Линейный генератор: за или против?

Опубликовано: 19 октября 2009 г. в 17:41, 14316 просмотровКомментировать

Несмотря ни на что работа мысли продолжается. Так было и так всегда будет. Человек являет миру все новые, и новые изобретения. Вот и сегодня вниманию читателей мы представляем линейный генератор Олега Гунякова. Имеет ли эта разработка право на жизнь? Свой ответ на этот вопрос дает Владимир Гуревич. Отдать предпочтение одному из авторов можете и вы, приняв участие в опросе. Комментарии и обсуждения на форуме.

Олег Гуняков: линейный генератор

Исторически сложилось, что традиционные устройства для выработки электрической энергии используют вращательное движение для перемещения обмоток в магнитном поле. В движения такие устройства приводятся различными движителями: гидротурбинами, газовыми турбинами, ветром и т.д. Одним из движителей является и традиционный двигатель внутреннего сгорания. В таких движителях химическая энергия топлива проходит многократные преобразования: сначала в поступательное движение поршней, а затем — во вращательное движение коленвала. Необходимость такого преобразования приводит, как к механическим потерям, так и к усложнению конструкции движителя в целом. Мы все на опытах физики видели одну и туже картину: преподаватель берет постоянный магнит, и начинает возвратно-поступательно его двигать в катушке индуктивности. При этом на клеммах катушки появляется напряжение. В этой статье я рассмотрел возможность использования возвратно-поступательного движения для выработки электрического тока без промежуточных преобразований во вращательное движение. Такие механизмы получили название ЛИНЕЙНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.

Предлагаемый тип линейного генератора рассчитан для использование в промышленных целях, в первую очередь на судах.

Краткое описание

В данном линейном генераторе (далее ЛГ) вместо крышек цилиндра устанавливаются два внешних поршня, которые жестко между собой закреплены. Такое технологическое решение обусловлено следующим: в традиционных цилиндрах при взрыве топлива поршень начинает двигаться в одну сторону, но по законам инерции сам цилиндр ведь тоже начинает двигаться в противоположную. И если такой генератор заставить вырабатывать большие мощности, то силы продольного смещения будут вызывать огромную вибрацию и повреждение фундаментных болтов. Для компенсации возникающих усилий и устанавливаются дополнительные внешние поршни. При условии что масса внутренних поршней и масса внешних поршней одинаковы, то и возникающие силы инерции тоже будут одинаковы. Такие силы будут взаимно гаситься, и на корпус передаваться не будут. Катушки, с которых будет сниматься напряжение крепятся к неподвижному корпусу. А в качестве индуктора будет использоваться набор постоянных магнатов трапециевидной формы.

Синхронизация движения поршней будет обеспечиваться за счет сопротивления движению постоянных магнитов при выработке электрической энергии. При условии, что обмотки электрической части имеют одинаковое сопротивление, сопротивление движению постоянных магнитов также одинаково. Но для увеличения надежности и предотвращения аварий в ЛГ устанавливают механический синхронизатор, представляющий собой две зубчатые рейки, двигающиеся относительно друг друга, и зубчатого колеса, закрепленного на неподвижной оси и вращающегося лишь от движения реек.

Более подробное описание конструкции смотрите ниже.

Работа генератора

После разгона поршней до пусковой частоты, в первый цилиндр подается топливо, происходит сгорание и начинается расширение образовавшихся газов. Во вторм цилиндре в этот момент идет сжатие воздуха.

При достижении внешнего поршня в первом цилиндре выпускных клапанов начинается выпуск отработавших газов.

При достижении внутреннего поршня в первом цилиндре продувочных окон начинается процесс продувки. В данном ЛГ продувка прямоточная, что обеспечивает наименьший коэффициент остаточных газов. Это, в свою очередь, увеличивает массовый заряд воздуха в цилиндре, что приводит к полному сгорания топлива и т.д. В этот момент поршни достигают своих крайних положений.

Расширение газов во втором цилиндре приводят в движение поршни первого цилиндра. Внутренний поршень достигает продувочных окон и перекрывает их, в то время, как выхлопные окна все еще открыты. Это приводит к потере массового заряда воздуха в цилиндре, но данной потерей можно пренебречь из-за низкого коэффициента остаточных газов в цилиндре. Внешний поршень достигает выхлопных окон, перекрывает их, и тем самым обеспечивает процесс сжатия в первом цилиндре, в то время, как во втором идет расширение. И цикл повторяется.

Технологический разрез линейного генератора

Корпус двигателя 1 — сварной стальной, цилиндрической формы, имеет внутри опоры 2, 3 и 4 для установки втулки рабочего цилиндра 5. Втулка крепится нажимным кольцом 6 на 8-ми шпильках. Шпильки крепятся в толстостенной фундаментной плите 7. Далее на втулку одевается цилиндрический водяной коллектор 8. После коллектора на втулку цилиндра одевается газовыхлопной коллектор-улитка 9.

Проточка втулки и улитки на посадочных поверхностях устроены таким образом, что между ступеньками зажимается теплостойкая асбестовая прографиченная прокладка. Улитка при работе нагревается и может расширяться в линейном направлении. Для возможности расширения улитка крепится на длинных шпильках 10, проходящих через трубки 11, гайками 12, которые создают нажимной усилия на улитку через пружины 13. После улитку на втулку одевается водяной коллектор 14.

Втулка рабочего цилиндра 5 цельная. Центральная часть втулки имеет утолщение так же, как и в месте крепления втулки — гребень 15. В центральной части втулка имеет отверстия для 2-х насос-форсунок 16. Так же втулка имеет с каждой стороны от центра по 6 отверстий для штуцеров лубрикаторной смазки (на чертеже не показана). Во втулке в центральной части внешне сделана цилиндрическая проточка для отвода и сбора охлаждающей воды с тангециальних сверлений охлаждающих каналов 17. На втулке есть 17-ть канавок для резиновых уплотнительных колец системы охлаждения. Во втулке со стороны выхлопа и со стороны продувки является тангенциальные расположены окна.

Линейный генератор имеет силовой сварной корпус 18 и легкий корпус для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Легкий корпус закрывается с торцов двигателя крышками 18 на фланцах.

Поршневая группа каждого линейного генератора состоит из 2-х поршней 20. Внутренний поршень крепится к корпусу индуктора 21 на 8-ми шпильках 22. Внешний поршень крепится к траверс-диска 23 на 8-ми шпильках 24. Траверса-диск цилиндрической формы подкреплен в радиальном направлении треугольными косынками 25 с двух сторон, которые крепятся сваркой. Каждый поршень имеет по 6 колец: 4 компрессионных и 2 маслосъемных. Во избежание ударов поршней друг о друге при высоких степенях сжатия в линейном генераторе, днища поршней имеют плоскую конфигурацию.

Поршни имеют водяное охлаждение. Вода во внешние поршни подается по внутренней телескопической неподвижной трубке 26 с соплом на конце. Охлаждающая вода возвращается по телескопической средней трубке 27. Трубка 27 движется в неподвижной трубке 28. Между трубками 27 и 28 находятся уплотнения 29.

Внутренний поршень также охлаждается водой. Вода подводится по телескопической трубке 30, которая крепится к корпусу индуктора 21 с помощью фланца. В индукторе и в опорном фланце поршня есть канал. Далее вода движется по трубке 31 и охлаждает поршень. Возвращается вода по трубке 32, по аналогичному пути и по телескопии 33 отводится уже подогретая.

Внешние поршни связаны между собой посредством траверза-диска 23, 6-ти штанг 34 и корпуса индуктора 35. На концах штанги имеют резьбу и крепятся за счет гаек, зажимаемых гидродомкратом. Движение внутренних и внешних поршневых групп сдвинуты на 180 градусов. Синхронизм обеспечивается за счет механизма синхронизатора — 3-х шестерен 36  6-ти зубчатых реек.

Три рейки 37, относящиеся к внутренней группе, имеют в части, ближней к корпусу индуктора 21 цилиндрическое сечение и проходят через сальники 38. Далее сечение рейки переходит в квадратное. Рейки, относящихся к внешней группе, — это 3 из 6-ти штанг 34, на которые с помощью болтов прикреплены зубчатые рейки. Все 3 механизма синхронизаторов расположены в отдельных выгородках и имеют в своем объеме масло для смазки механизма.

Сравнение ЛГ и традиционного дизеля.

  • В ЛГ производство и сборка двигателя существенно упрощается из-за отсутствия таких дорогих и сложных в производстве деталей как распределительный вал и коленчатый вал.
  • Уменьшение расхода топлива за счет увеличения механического КПД из-за отсутствия коленвала и распредвала.
  • Уменьшение вибрации из-за взаимного гашения возникающих инерционных сил.
  • Повышенная надежность ЛГ за счет уменьшения количества движущихся деталей.
  • В ЛГ невозможно обеспечить ровную синусоиду генерируемого тока из-за неравномерности скорости перемещения магнитов относительно катушек. Но при современном уровне развития преобразовательной техники эта проблема не является неразрешимой.
  • Повышенная неустойчивость работы ЛГ из-за наличия всего двух цилиндров и отсутствия маховика. При пропуске вспышки в одном из цилиндров ЛГ остановится, так как во втором цилиндре не произойдет сжатия воздуха достаточного для воспламенения топлива. Поэтому для решения этой проблемы возникает необходимость в установке как минимум двух форсунок на один цилиндр.

Олег Гуняков

Отзыв на статью О. Гунякова

Начать придется издалека, а именно со статьи «Линейный бензогенератор (дизель-генератор)» автора Скоромца Ю. Г., опубликованной в журнале «Электротехнический рынок», 2008, № 5(23), а также, параллельно, на многих Интернет сайтах. В этой статье описан принцип построения силовой установки относительно небольшой мощности, предназначенной для выработки электроэнергии, отличающийся тем, что в нем двигатель внутреннего сгорания объединен с электрогенератором, при этом вращательное движение ротора генератора заменено возвратно-поступательным движением магнитопровода с заложенной в него обмоткой возбуждения. Основной целью такой замены, по мнению автора, является устранение из системы кривошипно-шатунного механизма, включая коленвал, преобразующего возвратно-поступательное движение поршней двигателя внутреннего сгорания во вращательное движение ротора генератора в обычном дизель-электрическом агрегате. Идея, на первый взгляд, неплохая, хотя ее изложение вызывает массу недоуменных вопросов. Не будем комментировать некоторые высказывания автора этой статьи, а лишь процитируем, чтобы читатель мог сам оценить его вопиющий дилетантизм в области электротехники:

  • В генераторе средней и высокой мощности синхронизация движения шатунов достигается путем уменьшения тока возбуждения отстающего шатуна.
  • Регулирование выходного напряжения осуществляется путем изменения частоты работы генератора.
  • Запуск осуществляется тремя короткими мощными импульсами тока, при этом генератор работает в режиме двигателя. Импульсы тока получаем с клемм конденсатора, предварительно зарядив его за некоторое время, через повышающий трансформатор (50-100 кГц) от маломощного источника питания.
  • Ток нагрузки генератора не влияет на магнитное поле генератора, а значит и на характеристики генератора.
  • Что касается самого генератора, то магнитное поле предложенного генератора, в основной части, всегда постоянно, это дает возможность изготавливать магнитопровод не с отдельных пластин (для уменьшения вихревых токов), а с цельного куска материала, что значительно увеличит прочность магнитопровода и уменьшит трудоемкость изготовления.

А теперь относительно самой идеи. Как следует из написанного автором, целью его проекта является устранение из системы двигатель-генератор кривошипно-шатунного механизма, преобразующего один вид движения (возвратно-поступательный) в другой (вращательный). Однако, с точки зрения поставленной задачи эта проблема уже давным-давно решена. В широко известном роторно-поршневом двигателе Ванкеля вращательное движение выходного вала получается без всяких кривошипно-шатунных механизмов, рис. 1.


Рис. 1. Роторно-поршневой двигатель Ванкеля и принцип его действия

Роторно-поршневые двигатели по схеме Ванкеля известны уже более пятидесяти лет. В 1960-х годах из двадцати наиболее крупных автомобилестроительных компаний 11 фирм приобрели лицензионные права на разработку и производство этих двигателей. На долю этих фирм приходилось около 70% мирового автомобильного производства, в т.ч. 80% производства легковых автомобилей США, 71% Японии, 44% Западно-европейских стран.

Проблемой этого двигателя долгое время считался быстрый износ уплотнителей. Однако в последствие эта проблема была преодолена и эти двигатели стали применять в автомобилестроении. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Wankelspider. Первый массовый (37204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro80. В 1967 году японская Mazda начала продажи первого автомобиля «Cosmo Sport» оснащенного роторным двигателем мощностью в 110 лошадиных сил. Дальнейшие исследования помогли на 40 процентов снизить расход топлива и улучшить экологичность этих двигателей. К 1970 году суммарная продажа автомобилей с роторными двигателями достигла 100 тыс., в 1975 — 500 тыс., а к 1978 — перевалила за миллион. Двухцилиндровый двигатель «Renesis» фирмы Mazda объёмом всего 1,3 л выдавал мощность уже в 250 л. с. и занимал гораздо меньше места в моторном отсеке, чем обычные двигатели внутреннего сгорания. Современная модель двигателя Renesis-2 16X имеет еще меньший объём при большей мощности и меньше нагревается, рис. 2.


Рис. 2. Серийный автомобильный двигатель роторно-поршневого типа (Renesis-2 16X) компании Mazda

В этой связи возникает вполне правомерный вопрос: «а был ли мальчик?», то бишь была ли вообще проблема (а может быть и была, но не верно сформулирована)?

Кроме того, необходимость наличия весьма дорогостоящего полупроводникового преобразователя, рассчитанного на полную мощность генератора (необходимого, по утверждению автора, для обеспечения синусоидального выходного напряжения), резко снижает экономическую эффективность предлагаемого решения (если она вообще была!), не говоря уже о тысячах других, не решенных в этом проекте проблем, на которых, в виду вышесказанного, на данном этапе просто нет смысла останавливаться.

Господин О. Гуняков публикует все ту же (то есть, чужую) идею без всяких ссылок на ее истинного автора, слегка изменив конструкцию. Основное (то есть принципиальное, а не в мелких и ничего не значащих деталях) отличие его проекта от проекта Ю. Г. Скоромца) заключается в замене обмотки возбуждения генератора — постоянным магнитом и расширение области применения его установки в область больших мощностей (из переписки с автором выяснилось, что он рассчитывает на применение такого принципа в генераторах мощностью в мегаватты). Поскольку, с одной стороны, для идеи линейного дизель-генератора не важно, как будет выполнен источник магнитного поля (обмотка или постоянный магнит), а с другой стороны и для магнита не важно, в какой именно конструкции генератора он будет использован (с вращательным или возвратно-поступательным движением), то отсюда следует, что идея замены обмотки возбуждения генератора постоянным магнитом не имеет никакого отношения к конкретной конструкции генератора, а относится ко всем генераторам вообще. Но тут сразу возникает вопрос: если в генераторе мощностью в несколько мегаватт можно заменить сложную и дорогую обмотку возбуждения постоянным магнитом из современных сплавов (например, из широко известного сплава NdFeB), то почему же этого не делают сейчас, а используют это решение лишь в небольших маломощных генераторах? Совершенно очевидно, что для этого есть веские причины. Обсуждение этих причин должно содержать слишком много подробностей «из жизни генераторов» и «из жизни магнитов», для того, чтобы подробно освещать их в данном отзыве, но даже не это сейчас главное, а то, что эта идея О. Гунякова о применении постоянных магнитов никак не связана с идеей Ю. Г. Скоромца о линейном дизель-генераторе. Попытка О. Гунякова «привязать» свою идею с постоянными магнитами (которая, сама по себе, давным-давно известна и ничего нового не содержит) к чужой должна служить, по-видимому, для поднятия значимости его идеи.

Даже если не учитывать того обстоятельства, что постоянные магниты применяются только в генераторах очень ограниченной мощности, дополнительная проблема конкретной конструкции О. Гунякова заключается в том, что его генератор расположен в зоне высокой температуры, а постоянные магниты имеют довольно незначительную верхнюю рабочую температуру, ограниченную так называемой точкой Кюри, при которой магнит полностью теряет свои магнитные свойства. Так вот, для сплава NdFeB точка Кюри находится в пределах 300-350°С, а максимальная рабочая температура ограничена величиной 100-150°С. А теперь вспомним, какая температура бывает внутри камеры сгорания ДВС. Правильно, от 300 до 2000°С (во время разных циклов). Какая средняя температура будет на поверхности камеры сгорания, в зоне расположения магнитов? Правильно, намного больше той, на которую рассчитаны постоянные магниты. Следовательно, нужно обеспечить очень эффективное охлаждение магнитов. Как и чем? Весьма сомнительно, что температуру в области расположения магнитов можно снизить до 100°С приемлемыми, а не фантастическим способом. В этой связи следует отметить, что и вопрос об охлаждении самого линейного дизель-генератора не проработан в должной мере. Предлагаемое автором водяное охлаждение далеко не везде применимо. Например, на современных дизель-генераторных установках мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт, предназначенных для резервного или аварийного электроснабжения (а это очень большой сектор рынка таких агрегатов), не используется водяное охлаждение. Такой агрегат охлаждается огромным (до двух метров в диаметре) вентилятором, насаженным на валу дизеля. Почему это сделано понятно: в аварийных ситуациях неоткуда и нечем подавать воду. Но где взять вращающийся вал для вентилятора в предлагаемой конструкции? Ага, использовать отдельный мощный электромотор, способный вращать двухметровый вентилятор... И тут наш проект начинает обрастать...

В заключение хотелось бы отметить, что ни Ю. Г. Скоромец, ни О. Гуняков не являются ни первооткрывателями этой идеи, ни авторами лучшей из конструкций. Идея эта сама по себе была известна задолго до публикаций обоих авторов. За последние годы были предложены и более удачные конструкции, чем те, которые мы обсуждаем. Например, в конструкции, предложенной Ondřej Vysoký, Josef Božek и др. из Чешского политехнического университета в 2007 году (то есть до публикации статьи Ю. Г. Скоромца) также используются постоянные магниты (авторы не претендуют на мощности в мегаватты), но в ней нет проблемы с нагревом магнитов, так как они могут находиться далеко от камер сгорания и могут быть отделены теплоизолирующей вставкой вала, на котором они закреплены. Изготовлены и испытаны небольшие лабораторные образцы таких агрегатов, рис. 3. В англоязычной литературе такие установки называются «Linear Combustion Engine (LCE)».



Рис. 3. Конструктивная схема и лабораторные образцы линейных дизель-электрических агрегатов, разработанных в Чехии

Имеется много публикаций на эту тему и в Интернете, и виде статьей и даже в виде книг (см. например, «Modeling and Control of Linear Combustion Engine»), хотя реально существующих изделий, присутствующих на рынке еще нет, как и нет каких бы то ни было технико-экономических обоснований, сравнения, например, с тем же двигателем Ванкеля. В этой связи для читателей журнала была бы, на наш взгляд, очень интересна квалифицированная обзорная информация о принципах построения таких систем, их сравнительная характеристика с другими устройствами для получения электроэнергии, информация о проблемах технических и экономических, о достигнутых результатах, а не подробное описание каких-то второстепенных деталей доморощенных конструкций, обладающих массой очевидных недостатков, но выдаваемых за величайшее достижение. Можно было бы только приветствовать публикацию автором такой обзорной статьи.

В технике существуют миллионы красивых, на первый взгляд, идей, не имеющих под собой экономической базы, или не учитывающих реальные технические проблемы, или просто не достаточно проработанных и поэтому не получивших реального воплощения. Достаточно обратиться к патентному фонду любой страны, чтобы увидеть миллионы оригинальных идей, пылящихся на полках. Такая же, по нашему мнению, судьба уготована и конкретным проектам Ю. Г. Скоромца и О. Гунякова. Тем не менее, нельзя утверждать, что миллионы не используемых сегодня патентов абсолютно бесполезны. Их очевидная польза состоит уже в том, что они стимулируют человеческую мысль и являются основой для новых идей. Как мы видим, творческая мысль продолжает активно работать и в рассмотренном направлении. Будем надеяться, что в недалеком будущем появится много новых перспективных идей в этом направлении, количество которых со временем перерастет в качество и они смогут когда-нибудь стать достаточно привлекательными для промышленности.

Владимир Гуревич

Проголосовать и(или) оставить свои комментарии на форуме

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.