Главная > Статьи > Оценка удельной мощности свободнопоршневого двигателя Стирлинга > Оценка удельной мощности свободнопоршневого двигателя Стирлинга (часть 2)

Оценка удельной мощности свободнопоршневого двигателя Стирлинга (часть 2)

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.

зависимость удельной мощности от частоты и амплитуды поршня

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.Схемы двигателей

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.

чертёж двигателя CTPC (MTI)

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.

35.       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.

Оценка удельной мощности свободноОценка удельной мощности свободно

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

  1. Jones, D., “Space Power Free-Piston Stirling Engine Scaling Study”, NASA/CR-182218, 1989
  2. Dhar, M., “Stirling Space Engine Program, Volume 1-Final Report”, NASA/CR-1999-209164/VOL1, 1999.
  3. Wood, G.W., and Lane, N.W., “Progress Update on the Sunpower Stirling Converter”, Proceedings of AIAA IECEC2005 conference, Providence, Rhode Island, 2004.
  4. Wood, G.W., and Lane, N.W. “Advanced Small Free-Piston Converter for Space Power Application”, Proceedings of Space Technology and Applications International Forum, edited by M.S. El-Genk, CP699, American Institute of Physics, 2004.
  5. Wood, G.W., and Carroll, C. and Penswick, L.B., “The Sunpower/Boeing Adanced Stirling Convertor”, Proceedings of Space Technology and Applications International Forum, edited by M.S. El-Genk, CP699, American Institute of Physics, 2005.
  6. Kim, S.Y., Huth, J.J., and Wood, J.G. “Performance Characterization of Sunpower Free-Piston Stirling Engine,”Proceedings of AIAA IECEC2005 conference, San Francisco CA, 2005
  7. Mason, L.S., “A Comparison of Fission Power System Options for Lunar and Mars Surface Applications” Proceedings of Space Technology and Applications International Forum, Albuquerque New Mexico, 2006.
  8. Wood, G.W., et al, “Advanced Stirling Convertor Update” Proceedings of Space Technology and Applications International Forum,Albuquerque New Mexico, 2006.
Регистрация
Архивы