Двигатель Harwell TMG Stirling , сокращение от «Термомеханический генератор», был изобретен в 1967 году Э. Х. Кук-Ярборо в лабораториях Харвелла Управления по атомной энергии Соединенного Королевства . [1] [2] [3] [4] Он был задуман как удаленный источник электроэнергии с невысокой стоимостью и очень долгим сроком службы, хотя и с некоторым снижением эффективности. TMG (модель TMG120) когда-то был единственным двигателем Стирлинга, проданным производителем, а именно HoMach Systems Ltd., Англия. [5]
Описание [ править ]
Двигатель имеет почти изотермические цилиндры, потому что 1) область нагревателя покрывает весь конец цилиндра, 2) это устройство с коротким ходом, с широкими мелкими цилиндрами, обеспечивающими высокое отношение площади поверхности к объему , 3) средняя толщина газового пространства составляет около 0,1 см, и 4) рабочая жидкость - гелий , газ, имеющий хорошие тепловые свойства для двигателей Стирлинга.
Вытеснитель двигателя также имеет очень низкие потери. Эти рабочие характеристики с низкими потерями упрощают анализ двигателя по сравнению с более традиционными двигателями Стирлинга. [5] : 113
Конструкция имеет много преимуществ по сравнению с обычными двигателями Стирлинга. Простота нагревателя значительно снижает стоимость, позволяя TMG избегать необходимости в паяном трубчатом или оребренном нагревателе, который может составлять 40% стоимости обычного двигателя Стирлинга. [6] Теплообменники для нагревателя и охладителя механически просты. Регенератор представляет собой простое кольцевое пространство, называемое «плоской пластиной». Наряду со стенкой цилиндра и буйком имеется всего четыре регенерирующих поверхности. TMG - это двигатель со свободным поршнем. Не Там будет не качение подшипников или скользящих уплотнений, поэтому трение или износ очень малы. Рабочее пространство герметично закрыто, что позволяет в течение многих тысяч часов содержать гелий под давлением.
Вытеснитель является нержавеющей сталью банки, 27 см в диаметре. Он подвешен на плоской металлической пружине с низкими потерями, центрированной в цилиндре диаметром 27,4 см. Радиальный зазор 2 мм разделен на два концентрических кольцевых зазора тонким цилиндром с открытым концом, который прикреплен к цилиндру двигателя. Это кольцевое пространство действует как регенератор , что намного дешевле, чем сетка из проволоки .
Двигатель представляет собой конструкцию со «свободным цилиндром», в которой весь двигатель установлен на пружинах и имеет возможность слегка вибрировать. Это позволяет перемещать вытеснитель за счет положительной обратной связи от движения силового поршня и магнитов в магнитах линейного генератора переменного тока , общий вес которых составляет 10 кг.
| Параметр двигателя | HoMach TMG 120 Spec |
|---|---|
| Указанная мощность | 170 Вт |
| Мощность на валу | 150 Вт |
| Тепловая нагрузка | 1500 Вт |
| Тепловой к механическому КПД | 10% |
| Частота двигателя | 110 Гц |
| давление заряда | 0,2 МПа |
| Диаметр буйка | 26,0 см |
| ход буйка | 0,2 см |
| Рабочий объем буйка | 110 см³ |
| Внешний диаметр диафрагмы силового поршня | 35,2 см |
| Ход диафрагмы силового поршня | 0,152 см |
| Рабочий объем силовой поршневой диафрагмы | 110 см³ |
| Угол фазы | ~ 90 градусов |
| Подвижная масса (силовой поршень и магниты генератора) | 10 кг |
| Полная масса двигателя | ~ 80 кг |
| Срок эксплуатации | более 90000 часов |
| Пополнение запасов гелия (7 литров при неизвестном давлении) | каждые 22500 часов в среднем |
[5] : 109
Уникальный силовой поршень был изобретен Кук-Ярборо и получил название «шарнирно-сочлененная диафрагма». Он состоит из кольца из нержавеющей стали с внешним диаметром 35 см и внутренним диаметром 26 см. Это кольцо прикреплено к двигателю на внешнем крае двумя гибкими резиновыми уплотнительными кольцами, а на внутреннем крае оно аналогично зажимается, в данном случае с жесткой центральной ступицей, которая составляет центр поршня. Уплотнительные кольца изгибаются, но не скользят, поэтому смазка не требуется, а износ всей машины незначителен.
Пространство сжатия расположено между ступицей силового поршня и вытеснителем, и это пространство охлаждается за счет прямой теплопроводности через силовой поршень. Опытная модель TMG содержала двойную шарнирную диафрагму, содержащую охлаждающую воду, которая перекачивалась термосифоном . Глубина компрессионного пространства варьируется от 0,2 до 2,7 мм в зависимости от хода буйка 2 мм и хода силового поршня 1,5 мм, сдвинутого по фазе на 90 градусов.
Двигатель TMG успешно преодолевает многие экономические и механические трудности, характерные для обычных двигателей Стирлинга. Однако у этой конструкции есть некоторые ограничения. Простой и недорогой кольцевой регенератор неэффективен по сравнению с другими типами (и это способствует несколько низкому тепловому КПД этого двигателя, составляющему всего 10%). Механические ограничения шарнирно-сочлененной диафрагмы допускают максимальный ход примерно 3 мм. Эти свойства ограничивают максимальную доступную мощность примерно 500 - 1000 Вт от двигателя этой конструкции. [5] : 195 Тем не менее, дешевый двигатель Стирлинга редко может получить такой высокий уровень надежности и срока службы, что можно объяснить только изобретательностью конструкции.
Ссылки [ править ]
- ^ GB 1252258 , "Двигатель Стирлинга"
- ^ GB 1397548 , "Тепловые двигатели цикла Стирлинга"
- ^ GB 1539034 , " Упругие соединительные устройства"
- ^ GB 2136087 , "Кольцевая пружина"
- ^ а б в г Колин Д. Уэст (1986). Принципы и применение двигателей Стирлинга . ISBN 0-442-29237-6.п. 195, 113, 109, 195
- ↑ Клиффорд, М. Харгривз (1991). Двигатель Стирлинга Philips . ISBN 0-444-88463-7.
