CC BY
14
© А.Д. Мехтиев, Д.Л. Калужский, Е.Г. Нешина, А.Д. Алькина, П.Ш. Мади УДК 621.311.22
ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА БАЗЕ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГЕНЕРАТОРА ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
А.Д. Мехтиев \ Д.Л. Калужский 2, Е.Г. Нешина 3, А.Д. Алькина 3' П.Ш. Мади3
1 Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, г. Нур-Султан, Республика
Казахстан,
2Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Россия, 3Карагандинский технический университет, г. Караганда, Казахстан
1_neg@mail.ru
Резюме: ЦЕЛЬ. Рассмотреть систему автономного электроснабжения, выполненную на базе двигателя Стирлинга и генератора возвратно-поступательного перемещения. МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи применялись методы компьютерного имитационного моделирования. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье проанализированы условия системы автономного электроснабжения, осуществлен выбор двигателя внешнего сгорания и линейного синхронного генератора. В ходе решения разработана и изготовлена энергоустановка мощностью до 100 ВА. Ее экспериментальное исследование, а также анализ патентно-информационного массива позволили определить границы применения данного технического объекта. Приведен технический расчет конструкции генератора, определена сила, необходимая для создания требуемой мощности при возвратно-поступательном перемещении подвижного элемента. Конструкция подвижного элемента должна минимизировать механические нагрузки на обмотки, или магниты. Предложенный генератор может быть конкурентоспособным и может с успехом заменить традиционные источники электроэнергии малой мощности с дизелями или с бензиновыми двигателями. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Для проведения натурных экспериментов разработан опытный лабораторный образец свободнопоршневой двигателя с внешним подводом теплоты с линейным генератором переменного тока. Его основным отличием от известных типов двигателей Стирлинга является отсутствие массивного маховика с коленчатым валом и кривошипно-шатунным механизмом, что позволяет добиться большей герметичности и существенно увеличивает мощность на выходном валу при ограничении наружных габаритов.
Ключевые слова: энергоустановка; двигатель Стирлинга; генератор возвратно -поступательного перемещения; альтернативный источник.
POWER PLANT BASED ON A FREE-PISTON ENGINE AND A RECIPROCATING
DISPLACEMENT GENERATOR
AD .Mekhtiyev1, DL. Kaluzhsky2, YG. Neshina3, AD. Alkina3, PSh. Madi3
1 Kazakh Agrotechnical University named after S. Seifullin, Nur-Sultan, Republic of
Kazakhstan,
2Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia, 3Karaganda Technical University, Karaganda, Kazakhstan 1_neg@mail.ru
Abstract: THE PURPOSE. Consider an autonomous power supply system based on a Stirling engine and a reciprocating generator. METHODS. When solving the problem, the methods of computer simulation were used. RESULTS. The article analyzes the conditions of the autonomous power supply system, makes the choice of an external combustion engine and a linear synchronous generator. In the course of the solution, a power plant with a capacity of up to 100 VA was developed and manufactured. Its experimental study, as well as the analysis of the patent-information array, made it possible to determine the boundaries of the application of this technical object. The technical calculation of the generator design is given, the force required to create the required power during the reciprocating movement of the movable element is determined. Solutions have been adopted to suppress acoustic noise causing discomfort to consumers. This can be done, in particular, by installing vibration dampers and designing a generator with high efficiency. The design of the moving element should minimize mechanical stress on the windings, or magnets. The proposed generator can be competitive and can successfully replace traditional low-power sources of electricity with diesel or gasoline engines. CONCLUSION. For carrying outfield experiments, a prototype laboratory model of a free-piston engine with an external heat supply with a linear alternator has been developed. Its main
178
difference from the known types of Stirling engines is the absence of a massive flywheel with a crankshaft and a crank mechanism, which makes it possible to achieve greater tightness and significantly increases the power on the output shaft while limiting the outer dimensions.
Keywords: micro power plant; Stirling engine; reciprocating generator; alternative source.
Введение
В настоящее время в Республике Казахстан крайне остро стоит проблема, связанная с эффективным электроснабжением малого бизнеса, ориентированного на производство сельхозпродукции и жителей малых населенных пунктов. Дело в том, что даже в труднодоступных районах в избытке существуют линии электропередач с напряжением 10 и 35 кВ, доставшиеся от СССР. При этом возможность строительства понижающих подстанций зачастую просто не рассматривается, вследствие их низкой рентабельности, хотя в данных областях тарифы на электроэнергию могут в 2-3 раза превышать средний уровень по стране.
Выходом из сложившейся ситуации может быть развитие децентрализованных источников энергии малой мощности, что позволит производить электрическую и тепловую энергию на месте, без транспортных потерь и в необходимом количестве. Как известно, наибольшее распространение в данном техническом сегменте получили электростанции, в которых в качестве приводных механизмов используются дизели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Более экономичные по расходу топлива являются дизельные электрогенераторы, расходующие на один кВт-ч выработанной энергии 280-350 г топлива в зависимости от условий эксплуатации. Зная эту особенность, производители сознательно завышают цену на дизельные установки, в сравнении с системами генерирования, работающими на газе или бензине. Но здесь возникают две проблемы. Во-первых, подвоз в удаленные от городов районы бензина, дизельного топлива (и тем более газа) зачастую является дорогостоящим мероприятием. Доставка любого из перечисленных видов топлива всегда сопряжена со значительными транспортными расходами, что делает его 2,5-3 раз дороже для жителя отдаленного села, чем для городского потребителя, как показывает статистика, для фермерских хозяйств отгонного животноводства тариф может быть еще выше. Во-вторых, для автономно проживающих потребителей, помимо электроэнергии необходима и тепловая энергия, которая идет на обогрев помещений. С этой точки зрения дизельный двигатель менее эффективен для когенерации чем двигатель с внешним подводом теплоты, работающий по тепловому циклу Стирлинга. При недостаточном прогреве ДВС потребление топлива возрастает, для чего необходимо ждать какое-то время пока он не выйдет на рабочую температуру, после чего его можно подключать к контуру отопления. Для ДВПТ необходимо более интенсивное охлаждение по сравнению с ДВС и чем больше съём тепла с охладителя ДВПТ, тем выше его КПД. Соответственно больший отбор тепла для системы отопления топления повысит эффективность работы ДВПТ [1]. Имеется зарубежный опыт эксплуатации модульных микро когенерационных электроустановок фирмы Honda электрической мощностью 1 кВт и тепловой 3,25 кВт. Их основой является одноцилиндровый дизельный четырёхтактный мотор с присоединённым к нему генератором и теплообменником. Нагрев воды осуществляется выхлопными газами. Заявленный тепловой КПД установки достигает около 50%, что вместе с электрическим КПД составляет около 20%, позволяет достичь суммарного коэффициента использования топлива примерно 80% [1].
Литературный обзор
Как показал анализ, решением проблемы энергообеспечения удаленных потребителей может быть использование автономных электроустановок для генерирования сверх малой мощности от 1 до 10 кВт, построенных на базе двигателя Стирлинга (ДС) и многополюсного генератора с комбинированным возбуждением [1]. Их выгодно отличает способность работать на различных видах топлива, включая газ, уголь, мазут и биоресурсы; высокий КПД, достигающий 41 - 43% (без учета потерь мощности на скользящих контактах) [2]; малый уровень шума и высокие экологические параметры, превосходящие, как утверждает ряд литературных источников, дизельные двигатели [3]; простота конструкции генератора, что сказывается на его низкой стоимости; высокая частота выходного напряжения, которая, как известно, пропорциональна мощности; возможность работы системы генерирования в широком диапазоне частот вращения выходного вала двигателя Стирлинга; предельно низкий уровень использования в системе полупроводниковых элементов, что делает ее доступной для массового потребителя. Имеются уже промышленные образцы, например, энергоустановок на основе ДС, VIESSMANN — VITOTWIN 300-W (Германия), которая способна производить тепловую и электрическую энергию [1]. Мощность этой энергоустановки невелика и составляет всего от 300 до 1000 Вт электрической и от 1800 до 6000 Вт тепловой в зависимости от комплектации, но для небольшого сельского дома этой мощности в полнее достаточно. Одной проблемой является то, что Европейские производители проектируют подобные
электроустановки только с возможностью работы на природном газе [1]. Соответственно, использование газа не везде доступно в Республике Казахстан, так как большая часть потребителей сельской местности не имеет доступа к системам центрального газоснабжения. Поэтому энергоустановки требуют адаптации к различному виду топлива, которое доступно в данной местности. В качестве топлива можно использовать: опилки, солому, отходы мясо/рыбо/птицефабрик и т.д.. Энергоустановки на основе ДС можно эффективно использовать как децентрализованные источники, но их могут использовать не только жители удаленных районов, но и потребители, подключенные к централизованным системам электро-и теплоснабжения [4]. При этом КПД системы мощностью от 1 до 100 кВт (с учетом эффекта обогрева помещений) может достигать 80%.
Ранее были опубликованы результаты исследования параметров энергоустановок на основе ДС, в статьях сформулирована актуальность их использования и представлены основные достоинства [5-9]. Также в процессе исследований была выявлена крайне интересная особенность ДС. Оказалось, что при мощности менее 2 кВт, преобразование тепловой энергии в механическую энергию происходит с большим КПД, если подвижный элемент осуществляет возвратно-поступательное перемещение (большинство известных конструкций ориентировано на вращение). ДС уже давно известен и подробно описан как в теоретическом плане, так и в практическом [10-11]. Конструкция ДС претерпела различные усовершенствования и модернизации, одним из вариантов данного двигателя может быть свободнопоршневой. Математическая модель, описывающая принцип его работы представлена в [12]. Методы исследования ДС, использованные в данной работе взяты из [13]. Имеется ряд работ, посвященных исследованиям свободнопоршневых ДС, ка достаточно перспективного вида данных тепловых двигателей, имеется математическое описание энергоустановки на их основе, а также представлены результаты лабораторные исследований [14-16]. На основании изученного материала [10-16], свободнопоршневой ДС был принят в разработку из-за ряда преимуществ по отношению к другим видам ДС. В первую очередь из-за своей высокой герметичности и возможности достигать давления в 20 МПа, без технических трудностей свойственных другим конструкциям ДС. Чем выше давление рабочего тела мем выше мощность ДС и его КПД. Именно поэтому целью исследований в предлагаемой работе выбрана система генерирования, построенная на базе свободнопоршневой двигателя с внешним подводом теплоты, изобретенного профессором Билом. В 50-е годы прошлого века в США фирма «Санпауэр» изготовила промышленные образцы [10, 11]. Данная конструкция получилась наиболее удачная из всего семейства ДС. Инженеры НАСА разработали несколько вариантов для использования их на космических кораблях. Его ресурс составляет около 100 000 часов непрерывной работы. Существует известный вариант ДС свободнопоршневого типа, разработанный инженерами NASA, подробно о принципе их работы можно ознакомиться в источнике [17-19].
В работах [11-14] представлено математическое описание термодинамических, электромеханических и тепловых процессов, происходящих в рассматриваемом свободнопоршневого ДВПТ. Для проведения натурных исследований была разработана лабораторная модель энергетической установки когенерационного типа на основе свободнопоршневого ДВПТ.
Учеными исследовалось влияние технологии регулируемого времени продувки, реализованной в генераторе с двигателем со свободным поршнем [10-13]. В случае, когда генератор со свободнопоршневым двигателем имеет разные степени сжатия, циклическое изменение и частоту, технология переменного времени продувки улучшила качество продувки и производительность. Представленная численная модель генератора со свободнопоршневым двигателем в Simulink и BOOST. Обсуждены изменения характеристик генераторов со свободнопоршневым двигателем в различных нестационарных условиях.
Свободнопоршневой ДС работает по такому же принципу, как и другие конструкции ДС с приводным механизмом [10-11]. Под действием давления газа в рабочих полостях происходит перемещение поршней, а движение в обратном направлении происходит благодаря силам упругости механической пружины. Жесткая кинематическая связь между поршнями отсутствует. Вытеснитель, по сравнению с рабочим поршнем, обладает меньшей массой. И как следствие опережает рабочий поршень на некоторый фазовый угол. Данное условие является необходимым для получения полезной работы в двигателях, работающих по циклу Стирлинга [10-11].
Материалы и методы
Для проведения натурных экспериментов разработан опытный лабораторный образец свободнопоршневой двигателя с внешним подводом теплоты (ДВПТ) с линейным генератором переменного тока на постоянном магните. Экспериментальная лабораторная энергоустановка со свободнопоршневым ДС показана на рисунке 1. Его основным отличием от известных типов ДС, является отсутствие массивного маховика с коленчатым валом и кривошипно-шатунным механизмом. Кроме того, конструкция позволяет добиться большей герметичности, что
существенно увеличивает мощность на выходном валу при ограничении наружных габаритов [10,11]. В качестве рабочего тела используется воздух с добавлением небольшого в процентном отношении воды, что позволяет создавать давление до 10 МПа. Основанием для этого являются уникальные теплофизические характеристики водяного пара [20]. Как следует из табличных данных, полученных профессором М. П. Вукаловичем, при температуре насыщенного пара Т=330 °С давление его достигает 12,8 МПа (128 атм.). В отличии от известных зарубежных образцов свободнопоршневых ДС, сделан переход от гелия на смесь воздуха с насыщенным водяным паром, который получается при нагревании, объем добавленной впрыснутой дистиллированной воды составляет 3-5 см3 на один литр рабочего объема ДС. Это позволит достичь следующих расчетных показателей сухого насыщенного пара: при Т=150°С давление Р=0,5 МПа, при Т=200 °С давление Р=1,5 МПа, при Т=300°С давление Р=8,5 МПа, при Т=330 °С давление Р=12,8 МПа. Конструкция лабораторного образца свободнопоршневого ДС рассчитана на максимальное начальное давление 2,5 МПа, для работы на более высоких давлениях требуется серьезные изменения в конструкции. Нагрев осуществляется снизу газовой горелкой мощностью 10 кВт. Снаружи цилиндра находится рубашка водяного охлаждения. Расчетные параметры установки: электрическая мощность переменного тока 50 ВА и до 300 Вт тепловой мощности.
Рис. 1 Экспериментальная лабораторная Fig. 1 Experimental laboratory setup with a
энергоустановка мощностью 100 Вт. power of 100 W.
ДВПТ выполнен из медной трубы с толщиной стенки 4 мм, внутренний диаметр 74,7 мм; внутри находиться вытеснитель, выполненный из тонкой нержавеющей стали, длина вытеснителя 180 мм, диаметр 70 мм. Длина цилиндра 270 мм. Там же внутри цилиндра находится рабочий поршень, выполненный из неодимового магнита диаметром 40 мм. Он связан штоком с вытеснителем. Поршень и вытеснитель движутся возвратно поступательно. При этом рабочий поршень колеблется внутри катушки линейного электрического генератора. Она размещена также внутри цилиндра. Амплитуда колебаний от 15 до 20 мм. В качестве рабочего тела используется смесь воздуха и водяного пара, можно использовать смесь гелия и водяного пара, это позволит еще выше поднять давление и увеличить КПД двигателя. Для удобства проведения экспериментов была использована паровоздушная смесь. Принцип работы рассмотрен ранее в [10-14]. Электрический генератор возвратно поступательного действия имеет простую конструкцию с катушкой и перемещающимся внутри нее постоянным магнитом. Частота колебаний примерно от 20 до 45 Гц.
Схема когенерационной энергоустановки на основе свободнопоршневого ДВПТ с линейным генератором с возвратно-поступательного движения представлена на рисунке 2. Предложенная ТЭС способна работать в режиме когенерации и комплексно производить электрическую и тепловую энергию. На рисунке 3 представлен чертеж и спецификация по которым был изготовлен опытный образец энергоустановки на основе свободнопоршневого ДВПТ.
Рис. 2. Схема когенерационной энергоустановки с линейным генератором возвратно-поступательного типа: 1 - линейный генератор; 2 - свободно-поршневой ДВПТ; 3 -жидкостная система охлаждения; 4 - источник нагрева (печи с топкой); 5 - дымовая труба; 6 - теплообменник системы охлаждения; 7 - циркуляционный насос; 8 -подающий трубопровод; 9 - обратный трубопровод; 10 -электрический блок управления и преобразования; 11 -накопитель; 12 - устройство для подключения внешней электрической нагрузки.
Fig. 2. Scheme of a cogeneration power plant with a linear generator of reciprocating type: 1 - linear generator; 2 - free-piston DVPT; 3 - liquid cooling system; 4 - heating source fUrnaces with a firebox); 5 -chimney; 6 - heat exchanger of the cooling system; 7 -circulation pump; 8 - supply pipeline; 9 - return pipeline; 10 - electrical control and conversion unit; 11 - drive; 12 - devi
ce for connecting an external electrical load.
Рис. 3 - Чертеж и спецификация по которым был Fig. 3 - Drawing and specification according to which изготовлен опытный образец энергоустановки на a prototype power plant based on a free-piston DVPT основе свободнопоршневого ДВПТ. was manufactured.
Давление внутри цилиндра зависит от мощности пламени горелки и температуры нагревателя, и зависит от температуры рабочего тела. В процессе проведения эксперимента давление менялось от 0,5 до 2,5 МПа. Рабочим давлением было выбрано давление равное 1,5 Мпа. При максимальном давлении выше 2,5 МПа создается опасность разрушения цилиндра ДВПТ. Измерение температуры осуществлялось двумя приборами. При помощи лазерного измерителя температуры Fluke 51 (Fluke, США) для выявления наиболее нагретых областей цилиндра. Постоянный контроль температуры нагрева осуществлялся при помощи 4-х
канального цифрового термометра НТ-9815 (Xintest, Китай). Измерение давления проводилось при помощи манометра с пределом измерения 10 МПа.
Основные параметры свободнопоршневого двигателя с внешним подводом теплоты приведены ниже в таблице 1. Основанием для этого являются уникальные теплофизические характеристики водяного пара [20].
Таблица 1
Основные параметры свободнопоршневого двигателя с ДВПТ_
№ Параметр Значение
1. Минимальное давление при температуре рабочего тела 1500С во внутренней полсти цилиндра, МПа 0.5
2. Рабочее давление при температуре рабочего тела 2000С во внутренней полсти цилиндра, МПа 1.5
3. Предельное давление при температуре рабочего тела 3000С во внутренней полсти цилиндра, МПа 8.5
4. Температура жидкости на выходе из системы охлаждения, 0С 50-80
5. Температура жидкости на входе в систему охлаждения, 0С 25-30
6. Производительность помпы, литров/мин 4
7 Максимальный общий расчетный КПД не более, %. 80
8 Расчётная максимальная электрическая мощностью генератора при температуре рабочего тела 2000С во внутренней полсти цилиндра, ВА. 50
Вывод уравнений и принимаемые технические решения для проектирования электрического генератора
В лабораторный образец энергоустановки на основе свободнопоршневого ДВПТ способен выдавать электрическую мощность до 50 ВА, что крайне мало для его практического использования, второй проблемой является низкий КПД электрического генератора, так как вынем отсутствует магнитопровод. Сложи ласин необходимость проектирования более эффективного генератора возвратно-поступательного действия. Первоначально можно разработать электрический генератор переменного тока полной мощностью 110 ВА, с частотой колебания от 45 до 50 Гц. Данной мощности уже достаточно для питания маломощных электронных устройств и зарядки аккумуляторов автономной системы электроснабжения. Соответственно для увеличения электрической мощности испытанная конструкция генератора не пригодна. Окончательная цель достичь электрической мощности энергоустановки от 1 до 2 кВА. Для проектирования более эффективной конструкции электрического генератора. Чтобы выбрать конструкцию генератора, необходимо определить силу, необходимую для создания требуемой мощности, при возвратно-поступательном перемещении подвижного элемента. В начальной и конечной точках скорость штока равна нулю. Пренебрегая высшими гармониками, зависимость скорости от времени t можно представить как:
. , 2К\
v(t) = vimxsrn(—) . (1)
Соответственно, за половину периода Т при частоте близкой к 50 Гц шток должен пройти:
T / 2 ry . rri К rri
L = f v sin(-)dt = f sin ada = Vmax- = 4.21
Jn max T 2к f К
0 0 мм.
V = Lk = 661.3
max rp
Отсюда - максимальная скорость - - мм/с.
Механическая мощность, преобразуемая в электрическую энергию, определяется известной формулой:
N = F ■ V = P = mE1I1cosу (2)
где F - вектор одной из составляющих вибро-акустической силы двигателя Стирлинга в рассматриваемый момент времени, которая участвует в процессе электромеханического преобразования энергии; Р - активная мощность; m - число фаз; Е
1 - первая гармоника ЭДС в фазе;
1 - ток в фазе; ^ - разность фаз между током и ЭДС.
Пренебрегая высшими гармониками, составляющую силы, участвующую электромеханическом преобразовании энергии, можно представить как:
Р ) = -у).
Тогда, полезная мощность, или средняя мощность за период, будет равна:
P =
1
- J F(t) • v(t)dt = T о
<p = 0
F v
max max
2
cos^
2P
Fmax = - = 302.4
v
При максимальной выходной мощности ^ и тах Н.
Полученное значение силы при сравнительно малой величине Р = 100 Вт, говорит о серьезных трудностях, возникающих при проектировании электростанций подобного типа. Во-первых, необходимо обращать повышенное внимание на подавление акустических шумов, создающих дискомфорт для потребителей. Сделать это можно, в частности, за счет установки виброопор и проектирования генератора с высоким КПД. Во-вторых, конструкция подвижного элемента должна минимизировать механические нагрузки на обмотки, или магниты.
Результаты расчета полной мощности генератора при активной нагрузке сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Результаты расчета полной мощности генератора при активной нагрузке
Ii, А 1 2 3 3.5 4.0 4.5 5
Л хф 3,58 7,16 10,74 12,53 14,32 16,11 17,90
№ - (1хХф )2 34,82 34,26 33,31 32,68 31,4 31,07 30,08
^ф 1,52 3,04 4,56 5,32 6,08 6,84 7,6
U, В 33,3 31,32 28,75 27,36 25,86 24,13 22,48
S1, ВА 33,3 2,44 6,25 95,76 03,44 109,0 112,4
в
Анализ информационного массива позволил предложить для рассматриваемой ТЭС линейный генератор, представленный на рис. 4, 5. Его ротор (подвижный элемент), содержит: вал (рис. 4а); квадратный, с внутренним отверстием, постоянный магнит, намагниченный по горизонтальной оси; две втулки из стали 45 по краям магнита, посаженные на вал и имеющие прямоугольный внешний профиль; прямоугольные листы (рис. 4б), выполненные из электротехнической стали 2013 толщиной 0.5 мм.
Рис. 4. Подвижные элементы линейного Fig. 4. Movable elements of a linear generator: a) генератора: а) Вал с втулками и постоянным shaft with sleeves and a permanent magnet; b) gear магнитом; б) зубчатый ротор. rotor.
Концы вала имеют в сечении круглый профиль со спиленной внешней частью, ограниченной двумя параллельными поверхностями, проходящими через две одинаковые хорды. Это необходимо для того, чтобы избежать поворота подвижного элемента в подшипниковых узлах.
Втулки садятся на вал по шпонке. Листы же выполняются со смещением относительно центрального отверстия, либо вниз, либо вверх. Чередуя при шихтовке разные типы листов по четыре каждого типа, на внешней рабочей поверхности получают зубцы, расстояние между осями которых принято равным 4.21 мм при коэффициенте заполнения пакета сталью - 0.95. Нерабочая часть пакетов выполнена без зубцов, сечение в этой части предназначено для перераспределения переменного потока из верхней части ротора в нижнюю часть и наоборот.
По краям пакеты стягиваются нажимными шайбами и гайками, которые закручивают по резьбе, выполненной на немагнитном валу (Х19Н10Т).
Генератор работает следующим образом. В исходном положении оси зубцов верхнего пакета статора (рис. 5а) совпадают с осями зубцов ротора, расположенных на его внешней верхней части. В нижнем пакете статора оси зубцов совпадают с осями, проходящими через пазы ротора, в его внешней нижней части. Таким образом, поток, созданный магнитом, проходя через левую втулку, попадает в пакет ротора и, далее, двигаясь по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, перемещается в верхнюю часть пакета ротора и попадает в верхний пакет статора. Пронизывая катушку, магнитные силовые линии проходят в правую часть пакета статора, входят в пакет ротора и замыкаются на южном полюсе магнита. Отметим, в исходном положении, поток, проходящий через нижний пакет статора мал, поскольку идет по пути с большим магнитным сопротивлением.
Рис.5. Линейный генератор: а) ротор с пакетами Fig. 5. Linear generator: a) rotor with stator статора; б) генератор в сборе. packages; b) generator assembly.
Основные параметры электростанции приведены в таблице 3. Ниже, на рис. б представлены экспериментальные значения полной мощности и выходного напряжения генератора в зависимости от силы тока. В опытах нагрузка - активная.
Таблица 3
Основные параметры электростанции
Параметр электростанции Значение
Полезная мощность, Вт 100
Номинальное напряжение на аккумуляторе, В 24
Максимальная линейная скорость, мм/сек 661,3
Минимальная линейная скорость, мм/сек 420,7
Максимальная сила по S1, Н 302,4
Ток максимальный, не более, А 4,2
Число фаз 1
Число зубов статора на полюсе S
Электрические потери в обмотке статора, Вт 74
Индуктивное сопротивление обмотки, Ом 3,58
Потери в стали статора, не более, Вт 3,6
Тип постоянного магнита №-Ре-В 45SH
/А
/
Рис. 6. Зависимость выходного напряжения и Fig. 6. Dependence of the output voltage and full полной мощности генератора от тока нагрузки. power of the generator on the load current.
Работа выполнена в рамках проекта «Микро тепловая электростанция когерационного типа с рекуперацией тепла» (№ AF05131751).
Выводы
1. В настоящей работе показана принципиальная возможность создания энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя Стирлинга с возвратно-поступательными движением и линейного генератора
2. Разработанный электрический генератор переменного тока на основе постоянного магнита Ne-Fe-B 45SH способен выдавать полную мощностью 110 ВA, при его масштабировании и пропорционального увеличении объема цилиндра свободнопоршневого ДВПТ можно достичь мощности 1-2 ^A, но дальнейшее увеличение мощности не целесообразно, из-за роста высокой стоимости электрического генератора.
3. Предложенный тип электрического генератора переменного тока для свободнопоршневого ДВПТ наиболее эффективен в диапазоне мощности от 0,1 до 2 ^A, так как дальнейшее повышение мощности приведет в увеличение его габаритов и увеличенной стоимости, что делает его не конкурентноспособным по сравнению с классическим синхронным генератором.
4. Если есть необходимость в увеличении для автономного потребителя мощности генерации свыше 2 ^A, то целесообразно будет использовать несколько отдельных энергоустановок на основе свободнопоршневого ДВПТ, работающих параллельно, при этом можно достичь лучшего энергетического баланса.
5. Тепловая энергоустановка на базе свободнопоршневого двигателя и генератора возвратно-поступательного перемещения способна одновременно производить электрическую и тепловую энергию, что позволяет ее использовать для энергообеспечения удаленных потребителей сельской местности, при этом данная установка способна работать практически на любом виде топлива и отходах сельскохозяйственного производства.
Литература
1. Мехтиев A^., Aлькина A^., Югай В.В., и др. Сравнительный анализ и перспективы использования многотопливных микро тепловых электростанций на основе двигателя Стирлинга для сельских районов. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 5.
2. Калужский Д.Л., Мехтиев A^., Дашинимаев A.O., Филиппов ДА., Харитонов A.Q Aвтономная система генерирования электроэнергии на базе двигателя Стирлинга и многополюсной синхронной машины. Доклады Aкадемии наук Высшей школы Российской федерации. 2019. № 1(42). С. 31-43.
3. European patent. Vibration motor for an electric hand-held appliance. EP 3 327 910 A1. 30.05.2018 Bulletin 2018/22.
4. Менжинский A., Малашин A.H., Суходолов Ю. Разработка и анализ математических моделей генераторов линейного и возвратно-поступательного типов с электромагнитным возбуждением. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика. 2018. № 2. С. 118-128.
5. Thermodynamic Model for Performance Analysis of a Stirling Engine Prototype// Miguel Torres García, Elisa Carvajal Trujillo, José Antonio Vélez Godiño, David Sánchez Martínez Energies 2018, 11(10), 2655; https://doi.org/10.3390/en1n02655.
6. Мехтиев A^., Эйрих В.И., Югай В.В., и др. Мини-ТЭЦ и миниэлектростанции на основе двигателя Стирлинга для энергообеспечения жилых и промышленных объектов. Aктуальные проблемы современности, Караганда: Болашак-Баспа. 2014.Т. 5. № 3. С. 94-97.
7 Мехтиев A^., Югай В.В., Aлькина A^. Исследование свободнопоршневого теплового двигателя с внешним подводом теплоты для привода электрического генератора. Журнал: «Вестник ^ATC им. М.Тынышпаева». 2018. №4. С. 266-276.
8. Мехтиев A^., Бекбаева Б. Т., Белтаев A. Б., и др. Микро-ТЭЦ для энергообеспечения удаленных от энергоцентрали объектов. Труды XI Международной научно-практической конференции «Перспективные вопросы мировой науки. 2017» Болгария, г.София, Бял ГРAД-БГ, 15-22.12.2017. 2017. С.41-43.
9 Югай В.В., Aлькина A^., Мехтиев РА. Повышение эффективности работы автономной тепловой электростанции на основе двигателя Стирлинга за счет изменения его конструкции. Вестник КазНИТУ. Aлматы. 2019. № 6 (136). С. 100-105.
10 Мехтиев A^. Югай В.В., Aлькина A^., и др. Многотопливная микротепловая электростанция мощностью 1 -10 кВт для удаленных объектов сельской местности и фермерских хозяйств. Вестник южно-уральского государственного университета. Серия «Энергетика» 2018. Т. 18. №2. С. 62-71.
11. Ридер Г. «Двигатели Стирлинга» (пер. с англ./Г.Т.Ридер, Ч.Хупер.-М.; Мир, 1986.
464 с.
12. Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 408 с. 13.. Бобылев А. В., Зенкин В. А. Математическая модель свободнопоршневого двигателя Стирлинга. Техника. Технологии. Инженерия. 2017. №1. С. 22-27.
14. Белозерцев В.Н., Горшкалев А.А., Некрасова С.О. Методы расчета и экспериментальные исследования тепловых машин Стирлинга. Самара: Изд-во СГАУ, 2015. 76 с.: ил.
15. Сафин А.Р., Ившин И.В., Грачева Е.И., и др. Разработка математической модели автономного источника электроснабжения с свободно-поршневым двигателем на базе синхронной электрической машины возвратно-поступательного действия с постоянными магнитами. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22(1). С. 38-48.
16. Ziwen Cheng, Born Jia, Zhenfang Xin, et al // Investigation of performance of free-piston engine generator with variable-scavenging-timing technology under unsteady operation condition, Applied Thermal Engineering. 2021. V. 196. pp.117288.
17. Shuangshuang Liu, Zhaoping Xu, Leiming Chen, et al.Comparison of an opposed-piston free-piston engine using single and dual channel uniflow scavenging, Applied Thermal Engineering. 2022. V. 201. Pt B, pp. 117813.
18. Langlois, Justin L. R. Dynamic computer model of a Stirling space nuclear power sys-tem. Trident Scholar project report no. 345..Annapolis: US Naval Academy. 2006. 348 с.
19. Thermoacoustic Stirling Heat Engine (TASHE) for Space Power and Cooling SBIR Phase 3//Presentation to Stirling Technical Interchange Meeting NASA Glenn Research Center June 29, 2015.
20. Ванкс В.А., Лесков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы / М.: Машиностроение. 1990. 144 с.
21. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика: М.: Машиностроение, 1972. 670 с.
Авторы публикации
Мехтиев Али Джаванширович - кандидат технических наук, профессор кафедры «Эксплуатация электрооборудования», Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, E-mail: barton.kz@mail.ru
Калужский Дмитрий Леонидович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроники и электротехники», Новосибирский государственный технический университет, e-mail: kaluzhskij@corp.nstu.ru
Нешина Елена Геннадьевна - магистр технических наук, заведующая кафедрой «Энергетические системы», Карагандинский технический университет, E-mail: 1_neg@mail.ru
Алькина Алия Даулетхановна - магистр технических наук, старший преподаватель кафедры «Информационные технологии и безопасность», Карагандинский технический университет, Email: alika_1308@mail.ru
Мади Перизат Шаймуратовна - магистр технических наук, старший преподавателькафедры «Энергетические системы», Карагандинский технический университет, E-mail: peri@mail.ru
References
1.Mehtiev AD. Alkina AD, Yugai VV, et al. Comparative analysis and prospects for the use of multi-fuel micro thermal power plants based on the Stirling engine for rural areas. News of higher educational institutions. Energy problems. 2020;22(5);3-17. doi:10.30724/1998-9903-2020-22-5-3-17.
2. Kaluzhsky DL, Mehtiyev AD, Davimnyev AO, et al.Autonomous electricity generation system based on stirling engine and multipole synchronous machine. Reports of the Academy of Sciences of the Higher School of the Russian Federation. 2019;1(42):31-43.
3. European patent. Vibration motor for an electric hand-held appliance. EP 3 327 910 A1. 30.05.2018 Bulletin 2018/22.
4. Menzhinsky A, Malashin AN, Sukhodolov Y. Development and analysis of mathematical models of generators of linear and reciprocating types with electromagnetic excitation. News of higher educational institutions and energy associations of the CIS. Energy. 2018;2:118-128.
5. Thermodynamic Model for Performance Analysis of a Stirling Engine Prototype. Miguel Torres García, Elisa Carvajal Trujillo, José Antonio Vélez Godiño, David Sánchez Martínez. Energies 2018;11(10):2655; https://doi.org/10.3390/en11102655.
6. Mehtiyev AD, Eirich VI, Yugai VV, et al. Mini CHP and mini-power stations based on the
Stirling engine for the energy supply of residential and industrial facilities. Actual problems of modernity, Karaganda: Bolashak-Baspa. 2014;5:3:94-97.
7. Mehtiyev AD, Yugai VV, Alkina AD. The study of a free heat engine with an external heat supply supply to drive an electrical generator. Bulletin Kazatk them. M. Tynyushpaeva. 2018;4:266-276.
8. Mehtiyev AD, Beckbayeva BT, Beltaev AB, et al. Micro-CHP for the energy supply of objects remote from the energy center. Proceedings of the XI International Scientific and Practical Conference Perspective Questions of World Science - 2017. Bulgaria, Softia, Byal Grad-Bg, 1522.12.2017. 2017. pp.41-43
9. Yugai VV, Alkina AD, Mehtiev RA. Improving the efficiency of the autonomous thermal power plant based on the stirling engine due to changes in its design. Vestnik KazNITU. Almaty: 2019;6 (136):100-105.
10. Mehtiev AD, Yugai VV, Alkina AD, et al. Multi-fuel microtal power plant with a capacity of 1-10 kW for remote objects of countryside and farms. Herald of South Ural State University. Energy series. 2018;18:2:62-71.
11. Rider G., Khuper Ch. Stirling engine. transl. From English. M.; Mir. 1986. p. 464.
12. Walker of Stirling engines. transl. with English. M.: Mir, 1985. p. 408.
13. Bobyl AV, Zenkin VA. Mathematical model of the free stirling engine. Technique. Technologies. Engineering. 2017;1:22-27.
14. Belozers VN, Gorbal AA, Nekrasova SO. Methods for calculating and experimental studies of stealing heat machines: studies. Allowance. Samara: Publishing house SGAU, 2015;76:Il.
15. Safin AR, Ivshin IV, Gracheva EI, et al. Development of a mathematical model of an autonomous source of power supply with a free-piston engine based on the synchronous electric machine of reciprocating with permanent magnets. News of higher educational institutions. Energy problems. 2020; 22 (1): 38-48. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2020-22-1-38-48
16. Ziwen Cheng, Boru Jia, Zhenfang Xin, Huihua Feng, et al. Investigation of performance of free-piston engine generator with variable-scavenging-timing technology under unsteady operation condition, Applied Thermal Engineering. 2021. V. 196. 117288. https://doi.org/10.1016/j .applthermaleng.2021.117288.
17. Shuangshuang Liu, Zhaoping Xu, Leiming Chen, Liang Liu. Comparison of an opposed-piston free-piston engine using single and dual channel uniflow scavenging. Applied Thermal Engineering. 2022;201:117813. ISSN 1359-4311, https://doi.org/10.1016/j .applthermaleng.2021.117813.
18. Langlois, Justin LR. Dynamic computer model of a Stirling space nuclear power sys-tem. Trident Scholar project report no. 345. Annapolis: US Naval Academy. 2006. 348 с.
19. Thermoacoustic Stirling Heat Engine (TASHE) for Space Power and Cooling SBIR Phase 3. Presentation to Stirling Technical Interchange Meeting NASA Glenn Research Center. June 29, 2015 Available at: http://picxxx.info/pml.php?action=GETC0NTENT&md5=72b6049a0e882af3922a783481bc78e9.
20. Vanks VA, Leskov LV, Lukyanov AV. Space Energy Systems. M.: Mechanical Engineering, 1990. p. 144.
21. Vukobovich MP, Novikov II. Thermodynamics: studies. Manual for universities. M.: Mechanical engineering, 1972. p. 670
Authors of the publication
Ali J. Mekhtiyev - Kazakh Agrotechnical University named after S. Seifullina, E-mail: barton.kz@mail.ru.
Dmitry L. Kaluzhsky - Novosibirsk State Technical University. E-mail: kaluzhskij@corp.nstu.ru. Yelena G. Neshina - Karaganda Technical University, E-mail: 1_neg@mail.ru. Aliya D. Alkina - Karaganda Technical University. E-mail: alika_1308@mail.ru. PSh Madi - Karaganda Technical University. E-mail: peri@mail.ru.
Получено 08.10.2021г.
Отредактировано 15.10.2021г.
Принято 18.10.2021г.
