УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее к устройствам для регулирования свободнопоршневых двигателей Стирлинга (СПДС), предназначенным для регулирования среднего положения вытеснителя и поршня, совершающих возвратно-поступательное движение.
Во время работы СПДС вытеснитель и поршень движутся возвратно-поступательно с одинаковой частотой и с фазовым смещением, при котором движение вытеснителя отстает от движения рабочего поршня на некоторое фазовое смещение. Рабочая частота колебаний может достигать 100 Гц, что требует от систем регулирования высокого быстродействия.
В процессе работы СПДС между полостями цилиндра двигателя неизбежно возникают небольшие утечки рабочего тела (РТ) через неидеальные уплотнения вытеснителя, поршня, которые приводят к отклонению среднего давления РТ во внутренних полостях от требуемых значений.
Такое отклонение среднего давления РТ способно привести к изменениям среднего положения вытеснителя и поршня, что вызовет отклонение фазового смещения между вытеснителем и поршнем от расчетных значений. Данное отклонение способно привести к нарушению автоколебательного процесса СПДС вплоть до полной остановки двигателя, поэтому для создания эффективного двигателя и получения устойчивых выходных показателей необходимо обеспечить постоянные расчетные значения фазового смещения и среднего положения вытеснителя и поршня, что достигается путем циклового регулирования их взаимного положения. Следовательно, разработка и применение устройств регулирования, воздействующих непосредственно на поршень и вытеснитель, является актуальной задачей.
Из уровня техники известно устройство для регулирования среднего положения поршня в СПДС (US 4583364, МПК: F02G 1/043, 22.04.1986 г.), которое предотвращает отклонение среднего положения поршня, вызванное утечкой рабочего газа между рабочим пространством и буферной полостью цилиндра.
В нем используется перепускной канал, расположенный в неподвижном штоке двигателя. Перепускной канал находится между рабочей и буферной полостью и гидравлически связывается с каналами в поршне и с газовой пружиной вытеснителя. Вытеснитель блокирует перепускной канал, чтобы предотвратить связь между буферной полостью и рабочим пространством, когда поршень движется в сторону буферной полости и открывает канал для обеспечения связи и компенсации утечек рабочего тела, когда поршень движется в сторону рабочего пространства.
Основным недостатком такого устройства центрирования являются насосные потери, вызванные необходимостью перемещения рабочего тела через регулирующие каналы на каждом рабочем ходе. Насосные потери приводят к дополнительным затратам энергии и в итоге снижают энергоэффективность двигателя.
Другим известным решением для регулирования хода поршня является система с перепускным клапаном, предназначенным для предотвращения избыточного хода поршня в СПДС (US 4945726, МПК: F02G 1/0435, опубликованному 07.08.1990). В нем для улучшения рабочих параметров системы используется газовая пружина вытеснителя, полость которой соединена с золотниковым клапаном, имеющим механический, электрический или пневматический привод. Клапан предназначен для частичного открытия и закрытия канала в соответствующем устройстве, которое определяет амплитуду рабочего поршня. Таким образом, рабочее тело может перемещаться внутри газовой пружины вытеснителя в полость с более низким давлением для снижения жесткости газовой пружины. Уменьшение жесткости приводит к снижению усилия, развиваемого газовой пружиной, вследствие чего уменьшается фазовый сдвиг вытеснителя относительно поршня. Результатом регулирования становится снижение мощности двигателя и получение нового хода поршня, при котором исключается его соударение с элементами двигателя. При этом выполняются условия для резонансного колебания в условиях сниженной нагрузки.
Однако решение, предложенное в этом аналоге, создает сложные условия для работы уплотнений газовой пружины вытеснителя, так как во время работы днище вытеснителя постоянно взаимодействует с горячим рабочим телом, находящимся в полости расширения. Несмотря на тонкую стенку корпуса вытеснителя, снижающую тепловой поток от днища вытеснителя к его основанию, область контакта уплотнения поршня газовой пружины и внутренней поверхности вытеснителя будет иметь достаточно высокую температуру. Данная особенность системы для обеспечения высокого ресурса работы СПДС способна усложнить или, применительно к высокотемпературным двигателям с максимальной температурой в полости расширения 600-700°С, сделать невозможным выбор уплотнений поршня газовой пружины.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является устройство центрирования для свободнопоршневой машины (US 5873246, МПК: F02G 1/0435, опубликованному 23.02.1999), принятое нами за прототип. В варианте осуществления (фиг. 6 описания патента) устройство позволяет регулировать положение поршня при его отклонении от среднего значения в обоих направлениях. В состав устройства центрирования входит регулятор давления, состоящий из диафрагменного привода клапана и золотникового клапана двойного действия, газовые магистрали, соединяющие рабочую и буферную полость цилиндра двигателя с каналами клапана и его привода, и обратные клапаны, обеспечивающие однонаправленное движение рабочего тела.
Среднее положение поршня смещается в сторону буферной полости, когда происходит утечка части рабочего тела в рабочую полость. Когда мгновенное и среднее давление в рабочей полости превышает мгновенное и среднее давление в буферной полости, регулятор давления перемещает золотниковый клапан и открывает канал, позволяя рабочему телу перетекать из рабочей полости в буферную полость через обратный клапан. Когда среднее положение поршня смещается в противоположном направлении, открытый золотниковый клапан соединяет полости, но обратный клапан обеспечивает движение рабочего тела только из буферной полости в рабочую полость.
Для привода клапана в прототипе имеется диафрагменный привод, который не содержит демпфирующие или разгрузочные устройства, препятствующие паразитным колебаниям диафрагмы за счет сглаживания циклических максимумов давления, что можно отнести к недостатку прототипа. Функция демпфирования возложена на ограничители расхода, установленные в газовых трубках между рабочей и буферной полостью, или обеспечивается применением капиллярных газовых трубок.
Однако применение ограничителей расхода или капиллярных газовых трубок способно привести к увеличению времени отклика системы при стабилизации давления в рабочей и буферной полости, так как изменение мгновенного давления будет происходить с задержкой вследствие сопротивления этих элементов. Результатом этой особенности может быть снижение частоты регулирования, что приведет к возникновению вибраций или нестабильности работы двигателя.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на создание эффективного устройства регулирования положения вытеснителя и поршня СПДС с высокой точностью и быстродействием.
Технический результат заключается в повышении эффективности регулирования за счет дальнейшего увеличения быстродействия и точности регулирования для обеспечения равномерности работы и стабильности выходных показателей свободнопоршневого двигателя Стирлинга.
Технический результат достигается тем, что устройство для регулирования свободнопоршневого двигателя Стирлинга, включающее в себя по меньшей мере расположенный в корпусе цилиндр с подвижными в нем поршнем и вытеснителем, имеющий полости сжатия и расширения рабочего тела и буферную полость, связанную газовой магистралью с полостью сжатия, содержащее автоматически управляемый перепускной клапан, установленный в газовой магистрали, связывающей буферную полость цилиндра с полостью сжатия, в отличие от прототипа выполнено с возможностью определения положения вытеснителя посредством индуктивного датчика, размещенного снаружи цилиндра, и определения положения поршня посредством датчика соответствующего типа, установленного относительно поршня определенным образом, и имеет размещенную во внутренней полости вытеснителя газовую пружину, выполненную с возможностью изменения ее жесткости во время работы посредством дополнительной газовой магистрали с встроенным в нее автоматически управляемым перепускным клапаном, которая соединяет полость газовой пружины с полостью сжатия, при этом оба упомянутых перепускных клапана имеют электромагнитные приводы с частотой срабатывания за один рабочий цикл двигателя, как минимум, один раз, управляемые по сигналам упомянутых датчиков определения положения поршня и вытеснителя посредством микропроцессорного контроллера.
Дополнительное отличие состоит в том, что определение положения поршня обеспечивается датчиком индуктивного или оптического типа, установленным с возможностью непосредственного определения перемещения поршня, либо по показаниям датчика, встроенного в служащую в двигателе в качестве нагрузки линейную электрическую машину.
Устройство для регулирования свободнопоршневого двигателя по предложенной полезной модели обеспечивает высокую точность и быстродействие регулирования, что достигается за счет комплексного использования клапанов для перепуска РТ, электромагнитные приводы которых управляются посредством микропроцессорного контроллера, использующего информацию от датчиков положения вытеснителя и поршня.
Функциональные возможности и алгоритм работы устройства регулирования обеспечивают быстрое и точное регулирование совместного движения вытеснителя и поршня, когда поддерживаются заданные: среднее положение и фазовое смещение вытеснителя и поршня, что позволяет достичь требуемой мощности свободнопоршневого двигателя и избежать ударов поршня и вытеснителя о корпусные элементы свободнопоршневого двигателя. Совокупность указанных преимуществ обеспечивает устойчивый автоколебательный процесс СПДС.
Полезная модель проиллюстрирована чертежом, на котором представлен общий вид устройства для регулирования свободнопоршневого двигателя Стерлинга (схема, пример).
Предлагаемое устройство регулирования предназначено для работы в составе СПДС, состоящего из корпуса 1, включающего неподвижный цилиндр 2, в котором совершают возвратно-поступательные движения вытеснитель 3 и поршень 4 с уплотнением 5 и механически связанной с ним линейной электрической машиной (ЛЭМ) 20 или другого вида нагрузкой, теплообменного контура 6, включающего в себя нагреватель с охладителем для нагрева и охлаждения рабочего тела и регенератор, обеспечивающий регенерацию тепла в двигателе, газовой пружины 7, объем которой образован штоком 8 с уплотнением 9 и внутренним объемом вытеснителя 3, буферной полости 10, объем которой ограничен корпусом 1 и поршнем 4, рабочей полости, состоящей из полости расширения 11, образованной вытеснителем 3 и верхней частью неподвижного цилиндра 2, и полости сжатия 12, заключенной между вытеснителем 3 и поршнем 4, причем уплотнение 5 выполняет герметичное разделение рабочей и буферной 10 полости, а внутренний канал 13, размещенный в штоке 8 газовой пружины 7, предназначен для подачи и выпуска рабочего тела.
Совокупное действие газовой пружины 7, а также давления рабочего тела в полости расширения 11 и в полости сжатия 12 на вытеснитель 3, имеющий постоянную массу, образует его динамическую систему, обеспечивающую колебание вытеснителя 3 с необходимой частотой.
Устройство регулирования СПДС включает в себя клапан 14 с электромагнитным приводом, установленный в газовой магистрали 15, гидравлически связывающей буферную полость 10 с полостью сжатия 12; клапан 16, расположенный в газовой магистрали 17, гидравлически связывающей полость сжатия 12 с газовой пружиной 7; индуктивный датчик 18 положения вытеснителя 3, установленный в проточке на внешней части цилиндра 2; датчик 19 положения поршня 4, встроенного в линейную электрическую машину 20 двигателя. Микропроцессорный контроллер 21 электрически связан с клапанами 14 и 16 и датчиками регулирования 18 и 19. При этом может быть использован датчик положения 19 поршня 4, обеспечивающий непосредственное определение перемещения поршня. В этом случае датчик положения 19, выполненный индуктивным или оптическим, устанавливается рядом с поршнем 4. Непосредственное определение перемещения поршня происходит за счет измерения выходного сигнала датчика 19 при изменении положения поршня 4.
Для описания работы устройства рассмотрены режимы работы свободнопоршневого двигателя, на которых осуществляется регулирование, и порядок действий, выполняемых во время регулирования, которые заключаются в:
- постоянном отслеживании изменения ряда параметров взаимного расположения вытеснителя 3 и поршня 4 двигателя (например, частота колебаний, среднее положение вытеснителя и поршня и фазовое смещение между ними);
- сравнении полученных данных этих параметров;
- корректировке параметров согласно принятому алгоритму.
Алгоритм регулирования включает действия, направленные на обеспечение необходимого среднего положения вытеснителя 3, рабочего поршня 4 и фазового угла между ними. Представленный алгоритм обеспечивает работу свободнопоршневого двигателя на стационарном режиме, когда нагрузка постоянна, и не затрагивает переходные режимы.
Перед запуском СПДС выполняется предварительная оценка нагрузки, которая будет оказываться на свободнопоршневой двигатель. В соответствии с нагрузкой выбираются требуемые значения амплитуд колебания вытеснителя 3 и поршня 4, фазового смещения между ними и прочие параметры свободнопоршневого двигателя, совокупное действие которых обеспечивает устойчивый автоколебательный процесс СПДС. Устанавливается необходимое среднее давление РТ в рабочей полости, состоящей из полостей расширения 11 и сжатия 12, и в газовой пружине 7 вытеснителя 3 и буферной полости 10 поршня 4.
Запуск свободнопоршневого двигателя производится за счет внешнего возмущающего усилия, создаваемого ЛЭМ 20 или другим внешним источником и передаваемого поршню 4, при условии, что в полостях расширения 11 и сжатия 12 установлены необходимые температуры РТ. После завершения запуска свободнопоршневого двигателя в работу вступает устройство для регулирования.
Регулирование направлено на компенсацию утечек между полостями, вызванных неидеальными уплотнениями.
1. Регулирование среднего положения поршня
Положение поршня 4 определяется суммой действующих на него сил: нагрузкой со стороны потребителя, силой инерции и силой, вызванной давлением РТ в полости сжатия 12 и в буферной полости 10.
Поскольку рассматривается стационарный режим работы свободнопоршневого двигателя и масса поршня 4 постоянна, а давление РТ в рабочей полости изменяется по гармоническому закону, то для регулирования среднего положения поршня 4 во время рабочего цикла принято варьировать давление в буферной полости 10.
Мгновенное положение поршня 4 отслеживается по сигналу датчика 19 микропроцессорным контроллером 21 в течение рабочего цикла постоянно. На основании данных с датчика 19 рассчитывается среднее положение поршня 4, отклонение от которого требует регулирования.
Отклонение рабочего поршня 4 может происходить в двух направлениях:
- в сторону полости сжатия 12 (ВМТ поршня), где ВМТ - верхняя мертвая точка, представляющая собой крайнее верхнее положение;
- в сторону буферной полости 10 (НМТ поршня), где НМТ - нижняя мертвая точка, представляющая собой крайнее нижнее положение.
Далее рассматриваем 2 случая при движении рабочего поршня, когда требуется регулирование.
Смещение среднего положения поршня в сторону ВМТ
Причиной данного смещения является перетекание РТ через уплотнение 5 поршня 4 из полости сжатия 12 в буферную полость 10, в результате чего давление в буферной полости 10 повышается.
При движении поршня 4 в сторону НМТ из-за увеличения давления в буферной полости 10 повышается сила, направленная против движения поршня 4. В результате этого поршень 4 не доходит до расчетного значения НМТ и, изменив направление движения, начинает двигаться в сторону ВМТ. В итоге поршень переходит за точку расчетного значения ВМТ, что приводит к изменению среднего положения поршня.
Микропроцессорный контроллер 21 с помощью датчика положения 19 поршня определяет отклонение среднего положения поршня 4 и уже со следующего рабочего хода начинается регулирование.
При следующем движении поршня 4 в направлении НМТ микропроцессорный контроллер 21 подает управляющий импульс на клапан 14 с электромагнитным приводом, который открывается и гидравлически связывает полость сжатия 12 с буферной полостью 10. Для эффективного перепуска РТ полное открытие клапана 14 с электромагнитным приводом должно происходить в точке с максимальным перепадом давления между полостями: буферной 10 и сжатия 12, то есть при положении поршня 4 в НМТ.
При следующем прохождении поршня 4 через ВМТ микропроцессорным контроллером 21 вычисляется среднее положение поршня 4, которое затем сравнивается с параметрами данного нагрузочного режима. Если установлено, что поршень 4 снова вышел за пределы ВМТ, то действия по регулированию повторяются вновь.
Если при последующем вычислении среднего положения поршня 4 достигается требуемая величина, то при последующем движении поршня 4 клапан 14 остается закрытым.
Смещение среднего положения поршня в сторону НМТ
Причиной данного смещения является перетекание РТ через уплотнение 5 поршня 4 из буферной полости 10 в полость сжатия 12, в результате чего давление в буферной полости 10 снижается.
При движении поршня 4 в сторону НМТ из-за снижения давления в буферной полости 10 уменьшается сила, направленная против движения поршня 4. В результате этого поршень 4 проходит точку расчетного значения НМТ. В итоге при обратном движении поршень 4 не доходит до точки расчетного значения ВМТ, что приводит к изменению среднего положения поршня 4.
Микропроцессорный контроллер 21 с помощью датчика положения 19 поршня 4 определяет отклонение его среднего положения и уже со следующего рабочего хода начинается регулирование.
При движении поршня 4 в сторону ВМТ в конце его хода на электромагнитный привод клапана 14 микропроцессорным контроллером 21 подается управляющий импульс так, что открытие указанного клапана 14 происходит при положении поршня 4 в ВМТ. В этом случае полость сжатия 12 гидравлически связывается с буферной полостью 10 и за счет достаточного перепада давления, когда объем полости сжатия 12 минимальный, а объем буферной полости 10 максимален, происходит перетекание регулирующего объема РТ из полости сжатия 12 в буферную полость 10.
При следующем прохождении поршнем 4 НМТ микропроцессорным контроллером 21 вычисляется среднее положение поршня 4, которое сравнивается с параметрами данного нагрузочного режима. При очередном смещении среднего положения поршня 4 к НМТ действия по регулированию повторяются вновь.
Если при последующем вычислении среднего положения поршня 4 достигается требуемая величина, то при дальнейших колебаниях поршня 4 клапан 14 с электромагнитным приводом остается закрытым.
2. Регулирование среднего положения вытеснителя
Положение вытеснителя 3 определяется суммой действующих на него сил: силой, вызванной давлением РТ в полости расширения 11 и сжатия 12, силой инерции вытеснителя 3 и силой со стороны газовой пружины 7.
Поскольку масса вытеснителя 3 постоянна, а давление РТ в полостях: расширения 11 и сжатия 12, является гармонически изменяемой величиной, то для регулирования положения вытеснителя 3 в течение рабочего цикла принято варьировать давление в газовой пружине 7.
Отклонение вытеснителя 3 может происходить в двух направлениях:
- в сторону полости расширения 11 (ВМТ вытеснителя) где: ВМТ - верхняя мертвая точка, представляющая собой крайнее верхнее положение;
- в сторону полости сжатия 12 (НМТ вытеснителя), где: НМТ - нижняя мертвая точка, представляющая собой крайнее нижнее положение.
Далее рассматриваем два случая при движении вытеснителя 3, когда требуется регулирование.
Смещение среднего положения вытеснителя в сторону ВМТ
Смещение происходит в результате высокой жесткости газовой пружины 7, которая создает избыточное усилие при движении вытеснителя 3 в сторону ВМТ. Причиной увеличения жесткости газовой пружины 7 является перетекание РТ через уплотнение 9 штока 8 из полости сжатия 12 в газовую пружину 7.
При движении вытеснителя 3 в сторону НМТ из-за увеличения давления в газовой пружине 7 повышается сила, действующая против движения вытеснителя 3. В результате этого вытеснитель 3, не достигнув расчетного значения НМТ, изменяет направление движения и начинает двигаться в сторону ВМТ. В итоге вытеснитель 3 проходит точку расчетного значения ВМТ, что приводит к изменению его среднего положения.
Микропроцессорный контроллер 21 с помощью датчика положения 18 вытеснителя 3 определяет отклонение его среднего положения, и уже со следующего рабочего хода начинается регулирование.
При движении вытеснителя 3 в сторону НМТ микропроцессорный контроллер 21 подает управляющий импульс на клапан 16 с электромагнитным приводом, при открытии которого полость сжатия 12 и объем газовой пружины 7 гидравлически связываются. Для обеспечения эффективного перепуска РТ полное открытие указанного клапана 16 производится в точке с максимальным перепадом давления между полостью сжатия 12 и газовой пружиной 7, то есть при положении вытеснителя 3 в НМТ.
При следующем прохождении вытеснителя 3 через ВМТ микропроцессорным контроллером 21 вычисляется среднее положение вытеснителя 3, которое сравнивается с установленными параметрами. Если смещение вытеснителя 3 от его среднего положения фиксируется вновь, то на следующем рабочем ходе регулирования повторяются заново.
Если при вычислении среднего положения вытеснителя 3 на следующем рабочем ходе достигается требуемая величина, то клапан 16 с электромагнитным приводом закрывается.
Смещение среднего положения вытеснителя в сторону НМТ
Причиной смещения является низкая жесткость газовой пружины 7, которая создает недостаточное усилие. Такого усилия пружины 7 недостаточно для возврата вытеснителя 3 на обратном ходе в его первоначальное положение.
При движении вытеснителя 3 в сторону НМТ из-за снижения давления в газовой пружине 7 уменьшается сила, действующая против движения вытеснителя 3. В результате этого вытеснитель 3 выходит за пределы расчетной НМТ и при обратном движении не доходит до требуемой ВМТ, что приводит к изменению его среднего положения.
Микропроцессорный контроллер 21 с помощью индуктивного датчика положения 18 вытеснителя 3 определяет отклонение его среднего положения и уже со следующего рабочего хода начинается регулирование.
При движении вытеснителя 3 в сторону ВМТ в конце его хода на электромагнитный привод клапана 16 микропроцессорным контроллером 21 подается управляющий импульс так, что открытие указанного клапана 16 происходит при положении вытеснителя 3 в ВМТ. В этом случае полость сжатия 12 гидравлически связывается с газовой пружиной 7 и за счет достаточного перепада давления, когда объем газовой пружины 7 максимален, происходит перетекание регулирующего объема РТ из полости сжатия 12 в газовую пружину 7.
При следующем прохождении вытеснителем 3 НМТ микропроцессорным контроллером 21 вычисляется среднее положение вытеснителя 3, которое сравнивается с параметрами данного нагрузочного режима. При очередном смещении среднего положения вытеснителя 3 к НМТ действия устройства для регулирования повторяются вновь.
Если при последующем вычислении среднего положения вытеснителя 3 достигается требуемая величина, то в дальнейшем клапан 16 остается закрытым.
Длительность открытия клапанов 14 и 16 с электромагнитными приводами подбирается экспериментально и зависит от среднего давления и вида используемого РТ, расходных характеристик запорного элемента клапанов и скоростного режима свободнопоршневого двигателя Стирлинга.