Кто такой Роберт Стирлинг
Роберт Стирлинг родился на родине килта и виски – в Шотландии, в 1790 году.
Еще во время учебы в университете молодой пастор проявил немалую склонность к инженерным наукам, и свободное время посвящал разработке «безопасного» двигателя. В то время паровые машины уже активно эксплуатировались, но обладали одной неприятной особенностью – из-за низкой прочности стали у них часто взрывались котлы.
Стирлинг искал решение данной проблемы. Поскольку выбор материалов для котлов оказался невелик, преподобный Роберт просто отказался от пара и придумал новый тип двигателя на воздухе, но главное – ввел в цикл работы двигателя регенерацию тепла.
19 сентября 1816 года Стирлинга назначают священником церкви Лэй-Кири в Килмарноке, а уже 21 сентября того же года в Эдинбурге (Шотландия) он патентует устройство называемое «экономайзер» или устройство для экономии тепла (английский патент №4081).
Сегодня это устройство называется регенератор или теплообменник. Регенератор - сердце всех современных Стирлинг-машин. Позднее еще дважды: в 1827 и в 1840 годах Стирлинг патентует усовершенствованные образцы своей машины. Он упорно движется к цели – созданию «безопасного двигателя». И в 1845 году, не без помощи младшего брата Джеймса и друга - Томаса Мортона, Стирлинг достигает результата.
Машина в 50 индикаторных лошадиных сил изготавливается на литейном заводе в Дании. Аппарат использовали на шахте для откачки воды. Он успешно проработал три года, но был разобран по причине частого выхода из строя. Дело было не в конструкции – она идеальна, и перекочевала в современные типы Стирлинг-машин без особых изменений.
Проблему создавали материалы, не имеющие достаточной прочности. Металл рабочего цилиндра не выдерживал постоянного перепада температур и давления.
На склоне лет, Роберт Стирлинг в одном из своих писем 1876 года особо отмечал важность изобретения Генри Бессемера – получение высокопрочной стали. Стирлинг выражал надежду, что данная сталь откроет перспективы и его «машинам на воздухе».
На протяжении всей жизни, в своей домашней мастерской Стирлинг конструировал и изготавливал модели тепловых машин. Позднее, одну из этих моделей использовал лорд Кельвин для университетских лекций.
Не смотря на бурную изобретательскую деятельность, Роберт Стирлинг оставался пастором и продолжал вести службы. Умер изобретатель-священник 6 июня 1878 года в шотландском городке Галстон, в Восточном Айршире.
Каким образом Стирлингу удалось изобрести двигатель с максимально возможной термодинамической эффективностью – остается загадкой. Но, то, что этот неуемный шотландец за свои 88 лет сумел прожить две жизни – жизнь талантливого инженера-конструктора и священника - бесспорный факт. Стирлин опередил свое время более чем на сто лет. Его выдающееся изобретение послужило толчком к значительному усовершенствованию паровых машин, пережило многие технические новинки двигателестроения и возрождается заново в наши дни.
Краткая история развития стирлинг двигателей
Двигатели Стирлинга и Эриксона имеют длинную историю, которая была детально изучена Финкельштейном {1959 г.). Машины конца XVIII в. можно считать первенцами тепловых воздушных двигателей, но их основное развитие относится к началу XIX в.
Первым работающим двигателем такого типа был, вероятно, тепловой воздушный двигатель открытого цикла, построенный Георгом Кайлеем (George Cayley) в 1807 г. Приблизительно в 1816 г. Робертом Стирлингом (Robert Stirling), был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу.
Позднее, шведский изобретатель Джон Эриксон (John Ericsson), работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего XIX в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с паровыми машинами. Мощность этих двигателей была небольшая - от 0,185 до 3,7 кВт (от 0,25 до 5 л. с), но строились также и более мощные.
Возможно, что наиболее интересным был двигатель, построенный Эриксоном в 1853 г. для морского судна. Двигатель имел четыре цилиндра и при диаметре поршней 4,27 м, ходе 1,52 м, частоте вращения 9 об/мин развивал мощность около 220 кВт (300 л. с). Двигатель был установлен на корабле «Эриксон», впоследствии опрокинутом штормом в нью-йоркском порту.
Примечательно то, что расход топлива на единицу мощности этого двигателя был меньше, чем у судового "паровика" того времени, а рабочее давление в цилиндрах - ниже чем давление в банке с кока-колой! Т.е. двигатель физически не мог взорваться.
Приблизительно в середине XIX в. был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретеннным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлинга, и к 1914 г. они уже практически не применялись.
Однако производство двигателей Стирлинга специального назначения, как, например, двигателей, работавших на керосине и служащих приводом для вентиляторов, которые использовались в тропических странах, продолжалось в Англии по крайней мере до 1946 г., а модели этих двигателей выпускаются до сих пор.
Второе рождение: начало исследовательских работ по двигателям Стирлинга было положено в лабораториях фирмы «Филипс» в Эйндховене в конце 30-х годов. С этого момента в их развитии наблюдается непрерывный прогресс.
Вначале эти работы были направлены на разработку двигателей для небольших электрогенераторных установок, предназначенных для питания радиоаппаратуры и другого подобного оборудования используемого в отдаленных районах земного шара, где аккумуляторные электробатареи были малодоступны.
Последующее развитие радиоламп и аккумуляторов и в особенности использование транзисторов уменьшили потребность в небольших электрогенераторных установках. Однако к этому времени были достигнуты уже значительные успехи, способствующие дальнейшим исследованиям, в которых особое значение придавалось развитию двигателей большой мощности.
Эти исследования включали экспериментальные разработки двигателей различной мощности до 330 кВт (450 л. с.) с более интересными характеристиками, чем у существующих двигателей внутреннего сгорания. К основным преимуществам двигателя Стирлинга фирмы «Филипс» следует отнести малый уровень шума и малую степень загрязнения воздуха выхлопными газами при значениях эффективного КПД. и удельной мощности сравнимых или лучших, чем у бензиновых двигателей или дизелей. Именно это сочетание характеристик, отвечающее все возрастающей заботе людей об окружающей среде, усилило внимание к использованию двигателей Стирлинга в транспорте.
Направления научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ фирмы «Филипс» были изложены доктором Мейером (Meijer) в 1969 г. Другие работы по двигателям Стирлинга, проводившиеся фирмой «Дженерал моторс» (General Motors) с 1958 по 1970 г. по лицензиям фирмы «Филипс», детально описаны доктором Хефиером (Heffner) в 1965 г. По более поздним лицензиям фирмы «Филипс» работают группа по изучению двигателя Стирлинга МАН — МВМ (М.А. N. —M.W.M.), созданная в 1967 г. в ФРГ, и шведский консорциум «Юнайтед Стирлинг АВ» (United Stirling AB), образованный в 1968 г.
Двигатели Стирлинга хорошо работают и в режиме холодильных машин. Эти возможности были впервые выявлены еще в 1834 г. Джоном Хершелем (John Hersehel), а в 1876 г. Александр Кирк (Alexander Kirk) дал описание машины, которая работала в течение 10 лет. Но, тем не менее только в конце 1940-х годов была сделана серьезная попытка использовать холодильные машины, работающие по циклу Стирлинга, в коммерческих целях. И снова за решение этой задачи взялась фирма «Филипс» в Эйндховене.
Первая холодильная машина для ожижения воздуха была изготовлена в 1955 г. С тех пор интенсивные работы в этой области привели к созданию целого ряда криогенных газовых машин с широким диапазоном по холодопроизводительности, и в настоящее время такие машины выпускаются как для проведения различных криогенных научных исследований, так и для промышленных целей.
Получили развитие и другие поршневые регенеративные криогенные машины, в частности ожижитель гелия Коллинза (Collins), разработанный фирмой «А. Д. Литтл инкорпорейшн» (A. D. Little Inc.), а также машины, работающие по принципу Джиффорда — Мак-Магона (Gifford — McMahon). Во всех этих машинах имеются клапаны, и в соответствии с классификацией они относятся к машинам, работающим по циклу Эриксона.
Двигатель Стирлинга сегодня
Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массо-габаритные характеристики и низкий КПД. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с КПД не превышающем 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» разработаны первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.
Мировой интерес к этому типу двигателей с того времени продвинулся из области теоретических построений в плоскость практической реализации в самых разных сферах. За рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Так, двигатели Стирлинга фирм Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling мощностью от 5 до 1 200 кВт имеют эффективный КПД более 42 %, ресурс - более 40 тыс. ч, удельную массу - от 1,2 до 3,8 кг/кВт.
В США стартовал проект создания солнечной электростанции с использованием двигателя Стирлинга в качестве прямого преобразователя теповой энергии в механическую. На фото Чак Андрака (Chuck Andraka, слева) и глава Stirling Energy Systems Боб Лиден (Bob Liden) на фоне первой установки в испытательном центре Сандия (фото с сайта sandia.gov). Теоретически КПД Стирлинга может совпадать с физическим пределом, определяемым разностью температур нагревателя и холодильника, да и на практике можно получить от стирлингов КПД порядка 70%. По расчётам авторов проекта, в теории одна ферма солнечных стирлингов, под которую отвели бы территорию 160 х 160 километров на юге США, полностью покрыла бы всю потребность страны в электроэнергии. На сегодняшний день прототипы успешно проходят испытания, но стоимость каждого еще слишком высока (более 150 тысяч долларов США), что тормозит массовое внедрение.
Подобными разработками интересуются и в Швеции. На сайте компании "Cleanergy" вниманию посетителей представлен новый концепт солнечной миниэлектростанции для получения электроэнергии. Создан как полномасштабный образец с гелиоконцентратором на подвижной с закрепленным в фокусе стирлингом, так и отдельный когенерационный агрегат для получения электроэнергии и тепла общей мощностью 9 кВт (однако, стоит отметить, что из 9 кВт только 2кВт - электроэнергия, остальные 7кВт - тепло для обогрева помещений).
Наиболее бурное развитие двигателей Стирлинга происходит в сфере военных технологий.
Быстрыми темпами создаются опытные и серийные образцы Стирлинг-установок для неатомных подводных лодок. Вот выдержка из статьи заслуженного изобретателя Российской Федерации, академика Академии военных наук, д.т.н. Кириллова Н.Г., посвященной данному вопросу:
«…наибольших результатов в разработке анаэробных установок достиг шведский концерн Kockums Submarin Systems, построивший три ПЛ класса "Gotland" типа А19 на основе двигателей Стирлинга. На ПЛ устанавливается два двигателя V4-275R по мщностью по 75 кВт. Три подводные лодки типа «Gotland» были построены фирмой Kokums в 1992 – 1996 годах. Длина субмарин – 60,4 метра, подводное водоизмещение – 1599 тонн. Экипаж – 27 человек, в том числе 5 офицеров. Вооружение: 4 Х 533-мм и 2 Х 400-мм торпедных аппарата. Скорость полного подводного хода – 20 узлов. При использовании двигателя Стирлинга лодки могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток!
Самый многообещающий проект шведов связан с перспективной подводной лодкой «Викинг». Это название выбрано не случайно. В реализации проекта должны участвовать еще две скандинавские страны - Норвегия и Дания. «Кокумс», норвежская компания «Конгсберг» и датская «Оденсе столшипсваерфт» образовали консорциум для практической работы над проектом. Всего планировалось построить 12 субмарин нового поколения. По мнению ведущих специалистов, эта была бы лучшая подводная лодка XXI века. На ней планировалось установить единый двигатель Стирлинга большой мощности (ориентировочно 800 кВт).
Первыми, после шведов, перспективность анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга поняли японцы… Для отработки технологии применения двигателей Стирлинга в 2000-2001 годах на кораблестроительной верфи «Кобе» фирмой «Мицубиси дзюкоге» были проведены работы по оснащению ПЛ «Асасио» энергетической установкой замкнутого цикла с двигателем Стирлинга.… Ходовые испытания прошли на «отлично». Поэтому уже с 2003 года японские ПЛ типа «Оясио» начали строиться с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга…
Японцы ввели новое словосочетание «стирлинг-подводные лодки»… Именно для новой ПЛ с единым двигателем фирмой “Mitsubichi” создан и прошел успешные стендовые испытания двигатель Стирлинга мощностью более 600 кВт. В качестве рабочего тела двигателя используется азот.
И наконец, последними из мировых держав, окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга.
Для этого в 2005 году ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа «Gotland», оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга...»
Как можно видеть все развитые страны ударными темпами разрабатывают и внедряют Стирлинги в серийное производство. И не удивительно, при сопоставимой с ДВС мощности Стирлинг-двигатели имеют высокий крутящий момент почти на всех режимах работы, малошумны, «всеядны» в плане топлива и могут работать в любых условиях.
Специалистами NASA (Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне. В качестве основного источника энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.
К Стирлингам интерес проявляли и в России. В 1996 году на ОАО “Машиностроительный завод “АРСЕНАЛ”, в рамках договора с ГП ГОКБ “Прожектор” были начаты работы по теме “Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга”. Но, к сожалению, работы в данном направлении были приостановлены из-за отсутствия дальнейшего финансирования проекта.
В настоящее время в России накоплен достаточный научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.
Не менее мощное развитие получили Стирлинг-машины в области криогенной техники. Поскольку Стирлинги обратимы, на их базе создано множество холодильных машин без фреона – газа, используемого в обычных холодильных комперссорах. Данное преимущество позволило уменьшить габариты системы охлаждения и повысить ее производительность.
Холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинга, наиболее эффективны в диапазоне криогенных температур (очень низкие температуры), в более высоком диапазоне температур (низкие температуры, используемые в промышленности и в быту) в настоящее время главным образом работают фреоновые парокомпрессионные холодильные машины.
Криогенные стирлинг -машины находят все большее применение в радиоэлектронных системах, где требуется мощное охлаждение, но отсутствуют условия для применения стандартных способов охлаждения (например термопарами). Некоторые фирмы, в том числе такие, как «Малакер и Хьюз эйркрафт», США (Malakar Labs Inc., Hughes Aircraft Co.) выпускают для продажи небольшие (или даже миниатюрные) криогенные машины. Эти компании совместно с Северо-Американским отделением фирмы Филипс (North American Philips Inc.), специализирующиеся на производстве миниатюрных охладителей, считают своей основной целью производство небольших криогенных машин для электронной промышленности, где они используются в основном для мощного охлаждения инфракрасных детекторов, применяемых в различных военных и гражданских целях.
По материалам статьи д.т.н. Кириллова Н.Г. и книги Г.Уокера "Машины, работающие по циклу Стирлинга"
Материалы по применению стирлингов в России и за рубежом будут периодически пополняться. Следите за обновлениями.
