Главная > Геометрия свободнопоршневых двигателей > Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть3)

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть3)

Начало статьи Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть1)

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть2)

Перевод Илья Духанин

2.1 Общая конфигурация двигателя

На рис. 18 показан  продольный разрез свободнопоршневого линейного генератора (СПЛГ), разработанного в национальной лаборатории  Сандиа. Он представляет собой двухтактный оппозитный поршневой двигатель с прямоточной продувкой для газообмена с синхронизированным устройством для впрыска топлива. Линейный генератор используется для получения электрической мощности и синхронизации поршней, в то время как буферные камеры используются как устройства для аккумулирования энергии, чтобы обеспечить работу сжатия на следующем цикле. На рисунке обозначены центральная камера сгорания, впускной и выпускной патрубки, а также левый и правый линейные генераторы и буферные камеры. Поршни, состоящие из трех частей (часть, обращенная к камере сгорания, обозначена коричневым цветом,  массив магнитов – зелёным, часть, обращенная к буферной камере – светло-серая), показаны в положении нижней мёртвой точки (НМТ), при этом впускные и выпускные отверстия камеры сгорания открыты. Вид СПЛГ показан на рис. 19, основные параметры двигателя приведены в таблице 1. В последующих разделах более подробно будут описаны  главные характеристики СПЛГ.

 Рис. 18. Продольное сечение прототипа СПЛГ

Рис. 18. Продольное сечение прототипа СПЛГ

 Рис. 19. Фото прототипа СПЛГ

 Рис. 19. Фото прототипа СПЛГ.

Таблица 1. Основные параметры системы СПЛГ.

Общий объем

Диаметр камеры сгорания

Рабочий ход поршня (номинальный)

Общая длина

Рабочая частота

Выходная электрическая мощность

л (дюйм3)

мм (дюйм)

мм (дюйм)

мм (дюйм)

Гц

кВт

1,97 (120,2)

81,15 (3,195)

220 (8,66)

2286 (90)

30-35

15-19

2.2 Поршни и кольца

Устройство  одного поршня СПЛГ показано на рисунке 20. Каждый поршень состоит из трёх частей, а именно, поршневой части, обращенной к камере сгорания, поршневой части, обращенной к буферной камере, и средней части, содержащей сборку постоянных магнитов и магнитопровода. Поршневые концевые части изготовлены из анодированного алюминиевого сплава 7075-T6, а магнитопровод для усиления магнитной цепи изготовлен из стали  1018. Массив постоянных магнитов будет описан в разделе 2.4. Как видно из рис. 20, поршневые концевые части имеют некоторые различия. Во-первых, поршень камеры сгорания имеет несколько больший диаметр в 3,189″ по сравнению с поршнем буферной камеры, диаметр которого 2,892″. Также поршень камеры сгорания имеет два компрессионных кольца, в то время как поршень буферной камеры имеет только одно кольцо. Это объясняется более высоким давлением в камере сгорания, чем в буферной камере. Левый и правый поршни полностью идентичны друг другу, каждая поршневая группа длиной 29,4″ имеет массу около 4,9 кг. Каждая поршневая группа относительно друг друга была сбалансирована в пределах 5 г путем добавления массы к внутреннему диаметру более лёгкого поршня.

Цельные бесщелевые кольца разработаны Cook Compression, которые сделаны из бронзового сплава пропитанного тефлоном (Teflon) с торговым названием Tru Tech 3210. Этот материал был выбран за его герметизирующие характеристики и устойчивости к недостаточной смазке. Вследствие недостаточной долговечности эти кольца не пригодны для коммерческого использования, однако допустимы для использования в начальных испытаниях исследуемого  двигателя. Эти кольца уплотняются давлением газа, прижимающего их к стенкам цилиндра и кольцевым канавкам. Таким образом, чем выше давление газа, тем больше усилие и трение между поршнем и цилиндром.

Рис.20. Фотография одной их поршневых сборок

Рис.20. Фотография одной их поршневых сборок

Ранние испытания поршней показали, что сила трения выше, чем ожидалась. Чтобы понять эту проблему, был проведен ряд тестов на трение. Во-первых, поршни были испытаны со вторым убранным кольцом, но различие показывающее, что первое кольцо берёт на себя всё трение, не было обнаружено. Во-вторых, были испытаны новые компрессионные кольца с посадкой на 1/2 между кольцом и цилиндром. Не было найдено никаких отличий с каждым из первых испытаний, показывающее, что сила от  давления на кольцо дает большую составляющую в трении, чем трение от посадки кольца. Наконец, были проведены испытания с удаленными кольцами. Эти испытания показали то, что сила трения уменьшалась примерно на 50%, показывающее, что половина от постоянной составляющей трения составляет трение от колец, а половина от трения поршня о цилиндр плюс другие уплотнения.

Сильное трение требует большого давления потока воздуха, чтобы держать поршни в рабочем состоянии. А вдобавок, высокое фрикционное рассеивание энергии напрямую понижает общий КПД FPLA. Так, что усилия прикладывались к уменьшению трения поршня. В результате переработки в поршни были включены модифицированные компрессионные кольца и дополнительные кольца. Они были найдены с помощью эксперимента и задуманы так, чтобы трение скольжения между кольцами и цилиндром было первостепенным. Эта сила пропорциональна зоне контакта. Потому половинное уменьшение длины колец могло бы уменьшить трение. Это было подтверждено в тестах данных поршней с половинными кольцами, как это показано на рисунке 21.

Рис.21. Фотография концевых поршневых частей с обрезанными кольцами

Рис.21. Фотография концевых поршневых частей с обрезанными кольцами

На рисунке 22 показаны переработанные  концевые поршневые части. Ширины компрессионных колец были обрезаны на половину, и к каждому было добавлено дополнительное упорное кольцо, чтобы удерживать поршень концентрично с цилиндром. Диаметр поршня также был изменён для увеличения зазора в основном в цилиндре сгорания. Это было сделано из-за опасения, что тепловое расширение в оригинальной конструкции может привести к заклиниванию поршневой концевой части со стороны камеры сгорания.

Рис.22. Фотография переработанных концевых поршневых частей.

Рис.22. Фотография переработанных концевых поршневых частей.

В таблице 2 приведены расчётные значения силы трения для оригинальных поршней, результаты испытаний колец с половиной профиля и испытаний новых поршней с упорными кольцами и без них. Сила трения показана для нескольких величин скорости при движении, как внутрь, так и наружу из цилиндра. У новых поршней по сравнению с оригинальными поршнями расчётная сила трения была ниже, однако не меньше, как в случае уменьшенными кольцами. Предполагается, что этот эффект был достигнут за счёт устранения дополнительных колец, но этого недостаточно, чтобы объяснить расхождение.

Таблица 2. Сила трения в различных конфигурациях колец.

  Кольца полного профиля Кольца половинного профиля Новые кольца Новые кольца без упорного кольца
Давление гелия Скорость, Сила, Скорость, Сила, Скорость, Сила, Скорость, Сила,

Бар

м/с

Н

м/с

Н

м/с

Н

м/с

Н

75

13.0

-710

13.0

342

13.1

-565

13.4

-516

-12.1

812

-12.2

560

-12.1

754*

-12.7

666

8.6

-640

9.2

-317

8.8

-381

56

10.3

-728

10.6

-556

10.8

-515

-9.0

749

-9.4

689*

-10.0

639

5.6

-588

6.4

-372

7.1

-317

* Давление в буферной камере было  выше, чем в других случаях, поэтому ожидалось повышенное трение.

Для большинства испытаний с запуском двигателя были использованы новые поршни, что будет описано далее  в этой статье. В большинстве испытаний были использованы бронзовые кольца без зазоров, пропитанные тефлоном. Однако изучался и второй материал для кольца. Так как кольца с тефлоном быстро изнашивались и были трудоёмкими при замене, то были изучены PEEK кольца с зазором. Конструкция колец с зазором была более простой для установки, и кольца PEEK оказались более надежными, чем кольца с тефлоном. Однако система никогда успешно не работала с этими кольцами. Требовалось более высокое давление для обеспечения движения поршня при запуске, при этом синхронизация поршня часто проходила нестабильно, и самая большая длительность испытаний достигала 3 секунды. Причины недостаточной производительности при кольцах PEEK с зазором полностью не ясны. Предполагается, что эти кольца создают более высокое трение, что требует более высокого давления запуска. Также, оказалось, что эти кольца повреждаются также легко, как и кольца Teflon, обычно формируя небольшие углубления вблизи места примыкания  в зазоре. Эти углубления быстро разрастаются и создают пути утечки, которые могли бы влиять на синхронизацию в  случае, если у поршней были неравные утечки.

2.3. Система сгорания

Система сгорания СПЛГ была спроектирована для работы в режиме воспламенения от сжатия гомогенного заряда (homogenous charge compression ignition — HCCI) газообразного топлива, в особенности, водорода. Водород был выбран как исходное топливо для исследуемой системы по ряду причин:

1) очень малого времени сгорания, дающее выделение тепла при близкому к постоянному объёму;

2) низкий уровень вредных выбросов, содержащих только оксиды азота;

3) заинтересованность  наших DOE-спонсоров в водороде как в топливе для транспорта.

Система сгорания состоит из подсистем подачи топлива и воздуха, впускных и выпускных патрубков, водяного охлаждения цилиндра и концевых частей поршней со стороны камеры сгорания и буферной камеры, описанных выше в тексте.

 

Рис. 23. Система распределения смазочного масла.

Рис. 23. Система распределения смазочного масла.

Смазочное масло дозировано подавалось в камеру сгорания и в каждую буферную камеру через маленькие отверстия в стенках цилиндра, используя  систему подачи фиксированного объёма. На рис. 23 показана система распределения смазочного масла Master Pneumatic SERV-OIL Automation Pac, содержащая  резервуар масла, контроллер и двенадцать серводозаторов. Каждая буферная камера и каждая сторона камеры сгорания имеют по  три отверстия для подачи масла. Частота импульсов регулируется и объём масла, подаваемого на каждом импульсе, может индивидуально настраиваться посредством серии экспериментов, так чтобы сгорание смазочного масла не производило бы  искажение измерения высокого теплового КПД. Это включает ограничение потока масла до двух из шести отверстий в камере сгорания.

Рис. 24. Система питания водородом камеры сгорания.

Рис. 24. Система питания водородом камеры сгорания.

На рис. 24 показана система подачи водорода в камеру сгорания. Сжатый водород подаётся в лабораторию из стандартного баллона типоразмера DOT 1A, находящего за пределами здания. Трубка соединяет баллон с лабораторной питающей линией с последовательностью  ручных клапанов и клапанов с электромагнитным управлением с регулятором, понижающим давление до 500 фунт/дюйм2 (psi) (3,48 МПа). Электромагнитный клан работает внутри лаборатории совместно с переключателем управления. Электромагнитный клапан также подключён к лабораторной системе безопасности, которая закрывает клапан, если обнаруживается утечка водорода. Внутри лаборатории линия подачи водорода идёт к регулятору, показанному на рис. 24, который понижает давление до калиброванного 50 фунт/дюйм2 (345 кПа) как раз выше по потоку от счетчика расхода водорода. Измеритель расхода, также показанный на рисунке, типа Sierra Smart Trak 2 M100H. Расходометр был приобретён с первичной стандартной калибровкой NYST с точностью 1% от полной шкалы.

Ниже от расходометра линия подачи водорода присоединена к буферному объему, который используется для демпфирования каких-либо колебаний давления во время открывания и закрывания топливных форсунок. Как показано на рисунке, далее по линии установлен соленоидный клапан управления. Этот клапан используется для подачи водорода в патрубок топливной форсунки и присоединяется к системе безопасности СПЛГ, что будет пояснено в последующих разделах. Для отслеживания давления к патрубку присоединён манометр, находящийся несколько выше по потоку топливных форсунок.

Для получения требуемой величины расхода топлива используется набор из пяти коммерчески доступных газовых форсунок (Quantum Technologies PQ2-3200). Водород подаётся к форсункам под давлением 50 фунтов/дюйм2. Было проведено испытание топливных форсунок для определения массы топлива, подаваемого за один импульс, как функция длительности импульса при давлении, которое устанавливается контроллером. Это испытание было описано в отдельной статье [23]. На рис.25 показано испытательное оборудование, используемое для проверки топливных форсунок, в котором применяется расходомер для водорода с калиброванным объемом для измерения потока аккумулированием давления. Два измерительных метода согласуются друг с другом с точностью 2,5%. На рисунке также показаны увеличенный вид топливной форсунки и образец полученных  данных.

Рис. 25. Оборудования для испытания топливной форсунки (слева) и пример данных (справа).

Рис. 25. Оборудования для испытания топливной форсунки (слева) и пример данных (справа).

Водородные топливные форсунки срабатывали один раз за цикл по сигналу от положения поршня. Комбинация длительности импульсов и количества топливных форсунок использовалась для управления количеством впрыскиваемого водорода                                                                                      за  один цикл водорода. Водород впрыскивался во впускной коллектор, который                    окружает впускные отверстия камеры сгорания. Воздушный поток в этом патрубке создавался двухступенчатым регенеративным вентилятором Republic HRB–1202. Труба диаметром 2½» (по американскому стандарту труб schedule 40), идущая от вентилятора, была разделена на две трубы наружным диаметром 2½» и далее присоединялась к двум патрубкам внутренним диаметром 2¼», приваренным к впускному                                       патрубку. При обычной работе давление в коллекторе возрастало приблизительно до 24 фунтов/дюйм2 при закрытых впускных отверстиях, расход воздуха составлял от 125 до                                                                                                                 150 куб. фут/мин. в зависимости от рабочей частоты СПЛГ.

Численное моделирование газодинамики (CFD) позволило определить геометрию впускного и выпускного патрубков, необходимую для определения поршневого режима потока для оптимальной продувки и смешивания смеси. Результаты попыток моделирования описаны в [21]. Основываясь на результатах, впускной патрубок был разработан для обеспечения послойной, прямоточной продувки. Результаты моделирования предполагали, что этот подход должен достигать высокоэффективной продувки при минимально коротком контуре, а также достигать соответствующего смешивания для высокого КПД сгорания.

 

Рис.26. Продольное сечение камеры сгорания

Рис.26. Продольное сечение камеры сгорания

На рис. 26 показана камера сгорания с водяным охлаждением. Диаметр камеры сгорания составляет 3,195 дюйма (81,15 мм) с выпускными окнами, открытие и закрытие которых происходит при положении поршня на расстоянии 7,482 дюйма (190 мм) от центральной плоскости, давая чистый объём в  1,97 л при идеальной синхронизации поршней. Впускные окна открываются позже при положении поршня 7,875 дюйма (200 мм) от центральной плоскости, давая время оставшемуся давления в цилиндре осуществить удаление сгоревших газов. Цилиндр сделан из стали ANSI 4340, закалённой до твердости 38-40 по Роквеллу. Дополнительно к отверстиям для течения газа цилиндр в средней части камеры сгорания имеет 4 инструментальных отверстия, расположенных по окружности через 90 градусов.

Два из этих отверстия используются для датчиков давления, а другие два не используются. Наконец, как отмечалось ранее, камера имеет шесть смазочных отверстий, по три на каждой стороне в средней части.

Продолжение статьи Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть4)

Регистрация
Архивы