить размер ракеты. Однако высокий удельный импульс никогда не относился к достоинствам F-1: двигатели «Сатурна-5» обладали достаточно низким удельным импульсом, их главным достоинством была их очень высокая тяга и высокая надежность.

В одном из номеров выходившей под его редакцией газеты «Дуэль» Мухин взялся экзаменовать специалистов ЦАГИ [6] следующим образом [7]:

Сергей Иванович, мне надоела высокомерная немощность ЦАГИ. Следующая Ваша статья в «Дуэли» будет посвящена следующему.

Вес лунной кабины и посадочного модуля космического комплекса «Аполлон» с топливом по легенде был «16,44 т, после посадки — 14,70 т. Высота над поверхностью Луны в начале посадки — 900 м. При спуске корабля до высоты 150 м тяга двигателя уменьшается до 1270 кГс, вертикальная скорость движения лунной кабины 8,2 м/с. При посадке кабины скорость ее движения уменьшается от 8,2 до 0,91 м/с. Вертикальная скорость перед посадкой около 1,06 м/с. Посадочная ступень лунной кабины… имела двигатель, тягу которого можно было регулировать в пределах 475-4535 кГс. На всех опорах (кроме одной) смонтированы щупы длиной 1,7 м, регистрирующие контакт с поверхностью Луны и подающие команду на выключение двигателя». Это те данные, что дали американцы. На мой взгляд их больше, чем достаточно. (Данные о механических свойствах грунта Луны возьмите у своего знакомого Н. И. Мельника).

Поменяемся местами. Вы, экспериментатор, рассчитаете нам, какой объем лунного грунта должны выбрасывать двигатели из-под американских лунных кабин во время посадки. А я, главный редактор, буду Вас проверять и учить, как такие расчеты надо делать.

Специалисты из ЦАГИ, очевидно, в качестве экзаменуемых Мухиным выступить не пожелали, поэтому спустя несколько лет в своей книге «Антиаполлон. Лунная афера США» Мухин решил-таки всех научить, как делаются такие расчеты [8].

Это в связи с чем, «в полном соответствии с нашими расчетами, никакого кратера под двигателем нет», если вы размеры этого кратера и не брались рассчитывать? Кратер-то образуется от выноса грунта реактивной струей, а не от давления на него. К чему прикидываться дурачками и рассчитывать это давление, если чуть выше Армстронг уверял, что пыль начала подниматься (а не прессоваться!) при спуске ниже 30 м? Но, раз речь идет о выносе пыли реактивной струей, так и считайте этот вынос, специалисты хреновы!

Тут кстати будет привести то, что написал по этому поводу и хиви НАСА А. Марков: «В конечную фазу прилунения (зависание над поверхностью) летательный аппарат переходит над выбранной "посадочной площадкой". Оптимальная высота этого режима 8-10 м от поверхности до центра масс LM. Лунный модуль "Орел" миссии "Apollo-11", имея средний расход топлива при посадке (при плавно изменяемой тяге двигателя на минимальную) — 10-5 кг/сек, опускался на поверхность в режиме зависания 5 секунд и еще 0,9 секунды двигатель работал уже у ставшего на грунт LM.

Какую работу в течение 6 секунд произведут продукты выхлопа (40 кг топлива) камеры сгорания ЖРД, регулируемой к минимуму (R = 450 кг) реактивной тяги, вылетающие из конусного сопла диаметром 1,5 м, опускающегося на поверхность с высоты 5,5-0,5 м?» — задал коварный вопрос большой специалист космической техники, но так и не ответил на него. (Хотя, собственно, что мы должны ожидать от человека, которого в школе не сумели обучить определению угла прямоугольного треугольника по двум катетам?)

Придется мне, бывшему металлургу, этим заняться, благо хиви привели необходимые данные для расчета. Итак.

Мухин приступил к задаче (вообще говоря, неразрешимой с такими условиями ввиду ее сложности) бойко, и школьной физике сразу пришлось несладко.

Если бы посадочный модуль просто упал на Луну с высоты своего зависания над ней, то он совершил бы работу, равную своему весу умноженному на высоту падения. Вес модуля округлим до 1200 кГс, поскольку на высоте зависания еще не все топливо было выработано, а высоту зависания дал хиви Марков — 5,5 м от опор до поверхности Луны. Итого, работа падения равна 1200 · 5,5 = 6600 кГс·м.

С этой высоты модуль падал бы 2,6 сек. При этом средняя мощность его падения была бы: 6600 / 2,6 = 2538 кГс·м/сек. Но он спускался на реактивной струе двигателя и спускался 6 секунд, как утверждает Марков. Следовательно, средняя мощность спуска была: 6600 / 6 = 1100 кГс·м/сек. До этой мощности мощность падения снизила мощность двигателя модуля, соответственно она в среднем была равна: 2538 – 1100 = 1438 кГс м/сек. Работая 6 секунд, двигатель совершил работу: 1438 · 6 = 8630 кГс·м.

Судя по этому тексту, «работа падения» 6600 кгс·м совершается, очевидно, гравитационным полем Луны над самим лунным модулем, поскольку сила 1200 кгс приложена со стороны гравитационного поля к модулю. Соответственно «мощность падения» 2538 кгс·м/сек — это средняя мощность совершения работы гравитационного поля над над модулем. Правда, такая мощность воображаема и в реальности не развивается, а развивается мощность 1100 кгс·м/сек: ведь время опускания модуля все-таки не 2,6 секунд, а 6 секунд. Объяснить, почему разность воображаемой мощности работы гравитационного поля над модулем и реальной мощности работы гравитационного поля над модулем оказывается у Мухина равной работе двигателя над выхлопными газами понять невозможно. Можно было бы понять еще, если бы Мухин счел полученное значение 1438 кгс·м/сек мощностью работы двигателя над модулем (хотя, конечно, действительная работа двигателя над модулем тоже не может быть определена по мухинской формуле; в реальности ее можно оценить как $P h \approx$ 6600 кгс·м, считая величину тяги двигателей примерно равной весу лунного модуля $P$: при посадке модуль опускается примерно с постоянной скоростью). Однако в дальнейших вычислениях Мухин явно использует полученную им величину как мощность работы двигателя над газами.

По сути, формула мощности работы двигателя над газами «по Мухину» сводится к выражению

(1)

\begin{align} N = P h\left(\sqrt{\frac{g}{2h}} - \frac{1}{t}\right) , \end{align}

где N — мощность работы двигателя над газами, P — вес модуля, h — высота модуля над поверхностью, g $\approx$ 1,62 м/с2 — ускорение свободного падения на Луне, t — время опускания модуля.

Рассмотрим предельный случай — будем считать, что модуль опускается очень большое (в пределе бесконечное) время, $t \rightarrow \infty$: по сути, это случай неподвижно зависшего над Луной модуля. По Мухину, мощность работы его двигателя над газами будет

(2)

\begin{align} N = P \sqrt{\frac{gh}{2}} . \end{align}

Забавно, что согласно этой формуле, мощность работы двигателя над газами растет с высотой: чем выше модуль, тем, по Мухину, более высокую мощность должен развивать его двигатель для обеспечения висения! И это несмотря на то, что сила тяжести, действующая на модуль, от высоты в первом приближении не зависит.

Попробуем оценить работу двигателя над газами правильно. При посадке тяга двигателя мало отличается от веса модуля, так как модуль плавно опускается на поверхность с постоянной скоростью, и тяга почти полностью уравновешивает его вес. Поскольку удельный импульс двигателя составляет $\approx$ 310 сек [9], то при тяге $\approx$ 1200 кгс расход топлива равен, согласно известному соотношению, $\approx$ 1200 кгс / 310 с $\approx$ 3,9 кг/с. Скорость газов составляет $\approx$ 310 с · 9,81 м/с2 $\approx$ 3040 м/с. Таким образом газы, выбрасываемые из двигателя в течение 1 секунды, имеют кинетическую энергию $\approx$ 3,9 · 30402/2 Дж $\approx$ 1,8 · 107Дж, и за 6 секунд двигатель совершил работу $\approx$ 6 · 1,8 · 107Дж $\approx$ 1,1 · 108Дж.

Эта величина почти в 1,3 тыс. раз больше, чем насчитал Мухин (т. к. 8630 кгс·м $\approx$ 8,5 · 104Дж). Таким образом, Мухин ошибся на 3 порядка! Пожалуй, ему несколько рано экзаменовать специалистов из ЦАГИ.

Весь остальной ход мухинского «расчета» не менее абсурден и изобилует такими же нелепыми ошибками. Достаточно обратить внимание уже только на то, что, ко всему прочему, Мухин умудрился перепутать единицы силы, что привело к еще одной десятикратной ошибке, а также перепутать массу с объемом:

Рассчитанная нами ранее работа в 4315 кГс перешла в кинетическую энергию частиц грунта и при средней скорости 1,4 м/сек она вынесла из-под «Аполлона – 11»: 4315 · 2/1,42 = 4403 кГ (4,4 т) грунта. При его насыпной плотности 1,9 т/м3 это равняется: 4,4/1,9 = 2,3 м3.Круг диаметром 3 м имеет площадь примерно в 7,1 м2. Объем конуса равен произведению площади его основания на одну треть высоты. Отсюда глубина конуса выноса грунта под соплом «Аполлона-11» оценивается в: 3 · 4,4/7,1 = 1,9 м.

(Выделение apollofacts; как видно, Мухин при вычислении высоты конуса через его объем вместо полученного им ранее объема 2,3 м3 использует насчитанную им массу 4,4 т).

Таким образом, полученный Мухиным результат есть не более чем комбинация нелепостей, плод произвольной игры ошибок, и с реальностью он не может иметь ничего общего. Заканчивает Мухин следующими словами:

Я не претендую на то, чтобы этому методу расчета обучали студентов, но за 35 лет этих споров и восторженных воплей наших космических балбесов по поводу «великой победы американцев» мог найтись хоть один специалист, который выполнил бы подобный расчет вместо меня, редактора «Дуэли»?

Радует, что Мухин не претендует на обучение своему методу в вузах, но его удивление тому, что за 35 лет ни один специалист подобный «расчет» не выполнил, ничем не оправданно. Факты таковы, что металлург и редактор «Дуэли» Мухин имел бы мало шансов сдать школьный экзамен даже по разделу механики.

apollofacts.wikidot.com

Скачать Мухин Ю.Н., Синильщиков Б.Е.

Мухин Ю.Н., Синильщиков Б.Е.

Рейтинг книги

0.00

(оценок&nbsp&lt&nbsp5)

0 10

Разработка машинной установки для катера на базе автомобильного двигателя регламентируется рядом нормативных документов, не рассматриваемых в данной работе. Однако все рекомендации, предлагаемые авторами, учитывают требования, предъявляемые к конверсии автомобильных двигателей в судовые.

В работе не рассматриваются вопросы, касающиеся общих принципов устройства и работы двигателей внутреннего сгорания, не приводятся известные технические сведения, опубликованные в заводских инструкциях п литературе, посвященной ремонту и обслуживанию двигателей. Основное внимание уделено разработке конструкций элементов конверсии и способам ремонта двигателя, работающего в специфических условиях машинного отделения. Кроме того, в работе содержится ряд данных, не встречающихся в литературе, касающихся зависимости моторесурса двигателей от режима их работы, а также рекомендации по ремонту и изготовлению элементов конверсии в условиях единичного производства.

Книга «Введение в яхтинг (для тех кому за тридцать)» - это толстый двухкилограммовый том, который читается со скоростью детектива. Авторам удалось собрать в книге все, что входит в понятие современного яхтинга: парусные и моторные яхты, «вкусные» исторические факты, технологи...

2005 год

27.61 МБ

0.0

скачиваний: 2422

Учебное пособие по основам Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения мореплавания (ГМССБ). Раскрывает общие принципы, содержащие и конкретную практику применения указанной системы в условиях торгового мореплавания. Книга написана в соответствии с требованиями Международной прог...

2001 год

4.53 МБ

0.0

скачиваний: 1845

В справочнике представлены сведения, необходимые для грамотной и надежной технической эксплуатации судов морского, речного и рыбопромыслового флота. Книга предназначена для использования в практической работе судовым инженерным составом, а также будет полезна для технических служб судоходных комп...

2008 год

12.92 МБ

0.0

скачиваний: 1987

В книге изложены основы теории двигателей внутреннего сгорания, рассмотрены конструкции современных дизелей речных судов, их основных узлов, систем, устройств дистанционного и автоматизированного управления, приведены сведения об организации технической эксплуатации и охране труда, описаны приемы об...

1988 год

12.74 МБ

9.2

скачиваний: 2232

В учебнике изложены основные сведения об устройстве судна, его мореходных и эксплуатационных качествах, судовых системах, энергетических установках, электрооборудовании, навигационных приборах, средствах связи, автоматизации судовых процессов. Материалы приведены в соответствии с курсом "Устрой...

1989 год

5.9 МБ

8.1

скачиваний: 3020

Основу книги составляют оригинальные вопросы и задачи, для решения которых требуется конструкторская смекалка и знание законов черчения. В занимательной форме приводятся необходимые теоретические сведения, дается материал, расширяющий кругозор школьника.

1990 год

7.27 МБ

0.0

скачиваний: 1938

Книга предназначена для подготовки граждан к сдаче экзаменов на право управления маломерными судами в различных районах плавания. В ней подробно освещены вопросы устройства маломерного судна, судовождения, безопасности на водах. Полезная информация содержится в справочных таблицах и приложениях. Изл...

2006 год

11.37 МБ

0.0

скачиваний: 2184

Узлы - одно из древнейших изобретений человечества, которым и по сей день пользуются все: от мала до велика. Причем зачастую люди не задумываются над способом их завязывания, поскольку делают это автоматически. А между тем иногда мы завязываем, сами того не зная, довольно-таки замысловатые узлы с не...

2004 год

3.6 МБ

0.0

скачиваний: 2312

В справочнике рассмотрены устройство, использование, обслуживание и ремонт основного судового электрооборудования. Приведены технические данные электрических машин, аппаратов и приборов, необходимые для эксплуатационников. Справочник предназначен для электромехаников и электриков морских и речны...

1986 год

7.1 МБ

0.0

скачиваний: 1992

Книга охватывает практически все темы одобренной программы подготовки мотористов согласно ПДМНВ 78/95. Значительное место отведено сведениям о конструкции, эксплуатации и ремонте ДВС, вспомогательных паровых котлов, судовых вспомогательных механизмов, систем и устройств. Акцент поставлен на практиче...

2005 год

5.42 МБ

8.5

скачиваний: 2611

mexalib.com

Мухин Валентин Григорьевич » Испытатели

1926-2005

В.Г.Мухин

Герой Советского Союз (22.07.1966), заслуженный лётчик-испытатель СССР (20.09.1967), генерал-майор авиации (1981).Родился 20 декабря 1926 года в городе Лепель ныне Витебской области (Республика Беларусь) в семье военнослужащего, в связи с чем в детстве жил в различных городах страны и за рубежом — Смоленск, Хабаровск, Чита, Дза-мын-Удэ (Монголия), Тюмень, Славянск (Донецкая область, Украина). В 1944 окончил Одесскую спецшколу ВВС (г.Педжикент).В армии с июля 1944. До декабря 1944 обучался в Одесской ВАШЛ (г.Фрунзе), в 1945 окончил Ташкентскую ВАШСБ (г.Чирчик). В 1949 окончил Качинское ВАУЛ, до 1951 был в нём лётчиком-инструктором.В 1953 окончил Школу лётчиков-испытателей, в 1959 — Московский авиационный институт.С июня 1953 по июль 1957 — лётчик-испытатель Лётно-исследовательского института. Поднял в небо (9.01.1956) и провёл испытания Е-50. Провёл испытания МиГ-17СФ и МиГ-17ПФ на динамический потолок (1954).В полете 14 июля 1956 г. на Е-50 требовалось проверить работу нового двигателя, для чего необходимо было взлететь с убранными закрылками на максимальном режиме, на высоте 5000 м включить форсаж и набрать высоту 12000-13000 м. Кроме того, предстояло оценить качество термозащиты фонаря с уменьшенным обзором, представлявшего собой металлический колпак с круглыми иллюминаторами. Во время выруливания В.Г.Мухина на старт загорелась красная лампочка «Пожар двигателя». Прекратив рулежку, он перевел двигатель на режим малого газа и вернулся на стоянку. Сигнальная лампа замигала, а затем погасла. Осмотр силовой установки не выявил каких-либо отклонений от нормы. Ведущий инженер Ю.Н.Скоров дал указание повторить взлет, а в случае срабатывания пожарной сигнализации в полете прекратить выполнение задания и произвести посадку. Самолет вырулил на старт и в 12 ч 53 мин взлетел. Сразу после взлета на максимальном режиме (11150 об/мин.) на высоте 150-200 м снова начала мигать лампочка «Пожар двигателя». Летчик убрал газ до номинала (10200-10300 об/мин). Во втором развороте на высоте 1000-1100 м лампа начала гореть постоянно, хотя показания приборов контроля силовой установки были нормальными. Согласно полученным инструкциям, летчик прекратил выполнение задания, сообщив об этом на землю. С выпущенными в третьем развороте шасси он зашел на посадку с убранными закрылками, а после четвертого разворота установил 9200 об/мин двигателя и скорость планирования 420-430 км/ч (по прибору). Из четвертого разворота он вышел на высоте 400 м между дальним и ближним приводами, установленными в створе ВПП-4. Однако после этого самолет повел себя непредсказуемо, начав быстро снижаться. Пилот плавно добавил газ для подтягивания, но обороты двигателя оставались постоянными. «Зависание оборотов» не позволило дотянуть до бетонки, и В.Г.Мухин посадил самолет с выпущенными шасси в створе ВПП-4. Первое касание земли произошло на расстоянии 700 м от посадочной полосы. В 12 ч 58 мин «пропахав» около 200 м по земле, самолет замер.На здоровье летчика аварийная посадка практически не отразилась, а вот самолет получил серьезные повреждения.С июля 1957 по 1989 — лётчик-испытатель ОКБ А.С.Яковлева. Поднял в небо и провёл испытания Як-27В/2 (15.05.1957), Як-27Р/2 (октябрь 1957), Як-28/2 (8.07.1959), Як-30 (2.07.1960), Як-30/2 (1960), Як-30/3 (3.06.1961), Як-32/2 (1961), Як-28И (1961), Як-36 (27.07.1964), Як-38 (2.12.1970), головного Як-42 Смоленского авиазавода (27.10. 1976). Участвовал в испытаниях Як-28, Як-28Л, Як-28П, Як-28Р, Як-28ПМ, Як-18Т.Установил 3 мировых авиационных рекорда: в 1961 — рекорд высоты на самолёте Як-32, в 1981 — 2 рекорда грузоподъёмности и дальности на самолёте Як-42.В 1985-1991 — начальник ЛИК ОКБ А.С.Яковлева. С 1992 — в отставке.Жил в Москве. Трагически погиб (в автодорожном происшествии) 13 апреля 2005 года. Похоронен в Москве, на Троекуровском кладбище.Государственная премия СССР (1981). Награждён орденами Ленина (22.07.1966), Октябрьской Революции (26.04.1971), Красного Знамени (21.08.1964), медалями.

Источники информации:

  • Заслуженные испытатели СССР / А.А.Симонов, — М.: Авиамир, 2009 /
  • Испытатели ЛИИ / В.П.Васин, А.А.Симонов, Жуковский. “Авиационный печатный двор”, 2001 /
  • «Испытатели МиГов» / И.Б.Балаков, А.А.Симонов, Жуковский. «Авиационный печатный двор», 1999 /

testpilot.ru


Смотрите также