В этом примере показано, как моделировать двигатель Gamma Stirling с использованием компонентов и доменов газовой, тепловой и механической Simscape™.
Двигатели Стирлинга поглощают тепло от внешнего источника, чтобы частично преобразовать его в механическую энергию, а остальное рассеивают в холодном теплоотводе. Внешний источник тепла является ключевым отличием с двигателями внутреннего сгорания, которые производят тепло от реакций сгорания в газе внутри системы. В двигателях Стирлинга газ инертен (например, воздух, в данном случае).
Наиболее типичными конструкциями двигателей Стирлинга являются конфигурации альфа, бета и гамма. В этом примере моделируется только гамма-конфигурация, которая состоит из двух поршней, соединенных с проходной трубой.
Первый поршень называется Displacer, представляющий собой цилиндр двойного действия с двумя камерами, одна - нагреватель, поглощающий тепло от пламени, а другая - охладитель, рассеивающий тепло до окружающей среды. Общий объем поршня вытеснителя является постоянным, хотя газ течет от охладителя к нагревателю и наоборот при движении головки поршня. Поток между ними проходит через так называемый регенератор. Регенератор представляет собой трубу, которая обеспечивает поток между охладителем и нагревателем в поршне перемещения. Обычно он выполнен в виде поршневой головки с меньшим радиусом, чем цилиндр, что допускает утечку.
Второй поршень называется силовым, и представляет собой цилиндр одностороннего действия с изменяемым объёмом, соединенный с вытеснителем через проходную трубу. Этот поршень создает крутящий момент и мощность.
Как вытеснительный, так и силовой поршни через два кривошипно-ползунных механизма соединены с маховиком. Кривошип вытеснителя имеет 90-градусную задержку от силового поршня.
Поршень вытеснителя:
Регенератор:
Регенератор также проводит тепло от нагревателя к охладителю.
Силовой поршень:
Ползун-кривошипы и маховик:
Пользователь может выбрать запуск двигателя с импульсом крутящего момента и позволить ему ускоряться до установившегося состояния или форсировать угловую скорость, комментируя и не комментируя источник крутящего момента и источник угловой скорости.
Подсистемы пламени и окружающей среды содержат источники температуры и тепловую конвекцию.
Большинство параметров в блоках Simscape™ этого примера хранятся в виде переменных в ssc_stirling_engine_params сценариев для упрощения их изменения. Отредактируйте сценарий, чтобы изменить значения параметров.
Модель имитирует 15 с запуска двигателя Стирлинга путем приложения импульса при t = 5 с для приведения маховика в исходное движение.
Ключевым графиком для рассмотрения в конструкции двигателя является P-V-диаграмма термодинамического цикла. Он отображает давление и объем газа в силовом поршне во время вращения маховика. В установившемся состоянии эта кривая является замкнутой и циклической. Площадь, охватываемая кривой, представляет собой механическую работу, выполняемую в течение одного цикла. Общая площадь под кривой представляет собой тепло, поглощенное в течение одного цикла. Соотношение между ними представляет собой термодинамическую эффективность цикла. Если мы умножаем работу на цикл (или тепло на цикл) на количество циклов в секунду, мы получаем механическую мощность (или поглощенную тепловую мощность)
Work per cycle: 1.3364J Heat absorption per cycle: 11.3595J Thermodynamic efficiency: 11.76% Mechanical power: 37.9055W Thermal power absorbed: 322.2081W -----------------------
Другим ключевым показателем эффективности является кривая «мощность-частота вращения» и кривая «крутящий момент-частота вращения».
Большим преимуществом наличия параметризованной физической модели является то, что алгоритмы оптимизации могут использоваться для поиска оптимальных конструктивных параметров (для максимальной эффективности или мощности). Одной из возможных конструктивных переменных для оптимизации является радиус кривошипа силового поршня. В этом разделе сравниваются два значения радиуса кривошипа силового поршня.
1st crank radius Work per cycle: 1.3364J Heat absorption per cycle: 11.3595J Thermodynamic efficiency: 11.76% Shaft speed: 1701.8777rpm Mechanical power: 37.9055W Thermal power absorbed: 322.2081W ----------------------- 2nd crank radius Work per cycle: 1.2665J Heat absorption per cycle: 8.0605J Thermodynamic efficiency: 15.71% Shaft speed: 1591.187rpm Mechanical power: 33.5877W Thermal power absorbed: 213.7627W -----------------------
При втором значении радиуса кривошипа мы получаем более низкую скорость вала и более низкую мощность, но более высокую термодинамическую эффективность. Этот подход может быть использован в многопараметрическом процессе оптимизации, чтобы найти глобальный оптимальный дизайн с генетическими алгоритмами, например.