СВОБОДНОПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ БИЛА

Большие перспективы применения имеют свободнопоршневые двигатели, изобретенные профессором Билом из университета штата Огайо. Эти двигатели самозапускающиеся, с необычными характеристиками, отличающимися от характеристик одноцилиндровых двигателей с кривошипно-шатунным механизмом; кроме того, отдельные варианты двигателей могут быть изготовлены без всяких уплотнений для газа. В последнем случае заполнение рабочим телом под давлением и герметизацию двигателей мож­но производить при их изго­товлении, что обеспечит относи­тельно высокую удельную мощ­ность и предотвратит возможное загрязнение движущихся узлов от внешней пыли. В таком исполнении двигатели могут быть применимы для тех случаев, когда их обслуживание является проблемой, т. е. в малоразви­тых в техническом отношении странах, в военных целях и для бытовых нужд.

1 — вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — шток вытеснителя; 4—полость расширения; 5 — кольцевой регенератор; S — полость сжатия; 7 — буферная полость; Рш — давление в рабочей полости; Рь — давление в буферной полости (предполагается постоянным).
Двигатели Била могут работать в любом положении — в вертикальном, горизонтальном, наклонном или перевернутом. Их конструкция очень проста: в них нет ни пружин, ни клапанов, ни каких-либо других механически действующих узлов.

Принцип действия. В двигателе Била имеются три основных элемента: тяжелый рабочий поршень, легкий вытеснитель и цилиндр с уплотнениями на обоих концах (рис. 10-1). Как видно из рисунка, шток вытеснителя относительно большого диаметра проходит через рабочий поршень. Шток вытеснителя полый, с открытым торцом, так что внутренняя полость вытеснителя соединена (и фактически является ее частью) с полостью, расположенной ниже рабочего поршня, называемой буферной полостью. К рабочей полости относится часть цилиндра над рабочим поршнем, подразделяемая на полость сжатия — между рабочим поршнем и вытеснителем и полость расширения — над вытеснителем. Длинная узкая кольцевая щель между цилиндром и вытеснителем выполняет функцию регене­ ратора между горячей полостью расширения и холодной полостью сжатия. Для полости расширения предусмотрен нагреватель, а для полости сжатия — холодильник.

Рассмотрим систему, показанную на рис. 1, находящуюся вначале в положении 0. Давление во всех полостях одинаковое, а температура везде равна температуре окружающей среды. Пусть теперь полость расширения нагревается. С ростом температуры да­ вление рабочего тела в замкнутом рабочем объеме увеличивается от положения 0 до положения 1. Возрастание давления в рабочей полости до определенного значения приведет к перемещению вниз рабочего поршня и вытеснителя.
Сила, действующая на рабочий поршень, равна (Pw — Pb)(Ac—Ar) *
(* Aс и Ar — площади поперечных сечений соответственно рабочего поршня и штока вытеснителя; Мр и Мд — массы рабочего поршня и вытеснителя. ), а сила, действующая на вытеснитель, — Ar (Pw—Pb).
Ускорение рабочего поршня при движении вниз определяется как ар = (Pw—Pb) (Ac—Ar)/Mp, а ускорение вытеснителя ad=(Pw-Pb)Ar/Md.
Если отношение Mp | Md велико (т. е. 10 : 1) и если отношение Ar I Ac значительно (т. е. 1 : 4), то аd > аp.
Поэтому вытеснитель ускоряется быстрее; это приводит к тому, что рабочее тело вытесняется из холодной полости сжатия в горячую полость расширения. Этот процесс ускоряется как ростом давления в рабочей полости по сравнению с давлением в буферной полости (принимаемым постоянным), так и дальнейшим возрастанием ускорений обоих поршней.
В итоге рабочий поршень и вытеснитель соприкасаются (положение 2), и с этого момента начинают двигаться вместе. После соприкосно­ вения поршней поток рабочего тела больше не поступает в полость расширения, но поскольку процесс расширения продолжается, давление начинает падать. В положении 3 давление Pw все еще больше, чем давление Pb ; поэтому рабочий поршень и вытеснитель продолжают ускоряться.

Расширение продолжается до точки 4, где давления рабочего тела Pw и буферной полости Pb равны. Инерции тяжелого поршня достаточно для продолжения процесса расширения рабочего тела и за точкой равновесия давлений; поэтому давление в рабочей полости падает ниже давления в буферной полости Pb ; таким образом, на рабочий поршень и вытеснитель начинают действовать замедляющие силы (возникающие из-за разности давлений). Вытеснитель, будучи более легким, первым реагирует на это. Замедляющие силы тормозят движение вытеснителя вниз, что приводит к отделению его от рабочего поршня, продолжающего двигаться вниз.
В этот момент рабочее тело начинает перетекать по регенеративному кольцевому каналу из горячей полости расширения в холодную полость сжатия. Это вызывает резкое падение давления в рабочей полости, и между полостями устанавливается большая разность давлений Pb Pw . Вытеснитель быстро устремляется вверх к головке цилиндра (точка 6) и остается в этом положении до тех пор, пока давление в буферной полости будет выше давления в рабочей полости.

В некоторый момент рабочий поршень останавливается и начи нает подниматься вверх (точка 7) под действием превосходящего давления в буферной полости. Поскольку процесс сжатия все еще продолжается, равенство давлений мгновенно восстанавливается (точка 8), а затем давление в рабочей полости будет превышать давление в буферной полости. При таком положении вытеснитель начинает двигаться вниз до соприкосновения с рабочим поршнем в точке 9, и далее цикл вновь повторяется, но без начальной стадии 0-4.

Схема р, V - диаграммы для всей системы показана на рис. 1. На практике за один рабочий цикл двигатель не выходит на установившийся режим в отли чие от описанного выше.

Применение двигателей Била.

Двигатель Била может быть источником мощности при соединении колеблющегося рабочего поршня с нагрузкой.
На рис. 2 показан один из вариантов двигателя Била, работающий как газовый компрессор. Поршень и цилиндр компрессора расположены коаксиально относительно рабочего поршня

Рис. 2. Двигатель Стирлинга сво-боднопоршневого типа (Била), рабо тающий как воздушный компрессор.

1 — цилиндр; 2 — горячая полость (расширения); 3 —вытеснитель; 4 — теплозащитный экран на эпоксидной смоле; 5 — кольцевой регенератор; 6 — воздушный насос и водяная рубашка охлаждения; 7 — выход холодной воды; 8 — холодная полость (сжатия); 9 — шток вытеснителя; 10 — выход воздуха; 11 — рабочий поршень; 12 — болты крепления; 13 — ци­ линдр из оргстекла; 14 — основание; 15 — распорная втулка; 16 — шток вытеснителя; .17 — уплотнительное кольцо; 18 — створчатый клапан; 19 — уплотнение из материала RULON ; 20 — вход холодной воды.