Это не просто два альфа двигателя стирлинга, которые усажены на один коленвал. Здесь немного всё сложнее и интереснее. Речь идёт о конструкции, которая имеет три коленчатых вала, но на 360° поворачивается только один. Принцип не менее интересен, чем двойная гамма. Вот схемка.
Двойной Альфа СтирлингДва горячих цилиндра сидят на одном полу валу, два вытеснителя сидят на другом. Эти полу валы могут иметь диапазон качания от 0° до 180°. Это зависит от расстояния между поршнями и от длины их хода. Механика же их движения связана через промежуточный коленвал, который как раз и преобразует возвратно поступательные движения полу валов в полные обороты.
Достоинства такой компоновки заключаются в том, что мы используем известные нам КШМ, которые зарекомендовали себя с самой лучшей стороны, как в плане надёжности, так и в плане высокой технологичности и низкой стоимости. Также мы имеем возможность максимально приблизить движение наших шатунов к линейным. Это значительно уменьшает боковые силы, действующие поршнями на цилиндры.
Хочется также отметить, что ни у двойной гаммы, ни у двойной альфы вы не сможете приблизиться к идеальному движению поршней в конструкции. Смотрите статью Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга — само НЕсовершенство
Продолжая обыгрывать эту схему, мы можем к рабочим поршням добавить параллельно два вытеснителя, а к вытеснителям параллельно два рабочих поршня. Полученный «наворот» можно назвать дабл твин альфа (double twin alpha stirling) или на простом ломанном — сдвоенная двойная альфа. А ведь можно ещё параллельно вниз пустить по поршню и вытеснителю. В общем не хватало бабе огорода, купила баба порося )). Ну а теперь видео.
Генератор на магнитах
Для предварительного расчёта предлагаю калькулятор мощности двигателя стирлинга.
А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).
domolov.ru
В Русской технической литературе есть всего два обширных издания Уокера и Ридера-Хупера, которые конкретно и подробно говорят о двигателях Стирлинга. Это переводы светлых, но далёких советских времён. Книги безусловно полезные, но они очень похожи друг на друга и в них очень много недосказано и недоразжёвано. Авторы целились в аудиторию США и англоязычные демократические страны, которые могут с лёгкостью найти недосказанное в других источниках. В книгах щедро даны ссылки на смежные издания, публикации, опыты и результаты исследований (для тех кто не любит читать книги). Поэтому для многих Советских людей и сегодняшнего поколения в России эти недосказанности в большинстве своём так и остались за «кадром» полного понимания важнейших процессов в двигателях Стирлинга (тепловых машинах, двигателях внешнего сгорания).
В этой статье будет более широко освещён вопрос «правильного» движения поршней в идеальном цикле Стирлинга. Существующие на сегодня механизмы далекО далЁка находятся от этой правильности. Поэтому сделаем несколько умозаключений и выводов.
На рисунке выше приведена всем известная иллюстрация того как должны двигаться поршни. Зелёной «травой» выделены мёртвые области. Те кто думают, что знают всё об этих зонах, должны читануть Спрятанный мёртвый объём в двигателях Стирлинга. Цифрами от 1 до 4 обозначены моменты времени, в которые система меняет своё состояние и указаны периоды 1-2, 2-3 и т.д, которые обозначают периоды времени между моментами. Давайте остановимся всего на одном месте.
Период 3-4 в идеальном цикле Стирлинга. Сделаем умозаключение, которого нет явно в вышеприведённой литературе. Если обратить внимание на уровень НОЛЬ (горизонтальная чёрная черта посередине диаграммы), то в период 3-4 явно видно, что вытеснитель «залазит» в цилиндр рабочего поршня. Т.е., если у рабочего поршня уровень «ноль» это верхняя мёртвая точка (ВМТ), то нижняя мёртвая точка (НМТ) рабочего поршня будет совпадать с НМТ вытеснителя в момент 4 (т.е. в конце периода 3-4). Сложно? Уверен, вы поняли. Ещё проще можно выразиться: на всём периоде 3-4 вытеснитель должен «в спину плешь дышать» рабочему поршню и держать лишь минимальную дистанцию, ограничивающуюся мёртвым объёмом. А вот так выглядит pV-диаграмма цикла Стирлинга.
Цикл Стирлинга (pv-характеристика)А теперь вывод: вы не сможете приблизиться к идеальному движению поршней в двигателях Стирлинга типа альфа и гамма! Даже при помощи кулачков и движения с переменным радиусом. Кто любит спорить? Читаем Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга — само НЕсовершенство.
Кому интересна данная тематика, советую подписаться на новые статьи (форма справа). При выходе нового поста вам на почту будет падать сообщение.
domolov.ru
Одной из главных проблем, не решённых до сих пор, или же решённых, но не очень эффективно — движение поршней в двигателе Стирлинга, а именно максимально точное воспроизведение линейного движения вытеснителя и рабочего поршня как у идеально Стирлинга.
За двести лет предложено огромное количество механических приводов, гидравлических, свободнопоршневых и т.п. Множество патентов на изобретения и усовершенствования. Современный материалы, методы обработки, смазки и кучка небольшая программного обеспечения, которые держаться за пазухой в научных лабораториях и фирмах производителей. И всё это движение постоянно вдохновляется новыми и новыми идеями. А всё новое — хорошо забытое двести лет назад.
Итак, одна из идей линеаризации движения поршней в Стирлингах — кулачковые механизмы (кулачки толкатели) или более совершенные механизмы кругового движения с переменным радиусом. Вот это изобретение! Да этими кулачками (кулачищами) КПД Стирлинга взлетит как бешеный на нашей гамме-игрушке! Чтобы не заставлять напрягаться вашему воображению — даю рисунок.
Кулачковый толкатель для вытеснителя в двигателе СтирлингаЗдесь видно, что период 1-2 это нахождение поршня вытеснителя в верхней мёртвой точке (ВМТ). Период 2-3 и 3-4 это прямолинейное перемещение вытеснителя из ВМТ в нижнюю мёртвую точку (НМТ). И без нахождения в НМТ идёт сразу период 4-1 — линейное движение вытеснителя из НМТ в ВМТ.
Сравните с диаграммой движения поршней идеального двигателя Стирлинга. Хочу обратить внимание читателей, что рисунок не претендует на математическую и геометрическую точность, ибо сотворён лишь для целей поучения уму разуму. Я с удовольствием приму критику и поправки в мои рассуждения.
Одна из загвоздок состоит в том, чтобы уменьшить затрачиваемую энергию на поднятие вытеснителя в период 4-1. Уж очень крутой подъём. Один из вариантов решения — увеличение радиуса этого «кривого круга». Также стоит помнить, что для увеличения мощности двигателя нужно не только увеличивать поршень вытеснителя, но и увеличивать обороты двигателя. Но и это не самое главное.
Теоретически данный кулачок толкателя для движения вытеснителя смотрится очень перспективно. Но это только только на первый взгляд. Он вообще бесполезен в двигателях альфа и гамма типах! Я вас обманываю? Предлагаю прочитать Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга — само НЕсовершенство. Отсюда и наши двойная гамма и двойная альфа ни как не могут претендовать на идеальные движения.
Кому интересна данная тематика, советую подписаться на новые статьи (форма справа). При выходе нового поста вам на почту будет падать сообщение.
domolov.ru
Родилась тут у меня идея миновать при прохождении газа нагреватель и холодильник в определённые такты при работе двигателя Стирлинга. Стал искать в интернете информацию по этому поводу и практически ничего не сыскал. Если не ошибаюсь, называть этот процесс нужно «двигатель стирлинга с перепуском мимо термических областей». Есть пара строк в книге Уокера «Двигатели Стрлинга». Прошу не путать с выражением «регулирование мощности при помощи перепуска». Вот выдержки из книги:
Т.е. уже всё придумано и исследовано. В общем идея такая. Во время движения вытеснителя (дисплейсера) к НМТ (нижняя мёртвая точка) газ перетекает их холодной зоны (зоны сжатия) в горячую (зона расширения) минуя холодильник по пути через регенератор и нагреватель. Ибо зачем дополнительно охлаждать рабочее тело, если оно сейчас же должно нагреваться. И наоборот, при движении вытеснительного поршня к ВМТ (верхней мёртвой точке) горячее рабочее тело, минуя нагреватель, проходит через регенератор и холодильник.
В общем, результаты анализа подтвердили, что термический КПД двигателя Стирлинга с перепуском значительно выше. Это хорошее направление в сторону повышения эффективности стирлинга в целом.
Выше приведена схема из Уокера. Я думаю тут достаточно понятно и наглядно всё изображено. Также видны направления вентилей. Ниже изображен только дисплейсер. Выход на рабочий поршень не сделан, так как схему можно использовать для разных видов конструкций: бета, гама и т.п. Кому хочется динамики — пожалуйста:
Минусы стирлинга с перепуском:
— Клапана. Это сразу заставляет нас задуматься о шуме. Двигатели стирлинга априори представляют как очень тихие моторы. Ведь любые механические переключатели дают свой звуковой вклад в работу двигателя, будь то тарельчатые клапана или даже золотники.
— Усложнение конструкции. Необходимо предусмотреть и продумать связь клапанов с передающими механическую энергию агрегатами. Это могут быть коленвал, электромотор, линейный электромотор и т.п. А это дополнительные шатуны, штоки, подшипники и т.д.
— Повышение стоимости. Любые дополнительные агрегаты вносят свою лепту в итоговую стоимость двигателя. Это касается не только затраченного материала, но и стоимости изготовления, обслуживания и стоимости разработки.
— Снижение надёжности. Чем больше всего движется, тем больше вероятность, что это скоро сломается.
Плюсы стирлинга с перепуском:
— Повышение КПД. Как говорилось выше, термический КПД возрастает (теоретически). Доказано ли это на практике я не знаю.
— Снижение гидравлических потерь. Уменьшение пути, которое проходит рабочее тело. Двигаясь из горячей области, газ проходит регенератор и холодильник, минуя нагреватель. Двигаясь из холодной области, газ проходит регенератор и нагреватель, минуя холодильник. Т.е. и в том и в другом случае его путь сокращается. А это означает, что сопротивление газу уменьшается и это приводит с сокращению затрат на «продувку» газа.
— Уменьшение нагрузки на регенератор. Так как газ при прохождении из зоны сжатия в зону расширения минует холодильник, то его температура немного выше, чем в холодильнике. А проходя из зоны расширения обратно в зону сжатия газ минует нагреватель, поэтому его температура немного ниже, чем температура нагревателя. Таким образом разница температур на концах регенератора снижается, что и повышает его эффективность. Таким образом мы можем уменьшить необходимый размер регенератора, сохранив его изначальную эффективность при отсутствии схемы перепуска. При уменьшении регенератора мы также можем снизить и гидравлические потери при «продувке» рабочего тела (см. предыдущий пункт).
— Снижение вредного пространства. Если мы всё таки уменьшаем объём регенератора (см. предыдущий пункт), то мы таким образом ещё и уменьшаем мёртвый объём, т.е. снижаем количество рабочего газа, которое не участвует в работе.
Кто хочет ориентировочно прикинуть мощность своего двигателя стирлинга, предлагаю воспользоваться калькулятором мощности.
А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).
domolov.ru
Из чего сделать горячий цилиндр двигателя Стирлинга? Можно долго советовать и рассказывать о преимуществах выбора в пользу того или иного металла. В основном, большинство стирлингостроителей ориентируются на нержавейку. Т.е. на металл, с которым хоть и не легко работать, но зато он избавляет нас от многих проблем: высокая термостойкость, он не боится коррозии, его легко достать, нержавейка недорого стоит и т.п.
Или вот например, Латунь — легко обрабатывать, как говорится, «на коленке». Также широко распространён, не дорог и найти его можно в любом гараже. Поэтому то я и предлагаю ознакомиться с таблицей материалов, в которой приведу основные параметры. А чтобы не быть голословным, будем исходить из параметров, приведённых ниже.
Двигатели Стирлинга. Таблица свойств металлов: температура плавления, кипения, коэффициент линейного расширения, теплопроводность, плотностьТемпература плавления — один из важнейших показателей металла при выборе его для горячего цилиндра в высокотемпературных двигателях. И чем она выше, тем бОльшую мощность можно подводить и, соответственно, снимать с головки нагревателя. В данный момент используют специальные стали, которые позволяют держать температуру нагревателя от 700°С до 800°С. Чем выше разница температур нагревателя и холодильника, тем выше КПД (смотрите Таблица КПД двигателя Стирлинга)
С другой стороны, на отводимое тепло внутри цилиндра будет влиять показатель коэффициента теплопроводности. Чем он выше, тем больше тепла можно отвести и передать рабочему телу, т.е. нашему газу (воздуху, азоту, гелию или водороду) в цилиндре. У термостойких сталей этот показатель варьируется от 40 до 47 Вт/м*К. Посмотрите на аналогичный коэффициент у меди, серебра и золота! Вы можете сказать, что драгоценные и дорогие металлы сразу отпадают. А я бы поспорил. Эти редкие и дорогие материалы вовсе не стоит исключать из возможного применения. Именно из-за дорогих материалов и высокой сложности деталей и состоит цена Стирлинга, а она, как вы знаете достигает десятков тысяч долларов за двигатели мощностью в единицы киловатт. А так как борьба в Стирлингах идёт не на проценты, а на десятые и сотые процента, то стоимость иногда начинает играть далеко не первую роль.
Во многих книжках в качестве предпочитаемых материалов для горячих цилиндров (в будущем) авторы «сватают» различные керамические составы. Возможно, с появлением подходящей по свойствам керамики и будет снижена стоимость, уменьшена сложность и повышены температуры нагревателей, но… Сегодня такие материалы только в нашем воображении. Но вот интересный и всем известный материал Графит может заслужить и бОльшего внимания со стороны производителей Стирлингов. Высокие рабочие температуры, высокая теплопроводность, низкая плотность и линейное расширение. Высокая химическая стойкость — что также немаловажно. Вот это «именно то что доктор прописал». Низкая механическая стойкость и хрупкость, я думаю, не слишком большая проблема.
Если у вас есть какие-либо мысли по данной таблице, пишите, спрашивайте. Значения взяты из открытых источников и могут немного отличаться, но в целом погрешность не велика. Читаем далее про Трубчатые нагреватели в Стирлингах, как от них отказаться?
domolov.ru
В гл. 1 более или менее подробно рассматривалось по отдельности влияние различных конструктивных и рабочих параметров на характеристики двигателя Стирлинга. На практике можно при работе изменять в некоторых пределах давление, температуру, скорость вращения вала и иногда мертвый объем. Поскольку изменение одного определяющего параметра может привести к изменению нескольких или всех остальных определяющих параметров, для полного описания общих рабочих характеристик двигателя Стирлинга необходимо учесть все эти эффекты, что можно сделать графически с помощью рабочих диаграмм двигателя, как показано на рис. 1.89. Такие диаграммы содержат большое число данных, так что весьма нелегко выделить влияние различных параметров или определить конкретные закономерности, которые могли бы помочь конструктору или потребителю быстро оценить технические характеристики конкретного двигателя или возможность его использования. Следовательно, в подобных обстоятельствах обращение к многочисленным рабочим диаграммам не всегда облегчает выбор двигателя и, разумеется, не позволяет определить влияние его размеров. Кроме того, нет возможности использовать программы численного расчета, поскольку для их применения требуется слишком много подробных входных данных. Можно использовать результаты расчета идеальных термодинамических циклов типа описанных в первой части гл. 2, но, поскольку они не учитывают практических особенностей работы машины, сомнительно, чтобы такие результаты привели к правильным выводам, если только исследователь не имеет достаточно большого опыта, чтобы разумно интерпретировать их, а это можно сделать лишь в том случае, если нзвестны необходимые «коэффициенты незнания». Однако в некоторых случаях могут быть полезны результаты анализа псевдоцикла.
На первый взгляд не видно разумной альтернативы использования рабочих диаграмм двигателя и некоторых предполагаемых масштабных факторов. К счастью, обзор литературы позволил выявить несколько полезных эмпирических или полуэмпирических соотношений, с помощью которых можно определить необходимые данные для начальной стадии расчета или конструирования двигателя. Будут рассмотрены следующие факторы:
20 Зак. 839
1) выходная мощность;
2) КПД системы;
3) эффективный удельный расход топлива;
4) выбор рабочего тела;
5) основные размеры двигателя;
6) основные условия работы.
ctirling.ru
