Новая жизнь двигателя Стирлинга

Марк Емке – STM

Компания STM Power – ведущий мировой разработчик технологии двигателя «внешнего» сгорания. В течение 25 лет компания занималась исследованием открытия Роберта Стирлинга и уже более 10 лет работает над внедрением своей технологии – превращение различных видов газообразного и жидкого топлива в электрическую и тепловую энергию – в серийное производство.

В 1816 году английский изобретатель Роберт Стирлинг запатентовал «экономайзер тепла» – первый двигатель Стирлинга. Принцип действия силовой установки компании STM (STM PowerUnit™) такой же, как и у этого двигателя – использование тепла для расширения рабочего газа в закрытом цилиндре. Расширяющийся газ давит на поршень и приводит его в движение.
Изобретение Роберта Стирлинга не получило широкого распространения: отчасти это произошло из-за получившего признание двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, двигатель Стирлинга более 100 лет оставался лишь предметом лабораторных исследований и имел ограниченное применение: некоторые компании использовали его в военной и космической промышленности, а также в установках, использующих солнечную энергию. Причиной, мешавшей широкому использованию двигателя, стали недостатки его конструкции.
Двигатель Стирлинга состоит из двух цилиндров: один из них нагревается от внешнего источника тепла (например, от огня), а другой – охлаждается внешним источником холода (например, льдом). Газовые камеры обоих цилиндров соединены. Поршни также соединены друг с другом рычажным механизмом, который определяет их движение по отношению друг к другу.
В начале деятельности корпорации STM Power решено было упростить двигатель и повысить его мощность. Конструкция с одним поршнем на цилиндр позволила увеличить его мощность, по сравнению с двигателем Стирлинга, в два раза. Это стало началом производства двигателей внешнего сгорания, которое существует по настоящее время.
Двигатель корпорации STM – это 4-цилиндровый тепловой двигатель внешнего сгорания. Внутри каждого цилиндра, не сообщающегося с внешней средой, содержится определенное количество газообразного рабочего тела (в данном случае – водорода под большим давлением). Часть двигателя находится в зоне постоянно высокой температуры при сжигании различных видов топлива в камере сгорания (в результате передачи тепла водороду по трубам нагревателя). Другая часть двигателя эксплуатируется при постоянно низкой температуре – в результате циркуляции водорода через охладители. Рабочий газ циркулирует между горячей и холодной частями двигателя, расширяясь и сжимаясь при движении поршней. Преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное осуществляется при помощи аксиально-поршневого привода, который приводит в действие генератор.
В каждом цилиндре водород, проходя по трубам нагревателя, поглощает тепло, выделяемое при сгорании, и расширяется, толкая поршень вниз и осуществляя таким образом работу на аксиальном поршне. Поднимаясь обратно вверх, поршень выталкивает водород из цилиндра через регенератор, который поглощает тепло из водорода и временно его удерживает. Затем водород проходит по трубам охладителя и отдает тепло хладагентам, проходящим через него. Охлажденный водород поступает в камеру сжатия под примыкающим поршнем и, как только поршень опускается, сжимается и выталкивается обратно вверх через регенератор. Там он снова нагревается, проходит по трубам нагревателя, и цикл начинается заново.
По сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания, подвижных частей у STM меньше половины. В связи с тем, что сгорание происходит снаружи цилиндров, топливо и побочные продукты сгорания не взаимодействует с системой смазки или поршнями. Двигатель использует синтетическое масло, поэтому замены масла, как, например, в двигателях внутреннего сгорания, не требуется. Это сокращает затраты на обслуживание и ремонт.
Успешные разработки привели к следующей ступени развития компании. Было определено, что лучше всего двигатель применять в составе стационарной электрогенераторной установки.
В 2002 году было собрано пятьдесят опытных моделей мощностью 25 кВт. Более 44 тыс. часов велись наблюдения за работой испытательных образцов в различных точках земного шара с использованием разных видов топлива. В результате конструкция двигателя была утверждена.
Это и стало началом организации серийного производства энергоустановок STM PowerUnit™ (на базе двигателя F0260 055F), обладающих следующими преимуществами:

•    энергоблоки мощностью 55 кВт могут работать в составе многоагрегатной станции и оснащаться котлами-утилизаторами для выработки тепловой энергии;
•    электрический КПД в простом цикле составляет 30%, общий КПД установки при работе с котлом-утилизатором – 80%. Водяной котел-утилизатор вырабатывает 97 кВт тепловой энергии;
•    в двигателях можно использовать различные виды газообразного и жидкого топлива, включая синтетический газ и биогаз;
•    не требуется дожимных компрессоров для повышения давления топлива, поскольку блоки разработаны для эксплуатации с давлением 12,4...15,2 кПа. Следовательно, отсутствуют дополнительные потери мощности и расходы на обслуживание вспомогательного оборудования;
•    энергоблок может работать параллельно с энергосистемой;
•    имеет низкий уровень шума (64 дБ на расстоянии 7 м от энергоблока) и вибраций, что позволяет устанавливать блоки без специальных фундаментов и укрытий, значительно снижая при этом капитальные затраты.
Расход рабочего тела через двигатель – 6,9 м3/мин, температура выхлопных газов 220 °С.
Установка способна работать в диапазоне температур окружающего воздуха –30...+50 °С. Ее габаритные размеры 1,8x2,6x0,8 м, вес – 1796 кг.
Среди последних проектов компании – создание и поставка пяти энергоустановок PowerUnits™ мощностью 48 кВт на завод по переработке отходов в Шанхае (Laogang Waste Disposal Center) в начале 2005 года. В настоящий момент они вырабатывают электроэнергию из биогаза крупнейшей мусорной свалки в Китае. Электрическая энергия используется для нужд мусороперерабатывающего завода. Установки работают в когенерационном цикле – горячая вода применяется в технологии процесса переработки отходов.
Компания работает с Climate Technologies, DTE Energy и Ford Motor Company по использованию в двигателе внешнего сгорания паров от краски (растворителей) в качестве топлива. Проведены успешные испытания данного проекта. Заказ на первую установку будет выполнен в сентябре 2005 года.
Потенциальные объекты применения двигателей – это водоочистные станции, сельскохозяйственные автоклавы и свалки. Установке, работающей на газовом топливе, необходимо содержание метана более 35% (как на вышеупомянутых объектах применения), включая, также, природный газ или пропан.
В настоящее время ведется работа над проектом макета двигателя, в котором в качестве жидкого топлива будет использоваться дистиллят пальмового масла. Разработка жидкотопливной горелки будет вестись еще несколько лет, но продолжающийся рост цен на нефть будет повышать актуальность этих работ. Изделие может использоваться в установках мощностью 48 кВт (50 Гц) и 55 кВт (60 Гц). Турбины и Дизели