Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ состояния нир и окр по разработке свободнопоршневых двигателей стирлинга. постановка за дач исследований 14
1.1. Принцип работы свободнопоршневого двигателя Стирлинга. Конструктивные схемы СДЦС 14
1.2. Технико-экономические исследования целесообразности использования СПДС 35
1.3. Математические модели рабочего процесса двигателей Стирлинга и методики их расчета 45
1.4. Анализ методов расчета СДЦС 58
1.5. Постановка задач исследований 66
ГЛАВА 2. Математическая модель первого уровня для СПДС Р-модификации 69
2.1. Допущения и основные уравнения рабочего процесса и динамики СПДС вытеснительного типа 72
2.2. Математическая модель первого уровня 82
2.3. Определение конструктивных параметров СДЦС
на этапе предварительного проектирования... 91
ГЛАВА 3. Математическая модель второго уровня. методика поверочного расчета СПДС 100
3.1. Основные допущения и уравнения рабочего процесса и динамики двигателя в матема тической модели второго уровня 100
3.2. Математическая модель второго уровня сво-боднопоршневого двигателя 107
3.3. Методика поверочного расчета СПДС 110
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование рабочего процесса лабораторного образца двигателя стирлинга 127
4.1. Задачи и программа экспериментального исследования 127
4.2. Конструкция лабораторного образца сво-боднопоршневого двигателя 128
4.3. Описание экспериментального стенда 144
4.4. Датчики и комплекс контрольно-измерительной аппаратуры 152
4.5. Тарировка датчиков перемещений, давлений
и температур 160
4.6. Методика проведения эксперимента 162
4.7. Оценка погрешностей измерений при экспериментальных исследованиях 167
ГЛАВА 5. Оценка адекватности математических моделей СПДС. методика конструкторского расчета параметров двигателя 173
5.1. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета по Ш второго уровня 173
5.2. Исследование влияния параметров рабочего процесса и конструкции на работу двигателя...185
5.3. Методика конструкторского расчета параметров СЩС 201
Заключение 208
Литература.
- Принцип работы свободнопоршневого двигателя Стирлинга. Конструктивные схемы СДЦС
- Допущения и основные уравнения рабочего процесса и динамики СПДС вытеснительного типа
- Основные допущения и уравнения рабочего процесса и динамики двигателя в матема тической модели второго уровня
- Конструкция лабораторного образца сво-боднопоршневого двигателя
Введение к работе
В последние годы повышенный интерес исследователей вызывает одна из разновидностей двигателей с внешним подводом теплоты - двигатели Стирлинга.
К преимуществам двигателей с внешним подводом теплоты можно отнести возможность использования различных источников тепла, начиная с традиционных органических топлив и кончая энергией радиоактивного распада и солнечной радиации; относительно низкий уровень шума, связанный с характером рабочего процесса; низкую токсичность выхлопных газов по сравнению с ДВС и др.
Начиная с семидесятых годов, интенсивность исследовательских и проектных работ по созданию двигателей Стирлинга для использования в качестве основной и вспомогательных силовых установок возрасла в несколько раз. В настоящее время за рубежом указанными разработками заняты более ста пятидесяти организаций и учреждений. Ведутся работы по подготовке серийных образцов двигателей для автомобилей и автономных энергетических установок.
Постановлением ГКНТ СМ СССР Л 420 от 22.11. 1976г утверждена программа НИР и ОКР по созданию двигателей с внешним подводом теплоты в СССР.
Рассмотренные выше преимущества двигателя Стирлинга не гарантируют ему широкое распространение во всех областях техники, что связано с недоработанностью и высокой стоимостью конструкции на сегодняшний день.
ДВС, как силовые установки для транспортных систем, в
настоящее время не имеют конкурентов из числа существующих тепловых двигателей. Для доведения двигателей Стирлинга до уровня серийного производства предстоит решить еще целый ряд серьезных инженерных задач. Жесткая конкуренция со стороны ДВС тормозит финансирование и развитие этих работ. Вероятно, в ближайшее время двигатель Стирлинга найдет применение в качестве основной силовой установки в стационарных энергоблоках небольшой мощности, использующих нетрадиционные источники теплоты, или во вспомогательных системах основной силовой установки транспортных средств. В этом плане двигатель Стирлинга имеет существенные преимущества по сравнению с другими видами тепловых машин и, следовательно, НИР и ОКР подобных двигателей могут найти финансовую и организационную поддержку широкого круга учреждений и организаций. К тому же, при отработке конструкции такого двигателя, решаются некоторые инженерные задачи, связанные с повышением конкурентоспособности двигателей Стирлинга как основных силовых установок.
На сегодняшний день разработаны несколько классов двигателей Стирлинга. К одному из них относятся свободнопоршневые двигатели Стирлинга (СЦЦС), которые, в свою очередь, подразделяются на различные подклассы. Отсутствие приводного механизма существенно упрощает решение ряда конструкторских проблем, стоящих перед разработчиками двигателей Стирлинга с приводными механизмами. При снятии мощности непосредственно с рабочего поршня значительно улучшаются массовые и габаритные показатели двигателя и нагрузочного устройства в целом. В пределах мощности от нескольких Вт до 25 КВт свободнопоршневые двигатели Стирлинга превосходят двигатели Стирлинга с приводными меха-
низмами по технико-экономическим показателям. Особенности СЦЦС выдвигают их в ряд наиболее перспективных силовых установок, предназначенных для работы в составе автономных энергетических установок, используемых на объектах, расположенных на суше, на воде, под водой и в космосе.
В настоящее время за рубежом небольшими сериями изготавливаются СПДС мощностью до 25 КВт. Однако, в публикациях организаций, занимающихся проектированием и производством этих двигателей, отсутствуют сведения по расчетной методике и по вопросам конструирования и технологии изготовления.
Данная работа посвящена расчетно-экспериментальному исследованию рабочего процесса свободнопоршневого двигателя Стирлинга и является продолжением работ по созданию двигателей Стирлинга, проводимых на кафедре Э-2 МТТУ им Н. Э. Баумана.
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе приведены результаты проведенного обзора и анализа существующих конструктивных схем свободнопоршневых двигателей Стирлинга, технико-экономического обоснования возможности использования свободнопоршневых двигателей Стирлинга, методов расчета рабочего процесса двигателей Стирлинга с приводными механизмами и свободнопоршневых двигателей.
Во второй главе представлена математическая модель первого уровня, используемая для теплового расчета СПДС, и методика определения его конструктивных параметров на этапе предварительного проектирования.
В третьей главе представлена математическая модель второго уровня и методика поверочного расчета исследуемого двигателя.
В четвертой главе приведены описания конструкции лабораторного образца свободнопоршневого двигателя Стирлинга вытес-нительного типа, экспериментального стенда, контрольно-измерительной аппаратуры и методики проведения экспериментальных исследований. Приведена оценка погрешностей определения величины измеряемых параметров.
В пятой главе проведено сравнение результатов физического и вычислительного эксперимента с целью определения степени адекватности разработанных математических моделей. Работа завершена созданием методики конструкторского расчета свободнопоршневого двигателя Стирлинга вытеснительного типа.
Автор выражает благодарность заведующему лабораторией гелиотехнических конструкций ФТИ НПО "ФИЗИКА-СОЛНЦЕ" АН УзССР B.C. ТРУХОВУ за помощь, оказанную при проведении исследований.
-н-
Принцип работы свободнопоршневого двигателя Стирлинга. Конструктивные схемы СДЦС
Первые опытные образцы свободнопоршневых двигателей Стерлинга были созданы в начале шестидесятых годов в США и Англии [1 6]. На рис.1.1 представлена конструктивная схема СПДС, разработанного профессором W.T.Beale (США) [63.
Двигатель состоит из трех основных элементов - цилиндра 1, рабочего 2 и вытеснительного 3 поршней. Рабочий 2 и вытес-нительный 3 поршень размещаются в цилиндре 1 и разделяют его объем на три полости - полость расширения (V ), полость сжатия (V ) и полость газовой пружины (Vpjj). Полости расширения и сжатия сообщаются между собой через тракт нагревателя (VH), регенератора (VR) и холодильника (Vx). Принцип работы СПДС аналогичен принципу работы двигателя Стирлинга с приводным механизмом. Движение вниз поршни совершают под воздействием давления газа в рабочих полостях, перемещение в обратном направлении совершается под воздействием давления газа в полости газовой пружины. Жесткая кинематическая связь между поршнями отсутствует. Функцию приводного механизма по координации движения поршней и роль маховика выполняет газовая пружина. Масса вытеснителя мала по сравнению с массой рабочего поршня, поэтому он быстрее реагирует на изменения давлений газа в указанных полостях и опережает рабочий поршень на некоторый фазовый угол, что является необходимым условием получения полезной работы в машинах, работающих по циклу Стерлинга. Рабочий процесс двигателя протекает следующим образом.
В начальный момент времени давления газа в рабочих полостях и в полости газовой пружины равны между собой. Включение нагревателя приводит к повышению температуры и давления газа в полости расширения. Это вызывает перемещение вытеснителя вниз и, как следствие, перетекание рабочего тела из холодной полости в горячую. Давление газа при этом повышается. Под воздействием разницы давлений газа в рабочих полостях и в полости газовой пружины вытеснитель продолжает перемещаться вниз, переталкивая рабочее тело в горячую полость. Вследствие увеличения давления начинает перемещаться рабочий поршень. Через некоторый промежуток времени, после достижения минимального значения объема полости сжатия, давление газа в рабочих полостях начинает падать. Одновременно в полости газовой пружины происходит процесс сжатия газа с повышением его давления, движение поршней вниз продолжается до момента уравнивания действия газовых сил и сил инерции. Вытеснительный поршень намного легче рабочего поршня, поэтому он первым начинает перемещаться в обратную сторону. В это время рабочий поршень еще продолжает двигаться вниз. Рабочее тело начинает перетекать из горячей полости в холодную, его давление падает и уменьшается по отношению к давлению газа в полости газовой пружины, что вызывает движение рабочего поршня вверх. Это движение продолжается до момента выравнивания давлений в полостях и несколько дольше за счет действия силы инерции рабочего поршня. При этом газ начинает перетекать из холодной полости в горячую и цикл повторяется.
Полезную работу можно снимать непосредственно с рабочего поршня, преобразуя кинетическую энергию его колебательных движений при помощи соответствующего нагрузочного устройства. В совокупности с нагрузочным устройством СЦЦС является автоколебательной системой, которая при определенных обстоятельствах может самозапускаться при подведении теплоты к нагревателю. Очевидно, что свободнопоршневой двигатель обладает рядом уникальных особенностей, которые позволяют разработчикам двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ) обходить некоторые специфические трудноразрешимые проблемы, возникающие при создании двигателей Стирлинга с приводными механизмами (ДО), например, проблемы уплотнения внутреннего контура и смазки приводного механизма. Это обстоятельство сыграло не последнюю роль в том, что СЩС начали привлекать всеобщее внимание специалистов.
С начала семидесятых годов резко возросла интенсивность работ по созданию СЦЦС различных модификаций для использования их на гражданских и военных объектах, расположенных на суше, в космосе, на воде и под водой. В настоящее время разработками заняты свыше 60 фирм и научно-исследовательских учреждений практически во всех технологически развитых странах, причем их количество с каждым годом возрастает.
Допущения и основные уравнения рабочего процесса и динамики СПДС вытеснительного типа
Расчетная схема внутреннего контура двигателя и распределение температуры рабочего тела по элементам контура аналогичны изображенным на рис.1.23 и рис.1.24.
Математическая модель рабочего процесса СПДС рассматривается при следующих допущениях [3,4,6].
1. Общий объем рабочего тела, принимающего участие в цикле, делится на три части: переменные объемы горячей V_ и хо лодной V полостей и постоянный суммарный мертвый объем Vs. В свою очередь суммарный мертвый объем делится на мертвые объемы нагревателя VSH, регенератора VSR и холодильника Vsx. Мертвые объемы горячей VSe и холодной VSc полостей включаются соответственно в объемы нагревателя и холодильника. 2. Изменение объемов горячей и холодной полостей осуществляется по гармоническому закону. 3. Площади теплообмена постоянны. 4. Коэффициент теплопроводности материала стенок теплообменников и цилиндра, а также коэффициент теплоотдачи на границе "стенка-рабочее тело" имеют бесконечно большое значение. 5. Аэродинамическое сопротивление теплообменников не учитывается. 6. Регенератор идеальный. 7. Рабочее тело - идеальный газ. 8. Температуры рабочего тела в горячей и холодной полостях постоянны и равны соответственно температурам стенок нагревателя и холодильника. 9. Утечки и перетечки рабочего тела отсутствуют.
При принятии изложенных допущений диаграмма изменения объемов рабочих полостей будет иметь вид, приведенный на рис.2.2.
В двигателях Стирлинга р-модификации с приводными механизмами, обычно,вытеснитель и рабочий поршень имеют одинаковый диаметр и расположены в общем цилиндре, и при тепловом расчете в уравнениях рабочего процесса по Шмидту-Киркли обычно не учитывается уменьшение объема полости сжатия за счет объема, зани маемого штоком вытеснителя, так как диаметр штока выбирается минимальным,исходя лишь из условия обеспечения его устойчивости.
В свободнопоршневых двигателях Стирлинга вытеснительного типа поршни также расположены в общем цилиндре, причем вытес-нительный поршень обычно имеет ступенчатую форму. Соотношение диаметров вытеснителя со стороны горячей и холодной полостей определяется условиями обеспечения необходимой частоты и амплитуды колебаний поршней, и разница в диаметрах вытеснителя, а следовательно, и в величинах рабочих полостей, может быть значительной. При неправильном определении соотношения диаметров вытеснителя возможны случаи, когда значение площади торцевой поверхности вытеснителя со стороны его газовой пружины будет мало или переразмерено, вследствие чего двигатель может оказаться неработоспособным.
В уравнениях рабочего процесса двигателя, приведенных ниже, учтена ступенчатость формы вытеснителя. Конкретное значение отношения диаметров вытеснителя определяется по ходу расчета конструкционных параметров двигателя итерационным способом. В случае применения механической пружины вместо газовой, геометрия вытеснителя и поршня определяется размерами пружины. Последние, в свою очередь, определяются значениями хода поршней и частотой их колебаний.
Основные допущения и уравнения рабочего процесса и динамики двигателя в матема тической модели второго уровня
Как отмечалось ранее, в математической модели второго уровня свбоднопоршневой двигатель рассматривается как автоколебательная система, что позволяет учесть нелинейность характеристик газовых пружин, следствием которой является негармонический закон изменения объемов рабочих, полостей. В этом случае при описании рабочего процесса необходимо использовать выражение для определения изменения давления рабочего тела в цикле, которое было бы справедливо при любых законах изменения объемов полостей сжатия и расширения.
Требуемое выражение можно вывести, если рассматривать рабочие полости с переменными объемами как открытые термодинамические системы с переменной массой [86,87,89]. Указанный подход позволяет учесть влияние на показатели рабочего процесса необратимых потерь, возникающих при перемешивании рабочего тела в процессе наполнения газом полостей и из-за теплообмена между рабочим телом и стенками этих полостей.
Ниже приведены допущения, при которых рассматривается рабочий процесс двигателя. 1.Процессы сжатия и расширения рабочего тела в рабочих полостях происходят по адиабате. 2. Рабочее тело - идеальный газ З.Теплообменные аппараты и регенератор идеальные. 4. Гидравлическое сопротивление теплообменных аппаратов и соединительных каналов равны нулю. 5. Тепловые потери отсутствуют. 6. Утечки и перетечки рабочего тела отсутствуют.
Ниже приведен вывод зависимостей, описывающих процессы в рабочих полостях. Базовыми уравнениями рабочего процесса являются уравнения закона сохранения энергии, записанные для горячей и холодной полости, и уравнение сохранения массы: где I , I - энтальпии газа, покидающего или наполняющего со-ответственно горячую или холодную полость; и - U - внутренние энергии газа в рабочих полостях; V , V - объемы рабочих полостей двигателя. Как видно, цикл, в зависимости от знаков расходов газа в рабочих полостях, разбивается на четыре фазы и для каждой фазы записываются уравнения для определения температур газа в рабочих полостях и его давления. Условия начала и окончания фаз, а также знаки расходов газа для каждой из фаз приведены в таблице 3.1.
Анализ динамики двигателя проводился с использованием следующих допущений: - процессы сжатия и расширения в газовых пружинах происходят по адиабатному закону; - в среднем положении поршней в полости газовой пружины устанавливается давление РГ.П = Р + — 5 Лтор.гп - реальные силы сопротивлений (кулоново трение уплотни те льных устройств, гидравлическое сопротивление теплообменни ков и соединительных каналов и потери из-за теплообмена в ра бочих полостях) заменяются сопротивлениями и потерями в вяз костном демпфере.
При расчете ДС с приводными механизмами теплообмен в рабочих полостях между газом и стенками полостей можно учесть в уравнении сохранения энергии, и выражения для определения изменения температуры рабочего тела и давления газа при этом будут иметь следующий вид:
Так как частота вращения вала приводного механизма принимается постояной и закон изменения объемов рабочих полостей заранее известен, то учет влияния теплообмена и гидравлического сопротивления на вычисляемый параметр производится на каждом шаге численного интегрирования уравнений (3.21)-(3.23).
При расчете СПДС использование подобного механизма учета влияния указанных факторов не представляется возможным, так как при переходе от адиабатного цикла к циклам, в которых учитываются теплообмен в рабочих полостях и гидравлическое сопротивление теплообменников, происходит изменение частоты колебаний поршней и законов их перемещений.
Принятое выше последнее допущение делает возможным решение рассматриваемой задачи. С учетом ранее принятых допущений расчетную модель двигателя можно представить, как это изображено на рис.3.1.
Конструкция лабораторного образца сво-боднопоршневого двигателя
Основными задачами экспериментального исследования работы СПДС являются оценка степени адекватности созданных математических моделей двигателя, определение характера влияния отдельных параметров рабочего цикла и конструкции на протекание рабочего процесса и корректировка разработанных моделей и методики расчета.
С этой целью был разработан рабочий проект и создан лабораторный образец двигателя, в конструкции которого были предусмотрены возможности изменений жесткостей газовых и механических пружин, величины мертвого объема внутреннего контура, а также среднего положения рабочего поршня и массы поршня.
Кроме того, в задачу экспериментального исследования входит разработка и создание экспериментального стенда, оснащенного вспомогательными системами и комплексом измерительных приборов и устройств, обеспечивающих нормальное функционирование двигателя и требуемую точность получаемых результатов.
При обработке данных экспериментальных исследований использовалась методика, применяемая в проблемной лаборатории МГТУ им. Н.Э. Баумана для двигателей Стирлинга с приводными механизмами.
Программа экспериментального исследования рабочего процесса и динамики СПДС предусматривала проведение работ в несколь ко этапов, на каждом из которых последовательно решались вопросы создания работоспособной конструкции, доводки отдельных узлов двигателя и отлаживания работы вспомогательных систем стенда с целью обеспечения стабильности работы объекта исследований. Одним из наиболее трудоемких в программе исследований оказался процесс доводки узла штокового уплотнения рабочего поршня и поршневых колец.
На рисунках 4.1 и 4.2 представлен общий вид конструкции СПДС, разработанной на кафедре "ВДВС МГТУ им. Н.Э. Баумана. Экспериментальный характер проводимых работ наложил отпечаток на конструктивное оформление двигателя. Из множества вариантов была избрана конструктивная схема двигателя вытеснительного типа с отдельными камерами для газовых (механических) пружин. При разработке проекта большое внимание уделялось тому, чтобы конструкция машины была достаточно проста и надежна. Кроме того, она должна обеспечивать быструю разборку, монтаж и удобство при обслуживании.
Выше было отмечено, что,с целью получения большей информации по рабочим характеристикам двигателя, в его конструкции предусмотрены возможности изменения соотношения масс поршней, жесткости газовых (механических) пружин, величины мертвого объема внутреннего контура и среднего положения рабочего поршня и вытеснителя. В качестве нагрузочного устройства используется воздушный компрессор, выполненный как один из блоков силовой установки. Блочный принцип построения позволяет без больших затрат на изготовление заменять узлы двигателя, конструкции которых оказались неработоспособными.
Корпус двигателя состоит из нагревателя 1, цилиндра 2 вытеснителя, цилиндра 3 рабочего поршня, верхней 4 и нижней 5 корпусных частей блока штокового уплотнения, а также цилиндра 6 компрессорной части СЦЦС. Цилиндр 6 служит основанием корпуса, на котором собирается двигатель, и имеет массивный фланец квадратной формы. Элементы корпуса при работе машины нагружены силами давления рабочего тела и силами инерции движущихся частей. Для того, чтобы корпус в целом обладал достаточной жесткостью, его детали стянуты двенадцатью силовыми шпильками 7, изготовленными из стали 45. Из той же марки стали выполнены крепежные гайки 8, 9 и сферические- шайбы 10, 11. Накидная крышка 12 устанавливается в "горячей" зоне машины и выточена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Детали корпуса являются толстостенными, что повышает общую жесткость корпуса. Для герметизации их стыков в плоскостях разъемов установлены прокладки 13 из отожженной меди, 14 - из паронита и 15-И8 - из вакуумной резины. Наличие большого числа горизонтальных плоскостей разъемов упрощает технологию изготовления крупных деталей корпуса и облегчает сборочные работы.
Похожие диссертации на Расчетно-экспериментальное исследование рабочего процесса свободнопоршневого двигателя стирлинга.
