УДК 628.51 Проектирование комбинированного глушителя шума энергетических установок Нестеров Н. С., студент Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра «Экология и промышленная безопасность»
6-я я Международная конференция Энергоэффективность в жилищно-коммунальном хозяйстве и промышленности, АДСОРБЦИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА И ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Принцип действия: Винтовые насосы Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами
.. УКРАИНА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР АЛТЕК - 8026 Предназначен для преобразования в электрическую энергию промышленных тепловых отходов, отходов тепла от тепловых машин (двигателей внутреннего сгорания,
Паровинтовые установки (ПВУ) AES AUSTRO ENERGY SYSTEMS AG 1 Паровинтовые установки Паровинтовые установки (ПВУ) от Austro Energy Systems Int. AG ведущие в мире системы роторно-паровых двигателей в целях
Санкт-Петербург. Издательство Политехнического университета -(147)/01 Научно-технические ведомости СПбГПУ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ Министерство образования и науки РФ Санкт-Петербургский государственный политехнический
Газотурбинные установки Газотурбинные установки ГТУ имеют единичную электрическую мощность от двадцати киловатт (микротурбины) и до нескольких десятков мегаватт это классические газовые турбины Г Т У Газотурбинные
Тема 8 Второе начало термодинамики. Тепловые машины. Цикл Карно.. Теоремы Карно. К.п.д. цикла Карно.. Различные формулировки второго начала термодинамики.. еосуществимость вечных двигателей.. Тепловые
Занятие 8. Термодинамика Вариант 4... Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при повышении его температуры?. Увеличивается. Уменьшается. Не изменяется 4. Это не связанные величины 4... Давление
УДК 62-176.2 Зайнуллин Р.Р. к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры ПЭС Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ БИНАРНОГО ЦИКЛА В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ
УДК 62-176.2 Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Зайнуллин Р.Р. к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры ПЭС ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ВОЗМОЖНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
5 6 7 8 Аннотация Тема выпускной работы: «Проект Микро ТЭЦ на основе твердотопливного котла и двигателя Стирлинга». В данной выпускной работе были рассчитаны: мощность свободнопоршневого двигателя Стирлинга
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Модуль
Ветроэнергетическая установка. Область техники, к которой относится изобретение. Ветроэнергетическая установка служит для преобразования энергии ветра в механическую энергию. Уровень техники Известно множество
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) (1) МПК F02G /02 (06.01) 167 3 (13) U1 R U 1 6 7 3 3 U 1 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ (21)(22) Заявка:
Механизм- система искусственно соединенных элементарных тел (звеньев), в которой при заданном движении одного или нескольких звеньев, все остальные звенья движутся определенным образом. Рычажные механизмы-
Насос гидравлическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии двигателя в гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости. Основные особенности насосов объемного действия: 1. Наличие
AUSTRO ENERGY SYSTEMS INT. AG, E-Mail: [email protected], www.aes-int.com 1 О компании Компания «Austro Energy Systems Int. AG» уже более 12 лет является ведущим производителем когенерационных тепло электростанций
Осипов М. 10 «4» класс Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе
УДК 621.314.21 НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С.В. Елкин, Л.С. Араратьян В системах электроснабжения, как правило, применяют масляные трансформаторы (МТ). Сухие трансформаторы (СТ) используются только
1 МКТ и термодинамика. Графики и формулы Ответами к заданиям являются слово, словосочетание, число или последовательность слов, чисел. Запишите ответ без пробелов, запятых и других дополнительных символов.
УДК 62-176.2 Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Зайнуллин Р.Р. к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры ПЭС ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ВОЗМОЖНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ МИНИ-ТЭЦ Мусин Р.И. 1, Юрик Е.А. 2 магистрант 1, к.т.н., доцент 2 кафедра тепловых двигателей и теплофизики, Калужский филиал Московского государственного технического университета
docplayer.ru
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
С01.1ИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
А1 (19) (И) д) y F 02 G 1/043, 1/06
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4117237/25-06 (22) 11.06,86 (46) 07.01.88. Бил. М 1 (71) 11ВТУ им. Н.Э.Баумана (72) С,Н.Караваев (53) 621.41(088,8) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (56) Nolkep G., Senft I.R. Free-piston Stirling engines. — Borlinete:
Springer-Verleg, 1985, р, 23-27, (54) СВОБОДНОПОРННЕВОИ ДВИГАТЕЛЬ
СТИРЛИНГА (57) Изобретение позволяет расширить диапазон регулирования путем изменения массы вытеснительного поршня.
Для этого внутри пустотелого вытеснительного поршня размещен сильфон
12, а сильфон 13 — на внешней стороне днища цилиндра. Оба сильфона связаны между собой через дополнительный пустотелый шток 17. При изменении объема сильфона 13 путем внешнего воздействия через механизм 15 жидкость по штоку 17 перетекает в сильфон 12 или наоборот. Общая масса вытеснительного поршня 4 со штоком
11, сильфона 12 со штдком 17 изменяется. Для устранения колебаний объема сильфона 12 в течение цикла в штоке 17 установлен дроссель 18. Для устранения колебаний объема сильфона
13 в течение цикла к нему подсоединен компенсатор 14, выполненный в виде объема с подвижной стенкой.
1 ил.
13
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при создании свободнопоршневых двигателей с внешним подводом теплоты, в частности системы регулирования рабочей частоты.
Целью изобретения является расширение диапазона регулирования путем изменения массы вытеснительного поршня.
На чертеже приведена принципиальная схема двигателя.
Двигатель содержит цилиндр 1 с днищем 2, рабочий 3 и пустотелый вытеснительный 4 поршни, разделяющие объем цилиндра на полости расширения
5, сжатия 6 и буферную полость 7, нагреватель 8, регенератор 9 и охладитель 10, подключающие полость расширения к полости сжатия, потребитель мощности .(не показан), подключенный к буферной полости, полый шток ll проходящий через рабочий поршень и закрепленный на днище вытеснительного поршня, первый сильфон 12, заполненный жидкостью, размещенный внутри вытеснительного поршня и закрепленный там,второй сильфон 13, заполненный жидкостью, снабженный компенсатором 14, механизм 15 изменения объема второго сильфона, штоковое уплотнение 16, размещенное в днище цилиндра, и связывающий внутренние полости сильфонов, дополнительный полый шток
17 с дросселем 18, установленном на конце штока, частично выходящим внутрь второго сильфона.
Двигатель работает следующим образом.
Вытеснительный поршень 4 и закрепленный в нем сильфон 12 движутся вниз до соприкосновения вытеснительного поршня 4 с рабочим поршнем 3, газ из полости 6 сжатия через охладитель 10, регенератор 9 и нагреватель 8 перетекает в полость 5 расширения. При этом давление газа в буферной полости 7 меньше, чем давление газа во внутреннем контуре двигателя. Далее вытеснительный поршень
4 и рабочий поршень 3 движутся под действием сил инерции. Давление газа в буферной полости 7 при этом становится большим, чем давление газа во внутреннем контуре двигателя. Вытеснительный поршень 4 останавливается и начинает двигаться вверх, а рабочий поршень 3 продолжает двигаться
64762
2 вниз, так как его масса больше, чем общая масса вытеснительного поршня
4, штока ll, сильфона 12 со штоком 17 и заполняющей их жидкости. При этом
5 газ из полости 5 расширения через нагреватель 8, регенератор 9 и охладитель 10 поступает в полость 6 сжатия, что вызывает уменьшение давления газа во внутреннем контуре. Рабочий поршень 3 останавливается и начинает двигаться вверх, давление газа во внутреннем контуре двигателя повышается и становится равным, а затем большим давления газа в буферной полости 7. Вытеснительный поршень
4 начинает двигаться вниз до соприкосновения с рабочим поршнем 3, и цикл повторяется. При изменении объема сильфона 13 путем внешнего воздействия через механизм 15 жидкость по штоку 17 перетекает в сильфон 12 или наоборот и общая масса вытеснительного поршня 4 со штоком 11, сильфона 12 со штоком 17 изменяется. Для устранения колебаний объема сильфона
12 в течение цикла в штоке 17 установлен дроссель 18. Для устранения колебаний объема сильфона 13 в тече30 ние цикла к нему присоединен компенсатор 14, выполненный в виде объема с подвижной стенкой.
Так как выходные параметры двигателя пропорциональны отношению общей массы вытеснительного поршня с
35 полым штоком, сильфона с полым штоком и находящейся внутри жидкости, которая является изменяемой к массе рабочего поршня, которая постоянна, то выходные параметры двигателя можно
"0 регулировать путем изменения этого отношения.
Формула изобретения
Свободнопоршневой двигатель Стир45 линга, содержащий цилиндр с днищем, рабочий и пустотелый вытеснительный поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на полость расширения и полость сжатия, подключен50 ные. друг к другу через нагреватель, регенератор и охладитель, и буферную полость, подключенную к потребителю мощности, и полый шток вытеснительного поршня, размещенный в направляющих,установленных в рабочем поршне, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования путем изменения массы вытеснительного поршня, двигатель снабжен
Составитель Б.Морозов
Редактор Г.Гербер Техред M.ÄèäüIK Корректор Г. Решетник
Заказ 6330/26
Тираж 505 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по.делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная. 4
3 1364 двумя сильфонами компенсатором, механизмом изменения объема второго сильфона, дополнительным полым штоком и штоковым уплотнением, причем
5 ,первый сильфон размещен внутри пустотелого вытеснительного поршня, второй сильфон размещен на внешней стороне днища цилиндра, oda сильфона связаны между собой через дополнительный пустотелый шток, днище выполI
762 4 нено с отверстием для этого штока и штоковое уплотнение установлено в отверстии днища, механизм изменения объема второго сильфона выполнен в виде устройства для сжатия сильфона, компенсатор выполнен в виде объема с подвижной стенкой, подключенного к внутренней полости второго сильфона, а дополнительный полый шток выполнен с калиброванным дросселем.
www.findpatent.ru
Начало статьи Оценка удельной мощности свободнопоршневого двигателя Стирлинга (часть 1)
Переводчик: Илья Духанин, май 2016 год
Д. Линейный генератор переменного тока
Требуется, чтобы генератор работал при температуре выше 500 К, принимая в расчет потери в генераторе. Температура 513 К была выбрана некоторым образом произвольно. Этот уровень температуры выше возможности большинства стандартных материалов, и, таким образом, были предложены самарий—кобальтовые магниты (Sm2Co17). Второй эффект температуры генератора состоит в более высоком сопротивлении катушек обмотки, приводящий к возрастанию массы катушки.
Для минимальных размеров и массы должны быть использованы материалы с наиболее возможной магнитной индукцией насыщения и, таким образом, в качестве материала сердечника выбран Hyperco. Внутренний магнитопровод предлагается выполнять из скошенных слоев для достижения максимально возможной плотности упаковки.
Было выполнено множество исследований линейного генератора и ясно, что большая мощность и большая частота дают лучшую удельную плотность мощности (Рис.1, а). Также имеется выделяющаяся точка оптимума явно появляющаяся при непрактично высокой амплитуде. Таким образом, оптимальные плотности мощности линейного генератора связаны с взаимодействием динамики термодинамического цикла и оптимизации генератора. Например, увеличение амплитуды поршня предпочтительна для генератора, однако при заданной мощности приводит к меньшому диаметру поршня. Это, в свою очередь, приводит к меньшему пружинному эффекту. Следование этому процессу скоро приводит конструкцию в точку, где масса магнитов не может быть подпружинена двигателем. Типично, что точки оптимума для минимума массы линейного генератора и двигателя не совпадают.
Е. Схемы двигателей
На рис. 2 представлены все схемы двигателей. Двигатель одинарной бета-схемы электрической мощностью 25 кВт (Conceptual Stirling Space Engine, CSSE – концептуальный двигатель Стирлинга для космоса) взят из масштабируемого исследования MTI и показан как точка отсчета более проработанной конструкции. В двойных оппозитных установках объем расширения с одной стороны соединяется с таким же объемом на противоположной стороне, чтобы обеспечить единственную динамическую рабочую точку. Двойная оппозитная схема электрической мощностью 10 кВт базируется на двух одинарных бета-схемах электрической мощностью 10 кВт. В многоцилиндровых альфа-схемах трубчатые головки имеют межцикловые соединения на горячем конце и оребренные головки двигателя имеют межцикловые соединения на холодном конце. Для того, чтобы выдержать разумные длины трубок и меньший диаметр емкостей под давлением, некоторые альфа-схемы используют тандемную или тройную схему генераторов на цилиндр.
Рис. 2 Схемы двигателей: одинарного бета, двойного оппозитного бета и многоцилиндрового альфа (размеры в мм.)
Компонентный испытательный электрический преобразователь (Component Test Power Converter, CTPC), разработанный в MTI и представляющее собой одностороннее испытательное устройство, показан на рис. 3, как разработанный пример, который был предназначен для оппозитной схемы бета.
Рисунок 3: чертёж двигателя CTPC (MTI)
Испытания CTPC были проведены при температуре нагревателя 800 К и при температуре холодильника 400 К и показали выходную электрическую мощность генератора свыше 12,5 Квт при КПД двигателя 22% или 44% цикла Карно. Эта машина продемонстрировала удельную мощность 142 Вт/кг [2]. Машины, исследованные в этом исследовании, показали долю цикла Карно между 50% и 60%. Очевидно, уровень конструктивной проработки будет уточнять эти значения, хотя программа ASC уже продемонстрировала долю цикла Карно свыше 54% и ожидается в конце достичь 60% [8].
4. Оценки удельной мощности
Для каждой конструктивной точки были проведены моделирование при помощи SAUCE и массовые расчёты. В массовых расчётах были приняты значения допустимого напряжение на головку и давление в емкости, предлагаемые программой ASC. Это отражает лучшие соображения для надежного вычисления срока службы. Предполагалось, что толщина трубок составляет 10% внутреннего диаметра, что много толще, чем минимальная толщина, получаемая от вычислений окружного напряжения. Это допущение не вносит какую-либо значительную ошибку в наши общие оценки. Поскольку предполагалось, что головка и емкость под давлением имеют простую чашеобразную форму и не рассматривалась оптимизация конструкции, было бы возможно дополнительное снижение массы.
На рис. 4 показаны оценки КПД двигателей, включая CSSE электрической мощностью 25 кВт. Анализ КПД показывает изменения КПД от 27,1% до 32,5%, и трёхцилиндровые двигатели альфа-схемы демонстрируют особенно высокий КПД. Ступенчатая поршневая трёхцилиндровая альфа-схема имеет более подходящий фазовый угол (120º), чем четырёхцилиндровый двигатель (90º), и кажется более компактной в сравнении с шестицилиндровым, имеющим также 120º фазового смещения. Оребренные монококовые конструкции показывают меньший КПД, особенно при высоких уровнях мощности. Ясно, что основная причина высокого КПД двигателей заключается в использовании трубок для акцептора (теплоприемника). Если не применять трубчатую конструкцию, то КПД будет меньше. Это возможно даже для проработанных концепций таких, как конструкция MTI «морская звезда», хотя эта отдельная конструкция демонстрирует совершенное использование конструктивной оптимизации.
Оценка удельной мощности двигателей, включающая CSSE (рис. 5) электрической мощностью 25 кВт, показана на рис.5. Расчёты массы показывают, что двойные оппозитные, трёх- и четырёхцилиндровые альфа-схемы имеют превосходную плотность удельной мощности. Удельная электрическая мощность свыше 10 кВт изменяется от 182 до 220 Вт/кг. Поскольку удельная мощность (и диаметр) генератора являются важным фактором для получения высокой удельной мощности двигателя (рис.6 и 7), двойная оппозитная конструкция электрической мощностью 25 кВт показывает наибольшую удельную мощность, благодаря более высокой удельной мощности его генератора. Удельная мощность CSSE исключительно высока, так как в неё не включается балансирные массы. Дополнительно, наши вычисления предполагают, что высокая частота, большие амплитуды и высокие мощности были бы необходимы для достижения высокой удельной мощности генератора.
5. Исследование надёжности
Головки с трубчатыми соединениями из Mar-M-247 при нагревании до 1050 К были бы очень сложны для реализации , вследствие возникновении диффузии, что будет приводить к проблемам с надежностью. Один из возможных способов получения высокой надёжности может быть в понижении температуры нагревателя до 850 К, чтобы мог бы использоваться нержавеющий стальной реактор. Даже если количество трубок в этих конструкциях не особенно велико, имеется общее мнение, что соединения трубок могут быть источниками проблем с надежностью, не зависимо от того, какой материал использовался бы для конструкции. Это мнение следует пересмотреть, потому что, если возможно несколько снизить температуру головки и в то же время найти подходящие средства использования трубок в качестве первичной поверхности теплопередачи, то может быть получен более высокий КПД. Как упоминалось, альтернатива может состоять в использовании звездчатой нагревательной головки, разработанной MTI, которая имеет минимум горячих соединений.
Головка «морская звезда» может легко адаптирована к устройству альфа-схемы, показанному здесь в многом тем же самым способом, как были компонованы монококовые головки. То есть межцикловые соединения могут быть на холодных концах двигателя.
6. Заключение
Мы рассмотрели несколько схем свободнопоршневых двигателей Стирлинга с разными уровнями мощности наряду с их КПД и оценками удельной мощности. Для точных оценок принимались в расчет свободнопоршневая динамика, термодинамика и характеристики линейного генератора. Оптимизация термодинамики и линейного генератора не приводила к общей наилучшей точки конструктивных параметров, и поэтому необходим компромисс. Нагреватель трубчатого типа дает отличительные преимущества, и следует выработать серьезные соображения для нахождения средств к надежной реализации таких конструкций. Выявлены более высокие уровни мощности для улучшения удельной мощности конструкций с трубчатыми головками, в то же время оребренные монококовые головки показали предпочтительность низких уровней мощности. Ступенчатое поршневое трехцилиндровое устройство альфа-схемы показывает более лучший КПД и хорошую удельную мощность.
Благодарности
Мы поблагодарим NASA за поддержку проекта «SBIR High Specific Power Multiple – Cylinder Free – Piston Alpha Stirling», контракт NNC – 06СА84С. В особенности мы хотели бы поблагодарить С.Орити, Дж. Шрайбера и Р.Шалтенса за их весомый вклад.
Список литературы
centaurproject.com
Основная часть информации по уплотнению свободнопоршневых двигателей является собственностью организаций, занимающихся их изготовлением и испытаниями, однако в работе [33] имеется несколько глав, посвященных конструкции свободнопоршневых двигателей, написанных разработчиками и изготовителями таких двигателей, что помогает составить более полную картину методов уплотнения, применяющихся в этих двигателях. В свободнопоршневых двигателях нет многих трудностей, связанных с уплотнениями, которые встречаются в двигателях с кривошипно-шатунным приводом. Так, например, нет проблемы уплотнения штоков, поскольку весь агрегат можно заключить в герметичный корпус, как это делается в линейных генераторах переменного тока и инерционных компрессорах. Однако остается проблема уплотнения поршня, хотя она и упрощается благодаря отсутствию значительных боковых сил и нагрузок на подшипники, поскольку нет механического привода, что позволяет применять в таких двигателях газовые подшипники. Применение газовых подшипников делает невозможным установку обычных эластичных колец, даже изготовленных из тефлона, поскольку микрочастицы, отделяющиеся при работе таких колец, выводят из строя эти подшипники. Поэтому в свободнопоршневых двигателях для уплотнения в цилиндре рабочего поршня и вытеснителя, а также уплотнения штока вытеснителя в рабочем поршне используют уплотнения за счет жестких допусков. Это требует полировки всех скользящих поверхностей, и эти поверхности часто покрывают анодированным алюминием или окисью хрома [85]. Без сомнения, секрет успешной работы свободнопоршневых двигателей Стирлинга заключен в высоком качестве механической обработки.
Необходимость обеспечения минимального зазора между движущимися частями является одним из следствий уравнения
Гриннела [86], которое связывает массовую скорость утечки через уплотнение с величиной зазора:
■ я _ (Зазор)3 X (Разность давлений)2 ,, …
Массовая скорость утечки = —————- ~—-—————————- — . (1.11)
Г J Длина уплотнения v ‘
По наблюдениям авторов над некоторыми из двигателей Била, если оставить такой двигатель неработающим на ночь, то на следующее утро его не всегда удается запустить, однако после разборки и полировки поршней он начинает успешно работать.
В харуэллской машине проблема уплотнений практически решена полностью благодаря использованию металлической диафрагмы вместо рабочего поршня. Вытеснитель имеет посадку с зазором около 1 мм, и в двигателе используется щелевая регенерация.
Имеются также другие методы создания уплотнений; некоторые из них в настоящее время изучаются. Однако методы, изложенные в настоящей книге, в наибольшей степени подходят к данному двигателю и наиболее тщательно разработаны. Для ознакомления со всеми возможными методами уплотнений мы отсылаем читателя к работе [27].
ctirling.ru
Оценка удельной мощности свободнопоршневого двигателя Стирлинга
Переводчик: Илья Духанин, май 2016 год
Seon-Young Kim (Сеон-Янг Ким)
Sunpower, Inc., Athens, Ohio, 45701
David M. Berchowitz (Дэвид М.Берховиц)
Global Cooling Manufacturing, Inc., Athens, Ohio, 45701
4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC)
26 — 29 June 2006, San Diego, California
NASA предпринимает усилия для создания систем преобразования энергии высокой мощности для использования в космосе, и его требования сосредоточены на высоком КПД и малой массе. В этой статье представлены предварительные разработки и оценки удельной мощности свободнопоршневых двигателей Стирлинга с высоким КПД с выходной электрической мощностью 5, 10 и 25 кВт.
В каждой компоновочной схеме рассмотрены несколько конфигураций двигателей: одноцилиндровая и двухцилиндровая оппозитная схемы бета и трёх-, четырёх- и шестицилиндровые схема альфа. Критический фактор получения высокой удельной мощности связан с оптимизацией удельной мощности генератора переменного тока. Показана сильная функциональная зависимость от амплитуды поршня. Определено, что монококовые оребренные головки являются компромиссными при температурных градиентах и стенках под давлением. Эти температурные градиенты становятся значительными при уровне мощности выше 2 кВт. Показана ступенчатая поршневая альфа-компоновка с тремя цилиндрами, имеющая предпочтительную динамику для высокого КПД и хорошей удельной мощности.
1. Вступление
Свободнопоршневые двигатели Стирлинга (СПДС) обладают высоким потенциалом для применения в области космической энергетики благодаря не только своему высокому КПД, низкой массе и длительному сроку эксплуатации, но также и из-за их приспособления к различным тепловым источникам: солнечному излучению, радиоизотопным и ядерным реакторам. В 1989 г. вышел отчёт MTI [1] по изучению двигателей мощностью от 25 и до 150 кВт. Второй отчёт MTI [2] описывал программу разработки СПДС мощностью 50 кВт с 1988 по 1993 г. Кроме того, в течение многих десятилетий в НАСА проводились исследования по использованию атомной энергии для применения на поверхности Луны и Марса. Как предполагается, лунная миссия будет реализована в начале 2020-х годов, и ожидается, что на начальных этапах строительства требования к мощности для населённых людьми станций и баз на поверхности планеты будут находиться в диапазоне от 25 до 100 кВт. По мере того, как база станет полностью рабочей, дальнейшие требования электрической мощности могут достигать 1 MBт [7]. Для успешного использования в космосе требуется, чтобы СПДС имел высокий КПД, поскольку, вполне вероятно, он будет присоединен к массивному реактору и радиатору.
Удельная мощность СПДС также вызывает озабоченность в связи со связанными сложностями при транспортировке тяжёлых деталей в космос.
Фирма Sunpower провела множество проектов по программе NASA SBIR (Small Business Innovative Research – инновационные исследования малого бизнеса), включающие свободнопоршневые преобразователи Стирлинга электрической мощностью 35 Вт [3] и 80 Вт [4], а также разрабатывает «Advanced Stirling Converter» (ASC – усовершенствованный преобразователь Стирлинга) [5, 8] по трехгодичной программе NASA. Характеристики производительности, основанные на недавних экспериментах с аппаратурой и анализе [6], показывают, что достигаются значительно более высокие показатели по сравнению с предыдущими исследованиями. В феврале 2006 года фирма Sunpower совместно с фирмой Global Looking начали проводить исследования СПДС большой мощности по программе NASA (SBIR) Фаза 1. Целью программы является дать предварительную конструкторскую информацию по СПДС с высокой удельной мощностью для применения в космосе. С этой целью были исследованы различные конфигурации свободнопоршневых двигателей, включая так называемый альфа-компоновку. Для заданного уровня мощности альфа-компоновка имеет преимущества вследствие наличия множества меньших цилиндров, имеющих более тонкие стенки, большего отношения площади поверхности к объему, а также из-за наличия только одной подвижной на цилиндр.
В этой статье представлены некоторые предварительные схемы и оценки удельной мощности СПДС с высоким КПД для выходной электрической мощности 5, 10 и 25 кВт. Для каждой схемы были рассмотрены несколько конфигураций двигателей: одноцилиндровые и двухцилиндровые оппозитные бета-схемы, а также многоцилиндровые альфа-схемы (три, четыре и шесть цилиндров). Ступенчатая поршневая альфа-компоновка с тремя цилиндрами, имеющая предпочтительную динамику для высокого КПД и хорошей удельной мощности
Альфа-конфигурация с тремя ступенчатыми поршнями, предложенная доктором Берковицем, была найдена наиболее предпочтительной при отличной динамике КПД и хорошей удельной мощности.
2. Требования к системе и некоторые моменты конструкции двигателей
Как уже упоминалось, ожидается, что требуемая электрическая мощность для лунной станции будет не менее 25 кВт. Основываясь на исследованиях различных электрических систем с атомным реактором, максимальная температура нагрева головки принималась равной 1050 К, являющейся максимально допустимой для суперсплава конструкции двигателя Стирлинга. При использовании в космосе температура отводимого теплоты оптимизируется из условия минимума удельной массы радиатора, что приводит к температуре намного большей, чем температура для наземных систем. Основываясь на предыдущем исследовании, температура отвода теплоты в 500 К считается приемлемой для допустимой массы радиатора [7].
Массы реактора и радиатора настолько определяют массу и размер системы, что это становится критичным для СПДС, обладающим высоким КПД. Фактически, удельная мощность двигателя является вторичным важным фактором. Поэтому возникает вопрос: какова должна быть удельная масса при максимально возможном КПД?
С целью решения этой задачи, были исследованы несколько уровней мощности двигателей и конфигураций, чтобы попытаться оценить зависимость между размером, уровнем мощности и конфигурацией. Были исследованы три уровня электрической мощности: 5, 10 и 25 кВт для пяти различных физических конфигураций, а именно, одинарная бета-конфигурация, двойная оппозитная бета-конфигурация и трёх- четырёх- и шестицилиндровые альфа-конфигурация. Одинарная бета-конфигурация мощностью 25 кВт была исключена, так как такое же исследование уже проводилось MTI [1] и послужило точкой для сравнения. Температуры нагревателя и охладителя были приняты равными 1050 К и 500 К, как и принималось в исследовании NASA [7] для жаростойкого реактора, имевшего большее отношение температур, чем у реактора (850 К/460 К) из нержавеющей стали. Рабочим газом был гелий, а давление наддува и рабочая частота определялись в зависимости от динамики термодинамического цикла и оптимизации генератора. В таблице 1 представлены основные конструктивные параметры двигателей.
| Таблица 1: Основные конструктивные параметры двигателей | ||||||
| Наименование параметра | Ед. изм. | Виды конфигураций | ||||
| Одинарная бета | Двойная оппозитная бета | Многоцилиндровые альфа | ||||
| Количество цилиндров | 1 | 2 | 3 | 4 | 6 | |
| Мощность | кВт | 5, 10 | 5, 10,25 | ← | ||
| Th | K | 1050 | ← | ← | ||
| Tc | K | 500 | ← | ← | ||
| Давление* | Бар | 45 | 36~48 | 36~48 | 28~48 | 26~43,5 |
| Рабочая частота* | Гц | 65~70 | 65~70 | 50~60 | 60 | 60~65 |
| *Определено при обеспечении условия, что подрессоренная масса больше массы магнита. Эти параметры не являются произвольными. | ||||||
3. Конструкции схем двигателей
А. Конфигурация теплообменника двигателя.
Обычно предполагается, что нагреватели будут изготовлены из трубок, а охладители будут изготовлены в виде трубчато-оболочечной конструкции. Количество трубок на головках колеблется от 120 до 270, что меньше по сравнению с более, чем 1000 у SPED (Space Power Demonstrator Engine – демонстрационный космический двигатель), разработанного MTI [2]. Однако, в случае четырёх- и шестицилиндрового двигателей электрической мощностью 5 кВт двигателя, а также шестицилиндрового двигателя электрической мощностью 10 кВт предполагается оребрённая монококовая конструкция. Использование оребрённых монококовых головок очень затруднительно при температурных градиентах от первичных поверхностей теплопередачи в высокоэнергетических областях применения. Расчёты показывают то, что характеристика эффективности монококовых устройств начинает падать сразу после уровня входной тепловой мощности 3 кВт, а при мощности 6 кВт становятся серьёзно пониженной.
Таким образом, в исследование включаются монококовые головки для случаев, когда принимаемый тепловой поток достаточно низок (то есть, четырех- и шестицилиндровая схемы электрической мощностью 5 кВт и шестицилиндровая схема электрической мощностью 10 кВт). Конечно, такие решения, как головки типа «морская звезда», предложенные MTI [2], будут расширять применяемость монококовых головок, но подобные решения выходят за рамки этого исследования.
Все рассмотренные здесь конструкции имеют регенератор из фольги, размещаемый в виде кольца вокруг поршня. Ожидается, что предлагаемый регенератор из фольги обладает более высокой надёжностью и приемлемой тепловой характеристикой. Для нагревательных трубок предлагается использовать сплав Inconel 718, а для охладителя и регенератора – нержавеющую сталь.
Б. Крышка-головка двигателя и сосуд для давления
В качестве материалов для головки приняты сплавы Mar-M-247 или Udimet-720. Inconel 625 принят в качестве материала для ёмкости под давлением, так как он превосходит по отношение допустимого напряжения к плотности нержавеющую сталь.
В. Термодинамика
Все оценки производительности были сделаны, используя сопряженные линейные термодинамические и динамические вычисления посредством SAUCE (запатентованная программа свободнопоршневого моделирования). При оценке были учтены все известные потери в механизмах. Они включали в себя перетекание между вытеснителем и поршнем, усилие газового подшипника, гистерезис газа, внутренние потери на теплопроводность, работа генератора вне резонанса и т.д. Расчёты были нормированы по множеству устройств, и обычно предсказывали фактическую производительность с 5-10 процентной точностью.
Г. Динамика
В каждом случае была рассчитана свободнопоршневая динамика. Это необходимо для определения допустимой для поршня подпружиненной массы, которая должна больше массы магнита, чтобы разместить дополнительную массу конструкции поршня (смотри Дополнение). Для упрощения сравнений, подпружиненная масса вычисляется только от эффекта газовой пружины термодинамического цикла.
В расчете не рассматривалось дополнительное подпружинивание от механической, магнитной или отдельной газовой пружин. Подпружиненная масса устанавливается на некотором определенном значении над массой магнита, так что может быть рассчитана дополнительная конструкционная масса поршня. Конечно, это не точно, однако это должно дать подходящую начальную точку для подробной конструкции. В случае вытеснителей, можно допустить то, что масса узла вытеснитель-пружина будет масштабироваться, соответственно отношению диаметра вытеснителя к 1 Вт электрической энергии Sunpower FPSE (аналогично предполагалось для узла вытеснитель-пружина).
Ошибки в оценке общей массы конструкции узлов вытеснителя и поршня являются, вероятно, незначительными, поскольку они составляют малую долю общей массы системы. Более важным является факт, что достаточно бесспорно, что определенная рабочая частота достижима, поскольку это дает эффект первого порядка массы системы. Это гарантия того, что пытаются дать динамические вычисления.
Продолжение Оценка удельной мощности свободнопоршневого двигателя Стирлинга (часть 2)
centaurproject.com
www.freepatent.ru
СВОБОДНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА, содержащий по меньшей мере один цилиндр, разделенный совершающим колебательное движение относительно среднего расчетного положения рабочим поршнем на две камеры; рабочую и буферную, размешенный в рабочей камере поршень-вытеснитель, разделяюш,ий последнюю на примыкающую к рабочему поршню, холодную и горячую полости, сообщенные между собой через охладитель, регенератор и нагреватель, и установленный подвижно в рабочем поршне и жестко связанный с поршнем-вытеснителем шток, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем обеспечения устойчивого колебательного движения с заданной амплитудой, двигатель снабжен двумя байпасными каналами с противоположно включенными газодинамическими диодами, сообшающими холодную полость рабочей камеры с буферной камерой, причем впускные отверстия байпасных каналов размещены с примыканием к среднему расчетному положению рабочего поршня по разные его стороны, а размешенные в одной и той же камере впускное и выпускное отверстия разных каналов смещены одно относительно другого по ходу поршня.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
g(gg) F 02 С 1/00; F 01 В 11/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
12
1гг
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
К A8TOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3439095/25-06 (22) 18.05.82 (46) 15.10.83. Бюл. № 38 (72) Ю. С. Эндека (53) 621.4 (088.8) (56) 1. Веа1е W. Т. Free Piston Stirling
Engines Some Моде) Tests and Simulations.
SAE, paper № 690230, 1969, с. 1 — 8.
2. Лебедев И. В., Трескунов С. Л., Яковенко В. С. Элементы струйной автоматики.
М., «Машиностроение», 1973, с. 249. (54) (57) СВОБОДНО-ПОРШНЕВОЛ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА, содержащий по меньшей мере один цилиндр, разделенный совершающим колебательное движение относительно среднего расчетного положения рабочим поршнем на две камеры: рабочую и буферную, размещенный в рабочей камере поршень-вытеснитель, разделяющий послед„„SU„„1048149 A н юю на примыкающую к рабочему поршню, холодную и горячую полости, сообщенные между собой через охладитель, регенератор и нагреватель, и установленный подвижно в рабочем поршне и жестко связанный с поршнем-вытеснителем шток, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем обеспечения устойчивого колебательного движения с заданной амплитудой, двигатель снабжен двумя байпасными каналами с противоположно включенными газодинамическими диодами, сообшающими холодную полость рабочей камеры с буферной камерой, причем впускные отверстия байпасных каналов размещены с примыканием к среднему расчетному положению рабочего поршня по разные его стороны, а размещенные в одной и той же камере впускное и выпускное Я отверстия разных каналов смещены одно относительно другого по ходу поршня.
1048149
Изобретение относи-,, „тепловым машинам и может быть использовано в качестве привода в автономных источниках, электроэнергии.
Известны свободно-поршневые двигатели
Стирлинга (СПДС), содержащие по меньшей мере один цилиндр, разделенный совершающим колебательное движение относительно среднего расчетного положения рабочим поршнем на две камеры: рабочую и буферную, размещенный в рабочей камере пор10 шень-вытеснитель, разделяющий последнюю нз примыкающую к рабочему поршню холодную и горячую полости, сообщенные между собой через охладитель, регенератор и нагре40 ющими холодную полость рабочей камеры с буферной камерой, причем впускные отверстия байпасных каналов размещены с примыканием к среднему расчетному положению рабочего поршня по разные его стороны, а
45 размещенные в однои и тои же камере впускное и выпускное отверстия разных каналов смещены одно относительно другого по ходу поршня.
На фиг. 1 изображена общая схема
СПДС; на фиг. 2 — диаграммы зависимости положения рабочего поршня от времени.
СПДС содержит по меньшей мере один цилиндр 1, разделенный совершающим колебательное движение относительно среднего расчетного положения рабочим поршнем 2 на две камеры: рабочую 3 и буферную 4. В 5у рабочей камере размеще" по" шень-вытеснитель 5, разделяющий последнюю на примыкающую и рабочему поршню 2 холодную 6 и ватель и установленный подвижно в рабочем поршне и жестко связанный с поршнем-вытеснителем шток (1) и (2).
В известных СПДС ограничение хода поршня производится пружинным ограничителем, что снижает надежность из-за возможности разрушения под действием циклических нагрузок при длительной эксплуатации.
Цель изобретения — повышение надежности путем обеспечения устойчивого колебательного движения рабочего поршня с заданной амплитудой.
Поставленная цель достигается тем, что свободно-поршневой двигатель Стирлинга, содержащий по меньшей мере один цилиндр, разделенный совершающим колебательное движение относительно среднего расчетного положения рабочим поршнем на две камеры: рабочую и буферную, размещенный в рабочей камере поршень-вытеснитель, разделяющий последнюю на примыкающую к рабочему поршню холодную и горячую полости, сообщенные между собой через охладитель, регенератор и нагреватель, и установленный подвижно в рабочем поршне и жестко связанный с поршнем-вытеснителем шток, дополнительно снабжен двумя байпасными каналами с противоположно включенными газодинамическими диодами, сообща20
35 горячую 7 полости. Полости 6 и 7 сообщены между собой через охладитель 8, регенератор 9 и нагреватель 10. В рабочем поршне 2 подвижно установлен и жестко связан с поршнем-вытеснителем 5 шток 11.
Холодная полость 6 в рабочей камере 3 и буферная камера 4 сообщены между собой при помощи двух байпасных каналов 12 и 13 с противоположно включенными газодинамическими диодами 14. Впускные отверстия 15 и 16 байпасных каналов 12 и 13 размешены с примыканием к среднему расчетному положению рабочего поршня 2 по разные его стороны, а каждое выпускное отверстие 17 и 18 смещено по ходу поршня относительно впускного отверстия 16 и 15, размещенного в одноименной камере. При движении рабочего поршня 2 вверх давление в рабочей камере 3 увеличивается, а в буферной камере 4 уменьшается. Под действием перепада давлений на штоке 11 поршеньвытеснитель 5 перемещается вниз, вытесняя рабочее тело из холодной полости 6 в горячую 7 через охладитель 8, регенератор 9 и нагреватель 10. При этом к сжатому рабочему телу в регенераторе 9 и нагревателе 10 подводится тепло. Далее рабочий поршень 2 движется вниз, совершая работу, и под действием увеличивающегося давления в буферной камере 4 поршень-вытеснитель 5 движется вверх, перекачивая рабочее вещество из горячей полости 7 в холодную 6. При этом от расширившегося рабочего тела тепло отводится в регенератор 9 и охладитель 8. Если среднее расчетное положение колебаний рабочего поршня 2 находится на одинаковом расстоянии от впускных отверстий 15 и 16 байпасных каналов 12 и 13, то время перекрытия этих отверстий одинаково, как видно из графика зависимости координатов рабочего поршня от времени (фиг. 2а). 3а цикл из холодной полости 6 в буферную камеру 4 через байпасный канал 13 течет столько же газа, сколько из буферной камеры 4 в холодную полость 6 через байпасный канал 12.
Если среднее положение колебаний рабочего поршня 2 под действием утечек через уплотнения смещается вверх к холодной полости 6, то время перекрытия за цикл впускного отверстия 16 байпасного канала 13 превышает время перекрытия впускного отверстия 15 байпасного канала 12 (фиг. 2б).
В результате за каждый цикл из буферной камеры 4 в холодную полость 6 через канал 12 поступает больше газа, чем из холодной полости 6 в буферную камеру 4 через канал !3. Среднее давление газа в буферной камере 4 снижается, а среднее положение колебаний рабочего поршня поворачивается к расчетному. При смещении колебаний рабочего поршня 2 вниз к буферной камере 4 увеличится время перекрытия за цикл впускного отверстия 15 байпасного канала 12. Через байпасный канал 13 часть газа перехо1048149
Составитель С. Амандыков
Техред И. Верес Корректор Ю. Макаренко
Тираж 550 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, )K — 35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4
Редактор Т. Митейко
Заказ 7894 38
3 дит из холодной полости 6 в буферную камеру 4, среднее давление в ней повышается, и среднее положение колебаний рабочего поршня 3 смешается вверх, к расчетному положению.
Таким образом, при работе СПДС обеспечивается стабилизация среднего положения рабочего поршня при отсутствии пружинного ограничения хода, что повышает надежность работы СПДС.
www.findpatent.ru
