Конфигурация двигателя Стирлинга: двойная гамма.

Хочу рассказать об одной из конфигураций двигателя Стирлинга. Это «двойная гамма». Просьба не искать сходства с выражением «Стирлинг двойного действия». Вся изюминка заключается в том, что на два вытеснителя приходится один рабочий поршень. Вот как это выглядит.

Схема расположения цилиндров в двойной гамме.

На рисунке изображено два «горячих» цилиндра, в которых расположены вытеснители. Они работают разнонаправленно со сдвигом фаз в 180°. Для упрощения схемы работы на рисунке не обозначен регенератор. Красными линиями выделены области нагрева цилиндров (нагреватель), синими линиями — места охлаждения (холодильник).

Снизу в центре нарисован рабочий цилиндр с рабочим поршнем. В зависимости от положения вытеснителей он может принимать значения верхней мёртвой точки (ВМТ) или нижней мёртвой точки (НМТ). Чтобы не перегружать схему, умышлено я опустил механику привода. Она может быть выбрана на усмотрение самого разработчика.

Принцип работы двойной гаммы.

При рассмотрении вопроса о том как работает двойная гамма нужно понимать, что оба вытеснителя (дисплейсера) всегда жёстко работают в противофазе. Рабочий поршень работает с разницей от вытеснителей на 90°. Т.е. относительно одного на +90°, а относительно другого на -90°.

1. Вытеснитель 1 находится в своей верхней мёртвой точке (ВМТ). Всё рабочее тело (рабочий газ) расположено в нижней части цилиндра 1 (т.е. в холодильнике), поэтому газ сжат и имеет минимальный объём. Давления на рабочий поршень сверху отсутствует и «втягивает» рабочий поршень вверх. В этот же момент в цилиндре 2 вытеснитель 2 находится в НМТ. Рабочий газ при этом находится в горячей области цилиндра (вверху) и имеет максимальную температуру и соответственно максимальное давление. При этом давление в рабочем цилиндре максимальное и газ давит на рабочий поршень снизу.
2. В момент, когда вытеснитель 1 начинает двигаться вниз, газ из холодильника перетекает в нагреватель и тем самым начинает расширяться, повышая давление на рабочий поршень сверху. В этот момент вытеснитель 2 начинает двигаться вверх. Рабочий газ из нагревателя переходит в холодильник и тем самым давление на рабочий поршень снизу ослабевает. Изменения давлений в вытеснительных цилиндрах только начинает изменяться, но до сих пор давление в правом вытеснительном цилиндре выше давления в левом,  а рабочий поршень продолжает ещё двигаться вверх.
3. На середине пути вытеснитель 1 и вытеснитель 2 уравнивают свои давления на рабочий цилиндр и при пересечении «экватора» давление в горячем цилиндре 1 становится больше давления в горячем цилиндре 2. Это приводит и к тому, что газ в левом цилиндре начинает давить на рабочий поршень с бóльшим усилием, чем газ из правого цилиндра. Рабочий поршень начинает перемещаться вниз.
4. Когда вытеснитель 1 находится в НМТ, а вытеснитель 2 в своей ВМТ, то давление на рабочий поршень сверху становится максимальным, а давление снизу минимальным. Рабочий поршень при этом будет находиться посередине своего цилиндра и продолжать движение вниз.
5. В момент, когда вытеснитель 1 начинает двигаться вверх, газ из нагревателя перетекает в холодильник и тем самым начинает сжиматься, понижая давление на рабочий поршень сверху. В этот момент вытеснитель 2 начинает двигаться вниз. Рабочий газ из холодильника переходит в нагреватель и тем самым давление на рабочий поршень снизу усиливается. Изменения давлений в вытеснительных цилиндрах только начинает изменяться, но до сих пор давление в левом вытеснительном цилиндре выше давления в правом,  а рабочий поршень продолжает ещё двигаться вниз.
6. На середине пути вытеснитель 1 и вытеснитель 2 уравнивают свои давления на рабочий цилиндр и при пересечении «экватора» давление в холодном цилиндре 1 становится меньше давления в холодном цилиндре 2. Это приводит и к тому, что газ в правом цилиндре начинает давить на рабочий поршень с бóльшим усилием, чем газ из левого цилиндра. Рабочий поршень начинает перемещаться вверх.

Достоинства двигателя Стирлинга по схеме двойная гамма.

Основное достоинство двойной гаммы заключается в меньшей суммарной потери мощности на трении. Т.е. рабочий поршень тратит энергию на преодоление силы трения только в половине такта, работая на первый вытеснительный цилиндр, а во второй половине такта тратит энергию, работая на второй вытеснительный цилиндр. В обычной же гамме (см. Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга — само НЕсовершенство), рабочий цилиндр работает только половину такта, а вторую половину происходит холостой ход и поэтому затраты в два раза больше.

Второе небольшое достоинство — лучшая сбалансированность конструкции сдвоенной гаммы. Два вытеснителя всегда движутся в противофазе на 180° и это позволяет заострить внимание только на балансировке рабочего поршня.

Уменьшение материалоёмкости и сложности. По сути на два вытеснителя в обычной компоновке нам бы пришлось использовать два рабочих поршня. Т.е. в 2 раза больше затраты на производство и занимаемый объём. Также вы можете воспользоваться стирлинг-калькулятором для оценки мощности двигателя.

Достоинства двойной гаммы можно использовать не только для двигателей внешнего подвода тепла, но и в холодильниках и тепловых насосах.

А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).