Лінійний генератор: за чи проти?

1. Олег Гуняк: лінійний генератор
2. Робота генератора
3. Технологічний розріз лінійного генератора
4. Відгук на статтю О. Гунякова

19 жовтня 2009 р о 17:41 18812

Незважаючи ні на що робота думки триває. Так було і так завжди буде. Людина виявляє світу все нові, і нові винаходи. Ось і сьогодні до уваги читачів ми представляємо лінійний генератор Олега Гунякова. Чи має ця розробка право на життя? Свою відповідь на це питання дає Володимир Гуревич. Віддати перевагу одному з авторів можете і ви, взявши участь в опитуванні . Коментарі та обговорення на форумі .

Олег Гуняк: лінійний генератор

Історично склалося, що традиційні пристрої для вироблення електричної енергії використовують обертальний рух для переміщення обмоток в магнітному полі. У руху такі пристрої приводяться різними рушіями: гідротурбінами, газовими турбінами, вітром і т.д. Одним із рушіїв є і традиційний двигун внутрішнього згоряння. У таких движителях хімічна енергія палива проходить багаторазові перетворення: спочатку в поступальний рух поршнів, а потім - в обертальний рух коленвала. Необхідність такого перетворення призводить, як до механічних втрат, так і до ускладнення конструкції рушія в цілому. Ми всі на дослідах фізики бачили одну й ту ж саму картину: викладач бере постійний магніт, і починає поступально його рухати в котушці індуктивності. При цьому на клемах котушки з'являється напруга. У цій статті я розглянув можливість використання зворотно-поступального руху для вироблення електричного струму без проміжних перетворень в обертальний рух. Такі механізми отримали назву лінійних ГЕНЕРАТОРІВ.

Пропонований тип лінійного генератора розрахований для використання в промислових цілях, в першу чергу на судах.

Короткий опис

В даному лінійному генераторі (далі ЛГ) замість кришок циліндра встановлюються два зовнішніх поршня, які жорстко між собою закріплені. Таке технологічне рішення пов'язано з наступним: в традиційних циліндрах під час вибуху палива поршень починає рухатися в одну сторону, але за законами інерції сам циліндр адже теж починає рухатися в протилежну. І якщо такий генератор змусити виробляти великі потужності, то сили поздовжнього зсуву будуть викликати величезну вібрацію і пошкодження фундаментних болтів. Для компенсації виникаючих зусиль і встановлюються додаткові зовнішні поршні. За умови що маса внутрішніх поршнів і маса зовнішніх поршнів однакові, то і виникають сили інерції теж будуть однакові. Такі сили будуть взаємно погашатися, і на корпус передаватися не будуть. Котушки, з яких буде зніматися напруга кріпляться до нерухомого корпусу. А в якості індуктора буде використовуватися набір постійних магнатів трапецієподібної форми.

Синхронізація руху поршнів буде забезпечуватися за рахунок опору руху постійних магнітів при виробленні електричної енергії. За умови, що обмотки електричної частини мають однаковий опір, опір руху постійних магнітів також однаково. Але для збільшення надійності та запобігання аварій в ЛГ встановлюють механічний синхронізатор, який представляє собою дві зубчасті рейки, що рухаються відносно один одного, і зубчастого колеса, закріпленого на нерухомій осі і обертається лише від руху рейок.

Більш докладний опис конструкції дивіться нижче.

Робота генератора

Після розгону поршнів до пускової частоти, в перший циліндр подається паливо, відбувається згорання і починається розширення утворилися газів. У Вторма циліндрі в цей момент йде стиснення повітря.

При досягненні зовнішнього поршня в першому циліндрі випускних клапанів починається випуск відпрацьованих газів.

При досягненні внутрішнього поршня в першому циліндрі продувних вікон починається процес продувки. В даному ЛГ продування прямоточная, що забезпечує найменший коефіцієнт залишкових газів. Це, в свою чергу, збільшує масовий заряд повітря в циліндрі, що призводить до повного згоряння палива і т.д. У цей момент поршні досягають своїх крайніх положень.

Розширення газів в другому циліндрі надають руху поршні першого циліндра. Внутрішній поршень досягає продувних вікон і перекриває їх, в той час, як вихлопні вікна все ще відкриті. Це призводить до втрати масового заряду повітря в циліндрі, але даної втратою можна знехтувати через низький коефіцієнта залишкових газів в циліндрі. Зовнішній поршень досягає вихлопних вікон, перекриває їх, і тим самим забезпечує процес стиснення в першому циліндрі, в той час, як в другому йде розширення. І цикл повторюється.

Технологічний розріз лінійного генератора

Корпус двигуна 1 - зварений сталевий, циліндричної форми, має всередині опори 2, 3 і 4 для установки втулки робочого циліндра 5. Втулка кріпиться натискним кільцем 6 на 8-ми шпильках. Шпильки кріпляться в товстостінній фундаментної плити 7. Далі на втулку одягається циліндричний водяний колектор 8. Після колектора на втулку циліндра одягається газовихлопні колектор-равлик 9.

Проточка втулки і равлики на посадочних поверхнях влаштовані таким чином, що між сходинками затискається теплостійка азбестова прографіченная прокладка. Улітку при роботі нагрівається і може розширюватися в лінійному напрямку. Для можливості розширення равлик кріпиться на довгих шпильках 10, що проходять через трубки 11, гайками 12, які створюють нажімной зусилля на равлика через пружини 13. Після равлика на втулку одягається водяний колектор 14.

Втулка робочого циліндра 5 цілісна. Центральна частина втулки має потовщення так само, як і в місці кріплення втулки - гребінь 15. У центральній частині втулка має отвори для 2-х насос-форсунок 16. Так само втулка має з кожного боку від центру по 6 отворів для штуцерів лубрікаторной мастила ( на кресленні не показана). У втулці в центральній частині зовні зроблена циліндрична проточка для відводу і збору охолоджуючої води з тангеціальніх сверлений охолоджуючих каналів 17. На втулці є 17-ть канавок для гумових кілець ущільнювачів системи охолодження. У втулці з боку вихлопу і з боку продувки є тангенціальні розташовані вікна.

Лінійний генератор має силовий зварений корпус 18 і легкий корпус для забезпечення безпеки обслуговуючого персоналу. Легкий корпус закривається з торців двигуна кришками 18 на фланцях.

Поршнева група кожного лінійного генератора складається з 2-х поршнів 20. Внутрішній поршень кріпиться до корпусу індуктора 21 на 8-ми шпильках 22. Зовнішній поршень кріпиться до траверс-диска 23 на 8-ми шпильках 24. Траверса-диск циліндричної форми підкріплений в радіальному напрямку трикутними косинками 25 з двох сторін, які кріпляться зварюванням. Кожен поршень має по 6 кілець: 4 компресійних і 2 маслоз'ємних. Щоб уникнути ударів поршнів один про одного при високих ступенях стиснення в лінійному генераторі, днища поршнів мають плоску конфігурацію.

Поршні мають водяне охолодження. Вода в зовнішні поршні подається по внутрішньої телескопічної нерухомою трубці 26 з соплом на кінці. Охолоджуюча вода повертається по телескопічною середньої трубці 27. Трубка 27 рухається в нерухомій трубці 28. Між трубками 27 і 28 знаходяться ущільнення 29.

Внутрішній поршень також охолоджується водою. Вода підводиться по телескопічною трубці 30, яка кріпиться до корпусу індуктора 21 за допомогою фланця. У індукторі і в опорному фланці поршня є канал. Далі вода рухається по трубці 31 і охолоджує поршень. Повертається вода по трубці 32, аналогічним шляхом і по телескопії 33 відводиться вже підігріта.

Зовнішні поршні пов'язані між собою за допомогою траверзу-диска 23, 6-ти штанг 34 і корпусу індуктора 35. На кінцях штанги мають різьбу і кріпляться за рахунок гайок, затискаємо гідродомкратом. Рух внутрішніх і зовнішніх поршневих груп зрушені на 180 градусів. Синхронізм забезпечується за рахунок механізму синхронізатора - 3-х шестерень 36 6-ти зубчастих рейок.

Три рейки 37, які стосуються внутрішньої групі, мають в частині, ближньої до корпусу індуктора 21 циліндричне перетин і проходять через сальники 38. Далі перетин рейки переходить в квадратне. Рейки, що відносяться до зовнішнього групі, - це 3 з 6-ти штанг 34, на які за допомогою болтів прикріплені зубчасті рейки. Всі 3 механізму синхронізаторів розташовані в окремих вигородку і мають в своєму обсязі масло для змащення механізму.

Порівняння ЛГ і традиційного дизеля.

• У ЛГ виробництво і збірка двигуна істотно спрощується через відсутність таких дорогих і складних у виробництві деталей як розподільний вал і колінчастий вал.
• Зменшення витрати палива за рахунок збільшення механічного ККД через відсутність клонували і распредвала.
• Зменшення вібрації через взаємне гасіння виникаючих інерційних сил.
• Підвищена надійність ЛГ за рахунок зменшення кількості рухомих деталей.
• У ЛГ неможливо забезпечити рівну синусоїду генерується струму через нерівномірність швидкості переміщення магнітів щодо котушок. Але при сучасному рівні розвитку перетворювальної техніки ця проблема не є нерозв'язною.
• Підвищена нестійкість роботи ЛГ через наявність всього двох циліндрів і відсутності маховика. При пропуску спалаху в одному з циліндрів ЛГ зупиниться, так як у другому циліндрі не відбудеться стиснення повітря достатнього для запалення палива. Тому для вирішення цієї проблеми виникає необхідність в установці як мінімум двох форсунок на один циліндр.

Олег Гуняк

Відгук на статтю О. Гунякова

Почати доведеться здалеку, а саме зі статті «Лінійний бензогенератор (дизель-генератор)» автора Скоромца Ю. Г., опублікованій в журналі «Електротехнічний ринок», 2008, № 5 (23) , А також, паралельно, на багатьох Інтернет сайтах. У цій статті описаний принцип побудови силової установки відносно невеликої потужності, призначеної для вироблення електроенергії, що відрізняється тим, що в ньому двигун внутрішнього згоряння об'єднаний з електрогенератором, при цьому обертальний рух ротора генератора замінено зворотно-поступальним рухом муздрамтеатру із закладеною в нього обмоткою збудження. Основною метою такої заміни, на думку автора, є усунення з системи кривошипно-шатунного механізму, включаючи колінвал, що перетворює зворотно-поступальний рух поршнів двигуна внутрішнього згоряння в обертальний рух ротора генератора в звичайному дизель-електричному агрегаті. Ідея, на перший погляд, непогана, хоча її виклад викликає масу незрозумілих питань. Не будемо коментувати деякі висловлювання автора цієї статті, а лише процитуємо, щоб читач міг сам оцінити його кричущий дилетантизм в області електротехніки:

• У генераторі середньої і високої потужності синхронізація руху шатунів досягається шляхом зменшення струму збудження відстає шатуна.
• Регулювання вихідної напруги здійснюється шляхом зміни частоти роботи генератора.
• Запуск здійснюється трьома короткими потужними імпульсами струму, при цьому генератор працює в режимі двигуна. Імпульси струму отримуємо з клем конденсатора, попередньо зарядивши його за деякий час, через підвищувальний трансформатор (50-100 кГц) від малопотужного джерела живлення.
• Струм навантаження генератора не впливає на магнітне поле генератора, а значить і на характеристики генератора.
• Що стосується самого генератора, то магнітне поле запропонованого генератора, в основній частині, завжди постійно, це дає можливість виготовляти муздрамтеатр ні з окремих пластин (для зменшення вихрових струмів), а з цільного шматка матеріалу, що значно збільшить міцність муздрамтеатру і зменшить трудомісткість виготовлення.

А тепер щодо самої ідеї. Як випливає з написаного автором, метою його проекту є усунення з системи двигун-генератор кривошипно-шатунного механізму, що перетворює один вид руху (зворотно-поступальний) в інший (обертальний). Однак, з точки зору поставленої задачі ця проблема вже давним-давно вирішена. В широко відомому роторно-поршневому двигуні Ванкеля обертальний рух вихідного вала виходить без всяких кривошипно-шатунних механізмів, рис. 1.

Мал. 1. роторно-поршневий двигун Ванкеля і принцип його дії

Роторно-поршневі двигуни за схемою Ванкеля відомі вже понад п'ятдесят років. У 1960-х роках з двадцяти найбільших автомобілебудівних компаній 11 фірм придбали ліцензійні права на розробку і виробництво цих двигунів. На частку цих фірм припадало близько 70% світового автомобільного виробництва, в т.ч. 80% виробництва легкових автомобілів США, 71% Японії, 44% Західно-європейських країн.

Проблемою цього двигуна довгий час вважався швидкий знос ущільнювачів. Однак в наслідок ця проблема була подолана і ці двигуни стали застосовувати в автомобілебудуванні. Перший серійний автомобіль з роторним двигуном - німецький спорткар NSU Wankelspider. Перший масовий (37204 примірника) - німецький седан бізнес-класу NSU Ro80. У 1967 році японська Mazda почала продажі першого автомобіля «Cosmo Sport» оснащеного роторним двигуном потужністю в 110 кінських сил. Подальші дослідження допомогли на 40 відсотків знизити витрату палива і поліпшити екологічність цих двигунів. До 1970 року сумарна продаж автомобілів з роторними двигунами досягла 100 тис., В 1975 - 500 тис., А до 1978 - перевалила за мільйон. Двоциліндровий двигун «Renesis» фірми Mazda об'ємом всього 1,3 л видавав потужність вже в 250 л. с. і займав набагато менше місця в моторному відсіку, ніж звичайні двигуни внутрішнього згоряння. Сучасна модель двигуна Renesis-2 16X має ще менший обсяг при більшій потужності і менше нагрівається, рис. 2.

Мал. 2. Серійний автомобільний двигун роторно-поршневого типу (Renesis-2 16X) компанії Mazda

У зв'язку з цим виникає цілком правомірне запитання: «а чи був хлопчик?», Чи то пак була взагалі проблема (а може бути і була, але не чітко сформульована)?

Крім того, необхідність наявності досить дорогого напівпровідникового перетворювача, розрахованого на повну потужність генератора (необхідного, за твердженням автора, для забезпечення синусоїдальної вихідної напруги), різко знижує економічну ефективність запропонованого рішення (якщо вона взагалі була!), Не кажучи вже про тисячі інших, невирішених в цьому проекті проблем, на яких, на увазі вищесказаного, на даному етапі просто немає сенсу зупинятися.

Пан О. Гуняк публікує все ту ж (тобто, чужу) ідею без будь-яких посилань на її справжнього автора, злегка змінивши конструкцію. Основне (тобто принципове, а не в дрібних і нічого не значущих деталях) відмінність його проекту від проекту Ю. Г. Скоромца) полягає в заміні обмотки збудження генератора - постійним магнітом і розширення області застосування його установки в область великих потужностей (з листування з автором з'ясувалося, що він розраховує на застосування такого принципу в генераторах потужністю в мегавати). Оскільки, з одного боку, для ідеї лінійного дизель-генератора не має значення, як буде виконаний джерело магнітного поля (обмотка або постійний магніт), а з іншого боку і для магніту не важно, в який саме конструкції генератора він буде використаний (з обертовим або зворотно-поступальним рухом), то це означає, що ідея заміни обмотки збудження генератора постійним магнітом не має ніякого відношення до конкретної конструкції генератора, а відноситься до всіх генераторів взагалі. Але тут відразу виникає питання: якщо в генераторі потужністю в кілька мегават можна замінити складну і дорогу обмотку збудження постійним магнітом з сучасних сплавів (наприклад, з широко відомого сплаву NdFeB), то чому ж цього не роблять зараз, а використовують це рішення лише в невеликих малопотужних генераторах? Цілком очевидно, що для цього є вагомі причини. Обговорення цих причин має містити занадто багато подробиць «з життя генераторів» і «з життя магнітів», для того, щоб детально висвітлювати їх в даному відкликання, але навіть не це зараз головне, а те, що ця ідея О. Гунякова про застосування постійних магнітів ніяк не пов'язана з ідеєю Ю. Г. Скоромца про лінійному дизель-генераторі. Спроба О. Гунякова «прив'язати» свою ідею з постійними магнітами (яка, сама по собі, давним-давно відома і нічого нового не містить) до чужої повинна служити, мабуть, для підняття значущості його ідеї.

Навіть якщо не враховувати тієї обставини, що постійні магніти застосовуються тільки в генераторах дуже обмеженої потужності, додаткова проблема конкретної конструкції О. Гунякова полягає в тому, що його генератор розташований в зоні високої температури, а постійні магніти мають досить незначну верхню робочу температуру, обмежену так званої точкою Кюрі, при якій магніт повністю втрачає свої магнітні властивості. Так ось, для сплаву NdFeB точка Кюрі знаходиться в межах 300-350 ° С, а максимальна робоча температура обмежена величиною 100-150 ° С. А тепер згадаємо, яка температура буває всередині камери згоряння ДВС. Правильно, від 300 до 2000 ° С (під час різних циклів). Яка середня температура буде на поверхні камери згоряння, в зоні розташування магнітів? Правильно, набагато більша за ту, на яку розраховані постійні магніти. Отже, потрібно забезпечити дуже ефективне охолодження магнітів. Як і чим? Вельми сумнівно, що температуру в області розташування магнітів можна знизити до 100 ° С прийнятними, а не фантастичним способом. У зв'язку з цим слід зазначити, що і питання про охолодження самого лінійного дизель-генератора не опрацьований в належній мірі. Пропоноване автором водяне охолодження далеко не скрізь можна застосувати. Наприклад, на сучасних дизель-генераторних установках потужністю від сотень кіловат до декількох мегават, призначених для резервного або аварійного електропостачання (а це дуже великий сектор ринку таких агрегатів), не використовується водяне охолодження. Такий агрегат охолоджується величезним (до двох метрів в діаметрі) вентилятором, насадженим на валу дизеля. Чому це зроблено зрозуміло: в аварійних ситуаціях нізвідки і нічим подавати воду. Але де взяти обертається вал для вентилятора в запропонованій конструкції? Ага, використовувати окремий потужний електромотор, здатний обертати двометровий вентилятор ... І тут наш проект починає обростати ...

На закінчення хотілося б відзначити, що ні Ю. Г. Скоромец, ні О. Гуняк не є ні першовідкривачами цієї ідеї, ні авторами кращої з конструкцій. Ідея ця сама по собі була відома задовго до публікацій обох авторів. За останні роки були запропоновані і більш вдалі конструкції, ніж ті, які ми обговорюємо. Наприклад, в конструкції, запропонованої Ondřej Vysoký, Josef Božek і ін. З Чеського політехнічного університету у 2007 році (тобто до публікації статті Ю. Г. Скоромца) також використовуються постійні магніти (автори не претендують на потужності в мегавати), але в ній немає проблеми з нагріванням магнітів, так як вони можуть перебувати далеко від камер згоряння і можуть бути відокремлені теплоізолюючих вставкою вала, на якому вони закріплені. Виготовлені і випробувані невеликі лабораторні зразки таких агрегатів, рис. 3. В англомовній літературі такі установки називаються «Linear Combustion Engine (LCE)».

Мал. 3. Конструктивна схема і лабораторні зразки лінійних дизель-електричних агрегатів, розроблених в Чехії

Є багато публікацій на цю тему і в Інтернеті, і вигляді статтею і навіть у вигляді книг (див., Наприклад, «Modeling and Control of Linear Combustion Engine»), хоча реально існуючих виробів, присутніх на ринку ще немає, як і немає будь-яких там не було техніко-економічних обгрунтувань, порівняння, наприклад, з тим же двигуном Ванкеля. У зв'язку з цим для читачів журналу була б, на наш погляд, дуже цікава кваліфікована оглядова інформація про принципи побудови таких систем, їх порівняльна характеристика з іншими пристроями для отримання електроенергії, інформація про проблеми технічних та економічних, про досягнуті результати, а не докладний опис яких -то другорядних деталей доморощених конструкцій, що володіють масою очевидних недоліків, але видаються за найбільше досягнення. Можна було б тільки вітати публікацію автором такої оглядової статті.

У техніці існують мільйони красивих, на перший погляд, ідей, які не мають під собою економічного підгрунтя, або які не враховують реальні технічні проблеми, або просто не досить опрацьованих і тому не отримали реального втілення. Досить звернутися до патентного фонду будь-якої країни, щоб побачити мільйони оригінальних ідей, що порошаться на полицях. Така ж, на нашу думку, доля уготована і конкретним проектам Ю. Г. Скоромца і О. Гунякова. Проте, не можна стверджувати, що мільйони не використовуваних сьогодні патентів абсолютно марні. Їх очевидна користь полягає вже в тому, що вони стимулюють людську думку і є основою для нових ідей. Як ми бачимо, творча думка продовжує активно працювати і в розглянутому напрямку. Будемо сподіватися, що в недалекому майбутньому з'явиться багато нових перспективних ідей в цьому напрямку, кількість яких з часом переросте в якість і вони зможуть коли-небудь стати досить привабливими для промисловості.

Володимир Гуревич

Проголосувати і (або) залишити свої коментарі на форумом