Альфа стирлинг регенератор

Мощный генератор 700 Вт на альфа двигателе Стирлинга

Чаще всего в интернете на глаза попадаются двигатели Стирлинга «хоббийного» типа, от которых вы навряд ли получите какую-либо полезную мощность. Конечно же многие из этих проектов вдохновляют и даже удивляют. Но, тем не менее, многие из них имеют право на будущее в качестве генераторов различной мощности, пусть даже и очень незначительной. Именно поэтому многие стирлингостроители с волнение и завистью смотрят на более перспективные, серьёзные и мощные генераторы на двигателях Стирлинга.

SV-2 представляет собой двигатель Стирлинга альфа конфигурации с использованием воздуха в качестве рабочего тела. Рабочее давление составляет 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм или 11.8 атмосфер или 1,2 мегапаскаля). Объем составляет 127 кубиков. Механическая выходная мощность на валу равна 700 Вт при 1800 оборотов в минуту.

На Ютьюбе есть видео генератора, разработанного на основе автомобильного компрессора от кондиционера. Далее перевод рассказа Дэйва Кирка, который представил на YouTube свой проект SV-2 MKII альфа-стирлинг (V-Twin) генератора.

Вдохновленный MP1002C Philips

В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки  MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.

Как говорится в старой поговорке, «Он работал и работал, как швейная машинка Зингер»! В то время, мой опыт общения с двигателями Стирлинга состоял из проектирования нескольких моделек настольного размера, но, увидев и услышав работающий двигатель Philips, я захотел спроектировать, сделать дизайн и собрать двигатель такого же калибра … сделать нечто достаточно большое, что производило бы полезную ощутимую работу.

Выбор пал на конфигурацию «альфа» по следующим причинам

• Эта конструкция имеет самое большое отношение рабочего объёма к общему объему двигателя, что позволяет физически получить компактный двигатель.
• При конструировании альфы сдвиг фаз поршней составляет 90 градусов и поэтому достигается идеальный первичный баланс, что способствует более тихому ходу.
• С механической точки зрения и с точки зрения исполнения в «железе» он очень простой, поэтому его выгодно строить.

Наддув (нагнетание давления в Стирлинге)

Для получения значимых выходных мощностей необходимо повышать давление в рабочей зоне двигателя. Зная, что двигатель Philips работал при давлении 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм), я хотел бы получить двигатель, который был бы конструктивно прочным и компактным, чтобы работать на данных уровнях внутреннего давления рабочего газа. Рабочим телом был воздух, и выбран он был на основании практичности. Я хотел, чтобы в моём генераторе смазка осуществлялась маслом, так же как и в Стирлинге от Philips — эта функция в значительной степени способствует тихой работе и длительному сроку службы, который очень хочется получить в двигателе Стирлинга.

Компрессор кондиционера от Chrysler

Примерно в это же время мне в руки попался холодильный компрессор и оказалось, что он идеально подходит в качестве основы для запланированного мной двигателя. Это был автоматический компрессор кондиционера RV-2 компании Chrysler. Кривошип разносил поршни на 90 градусов (дизайн V-твин), с диаметром цилиндра 58,7 мм и ходом поршня 33,4 мм.

В обоих цилиндрах в сочетании с правильной траекторией движения газа, рабочим объемом составил 127,8 куб.см, что составляет более чем вдвое больший объём по сравнению с MP1002C двигателя Philips. Являясь холодильным компрессором, конструкция была сделана основательно и с достаточным запасом прочности для такого сильного сжатия. Кроме того, этот компрессор содержал героторный масляный насос, который  под давлением смазывал края большим шатунным подшипникам. Каждый алюминиевый поршень имел одно компрессионное кольцо и соединены через алюминиевые шатуны Alcoa. Этот компрессор оказался самым оптимальным для моей задумки.

Компрессор кондиционера Chrysler RV-2

Годы разработки

На протяжение нескольких лет, я спроектировал и уже отработал все необходимые компоненты, для того, чтобы адаптировать компрессор к работе в двигателе Стирлинга. Я также сконструировал трубчатую несущую раму, которая являлась несущим основанием для двигателя. Рама стилизована под аналогичную используемую на генераторной установке Philips.

Головка нагревателя, вытеснитель и внутренний цилиндр выполнен из труб нержавейки 302 различных размеров. В роли регенератора использовал путанку из медной проволоки. Охладитель, расположенный со стороны сжатия двигателя, был изготовлен из алюминиевых трубок. Использовал небольшой генератор 200 Вт 12 вольт с ременным приводом, который изначально был куплен и предназначался для работы на садовом тракторе.

Вот этот двигатель, получивший название SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark I):

Генератор на базе двигателя Стирлинга SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark 1)

Изначальные характеристики и рабочее тело

Двигатель заработал, но производительность его была далека от ожидаемой величины. Я пробовал использовать гелий в качестве рабочего тела, и это помогло, повлияв как на выходную мощность, так и на обороты, но при этом было слишком очевидно, что что-то было кардинально не правильно. Работа двигателя будет существенно лучше при поднятии давления до 2 бар и оборотах 2000 в минуту, отдавая примерно 50 Вт мощности на выходе уже с электрогенератора … дальнейшее изменение в большую или меньшую сторону скорости или давления приведёт к потере выходной мощности. Кроме того, блок цилиндров начнёт очень сильно греться через незначительное время после запуска, что является доказательством о завышенной теплопередаче вдоль корпуса двигателя.

Конфигурация двигателя. Пробы и ошибки

После долгих раздумий (и нескольких лет разочарования) я понял, что в этой конфигурации допущены ошибки. В первую очередь — в любом двигателе Стирлинга нагреватель, регенератор, и холодильник должны быть «моноблочные», то есть их размещают в непосредственной близости друг от друга. Это означает, что эти три термодинамические компоненты должны все находиться в стороне от вытеснителя двигателя, вместо того, чтобы «разбросать» их по всей цепи газового тракта, как я сделал на МК I. Такой грамотный дизайн очень важен для хорошей производительности и такая плотная моноблочная компоновка чётко прослеживается на всех двигателях Philips. Тот факт, что я расположил регенератор в тесном контакте с блоком двигателя способствовали утечке тепла вдоль всей длины двигателя — это явно плохое решение в конструкции Стирлинга.

Несмотря на не оптимальную работу, я много узнал о расходе масла и о том как очищать перемещающуюся смазку в рабочем пространстве. Разобрался с техническими особенностями особой скруглённой формы вытеснителя, его прерывистых движений, уплотнительными кольцами и канавками для них и разделённой формы вытеснителя. Открытие безуглеродного состава синтетических масел с высокой температурной точкой вспышки также было очень полезно. Собственная конструкция отражателя пламени горелки на пропане также вызывал сомнение, но после нахождения некоторых старых публикаций на эту тему, успешная расчетная схема горелки наконец-то появилась и была успешно апробирована на трёх построенных экземплярах.

Конструкция самодельного кольца газовой пропановой горелки

Новый дизайн и появление MK II

В тот момент я понял, что была необходима большая модернизация для того, чтобы получить хороший и эффективный двигатель. Копаясь в моих технических справочниках и книгах, я внедрил модернизацию во все термодинамические компоненты в газовом контуре. Были переработаны: головка нагревательного цилиндра из нержавеющей стали 316, на которой нанесены рёбра внутренние и внешние, фольга для регенератора, ребристый охладитель, а также новый вытеснитель из нержавейки с тонкими стенками.

Ребристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейки

Мой друг и энтузиаст в стирлингостроении Джон Арчибальд, согласился подготовить чертежи из моих эскизов дизайна и используя свои навыки в качестве слесаря-механика, помочь с созданием некоторых из наиболее сложных частей. Потребовалось еще несколько лет, чтобы получить все новые компоненты, но в конце 2012 года, версия MK II двигателя была готова и была собрана.

Кулер с рёбрами для двигателя стирлинга

Пробный запуск генератора Стирлинга SV-2 MK II

Для SV-2 MK II был первый запуск в январе 2013 года и сразу было видно, что редизайн улучшил как ходовые качества, так и производительность. Двигатель стал работать довольно приятно, когда давление рабочего газа было поднято до  4 бар (3,95 атм. или 0,4 МПа), и при увеличении давления обороты увеличивались пропорционально. И замеры мощности не были сделаны в тот момент из-за не соответствующей геометрии горелки новой ребристой головке нагревателя.

Собранный двигатель с генератором показан ниже:

Генератор на двигателе стирлинга МК-2Генератор МК-2. Вид сзади

Водяное охлаждение стирлинга

Так как двигатель альфа имеет водяное охлаждение, то для циркуляции охлаждающей жидкости применён небольшой электрический гидронасос, запитываемый в дальнейшем от выходной мощности электрогенератора.

Дальнейшая разработка горелки

Новая горелка сейчас строится, она будет соответствовать ребристой геометрии головки нагревателя и будет выдавать более высокую теплоотдачу для предполагаемого вывода выходного вала 700 Вт на 1800 оборотов в минуту. Конструкция горелки должна быть готова к тестированию в следующем месяце или чуть позже, и должна быть полностью готова для исследования и раскрытия полного потенциала этого двигателя.

Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора

У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки —  то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.

Пожалуйста, смотрите на мои новые видео YouTube, как прогрессирует развитие. Я искренне благодарю всех вас за проявленный интерес!

Дэйв Кирк

Кирк Двигатели, Inc.

Далее некоторые данные из самого видео.

Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.

Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов

 

Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов

Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.

Корпус регенератора

Охладитель сделан из 6061 Т-6 алюминиевого сплава также при помощи электроэрозионного  процесса. Внешнее кольцо образует обводный канал для охлаждающей жидкости. Нагреватель, регенератор и охладитель между собой объединены в «стек» и герметизированы при помощи кольцеобразных уплотнений. Обратите внимание на 1 кубический сантиметр, расположенный рядом.

Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой

Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.

Компрессионный насос двигателя стирлинга

«Стек» укреплён 4-мя несущими болтами диаметром 0,313 на кольцеобразных хомутах. Такая конструкция минимизирует утечку тепла в глубину структуры двигателя.

Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга

Cпасибо

регенераторов двигателя Стирлинга - Объяснение

Регенераторы

Что они и как они работают

Регенераторы

являются частью того, что делает двигатели Стирлинга интересными и эффективными. К сожалению, их также сложно понять.

Регенераторы - это внутренний теплообменник, который делает двигатели Стирлинга более эффективными.

Что такое регенераторы и как они работают

Регенератор - это компонент двигателя Стирлинга, который накапливает тепло за один цикл, поэтому его можно использовать в следующем цикле.Регенераторы часто изготавливаются из листов фольги, стальной ваты или металлической губки.

Горячий рабочий газ течет по регенератору (накапливая там часть своего тепла) по пути в холодную зону. Когда холодный газ возвращается, он возвращается через регенератор и предварительно нагревается перед тем, как попасть в горячую зону.

Результат - более высокая мощность и большая эффективность от данного двигателя Стирлинга.

Нажмите на ссылку, чтобы перейти к этому разделу:

1. регенераторов с понятной моделью двигателя
2. Назначение регенератора
3. Невидимые Регенераторы
4. Внутренний аэродинамический перетаскиватель
5. Влияние различных газов
6. Двигатель с переменным коэффициентом сжатия
7. История регенератора

регенераторов в чистой модели двигателя

Чтобы понять, как работают регенераторы на всех двигателях Стирлинга, давайте сначала узнаем, как они работают на одном конкретном двигателе.

Регенератор / вытеснитель желтой пены в модели цилиндра двигателя Стирлинга.

Это хороший пример регенератора, поскольку рабочий цилиндр чист, а регенератор / вытеснитель ярко-желтого цвета.

Это не поршень

Желтая часть внутри двигателя очень похожа на поршень, но на самом деле это не поршень.

Регенераторы пористые - поршни не

Оригинальная модель MM-1 Coffee Cup Двигатель Стирлинга от American Stirling.

Поршень определяется как нечто, на что газ толкает или тянет.

Но эта желтая часть пористая, изготовлена ​​из материала, очень похожего на фильтрующий пенопласт для кондиционеров окон.

В этом двигателе воздух проходит через вытеснитель и вокруг него.

Когда он выполняет одну из этих вещей, либо проходя через нее, либо вокруг нее, часть тепла этого цикла накапливается в желтом куске пены и сохраняется для следующего цикла, а желтая пена работает в качестве регенератора.

Вы можете увидеть, где, как и где используется регенератор в завершенном двигателе выше, щелкнув страницу для этого двигателя кофейной чашки, а затем щелкнув по изображению еще раз, чтобы получить максимально возможное изображение.

A Движущийся желтый регенератор

Желтая часть внутри двигателя - это и регенератор, и вытеснитель. Воздух течет через него и вокруг него.

В большинстве двигателей Стирлинга регенератор закреплен и газ движется. Но в этом двигателе регенератор и газ оба двигаются.

Этот двигатель использует регенеративный смещение

Этот двигатель имеет так называемый «регенеративный вытеснитель», поэтому желтая часть, которая перемещает воздух назад и вперед внутри двигателя, также выполняет функцию регенератора.

Назначение регенератора - Эконом

Для работы в качестве двигателя двигатель Стирлинга должен поглощать тепло, расширять газ, отбрасывать отходящее тепло, а затем сжимать или сжимать газ.

Регенератор работает, накапливая часть тепла, которое в противном случае пришлось бы отводить в окружающую среду в регенераторе, пока поток рабочего газа не изменится и тепло не будет использовано в следующем цикле.

Цель регенератора - сделать двигатель более экономичным. Фактически, Роберт Стерлинг первоначально назвал это «экономайзером», и сегодня они известны как регенераторы.

Результатом регенератора является то, что двигатель выдает больше мощности при меньшем потреблении топлива.

Итак, что это делает?

Регенератор в двигателе Стирлинга работает как внутренний теплообменник, расположенный между горячей и холодной частями двигателя. Рабочая жидкость течет по ней в обоих направлениях, накапливая тепло из одного цикла, который будет использоваться в следующем цикле.

Регенератор предназначен для рециркуляции тепла внутри двигателя, а не для отвода тепла в атмосферу. Это улучшает общую эффективность и выходную мощность.

При использовании регенератора расход тепла уменьшается, поскольку в регенераторе сохраняется некоторое количество тепла для использования в следующем цикле.

Невидимые Регенераторы

Любой, кто смотрел на множество различных конструкций двигателей Стирлинга, заметит, что у некоторых из них нет ничего, что является очевидным регенератором.

Являются ли эти двигатели фактически двигателями Стирлинга?

Ну, да, это двигатели Стирлинга, потому что регенераторы не должны быть отдельной именованной частью, чтобы работать в качестве регенераторов.

Даже если двигатель не имеет отдельного регенератора, на краях вытеснителя будет достаточное количество теплового потока вокруг них, и они будут функционировать как регенератор.

В любое время, когда имеется длинный узкий проход, рабочая жидкость должна стечь вниз, этот канал будет функционировать как регенератор.

Почти бесплатный обед

Положительным моментом является то, что регенератор является компонентом, который может улучшить работу двигателя Стирлинга - иногда значительно.

На отрицательной стороне они также могут увеличить внутреннее аэродинамическое сопротивление и мертвое пространство.

В хорошо разработанных конструкциях двигателей Стирлинга регенераторы значительно повышают производительность двигателя.

Внутренний аэродинамический тормоз

Дизайнеры

имеют много компромиссов при разработке нового двигателя Стирлинга.Когда внутреннее аэродинамическое сопротивление становится слишком высоким, двигатель будет работать плохо из-за слишком большого сопротивления.

Но внутреннее сопротивление помогает двигателю передавать тепло рабочему газу, и если внутреннее аэродинамическое сопротивление становится слишком низким, у двигателя не будет достаточно теплопередачи для работы.

Где-то посередине могут быть сделаны замечательные конструкции двигателя.

Эффекты различных газов

Одним из способов работы гелия и водорода для улучшения выходной мощности некоторых конструкций двигателей Стирлинга является снижение внутреннего аэродинамического сопротивления и улучшение теплопередачи.

Очевидно, что на внутреннюю теплопередачу в регенератор влияет выбор рабочего газа.

регенераторов влияют на все

Разработчики новых двигателей Стирлинга должны помнить, что добавление или замена компонента, такого как регенератор, всегда меняет больше, чем просто регенератор.

Например, когда вы добавляете регенератор, обычно мертвое пространство и внутреннее сопротивление внутри двигателя увеличиваются.

. Будет ли это полезно для общей производительности двигателя или нет, будет зависеть от того, насколько точно степень сжатия и остальная часть конструкции двигателя были оптимизированы до этого.

Эксперимент с регенераторами

Двигатели Стирлинга - это сложные взаимосвязанные системы, в которых все, что вы делаете, влияет на все остальное в двигателе

Улучшение Одна вещь в двигателе не обязательно улучшит производительность всей системы.

Если вы делаете усовершенствования на горячей стороне, чтобы получить больше тепла в рабочем газе, вы должны запланировать регулировку степени сжатия вашего двигателя.

Вам также необходимо выяснить, как отвести больше тепла на холодной стороне, потому что все влияет на все.

Упростить изменение коэффициентов сжатия

Например, вы хотите поэкспериментировать с различными материалами для регенераторов в новом двигателе Стирлинга, который вы строите.

Если возможно, вам следует разработать метод быстрого и простого изменения коэффициентов сжатия.

Захват ваших двигателей Мощность

Если ваш новый материал регенератора работает намного лучше, вы будете надеяться, что он произведет больший импульс мощности.

Но если конструкция вашего двигателя не позволяет вам легко изменять коэффициенты сжатия, вы можете не знать, что ваш новый регенератор улучшился.

Если вы строите свой новый дизайн с переменной степенью сжатия, то любой новый компонент, который вы тестируете, например, другой регенератор, нагреватель или охладитель, может быть легко оптимизирован для обеспечения надлежащего коэффициента сжатия и расширения.

История регенератора

Первый патент регенератора, известного тогда как «экономайзер», был выдан в 1816 году. Два года спустя двигатель, основанный на этой конструкции, был использован для перекачки воды в карьере.

Иллюстрация оригинального патента Роберта Стерлинга 1816 года.

Впоследствии Роберт Стерлинг и его брат создали патенты с улучшениями по сравнению с оригинальной конфигурацией, в том числе наддувом, предназначенным для увеличения общей выходной мощности двигателя.

В конечном счете, материалы, использованные для создания этих ранних двигателей (как правило, чугунные), были неспособны противостоять постоянным высоким температурам, которые требуются двигателям Стирлинга на горячей стороне, и фабрикам, которые впервые использовали двигатели Стирлинга в конце концов, когда возвращались к паровым двигателям для питания своих машин ,

Современные нержавеющие стали могут поддерживать свои высокие рабочие температуры в течение неопределенного времени, поэтому это не проблема для современных двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, оставьте свой комментарий

Если у вас есть какие-либо вопросы о регенераторах в двигателях Стирлинга, пожалуйста, оставьте их в разделе комментариев ниже.

Все комментарии проходят модерацию, поэтому на их получение у нас может уйти несколько дней, но это будет сделано.

,