PhysicsToys

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЛИНЕЙНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ, РАБОТАЮЩИЙ ПО ЦИКЛУ СТИРЛИНГА.

    Постоянный мировой рост цен на углеводородные энергоносители, открывает широкую дорогу устройствам, преобразующим внешнее тепло в механическую и электрическую энергию. Подобные установки работают по циклу Стирлинга и известны уже достаточно давно. Однако сегодня их производство весьма мало по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Это обусловлено сложностью конструкции, высокими требованиями к материалам деталей и соответственно высокой ценой конечного продукта. К тому же, все эти двигатели имеют поршневую модель, что влечет за собой множественные потери полезной работы на трение в механизме привода. Изучив недостатки двигателей Стирлинга с поршневой группой, еще в 60-х годах прошлого века, группой английских ученых, из центра атомной энергии в Харуэлле (Англия), была разработана новая концепция двигателя рис.1.



Рис.1 Термомеханический генератор

Вместо рабочего поршня они поставили металлическую мембрану из пружинной стали рис.2.



Рис.2 Схема термомеханического генератора
1 – нагреватель, 2 – вытеснитель, 3 – корпус, 4 – рабочая мембрана, 5 – пружина вытеснителя, 6 – пружинный подвес корпуса, 7 – пружинная поверхность рабочей мембраны, 8 – линейный генератор

Она совершает колебания под действием изменяющегося давления рабочего тела. С мембраной жестко связан постоянный магнит, который колеблется в обмотке генератора, возбуждая переменный электрический ток. Фактически машина состоит из вытеснителя и рабочей мембраны, которые пружинно подвешены относительно корпуса. Все движущиеся детали двигателя совершают резонансные колебания с частотой, равной собственной частоте колебаний установки, но смещены по фазе. Фазовый сдвиг между вытеснителем и рабочей мембраной очень важен для установления положительной обратной связи.
   В результате, получилась очень простая и надежная схема, которая к тому же, легко герметизируется и имеет длительный ресурс работы (более 100000 часов).
    Важной особенностью такой конструкции является ее самозапуск при достижении определенного градиента температур между нагревателем и холодильником. Это объясняется тем, что между основными деталями двигателя нет трения скольжения и они легко выходят из равновесия. Все это сильно удешевляет конструкцию.
   Однако, ни одна из ведущих компаний по производству стирлинг-генераторов не использует эту схему в своих изделиях. Это обусловлено тем, что преобразование механических низкоамплитудных колебаний в электричество, при помощи линейного генератора, не так эффективно, как преобразование кругового движения в генераторе вращения. И это верно, но если не гнаться за высокой мощностью установки и использовать дармовое тепло, то подобная конструкция находится вне конкуренции.
   Мной был изготовлен опытный образец такого термомеханического генератора с подводом тепла от газовой горелки Рис. 3.



Рис. 3 Опытная модель термомеханического генератора

   На базе этой модели был проведен ряд исследований направленных на изучение принципа и параметров работы двигателя. Для превращения механических колебаний рабочей мембраны в электрическую энергию, был установлен линейный генератор особой конструкции. Его задача заключалась в преобразовании колебаний с амплитудой не более одного миллиметра. На рис.2 показана схема такого генератора. Постоянный магнит 8, соединенный кронштейном с пятаком рабочей мембраны 4, совершает колебания между двумя подковообразными сердечниками, из трансформаторного железа. На каждом из них установлено по две катушки индуктивности, которые можно соединять параллельно или последовательно, тем самым варьируя выходное напряжение и ток.
Эффективность такого линейного генератора главным образом зависит от частоты колебаний рабочей мембраны и минимального расстояния между сердечниками и магнитом. Чем выше частота и меньше зазор – тем лучше для генератора. Однако, проведя многочисленные эксперименты, оказалось, что с ростом частоты – уменьшается амплитуда колебаний рабочей мембраны, что увеличивает зазор между магнитом и сердечниками, а это снижает производительность генератора. В свою очередь, желание максимально снизить зазор влечет за собой прилипание и стук магнита о сердечник, что приводит к не стабильной работе и остановке.

Учитывая вышесказанное, мной было принято решение - определить опытным путем максимально возможную рабочую частоту имеющейся установки и уже под нее настроить оптимальный зазор в генераторе. Что и было сделано.
Основным условием устойчивой работы такой установки является наличие общей частоты колебаний для всех движущихся деталей. Другими словами, желательно чтобы резонансные частоты этих деталей были близки. В свою очередь, частота колебаний зависит от массы детали и жесткости ее подвеса, что выражается формулой:
,
             где k – жесткость пружины подвеса;
             m – масса детали.
Отсюда следует, что частоту легко изменить меняя массу детали.
Допустим, необходимо спроектировать установку, работающую на определенной частоте. Тогда критерием ее оптимизации будет изготовление каждой движущейся детали, с такой массой и жесткостью подвеса, которые обеспечат свободные колебания на частоте близкой к заданной. А это значит, что для максимального преобразования тепловой энергии в механическую, корпус двигателя, вытеснитель и рабочая мембрана, должны обладать близкими резонансными частотами. Главной деталью, задающей основную частоту колебаний двигателя, является вытеснитель. Он перемещает рабочее тело от нагревателя к холодильнику. От его правильной работы зависит стабильность работы всей установки. Между вытеснителем и рабочей мембраной нужно установить положительную обратную связь. Поэтому их частоты колебаний отличаются по фазе, вытеснитель обгоняет мембрану на 90 – 110 °С.

   Сравнительно малая выходная мощность этой установки объясняется тем, что рабочее тело – воздух, изначально находится при атмосферном давлении. При такой малой плотности, несмотря на достаточно большие габариты, не получается достичь значительного перепада давления внутри двигателя. А ведь давление это и есть мощность. Но эта проблема касается абсолютно всех машин Стирлинга, работающих на атмосферном давлении. Главным образом, такие установки строились еще в конце 18-ого века, когда не знали, что существует практически прямолинейная зависимость увеличения мощности двигателей Стирлинга от плотности рабочего тела. Сегодня, давление в современных установках доходит до 200 атм., что является серьезной проблемой для конструкторов. Приходится надежно герметизировать и укреплять корпус двигателя, что увеличивает габариты и общую массу.
Следующим шагом в направлении модернизации установки, планируется герметизация двигателя со стороны линейного генератора и поднятие давления до 10 атм. Это позволит увеличить выходную мощность в несколько раз, при тех же тепловых затратах.