Технические науки / 5. Энергетика

Д.т.н. Б.Р.Арапов, к.т.н. А.Ф.Романенко, д.т.н. К.К.Сейтказенова

Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауезова, г. Шымкент, Республика Казахстан

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА СВОБОДНОПОРШНЕВЕГО ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

На практике часто встречаются двигатели, рабочие органы которых совершают линейное возвратно-поступательное движение. Это особенно характерно для двигателей внутреннего сгорания, поршневых паровых машин и двигателей Стирлинга, рабочие органы которых совершают повторяющееся линейное возвратно-поступательное перемещение. В этих случаях линейное возвратно-поступательное движение поршней посредством кривошипно-шатунного механизма превращается во вращательное движение вала и далее при помощи генераторов можно получать электрический ток. Однако при таком многоступенчатом способе преобразования механической энергии в электрическую часть ее теряется и тратится на преодоление сопротивления сил трения в многочисленных трущихся поверхностях промежуточного механизма. Особенно остро эта проблема проявляется в двигателях Стирлинга, которые работают при очень больших давлениях рабочей среды и в связи с этим его подвижные детали подвергаются действию больших механических усилий.

Большое давление над рабочим поршнем, порядка 20 МПа и более, приводит к появлению значительных механических усилий в первую очередь в деталях кривошипно-шатунного механизма [1, 2]. В результате приходится изготавливать детали таких двигателей с большими размерами поперечного сечения рабочих элементов и корпуса, что приводит к увеличению веса и соответственно стоимости самого двигателя. Кроме того, никогда не удается добиться сбалансированности движущихся частей таких механизмов, как кривошипно-шатунный механизм, во всех режимах работы двигателя.

Двигатели Стирлинга, имеющие огромное преимущество перед двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающие в замкнутом цикле с внешним подводом теплоты, использующие любой вид топлива, в настоящее время не могут конкурировать с двигателями внутреннего сгорания, конструкция которых к настоящему моменту доведена до совершенства. Одна из причин этого заключается в сложности преобразования возвратно-поступательного движения рабочего поршня во вращательное движение вала из-за наличия значительных механических усилий на детали кривошипно-шатунного механизма.

Для преодоления указанной выше трудности нами предложен способ преобразования возвратно-поступательного движения рабочего поршня в электрическую энергию, минуя промежуточные ступени традиционной схемы в существующих машинах. Это с одной стороны уменьшает потери на трение в трущихся поверхностях, связанные со снижением их количества, и с другой стороны, отпадает необходимость в громоздком кривошипно-шатунном механизме.

Принципиальная схема предлагаемого устройства показана на рисунке 1. Разработанное устройство предназначено для двигателя Стирлинга.

Процесс преобразования энергии механического движения в электрическую энергию в предлагаемом устройстве происходит следующим образом. Сбалансированное, симметричное возвратно-поступательное линейное движение рабочих поршней 2 в рабочем цилиндре 1, совершаемое под действием рабочего тела (водород, гелий или воздух) при его попеременном нагревании и охлаждении, с помощью подвижных электромагнитов 11 и 13, жестко закрепленных к тягам рабочих поршней 5 и 12, преобразуется в электрическии ток в катушках 7 и 10 статора генератора. Индуктивные катушки статора 7 и 10 и магнитопровод 9 (в количестве 2 штуки) электрогенератора установлены внутри корпуса 6 двигателя, в ее картерной части и закреплены к его цилиндрической стенке с внутренней стороны. Полюсы N и S магнитопроводов подвижных электромагнитных сердечников 11 и 13 имеют дугообразную форму с радиусами закругления равными радиусу внутреннего отверстия магнитопровода статора 9 и закрепляются к торцевой поверхности стальных сердечников катушек индуктивности. Сердечники подвижных электромагнитов, выполняющие роль магнитопровода, одновременно являются соединительной перемычкой тяг 5 и 12 соответствующих штоков 14 и 15 вытеснительных поршней двигателя Стирлинга. К торцевым концам тяг (их два на каждом поршне) рабочих поршней жестко закрепляются сердечники подвижных электромагнитов, имеющие форму прямоугольной призмы. Электромагниты на тягах левого и правого поршней закреплены таким образом, что они совершают вместе с рабочими поршнями возвратно-поступательное движение. При этом они будут двигаться в любое время в противоположном направлении друг к другу. Так как масса их одинакова, то обеспечивается сбалансированность подвижных частей двигателя и генератора, совершающих возвратно-поступательное линейное движение при любых режимах работы двигателя.

Такое расположение подвижных электромагнитов позволяет полюсам электромагнитных сердечников совершать колебательное движение около средней линии магнитопровода статора. При этом подвижный электромагнит правого поршня совершает возвратно-поступательное колебательное движение на уровне левого магнитопровода статора, а подвижный электромагнит левого поршня на уровне правого магнитопровода статора.

Таким образом, при линейном возвратно-поступательном движении поршней, электромагниты, закрепленные к тягам рабочих поршней, возбуждают в индуктивных катушках электрогенератора переменный электрически ток с частотой, равной частоте колебательного движения поршней.

Предложенная конструкция линейного электрогенератора позволяет преобразовать механическую энергию возвратно-поступательного движения поршней двигателя Стирлинга в электрическую энергию, минуя промежуточные механические передачи. Это дает возможность значительно снизить потери энергии на трение и преодолеть трудности, связанные с особенностями конструкции двигателя Стирлинга, создающими большие усилия на детали кривошипно-шатунного механизма, что повышает коэффициент полезного действия агрегата. При дальнейших экспериментальных исследованиях будут определены оптимальные геометрические и электротехнические параметры устройства, и будет разработана опытная конструкция с рабочими чертежами, входными и выходными параметрами мощностей.

Размещение линейного электрогенератора в корпусе самого двигателя позволяет решить еще другую проблему, характерную двигателям Стирлинга – проблему снижения давления рабочей среды в рабочем цилиндре из-за постепенной утечки ее сквозь уплотнения рабочих поршней с рабочим цилиндром. Отличительная особенность предлагаемой конструкции от других существующих видов заключается в том, что, в результате конструктивного совершенствования решены следующие проблемы: снижено требование к системе уплотнения рабочего поршня с рабочим цилиндром; исключен промежуточный кривошипно-шатунный механизм; исключена возможность утечки рабочей среды из системы.

В этом двигателе полости рабочих цилиндров и полость картерной части заполнены рабочей средой с давлением, равным среднему давлению рабочего цикла рабочей среды в рабочем цилиндре. Это позволяет упростить конструкцию уплотнительной системы рабочего поршня и выполнить их менее ответственными, подобными тому, как изготавливаются поршневые кольца поршня ДВС. Кроме того, среда, находящаяся в картерной части двигателя в пространстве между рабочими поршнями, выполняет также роль буферной среды. При рабочем ходе рабочих поршней, буферная среда сжимается и в конце рабочего такта ее давление становится больше, чем давление в рабочем цилиндре. Это происходит за счет инерционных сил масс подвижных частей двигателя. А пружины, установленные между рабочими поршнями и корпусом двигателя, обеспечивают симметричность движения поршней. Симметричному движению поршней также способствует соединение рабочих полостей в правом и в левом цилиндрах трубкой с небольшим отверстием, обеспечивающее перетекание части рабочей среды при неравномерности нагрева рабочей среды в цилиндрах. Как известно, упрощенная конструкция уплотнения в виде поршневых колец, в каждом рабочем ходе рабочего цикла может пропускать небольшую часть сжатого газа из цилиндра в полость картера. Поэтому в рабочих поршнях выполнены обратные клапаны, осуществляющие возврат части рабочей среды с картерной в полости рабочих цилиндров в обратном ходе поршней, когда давление рабочей среды в цилиндрах становится ниже давления среды в картерной части.

При этом линейный электрогенератор также расположен в общем корпусе двигателя в картерной его части и находится в среде с высоким давлением. Это дает возможность наглухо герметизировать всю внутреннюю полость двигателя и исключает утечку рабочей среды сколь угодно долгое время, обеспечивая заданное ее давление без дополнительной подкачки.

Литература

1 Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. Перевод с английского. – Мир, 1986.

2 Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. Перевод с английского. – Мир, 1985.

1 2 3 4 5 6 S 7 А 8 9 10 11 12 4 3 2 1

А 8

16 14 13 N 7 9 11 15 16

Вид А - А

9

8 5

6

10 10

17 12

1- рабочий цилиндр, 2-рабочий поршень, 3-кольца, 4-пружина, 5-тяги левого поршня, 6-корпус, 7-полюсные наконечники магнитопровода, 8-катушки подвижных сердечников, 9-магнитопровод статора, 10-катушки статора, 11-правый электромагнитный сердечник, S, N-полюсы электромагнита, 12-тяги правого поршня, 13-левый электромагнитный сердечник, 14-тяга левого вытеснительного поршня, 15-тяга правого вытеснительного поршня, 16-вытеснительные поршни, 17-шток левого вытеснительного поршня.

Рис. 1 – Принципиальная схема линейного генератора.