Анотація до роботи:

Постол Ю.О. Розробка і дослідження двомірної системи автоматичного регулювання двигуна Стірлінга невеликої потужності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – Теплові двигуни. – Національний транспортний університет, Київ, 2004

Дисертація присвячена розробці системи автоматичного регулювання двигуна Стірлінга невеликої потужності, призначеного для використання як первинний двигун у міні-Стірлінг–електричних агрегатах, і визначенню його раціональних параметрів. Показано, що в малопотужних ДС можна не регулювати подачу повітря в камеру згоряння, а обмежуватись автоматичним регулюванням максимальної температури стінки нагрівача і частоти обертання колінчатого вала ДС. Для цього розроблена двомірна незв'язана система автоматичного регулювання ДС, в яку входять дві самостійні системи: для регулювання температури нагрівача і частоти обертання ДС. В обох системах застосовані мікропроцесорні астатичні регулятори. У зв'язку з відсутністю на Україні повноцінних ДС, в якості регульованого об'єкта прийнята спрощена діюча модель цього двигуна під маркою УДС-1, до нього пасовою передачею приєднано електричний генератор постійного струму, що використовувався як гальмовий пристрій. Для регулювання потужності до робочого циліндра ДС приєднано додатковий “мертвий” об’єм у вигляді циліндра з поршнем, на який діє регулятор частоти обертання. Для проведення розрахунково-теоретичних досліджень розроблена нелінійна динамічна модель, у яку входять диференціальне рівняння другого порядку і чотири диференціальних рівняння першого порядку. Система диференціальних рівнянь вирішувалась чисельним методом Рунге-Кутта-Фельдберга на ПЕОМ. Для експериментальних досліджень ДС був обладнаний приладами для вимірювання основних показників його роботи, у тому числі індиціювання тиску в робочому циліндрі і запису перехідних процесів на ПЕОМ. Підтверджено адекватність математичної моделі.

Дослідження показали, що якість перехідних процесів в експериментальній САР істотно залежать від двох параметрів: швидкості змінювання “мертвого” об’єму і запізнювання початку переміщення поршня в цьому об’ємі. Визначено раціональні значення цих параметрів: швидкість – не менше 100 см³/з, запізнювання не більше 0,1 с. У цьому випадку закиди частоти обертання та тривалість перехідних процесів не перевищує припустимих значень – 10% і 5 с. У цілому досліджену САР можна рекомендувати як основу для розробки САР перспективних ДС невеликої потужності.

1. Одним з напрямків вирішення проблеми використання альтернативних видів палив, які непридатні для ДВЗ, є застосування двигунів Стірлінга для приводу електричних агрегатів невеликої потужності. Однак для ДС потрібна складна багатомірна САР частоти обертання колінчатого вала і температури стінки нагрівача, причому потужність регулюють зміною початкового тиску робочого циклу в циліндрах ДС.

2. Систему автоматичного регулювання малопотужного ДС можна спростити шляхом застосування регулювання потужності змінювання величини “мертвого” об’єму за умов подачі повітря в камеру згоряння природною тягою. Така експериментальна двомірна САР розроблена в дисертації.

Для натурних досліджень виготовлена експериментальна Стірлінг – електрична установка з навчальним ДС мод. УДС-1, обладнана експериментальною САР.

3. Експериментальна САРТ розроблена на базі мікропроцесорного вимірника – регулятора ТРМ12-Pic, у який внесені зміни для збільшення його швидкодії, а експериментальна САРЧ – на базі лічильника імпульсів СИ-8. У САРТ і САРЧ реалізується релейний трьохпозиційний принцип регулювання і здійснюється пропорційно – диференційний закон регулювання.

4. Дослідами встановлено, що ДС мод. УДС-1 в агрегаті з електричним генератором є аперіодичною ланкою другого порядку, рух якої описується лінійним диференціальним рівнянням 2-го порядку.

5. Для розрахунково – теоретичних досліджень статичних і динамічних властивостей САР ДС мод. УДС-1 розроблена нелінійна динамічна математична модель САР ДС мод. УДС-1 в агрегаті з електрогенератором і складені алгоритми та програми для виконання розрахунків на ЕОМ. У математичну модель входять одне диференціальне рівняння другого порядку і чотири диференціальних рівняння першого порядку, в ній враховані всі істотні і несуттєві нелінійності. Динамічні процеси в САР розраховувалися на ЕОМ шляхом чисельного інтегрування системи диференціальних рівнянь методом Рунге-Кутта-Фельдберга.

Підтверджено адекватність математичної моделі.

6. Розрахунки за допомогою математичної моделі і натурні експерименти показали:

а) релейні регулятори забезпечують одержання астатичних характеристик частоти обертання ДС і температури нагрівача;

б) перехідні процеси за частотою обертання після миттєвого скидання – накиду навантаження відбуваються з одним закиданням частоти обертання, що свідчить про великий запас стійкості САРЧ;

в) на показники якості перехідних процесів після миттєвих скидання і накиду навантаження, в основному, впливає швидкість змінювання додаткового “мертвого” об’єму і запізнювання начала його зміни. Чим більше швидкість і менше запізнювання, тим менш закид частоти обертання і тривалість перехідного процесу;

г) введення в закон регулювання впливу по похідній сприяє підвищенню стійкості САР;

д) при швидкості змінювання додаткового “мертвого” об’єму не менше

100 см³/с і запізнювання не більше 0,1 с, в дослідній САР забезпечуються показники перехідних процесів відповідно до ГОСТ 13822-82 і ГОСТ 10511-83: закид частоти обертання не більше 10%, тривалість перехідного процесу регулювання не більше

5 с.

7. Проведені дослідження мають пошуковий характер. Результати їх використовуються в науково-дослідній роботі, а також у навчальному процесі в ТДАТА і НТУ і можуть бути використані при розробках вітчизняних Стірлінг - електричних агрегатів невеликої потужності.

Публікації автора:

1. Постол Ю.А. Методика и результаты определения мгновенных интенсивностей нагрева и охлаждения газообразного рабочего тела в ДВПТ по его индикаторной диаграмме // Труды ТГАТА, т.5, вып.2. – Мелитополь, 1998. – С. 11-16.

2. Стефановский Б.С., Стефановский А.Б., Постол Ю.А., Снижко Е.В. Некоторые особенности нагрева и охлаждения рабочего тела в течение рабочего цикла ДВПТ модификации “гамма” // Труды ТГАТА, т.6, вып.2. – Мелитополь, 1998. - С. 10-13.

3. Постол Ю.А. Разработка системы автоматического управления миниатюрного электрического агрегата с приводом от двигателя Стирлинга // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Двигуни та енергоустановки; Зб. наук. пр. НАУ “ХАІ”. – Харків: “ХАІ”, 2001. – Вип.26. – С.267-268.

4. Долганов Кинт, Постол Юлия, Лисовал Анатолий. Определение условных механических потерь в двигателе Стирлинга модели УДС-1 // Materialy XII Sympozjum “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju systemow pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych”. Politechnika Rzeszowska, Rzeszow 2001, – С.65-68.

5. Долганов К.Е., Лисовал А.А., Постол Ю.А. Исследование двигателя Стирлинга модели УДС-1 // Вісник НТУ “ХПІ”. Тематич. зб. наук. праць “ДВЗ”. Харків: НТУ “ХПІ”, 2001. - №1. – С. 99-108.

6. Долганов К.Е., Лисовал А.А., Краснокутская З.И., Постол Ю.А. Электрическая мини Стирлинг-электрическая установка // Двигателестроение. 2003, №3, с.31-34.

7. Долганов К.Є., Лісовал А.А., Постол Ю.О. Вдосконалення двигуна Стірлінга моделі УДС-1 // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: Зб. наук. пр. – К.: УТУ, 2001. - №11. – С.26-30.

8. Стефановский А.Б., Снижко Е.В., Постол Ю.А. Приближенное определение коэффициентов полезного действия малогабаритного двигателя Стирлинга типа “гамма” // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: Научный вестник – Челябинск: ЧВАИ, 2001. – Вып. 12. – С.77-81.

9. Стефановский А.Б., Постол Ю.А., Снижко Е.В. Обобщенные зависимости, характеризующие нагревание рабочего газа учебно-демонстрационного двигателя Стирлинга УДС-1 // Автомобильная техника: Науч. вест. / ЧВАИ. – Челябинск, 2002. Вып.14.– С.126 -131.

10. Долганов К.Є., Мержиєвська В.В., Постол Ю.О. Характеристики удосконалення двигуна Стирлінга моделі УДС-1 // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: Зб. наук. пр. – К.: НТУ; ТАУ, 2002. - №13. – С.13-18.

11. Долганов К.Е., Постол Ю.А. Характеристики миниатюрного двигателя Стирлинга модели УДС-1 // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Двигуни та енергоустановки: Зб. наук. пр. / НАУ “ХАІ”. –Харків: “ХАІ”, 2002. –Вип.30. - С.28-30.

12. Долганов Кинт, Лисовал Анатолий, Постол Юлия, Краснокутская Зоя. Экспериментальная когенерационная Стирлинг – электрическая установка // Materialy XIII Sympozjum “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju systemow pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych”. Politechnika Rzeszowska, Rzeszow 2002, – С.47-50.

13. Долганов К.Є., Лісовал А.А., Мержиєвська В.В., Постол Ю.О. Регулювання потужності двигуна Стірлінга моделі УДС-1 // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: Зб. наук. пр. – К.: НТУ; ТАУ, 2003. - №16. – С.56-60.

14. Постол Ю.О. Перехідні процеси в САР дослідного міні Стірлінг – електричного агрегату // Тези доповідей на 59-й наукової конференції НТУ. – К.: НТУ, 2003. – С. 9.

15. Долганов К.Є., Постол Ю.О., Мержиєвська В.В. Дослідна система автоматичного регулювання для двигуна Стірлінга невеликої потужності // Автошляховик України. Управління безпекою та якістю транспортних засобів і перевезень: – 2003. – Окрем. вип. – С. 67-70.

16. Долганов Кинт, Лисовал Анатолий, Постол Юлия, Мержиевская Валентина. Релейный регулятор частоты вращения для экспериментальной Стирлинг-электрической установки // Materialy XIV Sympozjum “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju systemow pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych”. Politechnika Rzeszowska, Rzeszow 2003, – С.55-60.