Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Национальный транспортный университет

Национальный транспортный университет

Постол Юлия Александровна

УДК 621.41-53

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ двухмерный

Система автоматического регулирования

Двигатель Стирлинга небольшой мощности

Специальность 05.05.03 "Тепловые двигатели"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Киев 2004

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена на кафедре "Тракторы и автомобили" Таврической государственной агротехнической академии Министерства аграрной политики Украины.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Долганов Кинт Евгеньевич

Национальный транспортный университет

профессор кафедры "Двигатели и теплотехника".

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Мищенко Николай Иванович

Горловский автомобильно-дорожный институт

Донецкого национального технического университета,

заведующий кафедрой "Автомобили и двигатели»;

кандидат технических наук,

старший наук. сотрудник Ковалёв

"Государственный автотранспортный научно-исследовательский

и проектный институт "(ГП" ГосавтотрансНИИпроект ")

заместитель заведующего лабораторией.

Ведущая организация: Национальный технический университет

"Харьковский политехнический институт"

Министерства образования и науки Украины

кафедра "Двигатели внутреннего сгорания", г.. Харьков

Защита состоится 27.02.2004 г.. В 10:00 на заседании диссертационного совета Д 26.059.03 в Национальном транспортном университете по адресу: 01010, г.. Киев, ул. Суворова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального транспортного университета по адресу: 01103, г.. Киев, ул. Киквидзе, 42.

Автореферат разослан 22.01.2004 г..

Ученый секретарь

диссертационного совета __________________ Матейчик В.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Проблема исчерпания запасов нефти заставляет искать альтернативные виды топлива. Такими топливами могут быть: кам уголь, природный и другие газы, а также газы и жидкости, извлекаемые из сельскохозяйственной продукции и различных отходов и прочее. Но возникает проблема их использования, так как большинство этих топлив неудобные или непригодные для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). С этой точки зрения достойны внимания двигатели Стирлинга (ДС), которые могут использовать любой источник тепла. Эти двигатели были известны и широко использовались задолго до появления ДВС, а в настоящее время разработаны и испытаны ДС нового поколения, созданные на основе современных металлов и технологий.

Новые ДС создавались в первую очередь для замены бензиновых двигателей и дизелей на мобильных машинах. Чтобы обеспечить необходимые мощность и экономичность, пришлось усложнять ДС, особенно их систему автоматического регулирования, без которой применять ДС невозможно. -За большой стоимости они не получили распространения.

Но ДС можно успешно использовать как первичные двигатели в электрогенераторных агрегатах, особенно в автономных агрегатах небольшой мощности 0,5 ... 10 кВт, начали применяться в небольших сельскохозяйственных и других предприятиях и объектах как источника электроснабжения. ДС можно рассматривать как реальную альтернативу ДВС, что сейчас применяется на этих установках. Требования к двигателям таких агрегатов менее жесткие, чем к двигателям мобильных машин, поэтому конструкция ДС может быть упрощена.

К важным достоинствам ДС относятся: возможность использования различных видов топлива, в том числе твердых, низкие шумность и токсичность, простота конструкции и техническое обслуживание, при такой же топливной экономичности, как в поршневых ДВС. Но для ДС нужна сложная система автоматического регулирования мощности, частоты вращения коленчатого вала ДС и температуры нагревателя. Поэтому одной из актуальных задачявляется создание для маломощных ДС простой и эффективной двухмерной системы автоматического регулирования (САР).

Решению этой задачи посвящена эта диссертация.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа д связана с выполнением подпрограммы №1.4 "Совершенствование и разработка научных основ повышения эксплуатационной эффективности мобильной сельскохозяйственной техники", № гос. реестр. 0102U000678, выполняемый кафедрой "Тракторы и автомобили" по тематике научных исследований Таврической государственной агротехнической академии (ТДАТУ), и договора о научно-техническом сотрудничестве между Национальным транспортным университетом (НТУ., Г. Киев) и ТДАТУ "Разработка и исследование системы автоматического регулирования температуры двигателя Стирлинга "от 15.05.02 г..

Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка принципиальной и конструктивной схем двухмерной САР частоты вращения коленчатого вала и температуры нагревателя ДС небольшой мощности и определения рациональных параметров этой САР.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Анализ способов регулирования мощности ДС и выбор рационального способа для ДС небольшой мощности.

2. Доработка конструкции ДС модели УДС-1 для использования его в качестве регулируемого объекта при исследованиях экспериментальной САР ДС в агрегате с электрогенератором.

3. Разработка принципиальной и функциональной схем двухмерной САР частоты вращения коленчатого вала и температуры нагревателя ДС.

4. Разработка конструкции экспериментальной САР ДС модели УДС-1. Изготовление экспериментального образца.

5. Разработка динамической математической модели двухмерной САР ДС, алгоритмов и программ для проведения расчетно-теоретических исследований на ЭВМ.

6. Разработка методик экспериментальных исследований, подготовка оборудования и проведения исследований.

7. Определение факторов, которые существенно влияют на качество работы САР, и выбор их рациональных параметров.

8. разраБКА рекомендаций с использованием результатов исследования.

Объект исследования рабочие процессы в двухмерной САР температуры и частоты вращения ДС небольшой мощности.

Предмет исследования методы и способы получения заданных статических и динамических показателей САР.

Методы исследования - экспериментально-расчетные. Экспериментальным методом определены статические и динамические характеристики САР ДС и ее элементов, полученные исходные данные для математической модели. Расчетный метод использовался для анализа влияния конструктивных и регулировочных параметров на статические и динамические показатели САР.

Научную новизну полученных результатов составляют:

1. Новые данные о возможности регулирования мощности небольших ДС с помощью изменяемого "мертвого" о объема.

2. Математическая модель двухмерной САР частоты вращения и температуры нагревателя ДС небольшой мощности.

3. Данные о влиянии конструктивных и регулировочных параметров САР ДС мод. УДС-1 на ее статические и динамические характеристики.

Практическое значение имеют:

1. Конструкция экспериментальной двухмерной САР ДС мод. УДС-1.

2. Алгоритмы и программы для расчетов на ЭВМ статических и динамических характеристик двухмерной САР ДС.

3. Рекомендации по выбору параметров двухмерной САР ДС.

Лично автором выполнено:

Разработана принципиальная схема и конструкция экспериментальной САР для ДС мод. УДС-1 с регулируемым "мертвым" о объемом. Разработана динамическая математическую модель САР ДС. Разработана установка для проведения экспериментальных исследований и методики их проведения. Проведены экспериментальные исследования. Проанализировано влияние конструктивных и регулировочных параметров САР ДС на ее статические и динамические показатели. Разработаны рекомендации по использованию результатов исследования.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях ТДАТУ в 1997-2003 г.. И на п пяти заседаниях республиканнского семинара по тепловым двигателям и ресурсосбережению в г.. Мелитополе в 1997-2001 гг., на конференциях профессорско - преподавательского состава и студентов НТУ в г.. Киеве в 2001 ... 2003 г., на VI и VII Международных конгрессах двигателестроения в пос. Рыбачье (Украина) в 2001 и 2002

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 16 статьях и тезисах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников, в который входит 87 наименований, в том числе 14 на иностранных языках. Объем диссертации составляет 132 стр. основного машинописного текста, 83 рисунков, 8 таблиц, 5 приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана связь ее с научными программами, определены цель и задачи исследований, методика, предмет и объект исследования, научная и практическая ценность работы, охарактеризованы реализация и апробация результатов работы, а также публикации материалов диссертационной работы.

В первом разделе рассмотрена возможность использования в качестве отходов сельскохозяйственного производства в ДС нетрадиционных видов топлива. Проведен анализ систем автоматического управления автомобильного ДС. Приведены принципиальные схемы систем регулирования, описан принцип их действия, их преимущества и недостатки.

Определены требования к системам автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя и температуры нагревателя.

В известных ДС мощность регулируется изменением начального давления рабочего тела во внутреннем контуре двигателя с помощью сложной системы с компрессором, баллонами и другими приборами. В ДС небольшой мощности можно использовать более простую систему с "мертвым" о объему, меняется. Для разработки и определения рациональных параметров такой системы можно использовать упрощенные действующие модели ДС или моделировать работы его на ЭВМ.

Решению этих вопросов посвящена эта диссертация.

Во втором розтипового схема двигателя УДС-1

В двигателе УДС-1 нет типичных для ДС регенератора теплоты, его роль частично выполняет вытеснитель 18. Когда воздух проходит через зазор горячей полости в холодную, вытеснитель поглощает часть теплоты, а при обратном движении воздуха с холодной полости в горячую, теплота передается от вытеснителя воздуху.

Внутренний контур двигателя УДС-1 негерметичный. При неработающем двигателе давление воздуха в нем равно атмосферному давлению. К рабочего цилиндра присоединен цилиндр 10 с поршнем 11, который можно перемещать с помощью винтовой передачи с приводом от реверсивного электродвигателя 9. Этот цилиндр выполняет роль дополнительного регулируемого "мертвого" о объема.

В экспериментальном ДС применена подача воздуха к горелке естественной тягой и эжекции, не регулируется. Поэтому в САР, разработанной для этого ДС, есть две независимые САР: максимальной температуры стенки нагревателя (САРТ) и частоты вращения коленчатого вала ДС (Сарчи), то есть САР в целом является двухмерной, несвязанной. В Стирлинг электрическом агрегате оба эти параметры должны поддерживаться с высокой точностью. Поэтому в САРТ и Сарчи применен релейный принцип регулирования, при котором должны астатические характеристики регулируемого параметра. На рис.2 показана схема САРТ. Она разработана на основе микропроцессорного измерителя-регулятора ТРМ12-Pic.

Рис. 2. Схема экспериментальной САРТ ДС

От термопары 3 сигнал поступает в цифровой фильтра 4, где сглаживаются случайные импульсные помехи, сигнал фильтруется в единицах измеряемой величины и передается на логическое устройство ПД-регулятор. Текущий сигнал сравнивается с заданными верхним и нижним пределами регулирования температуры. При отклонении текущего значения от заданных пределов подается сигнал на выходное устройство 6, что с помощью двух реле управляет исполнительным механизмом 7, а тот, в свою очередь, электродвигателем 8. Электродвигатель с помощью планетарного редуктора 9 перемещает иглу дозатора газа 10 или змеяншуючы, или увеличивая подачу газа через газовую горелку 11 в камеру сгорания 12. К ПД-регулятора через адаптер сети модели АС-2 подключается ЭВМ, записывает результаты измерений.

Система автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя разработана на основании универсального программируемого восьмиразрядного счетчика импульсов СИ-8 с индуктивным датчиком частоты вращения (рис.3). Счетчик импульсов 9 с помощью генератора временных интервалов 7 преобразует сигнал в частоту вращения коленчатого вала двигателя и передает его в устройство сравнения 10, где задаются пределы регулирования, сравнивается текущее значение с заданным и формируется сигнал управления выходными устройствами 11, 12.

Рис. 3. Схема экспериментальной Сарчи ДС

Если частота вращения отклоняется от заданных пределов, то сигнал с выходных устройств 11, 12 поступает к исполнительному механизму 13, что с помощью реверсивного электродвигателя 6 и редуктора 7 перемещает поршень в цилиндре с дополнительным "мертвым" о объемом в нужном направлении до тех пор , пока не станет соблюдать неравенство nminnnmax.

В третьем разделе описана разработанная динамическая математическая модель САР, в которую входят п Пять дифференциальных уравнений: одно второго порядка и четыре первого порядка. В ней используются аналитические зависимости и исследовательские характеристики таких звеньев, аппроксимируются полиномами первого, второго и третьего ступеней с одним или несколькими аргументами. При этом предполагается, что статические характеристики звеньев, полученные на установившихся режимах работы, остаются справедливыми и для переходных процессов.

Для составления математической модели САР двигателя УДС-1 был учтен многолетний опыт составления и применения таких моделей на кафедре "Двигатели и теплотехника" НТУ под руководством профессора К.Е. Долганова.

Эксперименты показали, что ДС мод. УДС-1 является инерционной апериодическим звеном второго порядка. Поэтому движение ДС описан дифференциальным уравнением 2-го порядка

(1)

где и постоянные коэффициенты, определяемые по исследовательских кривых переходных процессов двигателя в агрегате с электрогенератором; Ми индикаторный крутящий момент ДС; Мм - момент условных механических потерь ДС; Мр.п часть индикаторного крутящего момента расходуется в ременной передачи; Мг - момент нагрузки (сопротивления), созданный электрогенератором.

Уравнение теплового баланса нагревателя на неустановившихся режиме

(2)

где Qн избыточность или недостаток подведенного теплового потока; Qпод, Qi, Qотв тепловые потоки: подведен, превращенный в индикаторную мощность, отведенное в охладитель.

Для элементарного отрезка времени

; (3)

; (4)

(5)

где k1, k2 коэффициенты теплопередачи; F1, F2 площадь поверхностей, через которые передается тепловой поток; Тк.с., Тгор, Тхол средние за цикл температуры: камеры сгорания в горячей и в холодной полостях нагревателя; Ni индикаторная мощность; t время.

Элементарная изменение теплового потока в нагревателе

(6)

где сpm удельный изобарная теплоемкость рабочего тела Мр.т средняя масса рабочего тела в нагревателе.

С учетом уравнений (2) ... (6) получаем дифференциальное уравнение для нагревателя

(7)

Аналогичное уравнение получаем для охладителя

, (8)

где k3 коэффициент теплопередачи в систему охладителя; F3 площадь поверхности стенки охладителя; Мр.т.хол масса рабочего тела в охладителе; Тохл средняя за цикл температура в системе охлаждения.

В контуре САРТ формируются пропорциональный и дифференциальный сигналы уравнения ПД закона

, (9)

где uТ.у, uТ.Р - напряжение на входе и выходе формирователя сигналов управления температурой Тгор; kт.п, kт.д - коэффициенты усиления пропорционального и дифференциального сигналов по температуре Тгор.

Исполнительный механизм в контуре САРТ является релейной звеном

если uт.р-uз.т = Uт Т; (10)

если uт.р-uз.т = Uт Т; (11)

если Т Uт Т, (12)

где hд.г осевая координата затвора дозатора газа; Т допустимое отклонение температуры Тн от заданного значения; kИМТ коэффициент усиления, исполнительный механизм в контуре САРТ; Uпит напряжение источника питания; uз.т напряжение задатчика температуры Тгор; Uт допустимое отклонение температуры Тн от заданного значения.

В контуре Сарчи формируются пропорциональный и дифференциальный сигналы управления с ПД законом

, (13)

где un.у, un.p - напряжение на входе и выходе формирователя сигналов управления частоты вращения; kn.п, kn.д коэффициенты усиления пропорционального и дифференциального сигналов по n.

Исполнительный механизм в контуре Сарчи является релейной звеном

если uп.р-uз.ч = u n - n, (14)

если uп.р-uз.ч = un - n, (15)

если - n u n n, (16)

где hм.о - осевая координата поршня в "мертвом" о объеме; n - допустимое отклонение частоты вращения n от заданного значения; k имч коэффициент усиления релейной звена в контуре Сарчи; uз.т напряжение задатчика частоты вращения.

Дополнительно "мертвый" о объем зависит от положения поршня в цилиндре дополнительного "мертвого" о объема

, (17)

где kм.о размерный коэффициент.

Для выполнения расчетных исследований на ЭВМ разработаны программы, в которых системы дифференциальных уравнений решаются численным методом интегрирования Рунге-Кутта-Фельдберг.

В четвертом разделе приведены цель, задачи и программы экспериментальных исследований. Описаны объект экспериментальных исследований, испытательные стенды, оборудование и приборы.

Целью экспериментальных исследований было: определение данных, которые необходимы для использования в уравнениях математической модели; проверка адекватности математических моделей; подтверждение правильности результатов расчетов на ЭВМ.

Эксперименты проводились в научно-исследовательской лабораториитвоего "о объема крутящий момент и степень сжатия монотонно уменьшаются, причем

Загрузка...

Страницы: 1 2 3






Ещё Рефераты по вашей теме

СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ рекламной деятельностью предприятия - Автореферат
ОСОБЕННОСТИ клинико-лабораторных ТЕЧЕНИЯ, ПАТОГЕНЕЗА и лечения болезни Рейтера В МУЖЧИН И ЖЕНЩИН - Автореферат
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ потокораспределение В сети теплоснабжения - Автореферат
Квантово-полевое описание многочастичных СИСТЕМ С нарушенной симметрией НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ самосогласованную ПОЛЯ - Автореферат
Средств химической защиты КУЛЬТУРБИОГЕОЦЕНОЗИВ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР (действие, ОПТИМИЗАЦИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ) - Автореферат
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ ДЛЯ НУЖД ТУРИЗМА (на примере Харьковской области) - Автореферат
Ценностной системы и мотивационной НАПРАВЛЕННОСТЬ ЛИЦ С эндогенной депрессии - Автореферат