автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Модель и методика расчета параметров рабочего тела во внутреннем контуре двигателя стирлинга

На правах рукописи

Ноздрин Глеб Алексеевич

МОДЕЛЬ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

005546295

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» на кафедре «Двигатели, автомобили и гусеничные машины»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Куколев Максим Игоревич

доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», профессор

Петриченко Михаил Романович

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет», профессор

Сударь Юрий Михайлович

кандидат технических наук,

ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ, начальник факультета

Ведущая организация:

ОАО «Концерн «Морское подводное оружие -Гидроприбор», (г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 года в 18.00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, в аудитории 118 Гл. ,

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Факс: (812) 552 89 45

Ученый секретарь диссертационного совета

Б. С. Хрусталёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время перед человеческим обществом стоит проблема нехватки энергоресурсов, которая, в силу ограниченности природных ископаемых и особенностей мировой экономики, с каждым годом становится все острее. В этих условиях основными задачами энергомашиностроения являются - повышение эффективности установок и освоение новых источников энергии. Комбинированные установки, в состав которых входит двигатель Стирлинга (ДС) являются одним из перспективных решений этих задач. Особенности конструкции и рабочего процесса ДС позволяют как осваивать новые источники энергии, так и повышать эффективность уже созданных установок за счет более полного превращения теплоты в работу. При этом в основе установки может находиться один и тот же двигатель, а адаптация под конкретный источник энергии требует незначительных изменений в конструкции установки и настройке систем управления. Простота конструкции и отсутствие ряда систем, по сравнению с классическими ДВС, обеспечивают низкую стоимость и большой ресурс двигателя. В силу этих особенностей ДС в ближайшие 5 - 10 лет займет, вероятно, свою нишу в мировой энергетике.

На сегодняшний день в мире лишь немногие фирмы освоили серийный выпуск двигателей и энергетических установок, работающих по циклу Стирлинга. В большинстве своем их работы основаны на исследованиях проводившихся в течении 20-го века в Европе и США.

В СССР (ЦНИДИ, МГТУ им. Баумана, СПбГМТУ, МАИ и др.) также проводились успешные исследования ДС. Ими, в различное время, занимались Ефимов С. И, Красивский Ю. В, Лушпа А. Т., Столяров С. П., Бурцев Ю. И., Иванченко Н. Н., Сегаль М. С., Добросоцкий А. В., Яманин А. И. и другие исследователи. Однако, в России, сейчас нет серийных или готовых к запуску в серию ДС. Кроме того, многие полученные отечественными исследователями результаты утеряны или стали практически недоступными. Поэтому одной из важных задач можно считать воссоздание, сохранение и дальнейшее развитие отечественной научной базы необходимой для расчетов и конструирования ДС, в передаче ее в инженерные и конструкторские центры с целью освоения выпуска серийных изделий.

В данной работе предложена расчетная модель ДС, основанная на общих законах термодинамики и теплообмена, адаптированных под условия характерные для внутреннего контура (ВК) двигателя. Модель предназначена для предварительных расчётов и позволяет определить основные характеристики и размеры узлов и деталей в

широком диапазоне входных параметров с малыми затратами вычислительных ресурсов. В отличие от других подобных моделей ВК ДС, в представленной модели учтено взаимное влияние соседних объемов двигателя на протекающие процессы. Это дополнение увеличивает точность полученных результатов при меньшем количестве итераций, снижая количество затраченных ресурсов и увеличивая быстродействие расчетной модели. Так же повышается устойчивость модели, что позволяет использовать исходные данные, напрямую взятые из более простых расчетных моделей, без необходимости их сложной адаптации.

Предложенная модель достаточно полно описывает процессы протекающие во ВК ДС, позволяя моделировать различные режимы работы ДС. А именно - постоянные нагрузочные режимы, холостой ход, работу в режиме холодильника и переходные режимы при изменении таких параметров как давление во ВК, температура нагревателя и холодильника, размер буферной полости. Эти возможности позволяют получить при проектировании двигателя не только параметры номинальных режимов, но и изучить переходные процессы в интересующих диапазонах, а так же сформулировать требования к системам регулирования и управления ДС.

Целью работы является повышение точности моделей и методик для расчета значений основных параметров ДВПТ на ранних стадиях проектирования.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается в создании новой расчетной модели для определения параметров РТ во ВК ДС. Созданная модель учитывает изменение температуры РТ во ВК за время цикла, учитывает влияние соседних объемов ВК на процессы, протекающие в них. Она позволяет получить как интегральные параметры ДС, так и зависимости основных параметров от угла ПКВ на постоянных и переходных режимах работы ДС.

Практическая значимость работы заключается в реализации созданной расчетной модели в виде инженерной методики расчета и создании программного продукта для ЭВМ. Материалы работы внедрены на предприятиях И^Ег Б1А "ЯЕИШБ" г. Резекне, Латвия в 2012 г. и ОАО «ВЗМИ» Ленинградская область, пгт. Вырица в 2012 г. Материалы работы внедрены в учебный процесс на кафедрах ДАиГМ СПбГПУ в курсе «ДВС в энергетике» и ДВС УГАТУ в курсе «Энергетические машины и установки».

На защиту выносится:

1. Расчетная модель ВК ДС;

2. Инженерная методика расчёта;

3. Результаты экспериментов.

Апробация работы. Некоторые результаты проведенной работы докладывались и обсуждались на:

- Всероссийских конференциях «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (СПбГПУ, г. Санкт-Петербург- 2010, 2011 гг.);

- XXX, XXXI, XXXII отраслевых научно-технических конференциях молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы - вопросы проектирования, конструирования и технологий. МПО-МС», (ОЛО «Концерн «Морское подводное оружие - Гидроприбор», г. Санкт-Петербург - 2011, 2012, 2013 гг.). Доклады отмечены дипломами;

- IX молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее - 2011» (ОАО

«ЦКБ МТ «Рубин», г. Санкт-Петербург- 2011 г.);

- международных научно-практических конференциях «Неделя науки СПбГПУ» (СПбГПУ, г. Санкт-Петербург- 2010, 2011, 2012 г.г.). Доклад на конференции за 2012 г. отмечен дипломом.

- Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (СПбГМТУ, г. Санкт-Петербург - 2012 г.).

По материалам исследования опубликовано 13 печатных работ (из них 3 в журналах из списка ВАК РФ), размещенных в сборниках трудов международных и отечественных конференций и в периодических изданиях «Научно-технические ведомости СПбГПУ», «Двигателестроение».

Результаты исследования были доложены и обсуждены на семинарах проведённых кафедрами «Двигатели внутреннего сгорания» УГАТУ (2012 г.) и «Двигатели, автомобили и гусеничные машины» СПбГПУ (2013 г.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении в виде краткой аннотации изложено обоснование актуальности выбранной темы. Сформулирована цель и задачи исследования. Определены научная новизна и практическая значимость работы. Сформулированы положения выносимые на защиту. Представлена информация об апробации работы.

В первой главе - «История развития и современное состояние двигателей Стерлинга и расчетных моделей» проведен обзор и анализ работ посвященных двигателям Стерлинга и расчетным моделям ДС. Представлена история развития ДС с начала XIX века до наших дней, проведен обзор и анализ конструкций двигателей и их рабочих параметров. Рассмотрены возможные области применения ДС. Представлена

классификация, краткий исторический обзор и анализ преимуществ и недостатков расчетных моделей ДС. Представлено современное состояние развития установок с ДС.

Во второй главе - «Расчетная модель внутреннего контура двигателя Стирлинга» подробно изложена предлагаемая расчетная модель и методика расчета.

Предложенная модель основывается на общих законах термодинамики и тепломассообмена адаптированных под условия характерные для внутреннего контура (ВК)ДС.

Расчетная модель позволяет получить зависимости от угла ПКВ:

- распределения масс РТ в объемах ВК ДС;

- индикаторное давление РТ в объемах ВК ДС;

- изменения температур РТ в объемах ВК ДС;

- количество подведенной и отведенной от РТ в объемах ВК ДС теплоты;

- работу совершенную или затраченную РТ в объемах ВК ДС;

а также прочие параметры рабочего процесса (РП) ДС позволяющие проводить дальнейшие прочностные и конструкторские расчеты. Алгоритм расчетной модели представлен на рис. 1. В основе расчетной модели лежит первый закон термодинамики в общем виде, закон сохранения массы и уравнения состояния идеального газа, которые дополняются уравнениями тепло-массообмена, и замыкаются характерными для ВК ДС условиями пространственной и временной однозначности, в основе которых лежат принципы разбиения ВК ДС на объемы и РП ДС на этапы.

Производится разбиение ВК ДС на объемы, в каждом из которых происходит подвод или отвод теплоты при одинаковых (на текущем расчетном шаге) коэффициентах теплоотдачи, через определенную площадь, за время одного расчетного шага. То есть -при одинаковых скоростях течения жидкости, определяющих размерах, и прочих параметрах характеризующих теплообмен. Производится также разбиение РП ДС на этапы, на каждом из которых происходит перетекание РТ из одного объема в другой в определенном направлении. В качестве исходных данных используются результаты расчета по дополненному циклу Шмидта, а именно - распределение масс в объемах двигателя и законы их изменений, распределение давления во ВК ДС.

ВК ДС разбивается на 5 основных объемов:

1 - Цилиндр расширения;

2 - Цилиндр сжатия;

3 - Нагреватель постоянного объема;

4 - Холодильник постоянного объема;

5 - Регенератор.

Рис. I Алгоритм расчетной модели

При использовании представленного разбиения в цилиндрах сжатия и расширения происходит теплообмен со стенками и они являются так же нагревателем и холодильником переменного объема, а в их объем так же включено надпоршневое пространство которое остается в цилиндре при положении поршня в ВМТ. Нагреватель постоянного объема, холодильник постоянного объема и регенератор являются теплообменными аппаратами постоянного объема. В зависимости от конструкции ДС

некоторые из этих объемов, чаще всего регенератор, могут отсутствовать. В случае необходимости расчета двигателей нестандартной конструкции разбиение может быть изменено без внесения значительных поправок в расчетную модель. Условная схема ВК ДС с учетом разбиения его на объемы, представлена на рис.2.

РП ДС разбивается на четыре этапа:

1 - Перетекание рабочего тела в расширитель - «холодное дутье»;

2 - Перетекание рабочего тела в расширитель и компрессор - «перекладка»;

3 - Перетекание рабочего тела в компрессор - «горячее дутье»;

4 - Перетекание рабочего тела в мертвый объем из компрессора и расширителя -«перекладка».

Выбранное разделение позволяет корректно замкнуть уравнения масообмена во внутреннем контуре. Уравнения дополнены, по отношению к циклу Шмидта, расчетом скорректированной массы в объеме и расхода между объемами.

Цилиндр Холоди- Регене- Нагрев- Цилиндр сжатия льник ратор атель расширения

рс; рс; рк; рн; ре;

V*; Ve;

тс; тс; тк; тн; те;

шс; тс; Ш ' е?

ас; а с; ак; ан; ае;

Ас- Ас. Ак. Ан. Ае-

4 -Ос 1 -Ос 1 -12* 1 +0н +0е

Рис. 2 - Условная схема ВК ДС с учетом разбиения его на объемы

В расчетной модели были введены дополнительные понятия, такие как: изменение массы между объемами - количество массы РТ переместившееся из одного соседнего объема в другой за время одного расчетного шага;

скорректированная масса - количество РТ при температуре 7} находящееся в объеме к концу /' шага.

Используя представленные выше разбиения, уравнение описывающие массообмен в ВК ДС было представлено в виде:

...+ (мй(;)+ДМя^с(/)+ДА/ЛоЯ(,■))+... , (1)

+ + Ше<^нт-дмеоЯЙ)= м№Р

здесь: М ^ - масса рабочего тела находящаяся в объеме к в начале расчетного шага г,

' изменение массы рабочего тела между объемом к и К произошедшее в

течении шага /. индексы с, С, /?, Н. е обозначают соответственно объемы: цилиндр сжатия, холодильник, регенератор, нагреватель, цилиндр расширения, индекс \УР обозначает суммарную массу РТ.

Представив изменение массы между объемами за один расчетный шаг в виде массового расхода между объемами за единицу времени и дополнив получившееся уравнение уравнением неразрывности были определены скорости течения газа в объемах, основываясь на которых были рассчитаны числа Рейнольдса, Нуссельта и коэффициенты теплоотдачи. Далее было рассчитано количество теплоты подведенное к рабочему телу за один шаг в каждом из объемов, работа совершенная рабочим телом за один шаг в каждом из объемов и температура рабочего тела в конце каждого шага в каждом из объемов:

су ■ Тц./,- • МИ,,, а ■ ? ■ 5 • (Т№ац - Г|г/. (/)) ■ М,пЫ ■ I О3

(2)

т _ V 'ni- '"W1-'Wh'(M)--5— + "

МпюГ 103 cv-Mwh.

-p-hV-

м.

mol '

cv-MWF

здесь: Т - температура РТ, cv - объемная теплоемкость. Mmo¡ - молярная масса РТ, а - коэффициент теплоотдачи при теплообмене между стенкой ВК и РТ, 1 - время одного расчетного шага, S- площадь поверхности теплообмена, р - давление, AV -изменение объема за время расчетного шага.

При этом для учета влияния массообмена с соседними объемами в расчете используется скорректированная температура РТ: Г,.., ■ КМ... .. Т,... ■ АМг^.

1ST М'1 All-]) ft.(/) «<->*.(/}

к'нп=-Г,-+-Г7-• (3)

Мт М1Ю

здесь КТ- скорректированная температура РТ в объеме к к концу i шага.

В созданной модели так же учитывается, что ВК ДС в реальности является не разделенным на различные объемы и работа совершается или затрачивается всем РТ находящимся во ВК ДС. Следовательно, учитывается влияние на совершенную работу РТ находящегося не только в цилиндрах, но и в полостях постоянного объема. Для этого

работа рассчитывалась в каждом объеме, от изменения суммарного вытесняемого объема по массовым долям РТ:

М^Рт-^т-^г1-

Муур

здесь: Аи,) - работа совершенна или затраченная в к полости в течении I шага, Рк^) -

давление РТ в к полости в течении / шага, АУ^,) - изменение суммарного

вытесняемого объема на г шаге.

Получив зависимость температуры РТ в каждом объеме от угла ПКВ и используя уравнение состояния идеального газа были рассчитаны давления Р'Г в каждом объеме, давление в ВК ДС было принято как среднее по массовым долям давление:

Р«):

Ре(П ■ Мс(1) + РсЦ) ■ Мс0) + рН(П ■ Мт

М,

| Рсо)'мт + Рщр-М/др ( )

Используя полученные зависимости параметров РП от угла ПКВ, были рассчитаны основные показатели проектируемого двигателя, такие как КПД, мощность, работа за цикл, количество подведенной и отведенной теплоты.

Так же в главе представлено описание методики расчета реализованной в виде программного продукта на языке МАТЬАВ и С++, и проведена проверка адекватности и достоверности созданной модели по средствам сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на ДС модификации альфа. По результатам проведенного сравнения видно, что расчетная модель обладает достаточной точностью, предельное отклонение расчетных данных от экспериментальных составило «10%. Видимо, значительная часть этого отклонения связанна с механическими потерями которые не учитываются в модели, это подтверждается увеличением отклонения по зависимости близкой к линейной с увеличением частоты вращения коленчатого вала.

Пример сравнения скоростных характеристик ДС модификации альфа с результатами расчета представлен на рис.3.

В третьей главе - «Экспериментальное исследование процессов тепломассообмена во внутреннем контуре двигателя Стерлинга» описаны проведенные эксперименты и представлены рекомендации по дальнейшему улучшению и развитию созданной модели, основанные на полученных данных.

N

1В.1

30

-

1.« ■

> t

— р

< N ч

< \

- N к *

Г 1

А

- -

* К

• -

♦ 1100 С™,

■ 1000 Сэ°„:

* 900 СI™.

■ 850 Сзксп.

♦ 800 С

• 750 с: ?к™.

■о 1100 с"

Шф.

в 1000 С?„„.

А 900 Скор.

X 850 С ?.ор.

О 800 С теор.

° 750 Г"

250

350

450 500 550

650 " 750 [об/мии]

Рис. 3 - Проверка адекватности и достоверности расчетной модели

Основной целью проведенных физических экспериментов являлось улучшение и уточнение расчетной модели. В связи с этим в ходе проведения серии экспериментов решались следующие основные задачи:

- Исследование процессов теплообмена и определение гидравлических потерь в трубчатых тегаюобменных аппаратах при пульсации давления в потоке, качественная и количественная оценка влияния пульсации давления на процесс теплообмена.

- Определение гидравлических потерь в набивных и сетчатых регенеративных теплообменных аппаратах, в том числе при пульсации давления в потоке.

- Определение гидравлических потерь во ВК ДС и оценка их влияния на параметры ДС.

Для достижения цели и решения поставленных задач была создана экспериментальная установка, общий вид которой представлен на рис. 5.

Установка состоит из следующих основных элементов - рампа с баллонами заполненными воздухом под давлением от 13 до 15 МПа, подключенный к рампе редуктор понижающий давление до 0,1-1 МПа, подключенный к редуктору экспериментальный блок. Состоящий в случае решения второй задачи (рис. 4) электромеханического пневмораспределителя (3), управляющего контроллера (4), трех измерительных блоков (5), подключенных к ним датчика давления (6), манометра (7), датчика температуры (8) , размещенного между ними теплообменного аппарата (9) с

источником теплоты (10), регенеративного теплообменного аппарата (II), расходомера (12) и двух расходных шайб (13,14). Для решения первой задачи регенеративный теплообменный аппарат (11) исключался из состава установки.

Па установке было проведено 3 эксперимента:

- продувка трубчатого теплообменного аппарата пульсирующим потоком с выключенным источником теплоты для определения гидравлических потерь,

- продувка трубчатого теплообменного аппарата пульсирующим потоком с включенным источником теплоты для определения коэффициентов теплообмена,

- продувка набивного регенеративного теплообменного аппарата пульсирующим потоком с выключенным источником теплоты для определения гидравлических потерь.

Для решения третей задачи используется стенд (рис.4) состоящий из двигателя Стерлинга (1), датчиков давления (3, 6) размещенных в цилиндрах расширения(2) и сжатия(5), устройства заправки двигателя рабочим телом (7), системы подвода теплоты состоящей из газовой горелки (9) и кожуха (4), системы охлаждения и источника механической энергии.

Для снятия сигналов с датчиков давления используется АЦП и ПЭВМ со специализированным программным обеспечением.

Ниже приведены некоторые наиболее интересные результаты экспериментов, а именно: Коэффициент пульсации, показывающий падение коэффициентов теплообмена при пульсации давления на входе в теплообменный аппарат на рис.6, гидравлические потери в трубчатом рис.7 и набивном рис.8 тегаюобменных аппаратах.

Рис. 5 - Схема экспериментальной установки для решения второй задачи

1,6

к

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1

I А

V / / / ■

ч у / л

1т

■

-А - к17

-и- к ю

к5

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 11000

Рис. 6 - Коэффициент пульсации

0,3 ДР[МПа] 0.25

0,2

0,15

0,1

0,05

О

— ЛР0

- -ДР5

- - -ЛР10

— ДР17

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Р[МПа] 1 Рис. 7 - Падение давления в трубчатом теплообменном аппарате

0,35 ДР[МПа] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

*

ж ........... \

■

« х-"

к ..........- К"

.-►'■-■'а' „.-•'..•ж \ ...........

►-1 >............4..........— ►—♦--♦

. др

— - ДР,

о

■ ЛРю ■■ ДР1Т

0,2 0,3

0,4

0,5

0,6

0,7 0,8 Р[МПа] 1

Рис. 8 - Падение давления в набивном теплообменном аппарате ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Выявлено что, не смотря на возрастающий интерес к двигателям Стирлинга, отсутствуют доступные современные и достаточно точные расчетные модели и методики. Выявлен имеющийся в настоящее время значительный интерес научных и производственных компаний к современным методикам и моделям для проектирования двигателей Стирлинга.

2. Создана расчетная модель внутреннего контура двигателя Стирлинга, позволяющая получить все основные параметры двигателя и их зависимости от угла поворота коленчатого вала. Модель учитывает процессы теплообмена рабочего тела со стенками контура и влияние соседних объемов двигателя друг на друга. В ходе создания расчетной модели был дополнен расчетный цикл Шмидта. В дополненном цикле используется пять характерных объемов вместо трех.

3. Эксперимент по изучению влияния пульсаций давления на процессы теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах показал, что пульсация давления на входе снижает коэффициенты теплообмена до 1,5 раз при числах Рейнольдса порядка 4000 и частоте пульсаций 17 Гц. Эксперимент по изучению влияния пульсаций давления на процессы массообмена в трубчатых и набивных теплообменных аппаратах показал, что пульсация давления на входе увеличивает гидравлические потери до 10 раз при давлении 0,9 МПа и частоте пульсации 17 Гц. Эксперимент по изучению гидравлических потерь во внутреннем контуре двигателя Стирлинга показал зависимости мощности затрачиваемой на преодоление гидравлических потерь от давления во внутреннем контуре и от частоты вращения коленчатого вала. Мощность, которую необходимо

затратить на преодоление гидравлических потерь достигает 250 Вт при давлении к контуре 1 МПа и частоте вращения коленчатого вала 1400 об/мин.

4. По результатам проведенных экспериментов были выработаны рекомендации по улучшению и дополнению созданной расчетной модели и определено направление дальнейших работ по совершенствованию модели. Приоритетной признана задача учета влияния пульсаций на процессы теплообмена в двигателях Стирлинга, для решения которой необходимо провести серию экспериментов по более подробному и точному изучению зависимости коэффициента теплообмена от пульсации давления рабочего тела на входе в теплообменные аппараты.

ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

Работы, опубликованные в перечне периодических научных изданий, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Ноздрин Г.А. Учет влияния дополнительных объемов при расчете двигателей с внешним подводом теплоты по циклу Шмидта / Г.А. Ноздрин, М.И. Куколев, А. Ю. Абакшин // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2012. —№2-2(1477). — С. 59 - 62

2. Абакшин А. Ю. Численное моделирование процессов тепло- и массобмена в цилиндрах двигателя с внешним подводом теплоты / А. Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, М.И. Куколев //11аучно-технические ведомости СПбГПУ, 2012. — №2-2( 1477). — с. 164-167.

3. Кукис B.C. Перспективы улучшения характеристик двигателя Стирлинга / B.C. Кукис, М.И. Куколев, А.И. Костин, B.C. Дворцов, Г.А. Ноздрин, АЛО. Абакшин // Двигателестроение. — 2012. —№ 3. — с. 3-6.

Статьи:

4. Ноздрин Г.А. Двигатель Стирлинга для привода микроэнергоагрегата мощностью до 5 Вт/ Г.А Ноздрин // Материалы III Всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» — Том 1. —Уфа: Изд-во УГАТУ, 2010. — с.86 -87.

5. Ноздрин Г.А. Усовершенствование расчетной модели двигателя с внешним подводом теплоты / Г.А. Ноздрин С.Н. Вильдяева, А. Ю. Абакшин // Материалы XXX отраслевой науч.-тех. конф. молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы - вопросы проектирования, конструирования и технологий. МПО—MC—2011»; — СПб. : ОАО «Концерн «Морское подводное оружие - Гидроприбор», 2012 — с.112 - ИЗ.

6. Абакшин А. Ю. Моделирование элементов ДВПТ в среде Fluent / А. Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, С.Н. Вильдяева // Материалы XXX отраслевой науч.-тех. конф. молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы -вопросы проектирования, конструирования и технологий. МГЮ-МС-2011»; - СПб. : ОАО «Концерн «Морское подводное оружие - Гидроприбор», 2012. — с.43-50.

7. Ноздрин Г.А. Разработка расчетной модели ДВПТ / Г.А. Ноздрин, А. Ю. Абакшин, С.Н. Вильдяева // Материалы IX молодежной науч.-тех. конф. «Взгляд в будущее-2011»; — СПб.: ОАО «ЦКБ МТ «Рубин». СПб, 2011. — с. 377 - 382.

8. Абакшин А. Ю. Численное моделирование элементов систем ДВПТ/ А. Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин С.Н. Вильдяева // Материалы IX молодежной науч.-тех. конф. «Взгляд в будущее — 2011». — СПб: ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», 2011. — с.377 - 382.

9. Абакшин А. Ю. Разработка стенда для испытаний двигателя с внешним подводом теплоты / А. Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, B.C. Дворцов // Материалы XXXI отраслевой науч.-тех. конф. молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы - вопросы проектирования, конструирования и технологий. МПО-МС-2012»; — СПб.: ОАО «Концерн «Морское подводное оружие - Гидроприбор», 2013. —с.59-62.

10. Ноздрин Г.А. Совершенствование термодинамической модели ДВПТ путем учета гидравлических потерь / Г.А. Ноздрин, А. Ю. Абакшин, B.C. Дворцов // «Актуальные проблемы морской энергетики» Материалы всероссийской межотраслевой научно технической конференции; — СПб. : Изд-во СПбГМТУ, 2012, — с. 100 - 101.

11. Абакшин АЛО. Некоторые способы решения проблем уплотнения поршневого зазора двигателя с внешним подводом теплоты / А.Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, B.C. Дворцов, С.Ю. Лазарев, М.И. Куколев // Неделя науки СПбГПУ. Лучшие доклады: материалы научно-практической конференции с международным участием. — СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2013. — с. 12.

Тезисы докладов:

12. Ноздрин Г.А. Разработка расчетной модели ДВПТ // Материалы XV Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» — Том 2. — СПб: Изд-во СПбГПУ, 2011. — с.49 - 50.

13. Ноздрин Г.А. Реализация расчетной модели ДВПТ в среде BORLAND С++ BUILDER // XL неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно практической конференции. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. — Ч.Ш. — с. 19 - 20.

Подписано в печать 20.11.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11270Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

04201452586

На правах рукописи

Ноздрин Глеб Алексеевич

/

МОДЕЛЬ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник, Куколев Максим Игоревич

Санкт-Петербург - 2013 г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................4

Глава 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА И РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ.....................................8

1.1 Первый этап развития двигателя Стирлинга....................................9

1.2 Второй этап развития двигателя Стирлинга....................................12

1.3 Современное состояние.............................................................24

1.4 История развития расчетных моделей двигателя Стирлинга...............27

Глава 2 РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО КОНТУРА ДВИГАТЕЛЯ

СТИРЛИНГА..........................................................................32

2.1 Допущения принятые в модели...................................................32

2.2 Расчетная модель в общем виде...................................................33

2.3 Пространственная дискретизация расчетной области........................34

2.4 Дополненный цикл Шмидта.......................................................36

2.5 Уравнение массообмена в общем виде, временная дискретизация расчетной области....................................................................40

2.6 Расчет параметров массообмена...................................................44

2.7 Расчет параметров теплообмена...................................................49

2.8 Расчет параметров двигателя......................................................68

2.9 Критерии сходимости и границы применения модели.......................70

2.10 Оценка адекватности и достоверности расчетной модели и методики...71 Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛОМАССООБМЕНА ВО ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА..........................................................................75

3.1 Состав экспериментальной установки и применяемое оборудование......75

ф

3.2 Методика проведения и обработка результатов эксперимента...............82

1.2.1 Исследование процессов теплообмена в трубчатом теплообменном

аппарате...........................................................................82

теплообменном аппарате......................................................94

1.2.3 Исследование гидравлических потерь во внутреннем контуре ДС..97

3.3 Выводы.................................................................................102

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..................................................................103

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...........................105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................118

В настоящее время перед человеческим обществом стоит проблема нехватки энергоресурсов, которая, в силу ограниченности природных ископаемых и особенностей мировой экономики, с каждым годом становится все острее. В этих условиях основными задачами энергомашиностроения являются - повышение эффективности установок и освоение новых источников энергии. Комбинированные установки, в состав которых входит двигатель Стерлинга (ДС) [39] являются одним из перспективных' решений этих задач. Особенности конструкции и рабочего процесса ДС позволяют как осваивать новые источники энергии [37,63], так и повышать эффективность уже созданных установок за счет более полного превращения теплоты в работу [46, 66]. При этом в основе установки может находиться один и тот же двигатель, а адаптация под конкретный источник энергии требует незначительных изменений в конструкции установки [48] и настройке систем управления. Простота конструкции и отсутствие ряда систем, по сравнению с классическими ДВС, обеспечивают низкую стоимость и большой ресурс двигателя. В силу этих особенностей ДС в ближайшие 5-10 лет займет, вероятно, значительное место в мировой энергетике.

Сегодня лишь немногие фирмы [67, 68, 69] освоили серийный выпуск двигателей и установок работающих по циклу Стерлинга. В большинстве своем их работы основаны на исследованиях проводившихся в течении 20-го века в Европе и Америке. Несмотря на то, что в Советском Союзе на базе ЦНИДИ, МГТУ им. Баумана, СПбГМТУ, МАИ проводились исследования ДС которыми в различное время занимались Ефимов С. И, Красивский Ю. В, Лушпа А. Т., Добросоцкий А. В., Яманин А. И., Столяров С. П., Бурцев Ю. И., Иванченко Н. Н., Сегаль М. С. и другие исследователи, в России в настоящее время нет серийных или готовых к запуску в

серию двигателей, а большинство результатов полученных этими исследователями утеряно или практически недоступно. Поэтому одной из важных задач можно считать воссоздание и дальнейшее развитие научной базы необходимой для расчетов и конструирования ДС в России, и передачи ее в инженерные и конструкторские центры с целью освоения выпуска серийных изделий.

В работе предложена расчетная модель основанная на общих законах термодинамики и теплообмена, адаптированных под условия характерные для внутреннего контура (ВК) ДС. Модель предназначена для предварительных и эскизных расчётов двигателя и позволяет определить основные характеристики и размеры узлов и деталей двигателя в широком диапазоне входных параметров с малыми затратами вычислительных ресурсов. В отличие от других подобных моделей ВК ДС [60, 62] в представленной модели учтено взаимное влияние соседних объемов двигателя' на процессы протекающие в них. Это дополнение увеличивает точность полученных результатов при меньшем количестве итераций, снижая количество затраченных ресурсов и увеличивая быстродействие расчетной модели. Так же повышается устойчивость модели, что позволяет использовать исходные данные, напрямую взятые из более простых расчетных моделей, без необходимости их адаптации.

Вследствие того, что данная модель достаточно полно описывает процессы протекающие во ВК ДС, она позволяет моделировать различные режимы работы ДС. А именно - постоянные нагрузочные режимы, холостой ход, работу в режиме холодильника и переходные режимы при изменении таких параметров как давление во ВК, температура нагревателя и холодильника, размер буферной полости. Эти возможности позволяют получить при проектировании двигателя не только параметры номинальных режимов, но и изучить переходные процессы в интересующих диапазонах, а так же сформировать требования к системам регулирования и управления ДС.

Целью работы является повышение точности моделей и методик для расчета значений основных параметров ДВПТ на ранних стадиях проектирования. Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Изучены существующие модели и методики расчета ДС и выявлен уровень их развития.

2. Разработана расчетная модель ВК ДС и инженерная методика расчёта, модель и методика проверенна численным экспериментом.

3. Подготовлен и проведен физический эксперимент, на основании полученных данных выработаны рекомендации по улучшению и уточнению расчетной модели.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается в создании новой расчетной модели для определения параметров РТ во ВК ДС. Созданная модель учитывает изменение температуры РТ во ВК за время цикла, учитывает влияние соседних объемов ВК на процессы, протекающие в них. Расчетная модель позволяет получить как интегральные параметры ДС, так и зависимости основных параметров от угла ПКВ на постоянных и переходных режимах работы ДС. Практическая значимость работы заключается в реализации созданной расчетной модели в виде программного продукта для ЭВМ и создании инженерной методики расчета.

На защиту выносится:

1. Расчетная модель ВК ДС;

2. Инженерная методика расчёта;

3. Результаты экспериментов.

По материалам исследования опубликовано 12 печатных работ (из них 3 в журналах из списка ВАК РФ), размещенных в сборниках трудов международных и отечественных конференций и в периодических изданиях «Научно-технические ведомости СПбГПУ», «Двигателестроение».

Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:

- на Всероссийских конференциях «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (СПбГПУ, г. Санкт-Петербург -2010,2011 гг.);

- на XXX, XXXI, XXXII отраслевых научно-технических конференциях молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы - вопросы проектирования, конструирования и технологий. МПО-МС», (ОАО «Концерн «Морское подводное оружие - Гидроприбор», г. Санкт-Петербург - 2011, 2012, 2013 гг.). Доклады отмечены дипломами;

- на IX молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее -2011» (ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», г. Санкт-Петербург- 2011 г.);

- на международных научно-практических конференциях «Неделя науки СПбГПУ» (СПбГПУ, г. Санкт-Петербург - 2010, 2011, 2012 г.г.). Доклад на конференции за 2012 г. отмечен дипломом;

- на всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (СПбГМТУ, г. Санкт-Петербург - 2012 г.).

Также результаты исследования были доложены и обсуждены на семинарах проведённых кафедрами «Двигатели внутреннего сгорания» УГАТУ и «Двигатели, автомобили и гусеничные машины» СПбГПУ. Материалы работы внедрены на предприятиях RSEZ 81А "КЕВШБ" г. Резекне, Латвия в 2012 г. и ОАО «ВЗМИ» Ленинградская область, пгт. Вырица в 2012 г. Материалы работы внедрены в учебный процесс на кафедрах ДАиГМ СПбГПУ в курсе «ДВС в энергетике» и ДВС УГАТУ в курсе «Энергетические машины и установки».

ГЛАВА 1 - ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА И РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ

Двигатель Стерлинга, в зарубежных работах так же часто называемый воздушным тепловым двигателем, это - тепловой двигатель с внешним подводом теплоты, работающий по замкнутому циклу, использующий в качестве рабочего тела газ, как правило, рто воздух водород или гелий. Идеальный термодинамический цикл этого двигателя состоит из двух изотерм и двух изохор [14]. Отличительной особенностью этого цикла является то, что его КПД равен КПД цикла Карно. Как правило, двигатели Стирлинга это поршневые машины с различными вариантами привода, но существуют так, же варианты роторных двигателей, работающих по циклу Стирлинга [17].

Интерес к двигателю Стирлинга у исследователей и конструкторов существовал на протяжении всего времени с момента его изобретения. Примечательно то, что в разные периоды времени их привлекали разные особенности и возможности двигателя. Условно историю двигателей Стирлинга можно разделить на 3 основных этапа:

- Первый этап - XIX - начало XX века;

- Второй этап - 1930-е годы - конец XX века;

- Третий этап - с конца XX века до настоящего времени.

В XIX веке двигатели Стирлинга положительно отличали от паровых машин их надежность и безопасность. В XX веке простота конструкции и большой теоретический потенциал возродил интерес разработчиков к двигателям Стирлинга, позже низкий уровень шума и вибраций, малая токсичность отработавших газов стали причинами для продолжения работ [3]. В наше время главным преимуществом

ч I

двигателя Стерлинга является его высокий кпд, и возможность использовать помимо любых видов топлива, любые источники тепла, в том числе солнечную и геотермальную энергию, энергию атомного деления и энергию выбрасываемую другими установками [4].

1.1 ПЕРВЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Воздушные тепловые двигатели были известны с конца XVIII века, они использовались наравне с паровыми двигателями. Первые варианты двигателей были неэффективны и имели малый ресурс работы. Это было связано с отсутствием регенерации тепла, которая является одним из основных преимуществ двигателя Стерлинга, плохим качеством материалов и участием продуктов сгорания в рабочем цикле. Первый из подобных двигателей, о котором сохранилась информация - это двигатель Кейли созданный в 1807 году в Англии [18], в нем использовался открытый цикл и смесь воздуха с продуктами сгорания в качестве рабочего тела. Принципиальная схема двигателя, созданная на основе схем из патентов Кейли,

В 1816 году Роберт Стерлинг вместе со своим Братом Джеймсом, в Шотландии, изобрел первый воздушный двигатель с замкнутым регенеративным циклом [17,54]. Первый двигатель Стирлинга был построен в 1818 году, и использовался для' откачки воды из шахты. Рабочим телом этого двигателя был воздух. В дальнейшем Стерлинг всю свою жизнь активно занимался разработкой этих двигателей. Копия гравюры изображающей двигатель из патента Роберта Стирлинга изображена на рисунке 1.2..

В Великобритании одновременно со Стирлингом шведский изобретатель Эриксон так же разрабатывал воздушные двигатели с регенеративным циклом [14], их отличало от двигателей Стирлинга управление потоками рабочего тела во внутреннем контуре с помощью систем клапанов. Эриксон, стоявший так же у основ создания железных дорог в Англии, позже уехал в США, где организовал коммерческую фирму по выпуску воздушных двигателей с регенеративным циклом.

Рис. 1.2 - Двигатель Стирлинга [54]

Один из первых двигателей Эриксона представлен на рисунке ] .3 - копии изображения из его патента.

Рис. 1.3 - Двигатель Эриксона [54]

В течении XIX века множество воздушно-тепловых двигателей работали в Великобритании, США и Европе, охватывая весь необходимый в то время диапазон мощностей. Двигатели Стерлинга были значительно надежнее и безопаснее паровых двигателей. Котлы которых, взрывались достаточно часто, из за плохого качества конструкционных материалов. Одним из самых больших двигателей был судовой двигатель, построенный Эриксоном в 1853 году и рассчитанный на мощность 330 кВт. Данный двигатель имел диаметр поршня 4.2 метра и частоту вращения вала 9 оборотов в минуту, однако требуемую мощность развить не смог, и позже был заменен на паровой двигатель.

Во второй половине XIX века в связи с изобретением ДВС двигатель Стерлинга был вытеснен с рынка и заменен различными типами ДВС или электродвигателями. Однако массовый выпуск различных моделей двигателя Стерлинга продолжался до конца XIX века. Эти двигатели в основном использовались для привода насосов и вентилятор и поставлялись в

сельскохозяйственные районы, некоторые из этих двигателей работали до 70-х годов XX века, и после были переданы в различные музей мира.

1.2 ВТОРОЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Интерес к двигателям Стерлинга снова возник примерно через 30 лет, в 1930-х годах. Целью большинства работ было создание электрогенератора малой мощности для питания радиоаппаратуры в районах, где электрическая сеть была недоступна. Эти разработки проводились фирмой Филипс. Работы продолжались до 1950-х годов, когда изобретения электронных компонентов и усовершенствование аккумулятором исключило потребность в таких двигателях. За эти годы были созданы опытные образцы, которые позже легли в основу разработок более мощных двигателей Стерлинга. Инженеры и разработчики, используя новые конструкционные материалы и технологии, значительно улучшили характеристики двигателей конца XIX века.

Во второй половине XX века вслед за Филипс к разработке двигателей Стирлинга подключилось большинство ведущих двигателестроительных фирм мира. Диапазон возможных применений разрабатываемых двигателей так же расширился и охватил почти все области от автомобильного транспорта до космических аппаратов и подводных лодок.

Двигатели Стерлинга фирмы Филипс [14,17,181

Исследовательская лаборатория N. V. Philips Gloeilampenfabrieken, расположена в г. Эйндховен (Нидерланды), эта фирма хорошо известна на международном рынке своей электротехнической и электронной продукцией. Работы, связанные с двигателями Стирлинга начались здесь в 1937 году и могут быть условно разделены на 4 этапа:

Первый этап 1937-1954 - разработка двигателей небольшой мощности.

ё

Второй этап 1945-1978 - разработка и производство криогенных машин работающих по циклу Стерлинга.

Третий этап 1954-1970 - разработка и внедрение ромбического привода в двигателях Стерлинга простого действия вытеснительного типа.

Четвертый этап 1969-1985 - разработка двигателей двойного действия.

Начальный этап работы фирмы «Филипс» [52] был связан с необходимостью создания легких и мобильных электрогенераторов для радиоаппаратуры. Специалисты «Филипс» изучили различные варианты привода, в том числе паровые двигатели и термоэлектрические генераторы. Выбор двигателей Стирлинга был обусловлен тем, что реальный кпд этих машин был намного ниже идеального, поэтому предполагалось, что имеется значительный потенциал для улучшения параметров двигателя Стирлинга. По мнению специалистов «Филипс», он заключался в основном в применении новых жаропрочных сталей и достижений в области газодинамики и тепломассообмена.

Ранние разработки связанны с именами профессора Хольста, который был руководителем программы, а так же Рини