Consideratii Generale Privind Stadiul Actual al Preocuparilor In Domeniul Sistemelor de Propusie
C U P R I N S
C U P R I N S 1
INTRODUCERE
1. Considerații generale privind stadiul actual al preocupărilor în domeniul sistemelor de propusie
1.1 Istoricul și evoluția sistemelor de propulsie
1.2 Clasificarea sistemelor de propulsie
1.2.1 Motoare cu ardere externă
1.2.2 Motoare cu ardere internă
1.2.3 Motoare aeroreactoare pentru aeronave
1.2.4 Motoare electrice
1.2.5 Sisteme de propulsie alternative
1.3 Combustibili potențiali convenționali
1.3.1 Tipuri de combustibili
1.3.2 Comparație între combustibili
1.4 Aspecte privind protecția mediului
2. Repere teoretice privind turbomotoarele și motoarele cu piston
2.1 Descrierea și funcționarea turbomotoarelor
2.1.1 Părțile componente pricipale
2.1.2 Funcționarea
2.2 Descrierea și funcționarea motorului cu piston (Otto)
2.3 Compararea turbomotorului cu motorul cu piston
2.3.1 Avantajele turbomotoarelor față de motoarele cu piston
2.3.2 Dezavantajele turbomotoarelor față de motoarele cu piston
3. Motorul Stirling. Generalități și principiul de funcționare
3.1 Contribuțiile unor firme și organizații la dezvoltarea motoarelor Stirling
3.2 Utilizări posibile ale motoarelor Stirling
3.2.1 Motoare stirling pentru autovehicule
3.2.2 Motoare Stirling pentru submarine și pentru nave de suprafață
3.2.3 Motoare Stirling pentru utilizări cosmice
3.2.4 Motoare Stirling pentru mașina inimă artificială
3.3 Perspectivele motoarelor Stirling
3.4 Realizarea ciclului teoretic termodinamic Stirling într-un motor cu un cilindru și două pistoane
3.5 Realizarea practică a ciclului Stirling pe un motor cu un cilindru și două pistoane
3.6 Tipuri de motoare
3.6.1 Motoare Stirling de tip „alfa“
3.6.2 Motoare Stirling de tip „beta“
3.6.3 Motoare Stirling de tip „gama“
4. Studiu de caz. Motorul Gama Stirling
4.1 Obiectivele studiului de caz
4.2 Metodologie
4.3 Proiectarea 3D, simularea mișcării și analiza comparativă a maselor
4.3.1 Realizarea și asamblarea modelului 3D
4.3.2 Simularea mișcării și analiza comparativă a maselor
4.4 Simularea motorului tip Gama Stirling pentru aflarea parametrilor ideali
4.5 Realizarea practică a modelului experimental
4.5.1 Calcul economic
4.5.2 Asamblarea
4.1.3 Măsurarea parametrilor
4.6 Testarea și compararea combustibililor neconvenționali pentru motor 68
5. Concluzii, contribuții personale și direcții viitoare de cercetare
5.1 Concluzii
5.2 Contribuții personale
5.3 Direcții viitoare de cercetare
BIBLIOGRAFIE
ANEXE
INTRODUCERE
În prezent, principalele probleme cu care se confruntă omenirea sunt poluarea, atât cea produsă de activitățile industriale, de autovehicule cât și cea produsă de aeronave, asigurarea hranei pentru întreaga omenire, precum și găsirea de soluții noi de producere a energiei, deoarece sursele convenționale (neregenerabile) precum petrolul brut sunt în curs de epuizare. Conform unor studii, petrolul este o sursă limitată de energie, iar în ritmul actual de exploatare a resurselor de petrol de pe întreg globul se estimează că în condițiile existente în acest moment de extragere și procesare se poate utiliza această resursă pentru încă aproximativ 46 de ani.
În figura 1 este prezentat un grafic din care reiese că sectorul de transporturi inclusiv cel aerian este unul în continuă expansiune și implicit un consumator din ce în ce mai mare de combustibili obținuți din petrol.
Fig. 1 Consumul energetic din petrol in zona Eu 27 sintetizat pe sectoare de activitate
O posibilă soluție de a reduce consumurile de petrol și derivați ai acestuia în domeniul aviației ar fi înlocuirea combustibililor convenționali cu combustibili regenerabili (biodiesel, etanol, hidrogen, uleiuri etc.).
O altă soluție ar putea fi utilizarea unor sisteme de propulsie alternative precum pilele de combustibil – care folosesc drept combustibil hidrogenul; motoarele hibrid – electrice care utilizează acumulatorii electrici, pentru care prețul de producere raportat la performanțe este mult prea ridicat pentru condițiile economice actuale; motoarele hibrid – hidraulice; motoarele hibrid – pneumatice; motoarele Stirling care funcționază cu orice sursă de căldură.
Argumentele aduse până la acest punct, motivează abordarea motorului Stirling ca subiect de cercetare, obiectivul principal al lucrării fiind acela de a investiga modul de funcționare, alegerea unui model constructiv, proiectarea 3D, simularea parametrilor și contruirea unui model experimental asupra căruia să efectuez o serie de teste cu diferiți combustibili neconvenționali.
Lucrarea a fost structurată în 5 capitole astfel:
În capitolul 1: ,, Considerații generale privind stadiul actual al preocupărilor în domeniul sistemelor de propusie ’’ am abordat evoluția sistemelor de propulsie ale aeronavelor, clasificarea acestora, tipurile de combustibil convențional pe care îl utilizează și câteva aspecte privind protecția mediului.
În capitolul 2: ,, Repere teoretice privind turbomotoarele și motoarele cu piston ” am accentuat studiul asupra sistemelor de propulsie care echipează elicopterele, studiind în principal principiul de funcționare cu scopul de a găsi soluții pentru implementarea motorului Stirling ca sistem de propulsie al viitorului.
În capitolul 3: ,, Motorul Stirling. Generalități și principiul de funcționare ” am descris detaliat stadiul actual al cercetărilor, principiul de funcționare, utilizări posibile și tipurile constructive ale motorului.
În capitolul 4: ,, Studiu de caz. Motorul Gama Stirling ” am concentrat cercetarea asupra tipului de motor Gama Stirling prin proiectarea 3D a tipului de motor, simularea mișcării și parametrilor, asamblarea modelului experimental și efectuarea unor serii de teste a combustibililor neconveționali pentru a constata influența proprietăților lor asupra parametrilor motorului.
În capitolul 5: ,, Concluzii, contribuții personale și direcții viitoare de cercetare ” sunt cuprinse concluziile cercetării și ale studiului de caz, contribuțiile personale și direcțiile viitoare de cercetare.
Considerații generale privind stadiul actual al preocupărilor în domeniul sistemelor de propusie
Istoricul și evoluția sistemelor de propulsie
În jurul anului 200 î.H. în timpul dinastiei Han a fost dezvoltată racheta. În primă fază aceste rachete erau folosite pentru artificii, dar au fost folosite treptat pentru propulsia proiectilelor între secolele X – XII.
Baza științifică din spatele designului motoarelor jet a fost dezvoltată în jurul anului 75 d.H. când Hero din Alexandria a început experimentele cu primul motor cu aburi. Motorul (figura 1. 1) era compus dintr-o sferă care avea atașate două țevi îndoite și un generator de abur care era eliminat prin cele două țevi și crea o forță de rotatie pe care o imprima sferei.
Fig 1. 1 Sfera lui Hero din Alexandria [1]
Primele încercări asupra zborului uman au avut la bază imitarea zborului păsărilor iar ca putere erau folosiți mușchii umani.
În anul 1680 matematicianul italian Giovanni Boreliorni a demonstrat că forța mușchilor umani nu este suficientă pentru zbor . Așa că dezvoltarea zborului sa orientat către aeronavele mai ușoare ca aerul .
În anul 1783 Jean Francois de Rozier și Marquis d’Arlandes au făcut primul zbor liber cu un balon cu aer cald. În acelși an Jaques Cesar Charles și Marie-Noel Robert au zburat cu un balon umflat cu hidrogen.
În 1809 , interesul asupra aeronavelor mai grele ca aerul a crescut datorită lui George Gayley care a introdus conceptul care consta în folosirea unei aripi fixe pentru a genera portanța și a unei instalații separate pentru generarea forței de propulsie.
În 1889 , Otto Lilenthal a publicat o lucrare de aerodinamică bazată pe informațiile obținute pe studiul aripilor păsărilor pentru zborul mecanic.
În 1896 , Samuel Langely a construit cu succes modele zburătoare fără pilot propulsate cu ajutorul unui motor cu aburi.
Dezvoltarea motoarelor aeroreactoare sa produs în mai multe etape astfel :
Etapa I – Începuturile motoarelor aeroreactoare 1860 – 1910
1863 – Jean Deluvie depune un brevet de aparat cu motor cu reacție (aeronavă).
1868 – Matthew Bolton (Anglia) propune un brevet de propulsor cu reacție directă folosind gazele de ardere.
1887 – Melikov (Scoția) propune un brevet de elicopter propulsat de un motor cu turbină cu gaze.
1908 – Lenne Laurent realizează proiectul primului motor reactor.
1910 – Apare prima aeronavă cu motor cu reacție: aparatul realizat de Henri Coandă. În data de 16 decembrie 1910 are loc primul zbor al unei aeronave propulsate de un motor cu reacție. Motorul era combinat și funcționa astfel: un motor cu piston de 50 CP antrena un compresor centrifugal care furniza aer comprimat în camera de ardere. În camera de ardere avea loc aprinderea amestecului carburant, iar forța de reacție pe care o dezvolta era de F=2200N.
1910 – Renné LeDuc descoperă principiul motorului statoreactor. Primul zbor al acestui tip de motor va avea loc în 1949. Proiectul primului motor statoreactor a fost propus de către Luigi Stipa.
Etapa a II-a – Primele proiecte de motoare cu reacție 1910-1940
Primele proiecte de motoare cu reacție sunt dezvoltate în cadrul școlilor engleze și germane de specialitate.
Școala engleză este remarcată în 1926 când dr. A. A. Griffith propune prima teorie a turbinei cu gaze.
În 1929 Sir Frank White realizează primul proiect de motor turbopropulsor cu compresor axial. Construiește primul compresor axial în 1936 pe care îl pune în funcțiune în 1940. Propune în 1929 utilizarea turbinei cu gaze. Depune actele primului brevet de motor turboreactor în 1930. Motorul, ce avea în compunere un compresor centrifugal, este încercat la bancul de probă în 1937.
În 1942 se dezvoltă familia de motoare 1-A
Contribuțiile școlii germane sunt reprezentate de Walst von Oheim care propune utilizarea turbinei cu gaze. Proiectează primul motor turboreactor cu compresor centrifugal în 1936. Forța de reacție obținută era de F=4100N.
În Suedia Lischop construiește prima turbină cu gaze în 1933, care va fi pusă în funcțiune în 1935.
În Franța, François Guillaume enunță pentru prima oară principiul de funcționare al turbinei cu gaze.
În 1937 Sauson realizează primul motor turboreactor carea avea să dezvolte o forță de 1000N.
Mey realizează prima încercare a unei turbine cu gaze ce dezvolta o putere de 500C.P.
În 1938 LeDuc depune actele de brevetare pentru o turbină cu ardere.
Melot proiectează primul turbopropulsor biejecție.
În Italia Secundo Campire brevetează în 1932 un motor torboreactor.
Etapa a III-a – Primele avioane cu motoare cu reacție 1940-1950
În Anglia este construit avionul Gloster E 28,29, propulsat de un motor White cu o forță de reacție de 7700N. Primul zbor are loc în data de 15 mai 1941, iar în iulie 1944, avionul intră în serviciu.
În Germania este construit avionul Heinkel 178. Primul zbor are loc în august 1939.
În Franța este realizat în 1948 primul motor turboreactor (Snecma), iar în 1950, primul motor turbopropulsor.
Se pun bazele firmei Turbomeca în 1940. Fabrica avea să producă motoare cu reacție de dimensiuni mici. În cadrul firmei este realizat primul compresor cu rețea de palete variabilă. Primul motor cu turbină cu gaze fabricat dezvolta 200C.P.
Etapa a IV-a – Inceputurile producției avioanelor militare cu motoare turboreactoare
În Anglia avionul Gloster Meteor zboară pentru prima oară în 1943 și intră în serviciul operativ în 1944.
În Germania avionul bimotor reactiv Messerschmidt Me 262 zboară pentru prima oară în 1941 și intră în serviciu în 1944. Me 262 are două motoare turboreactoare Dumont de 8500N fiecare.
Etapa a V-a – Primele avioane de transport civil cu motoare cu reacție
În Anglia este realizat în 1948 avionul Vickers Viscount 630 care avea motoare turbopropulsoare Rolls-Royce Trent.
Primul avion cu motor turboreactor este Comet I. Zboară pentru prima oară în 1949 și intră în serviciu în 1952. Este scos în același an din serviciu din cauza problemelor cauzate turboreactor în 1930. Motorul, ce avea în compunere un compresor centrifugal, este încercat la bancul de probă în 1937.
În 1942 se dezvoltă familia de motoare 1-A
Contribuțiile școlii germane sunt reprezentate de Walst von Oheim care propune utilizarea turbinei cu gaze. Proiectează primul motor turboreactor cu compresor centrifugal în 1936. Forța de reacție obținută era de F=4100N.
În Suedia Lischop construiește prima turbină cu gaze în 1933, care va fi pusă în funcțiune în 1935.
În Franța, François Guillaume enunță pentru prima oară principiul de funcționare al turbinei cu gaze.
În 1937 Sauson realizează primul motor turboreactor carea avea să dezvolte o forță de 1000N.
Mey realizează prima încercare a unei turbine cu gaze ce dezvolta o putere de 500C.P.
În 1938 LeDuc depune actele de brevetare pentru o turbină cu ardere.
Melot proiectează primul turbopropulsor biejecție.
În Italia Secundo Campire brevetează în 1932 un motor torboreactor.
Etapa a III-a – Primele avioane cu motoare cu reacție 1940-1950
În Anglia este construit avionul Gloster E 28,29, propulsat de un motor White cu o forță de reacție de 7700N. Primul zbor are loc în data de 15 mai 1941, iar în iulie 1944, avionul intră în serviciu.
În Germania este construit avionul Heinkel 178. Primul zbor are loc în august 1939.
În Franța este realizat în 1948 primul motor turboreactor (Snecma), iar în 1950, primul motor turbopropulsor.
Se pun bazele firmei Turbomeca în 1940. Fabrica avea să producă motoare cu reacție de dimensiuni mici. În cadrul firmei este realizat primul compresor cu rețea de palete variabilă. Primul motor cu turbină cu gaze fabricat dezvolta 200C.P.
Etapa a IV-a – Inceputurile producției avioanelor militare cu motoare turboreactoare
În Anglia avionul Gloster Meteor zboară pentru prima oară în 1943 și intră în serviciul operativ în 1944.
În Germania avionul bimotor reactiv Messerschmidt Me 262 zboară pentru prima oară în 1941 și intră în serviciu în 1944. Me 262 are două motoare turboreactoare Dumont de 8500N fiecare.
Etapa a V-a – Primele avioane de transport civil cu motoare cu reacție
În Anglia este realizat în 1948 avionul Vickers Viscount 630 care avea motoare turbopropulsoare Rolls-Royce Trent.
Primul avion cu motor turboreactor este Comet I. Zboară pentru prima oară în 1949 și intră în serviciu în 1952. Este scos în același an din serviciu din cauza problemelor cauzate de fuselaj. În 1958 apare Comet IV.
În Franța în 1955 Avionul Caravelle zboară pentru prima oară. Va intra în serviciu în 1959. Avionul are motoare Rolls-Royce Avon.
În S.U.A. aparatul Boeing 707, primul avion de transport civil care are motoare cu reacție, realizează primul zbor în 1954. Întră în serviciu în 1958.
În U.R.S.S. avionul Tupolev 104 realizează primul zbor în 1955. Întră în serviciu în 1956. Aparatul are motoare turboreactoare.
În 1958 este prezentat la Paris primul motor turboreactor dublu flux, Rolls-Royce Conway. [2]
1.2 Clasificarea sistemelor de propulsie
1.2.1 Motoare cu ardere externă
A . Motorul cu abur
Motorul cu abur cu piston , folosește energia furnizată de aburul de înaltă presiune. Energia pe care o eliberează aburul prin detentă poate fi utilizată la acționarea mașinilor.
Aburul de mare presiune este admis într-un cilindru în care se găsește un piston. Aburul se destinde în cilindru și împinge pistonul, efectuând astfel un lucru mecanic. Când pistonul ajunge la capătul cilindrului, respectiv la punctul mort sau de întoarcere, aburul destins se evacuează, iar aburul proaspăt este admis în partea opusă. Aburul proaspăt admis în compartimentul cilindrului opus celui în care s-a produs expandarea, acționează asupra pistonului, deplasîndu-l înapoi spre punctul de pornire.
B . Motorul Stirling
Motorul Stirling definește o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ. În acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru se află într-un spațiu închis numit sistem termodinamic, pe când la mașinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu ardere internă și câteva motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la folosirea unui schimbător de căldură intern care mărește sesizabil randamentul potențial al motorului Stirling. [3]
1.2.2 Motoare cu ardere internă
A. Motor cu aprindere prin scânteie în patru timpi ( Otto )
Motorul cu ardere internă în 4 timpi transformă energia chimică a combustibilului în energie termică (prin ardere, în interiorul camerei de ardere a motorului) si apoi în energie mecanică, prin deplasarea unui piston. Explozia gazelor în camera de ardere aplică o presiune pistonului, care se va deplasa împingând tija (biela) care la rândul ei învârte arborele cotit. Mecanismul de transmitere a mișcării pistonului la arborele cotit poartă numele de mecanism bielă-manivelă. Acest tip de motor va fi explicat în detaliu la capitolul 2 deoarece este necesară ințelegerea principiului de funcționare și părților componente pentru a scoate în evidență construcția asemănătoare cu motorul Stirling.
B. Motor cu aprindere prin compresie în patru timpi ( Diesel )
Motorul Diesel este un motor cu ardere internă, care foloseste temperatura rezultată din compresie, pentru a aprinde combustibilul care este injectat în camera de ardere (cilindru) în stadiul final a compresiei. Motorul diesel este aproape identic cu motorul pe benzină, care folosește ciclul Otto, în care amestecul combustibil-aer este aprins cu ajutorul scânteii de la bujie.
Motorul diesel folosește ciclul diesel (denumit după Dr. Rudolf Diesel). Motoarele diesel au cea mai mare eficiență termică, din cauza coeficientului de compresie.
Motoarele diesel sunt fabricate în versiuni de doi timpi și patru timpi. Ele au fost folosite mai demult pentru înlocuirea mai eficientă a motoarelor cu aburi staționare. De la începutul anilor 1910 ele au fost folosite pentru propulsarea vapoarelor si a submarinelor. Apoi a urmat folosirea lor în locomotive, camioane mari și centrale electrice. Începand din anii 1930 s-a ra
răspândit folosirea lor și în automobile. În 2007, aproximativ 50% din mașinile noi vândute în Europa sunt cu motor diesel.[4]
Motoare aeroreactoare pentru aeronave
Motoarele aeroreactoare reprezintă sisteme aeriene care au drept fluid de propulsie aerul, iar ca instalație de propulsie, un ajutaj de reacție. Forța de reacție se va obține în principal prin reacție directă a fluidului asupra sistemului, deci în principal forța este de reacție.
Motor turboreactor monoflux
Turboreactorul (engleză Turbojet) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la o presiune anume, peste presiunea atmosferică, astfel încât turbina extrage din fluxul de gaze arse doar puterea necesară antrenării compresorului.
Fig 1. 3 Turboreactor cu compresor axial [5]
În continuare, gazele de ardere se destind până la presiunea atmosferică într-un ajutaj plasat după turbină, ajutaj care generează forța de propulsie pentru avion.
Fig 1. 4 Turboreactor cu compresor centrifugal [6]
Turboreactoarele sunt eficiente la viteze de zbor relativ mari, cu numărul Mach peste 0,8 (cca. 900 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 800 km/h la nivelul zborului de croazieră).
Motor turboreactor dubluflux (Turboventilator)
Turboventilatorul (engleză Turbofan) este un turbopropulsor cu o elice carenată și cu multe pale (numită ventilator), cu funcționare economică și generând un zgomot redus. O parte din fluxul de aer antrenat de ventilator intră în compresor, iar restul curge în jurul carenajului motorului, generând și el o forță de tracțiune.
Fig 1. 5 Turboreactor dubluflux [7]
Motoare turbopropulsoare
Turbopropulsorul (engleză Turboprop) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la presiunea atmosferică, astfel că turbina extrage din fluxul de gaze arse o putere mai mare decât cea necesară antrenării compresorului. Puterea în plus este folosită la antrenarea unei elice plasată în fața motorului. Turbopropulsoarele sunt eficiente la viteze de zbor mai mici, cu numărul Mach între 0,5 și 1,0 (cca. 600 – 1200 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 500 – 1000 km/h la nivelul zborului de croazieră).
Fig 1. 6 Turbopropulsor [8]
1.2.4 Motoare electrice
Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două tipuri de mașini electrice, același dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situații diferite.
Motorul de curent continuu
Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător.
Fig 1. 7 Motor de curent continuu [9]
Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator. Astfel el a constatat, că generatorul "inițial" era de fapt o mașină electrică reversibilă, care putea lucra ca un convertizor de energie bidirecțional
Motorul de curent alternativ
Motoarele de curent alternativ funcționează pe baza principiului câmpului magnetic învârtitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla în 1882. În anul următor a proiectat un motor de inducție bifazat, punând bazele mașinilor electrice ce funcționează pe baza câmpului magnetic învârtitor. Ulterior, sisteme de transmisie prin curent alternativ au fost folosite la generarea și transmisia eficientă la distanță a energiei electrice, marcând cea de-a doua Revoluție industrială. Un alt punct important în istoria motorului de curent alternativ a fost inventarea de către Michael von Dolivo-Dobrowlsky în anul 1890 a rotorului în colivie de veveriță.[10]
Sisteme de propulsie alternative
Prin sistem de propulsie hibrid se înțelege prezența în cadrul sistemului de propulsie a două sau mai multe surse de energie distincte ce concură la propulsia aeronavei. Aeronava hibrid este așadar aeronava al cărui sistem de propulsie conține, pe lângă motorul cu ardere internă clasic sau motorul aeroreactor, încă cel puțin un sistem suplimentar, capabil să furnizeze moment de tracțiune la elicea, rotorul aeronavei. Sistemul suplimentar poate fi: electric, hidraulic, pneumatic sau mecanic. Sistemul suplimentar are și posibilitatea de a recupera energia în momentul de suprasarcină și al decelerării.
Din punct de vedere al sistemului suplimentar ce intră în alcătuirea unei aeronave putem distinge următoarele categorii de sisteme de propulsie alternative:
sistem de propulsie hibrid – electric
Prin sistem de propulsie hibrid – electric se înțelege sistemul de propulsie ce combină sistemul de propulsie convențional cu un sistem de propulsie electric cuplat fie în serie, fie în paralel.
sistem de propulsie hibrid – hidraulic
Prin sistem de propulsie hibrid – hidraulic se înțelege acel sistem de propulsie care pe lângă sistemul convențional de propulsie mai are și un sistem hidraulic alcătuit din motor și/sau pompă hidraulică, acumulator hidraulic de înaltă presiune și acumulator hidraulic de joasă presiune. Acumulatorul hidraulic înmagazinează energia hidraulică. Funcționând ca un motor, sistemul de propulsie hidraulic utilizează uleiul presurizat din acumulatorul de înaltă presiune pentru propulsarea aeronavei. În modul de funcționare ca pompă hidraulică, sistemul de propulsie hidraulic represurizează lichidul hidraulic folosind fie energia cinetică a aeronavei, fie motorul termic.
sistem de propulsie hibrid – pneumatic
Sistem de propulsie hibrid – pneumatic este acel sistem hibrid care are două sau mai multe sisteme care concură pentru a propulsa aeronava. În acest caz sistemul de propulsie suplimentar pe lângă cel convențional cu motor cu ardere internă este sistemul pneumatic care este alcătuit dintr-un rezervor de aer comprimat (ce poate ajunge până la 30 MPa), un motor pneumatic fie liniar fie rotativ.
1.3 Combustibili potențiali convenționali
1.3.1 Tipuri de combustibili
O importanță deosebită asupra performanțelor unui sistem de propulsie o are caracteristicile combustibililor utilizați.
Ca urmare este utilă, în continuare o scurtă prezentare a combustibililor propuși spre a fi utilizați în motoarele aeroreactoare. În general, discuția se va face pe marginea a trei categorii de combustibili:
hidrogen
hidrocarburi
solid
Hidrogenul
Hidrogenul și, în special, hidrogenul lichid, pare să fie combustibilul ideal pentru sistemele de propulsie de viteză mare, datorită caracteristicilor sale:
conținut mare de energie pe cantitate de masă, mult mai mare decât hidrocarburile clasice. Ca atare, impulsul său specific este mare;
căldură latentă de vaporizare de aproape 20 de ori mai mare decât a combustibililor convenționali, fapt pentru care este folosit la prerăcirea aerului și a diferitelor componente ale structurii;
stabilitate mare, ceea ce face ca încălzit, la temperaturi mari, să nu se degradeze, din punct de vedere termic;
căldură specifică ridicată. Ca atare, poate produce un lucru mecanic mare la destinderea sa în turbină.
Dezavantaje:
are o densitate mică, deci, impulsul său volumetric este mic și, ca atare, necesită rezervoare mari pentru stocare.
este inflamabil și, prin urmare, este periculos la manipulare.
Hidrocarburile
În prezent, aproape toate motoarele aeroreactoare folosesc combustibili cum ar fi JP-4, JP-5 și RP-1.
Deoarece hidrocarburile au o căldură de vaporizare mult mai mică decât hidrogenul sunt preferate pentru viteze de zbor M < 5.
Densitatea lor permite înmagazinarea lor în rezervoare de volum mult mai mic.
Combustibili solizi
Acești combustibili sunt, evident, mai denși decât cei lichizi, deci oferă un impuls specific volumetric mai mare. De aici, interesul curent față de combustibili solizi, ei necesitând un volum redus pentru stocare. Ca urmare, acești combustibili sunt utilizați pentru motoare statoreactoare, motoare rachetă și motoare de accelerare (booster).
Impulsul lor specific este mai mare decât al hidrogenului. Deoarece borul are o energie mare, el constituie un combustibil solid preferat.
Dezavatajele borului, prezent în compoziția combustibililor solizi, sunt acelea că reduce randamentul arderii și produce fum, când arderea se face la presiuni mici.
1.3.2 Comparație între combustibili
Din cele prezentate anterior reiese că se pot utiliza, pentru aceste sisteme de propulsie, combustibili cu hidrocarburi, metan lichid sau hidrogen lichid. Folosirea unor combustibili, alții decât kerosenul, conduce la modificări ale motoarelor.
In figura 1.8 este reprezentat potențialul motoarelor aeroreactoare, pentru diferite tipuri de motoare, utilizând ca propelant hidrogenul.
Fig. 1. 8 În figură, domeniile marcate reprezintă funcționarea:
I, motoarelor turboreactoare;
II, motoarelor statoreactoare cu ardere subsonică;
III, motoarelor statoreactoare cu ardere supersonică
O altă comparație, între combustibili are în vedere alegerea acestuia în funcție de performanțele, masa și mărimea sistemului de propulsie, figura 1. 9.
Fig. 1. 9 Comparație între combustibili
Se pot constata avantajele oferite de hidrogen, sub toate aspectele:
masa de hidrogen generează aceeași energie ca și kerosenul;
capacitate de răcire este mai mare de 21 de ori decât cea a kerosenului;
volumul rezervoarelor este de 4 ori mai mic decât al rezervoarelor pentru kerosen, deoarece densitatea hidrogenului este de 12 ori mai mică decât cea a kerosenului;
este avantajos a fi utilizat pentru zboruri hipersonice.
1.4 Aspecte privind protecția mediului
Poluanții emiși de turbinele cu gaze sunt aceiași ca în oricare alt proces de ardere: dioxizii de carbon (CO2) și de sulf (SO2), monoxidul de carbon (CO) și oxizii de azot (NOx).
Reducerea CO2 este limitată de fenomenul de ardere în sine, cantitățile emise fiind proporționale cu cantitățile de combustibil ars. Reducerea acestor emisii se poate face prin îmbunătățirea randamentului ciclului termic, îmbunătățire care, pentru o putere dată a turbinei, determină un consum de combustibil mai redus.
Reducerea SO2 se poate obține numai folosind un combustibil fără sulf. De aceea este preferat gazul natural. Dacă se folosesc combustibili lichizi (de exemplu la turbinele mobile), este preferabilă desulfurarea prealabilă a combustibilului la rafinărie.
Reducerea CO se poate obține printr-o ardere completă din punct de vedere chimic (ardere perfectă) a combustibilului, lucru care necesită cantități de aer sporite în procesul de ardere, însă acest lucru nu este o problemă la turbinele cu gaze, care oricum funcționează cu cantități de aer mai mari decât strict cele necesare arderii. Eventualele urme pot fi eliminate prin metode SCR – reducere selectivă catalitică (engleză Selective Catalytic Reduction).
Reducerea NOx se poate obține prin scăderea temperaturilor de ardere, ceea ce însă afectează randamentul ciclului, sau prin reducerea chimică a NOx format, de exemplu prin procedee SCR sau SNCR – reducere selectivă necatalitică (engleză Selective Non-Catalytic Reduction). Ambele procedee au dezavantaje, SCR necesită catalizatori scumpi, care se consumă, iar SNCR produce emisii de amoniac (NH3).
Măsurile de reducere ale poluanților sunt costisitoare și se justifică în cazul emisiilor totale mari, în speță pentru țările industrializate.[11]
2. Repere teoretice privind turbomotoarele și motoarele cu piston
În acest capitol sunt prezentate două tipuri de sisteme de propulsie ce echipează elicopterele militare și cele de uz civil din punct de vedere constructiv, mod de funcționare și o comparație a performanțelor. Este necesară explicarea funcționării celor două sisteme de propulsie deoarece motorul Stirling studiat în capitolele 3 și 4 se aseamănă cu motorul cu piston dar are proprietăți asemănătoare cu cele ale turbomotorului.
2.1 Descrierea și funcționarea turbomotoarelor
O importantă dezvolatre a elicopterelor sa datorat implementării turbomotorului, înlocuind motorul cu piston. O îmbunătățire substanțială a performanței sa datorat greutății mici a motorului și a puterii mari pe care o generază. Kaman Aircraft Company (S.U.A. 1951) a construit primul elicopter echipat cu turbomotor, instalând un singur motor Boeing de 175 CP pe elicopterul K-225. În 1954, Kaman a construit primul elicopter cu două turbomotoare Boeing care generau în total 350 CP înlocuind un motor cu piston de 240 c.p. care avea aceeași greutate. De atunci turbomotoarele au devenit sistemele de propulsie standard pentru aproape toate elicopterele.
În anii ce au urmat câteva modele de elicoptere au stabilit multe recorduri de producție, au fost cunstruite și câteva elicoptere foarte mari.
Datorită implementării turbomotorului folosința elicopterelor a crescut devenind un factor important în sistemul de transpot aerian.
2.1.1 Părțile componente pricipale
Fig 2. 1 Componentele principale ale unui turbomotor [12]
A. Dispozitivul de admisie
Are rolul de a asigura admisia și direcționa aerul atmosferic necesar funcționării camerei de ardere. Turbomotoarele în funcție de varianta constructivă pot avea priză de aer frontală pentru turbomotoarele cu turbină liberă (figura 2. 2) și priză de aer laterală pentru turbomotoarele monobloc (figura 2. 3).
Fig 2. 2 Priză de admisie frontală Fig 2. 3 Priză de admisie laterală
B. Compresorul are rolul de a asigura creșterea presiunii și vitezei aerului la valorile necesare funcționării corecte a camerei de ardere.
Compresoarele turbomotoarelor sunt clasificate astfel:
Centrifugale
Compresorul centrifugal are un raport de comprimare pe treaptă mai mare, așadar pentru un raport de compresie total dat sunt necesare mai puține trepte, prin urmare agregatul rezultă mai ușor. Trebuie menționat că randamentul acestor compresoare este destul de mic în comparație cu cele axiale. Actual este folosit pe scară destul de largă la turbomotoarele pentru elicoptere mici, unde agregatele trebuie să fie cât mai ușoare.
Fig 2.4 Rotor compresor centrifugal [13]
Axiale
Compresoarele axiale au raportul de compresie pe treaptă mai mic, prin urmare pentru un raport de comprimare total dat sunt necesare mai multe trepte, agregatul rezultat fiind mai lung și cu diametru mai mic. Randamentul acestor compresoare este sesizabil mai mare. Acest tip de compresor este folosit pe scară largă la motoarele aeroreactoare pentru propulsia aeronavelor unde contează diametrul mic și randamentul bun.
Fig 2.5 Rotoare compresor axial [14]
Mixte (o treaptă de compresor axial cu rolul de a supraalimenta treapta de compresor centrifugal)
Fig 2.6 Compresor mixt de la motorul ARTOUSTE III B
C. Camera de ardere are rolul de a amesteca aerul comprimat furnizat de compresor cu combustibilul fin pulverizat, arederea amestecului combustibil și dirijarea gazelor arse către turbină. Ea poate fi de două tipuri: inelară (figura 2. 9) sau individuale (figura 2. 8).
Fig 2. 8 Camere de ardere individuale [15]
D. Turbina asigură transformarea energiei cinetice a gezelor arse în camera de ardere în energie mecanică pentru antrenarea compresorului, accesoriilor motorului și rotoarelor elicopterului.
Din punct de vedere al rezistenței termice și mecanice o treaptă de turbină, spre deosebire de una de compresor are în față statorul și în spate rotorul.
La turbomotorul monobloc cu compresor mixt turbina și compresorul centrifugal sunt montate pe același arbore care este cuplat prin intermediul unui manșon cu arborele compresorului axial; ansamblul compresor centrifugal și turbina fiind montat pe un singur arbore poartă denumirea de ansamblu turnant.
Fig 2. 9 Cameră de ardere inelară și turbină fixă în trei trepte
E.Efuzorul asigură dirijarea gazelor arse și evacuarea lor în atmosferă. În plus, asigură și aerul cald destinat unor echipamente auxiliare ale celulei.
Dispozitivul de evacuare sau efuzorul este montat pe carterul turbinei cu ajutorul unui inel de fixare. Efuzorul nu este considerat un echipament ce face parte din instalația motorului, ci din cea a celulei.
2.1.2 Funcționarea
Aerul atmosferic, captat prin priza de aer, este comprimat cu ajutorul treptelor de compresor astfel încât presiunea și viteza aerului cresc până la valorile necesare bunei funcționări a camerei de ardere. În camera de ardere aerul comprimat este amestecat cu combustibilul fin pulverizat și aprins. Presiunea gezelor rezultate în urma arderii este direcționată spre turbină.
Energia cinetică a gazelor este transformată în energie mecanică de către turbină care generează putere la arbore pentru antrenarea compresorului si agregatelor motorului, cât și putere suplimentară pentru antrenarea în rotație a rotorului portant și rotorului anticuplu. Pentru un turbomotor cu trei trepte de turbină, prima treaptă generează energia necesară antrenării compresorului și agregatelor, iar următoarele două trepte generază puterea suplimentară pentru rotoare.
2.2 Descrierea și funcționarea motorului cu piston (Otto)
Motorul cu piston în patru timpi transformă energia combustibilului în energie termică prin arderea lui în interiorul camerei de ardere (cilindrului) și apoi în energie mecanică prin deplasarea unui piston.
Explozia amestecului de aer cu combustibil în interiorul cilindrului aplică presiune asupra pistonului, care duce la deplasarea sa împingând biela, care la rândul ei învârte arborele cotit.
Mecanismul prin care se transmite mișcarea pistonului la arborele cotit poartă numele de mecanism bielă-manivelă.
În figura de mai jos (figura 2.10) sunt prezentate principalele componente ale motorului cu ardere internă, în patru timpi, cu aprindere prin scânteie electrică. În continuare vor fi descrise pentru a se putea înțelege despre ce este vorba.
Fig 2. 10 Componentele motorului în patru timpi [16]
Cilindrul este componenta în care clulisează pistonul. Motorul descris mai sus are patru cilindri, dar în general motoarele pot avea mai mulți cilindri (6, 8 sau chiar 16).
Motoarele cu mai mulți cilindri (figura 2. 11 și figura 2. 12) după soluția construcivă pot fi: în linie, în V, opuși orizontal (boxer) sau în stea (folosite în aviație).
Fig 2. 11 Cilindri în linie, în V, Boxer
Fig 2. 12 motor cu cilindri în stea
Pistonul (figura 2.13) este piesa superioară din mecanismul bielă-manivelă, confecționat din aliaj de aluminiu turnat, cu formă cilindrică, care culisează în înteriorul cilindrului.
Fig 2. 13 Piston din aliaj de aluminiu [17]
Segmenții (figura 2. 14) sunt inele elastice, montate în canelurile circulare ale pistonului din figura 2. 13, care au diferite roluri în funcție de poziție: de a proteja ceilalți segmenți în momentul exploziei, de a etanșa jocul dintre cilindru și piston, de ungere raclare a uleiului care se depune pe peretele inferior al cilindrului.
Fig 2. 14 Segmenți motor John Deere [18]
Bujia este o piesă esențială a unui motor cu aprindere prin scânteie care are rolul de a aprinde amestecul carburant în cilindru prin producerea unei scântei electrice între doi electrozi la un moment bine determinat.
Fig 2. 15 Componente bujie [19]
Supapele îndeplinesc rolul de a deschide și închide orificiile prin care se efecuează admisia combustibilului în cilindru și evacuare gazelor arse. Supele au o mișcare de translație, fiind comandate de camele axului cu came.
Fig 2. 16 Supape [20]
Camera de ardere este locul unde are loc compresia și arderea amestecului de aer cu combustibil. Camera de ardere își variază volumul odată cu mișcarea pistonului. Capacitatea camerei de ardere oferă de obicei indicii asupra puterii motorului.
Biela are forma unei tije sau a unei bare. Ea face legătura dintre piston și arborele cotit. Este legată articulat la ambele capete de piston și respectiv brațul arborelui cotit, așa încât, împreună cu arborele cotit, transformă mișcarea de translație a pistonului în mișcarea de rotație a arborelui cotit.
Fig 2. 17 Biele [21]
Arborele cotit (Vibrochenul) este cel care, împreună cu biela, transformă mișcarea de translație care vine de la piston, în mișcare circulară.
Fig 2. 18 Arbore cotit [22]
Timpii de funcționare ai unui motor cu ardere internă și aprindere prin scânteie sunt:
Admisia
În timpul 1 supapa de admisie se deschide, iar în timp ce pistonul se deplasează spre punctul mort inferior (PMI), în cilindru este absorbit amestecul carburant datorită depresiunii formate.
Fig 2. 19 Admisia
Compresia
După ce pistonul a ajuns în punctul mort inferior, supapa de admisie se închide. Supapa de evacuare este și ea închisă. În timp ce pistonul se deplasează înspre punctul mort superior (PMS), acesta comprimă amestecul carburant din cilindru până la o rată de aproximativ 9:1.
Fig 2. 20 Compresia
Aprinderea
La sfârșitul compresiei, când pistonul a ajuns la punctul mort superior și ambele supape sunt închise, bujia produce o scânteie între electrozii ei. Scânteia aprinde amestecul carburant care începe să ardă. Temperatura rezultată are în jur de 2000°C și presiunea de aproximativ 25 atm. Gazele produc forță mare de apăsare asupra pistonului împingâdu-l spre punctul mort inferior. În timp ce pistonul coboară, gazele se destind – are loc detenta. Acesta este singurul moment când se produce lucru mecanic.
Fig 2. 21 Aprinderea
Evacuarea
Supapa de admisie este pe poziția închis, iar cea de evacuare este deschisă, în acest fel se permite gazelor arse din cilindru să fie împinse afară din cilindru de pistonul care se deplasează de la punctul mort inferior spre punctul mort superior.
Fig 2. 22 Evacuarea
2.3 Compararea turbomotorului cu motorul cu piston
2.3.1 Avantajele turbomotoarelor față de motoarele cu piston
Mai puține piese în mișcare: Turbomotorul are doar un singur ansamblu principal în mișcare, pe când un motor cu piston are multe piese în mișcare.
Putere egală la o greutate mai mică: Pentru o putere egală un turbomotor poate avea jumătate din greutatea unui motor cu piston.
Mai eficient: Un motor cu piston are o eficiență de aproximativ 20% – 30%, pe când un turbomotor are o eficiență de aproximativ 40% – 50%.
Mai durabil: Deoarece turbomotorul are puține piese în mișcare, timpii de funcționare și intervalele de timp dintre reparații sunt mai mari.
Raza de acțiune mai bună: Eficiența turbomotorului crește cu altitudinea. La motoarele cu piston efectul este invers.
Mișcarea continuă a fluxului de aer: Fluxul de aer prin turbomotor este continuu, pe când prin motorul cu piston aerul este absorbit, oprit, ars și apoi evacuat. Având un flux continuu înseamnă că puterea disponibilă este mai mare.
2.3.2 Dezavantajele turbomotoarelor față de motoarele cu piston
Costuri ridicate: Prețul unui turbomotor este mult mai ridicat comparativ cu un motor cu piston, pe de altă parte acest extra cost este justificat prin avantajele pe care le oferă.
Este fragil: Un turbomotor nu este chiar atât de robust ca un motor cu piston, este necesar ca lucrările să se facă cu foarte mare atenție, scule speciale și personal foarte pregătit. O atenție deosebită este necesară din partea piloților pentru a feri motorul de ingestia păsărilor și obiectelor străine.
Probleme de funcționare: Chiar dacă prin turbomotor fluxul de aer este continuu și funcționează la turație constantă, temperaturile care se ating in camera de ardere sunt foarte mari. Supraalimentarea induce fenomenul numit pompaj care cauzează vibrații și deteriorarea lagărelor, palelor compresoarelor și turbinei.
3. Motorul Stirling. Generalități și principiul de funcționare
Denumirea de „mașini Stirling“ se referă la mașinile termice cu pistoane care funcționează după ciclul termodinamic Stirling cu sau fără regenerarea căldurii.
Ciclul termodinamic Stirling este ciclul compus din două transformări izotermice (desfășurate, evident, la temperaturile minimă Tm și maximă TM între care funcționeazămașina) legate între ele prin două transformări izocorice (care au loc la volumele maxim și minim ocupate de agentul de lucru în cilindru), ca în figura 3.1.
Fig 3. 1 Ciclul Stirling
Mașinile Stirling utilizează ca agent de lucru un gaz (aer, heliu, hidrogen) care evoluează într-un sistem închis. Există o singură excepție, motorul Malone, în care ciclul Stirling este realizat de un agent de lucru în stare lichidă.[23]
Mașinile Stirling pot funcționa atât după ciclul termodinamic direct cât și după ciclul termodinamic inversat.
Mașinile Stirling care funcționează după ciclul termodinamic direct – numite motoare Stirling – reprezintă o soluție actuală și în același timp de perspectivă pentru transformarea căldurii în lucru mecanic.
Motoarele Stirling prezintă o serie de avantaje, între care se amintesc posibilitatea de a utiliza orice sursă de căldură, randamentul termic ridicat, poluarea redusă și funcționarea silențioasă. Datorită avantajelor specifice, pentru multe domenii de utilizare (producerea energiei electrice pe sateliți sau pe nave cosmice destinate zborului spre planete îndepărtate, motorizarea unor submarine, cogenerarea energiei electrice și termice etc.) motoarele Stirling reprezintă soluții de real succes. Alături de motoarele Stirling construite după scheme clasice pot fi menționate și soluții cu totul deosebite de realizare a ciclului Stirling: motorul cu agent de lucru în fază lichidă precum și motorul Stirling cu pistoane lichide.
Prima mașină Stirling a fost un motor și a fost brevetată în anul 1816. Motorul folosea ca agent de lucru aerul și era dotat și cu un recuperator de căldură (deși acest recuperator era subdimensionat față de recuperatoarele motoarelor actuale). Scoțianul Robert Stirling (1790 -1878), inventatorul acestui motor, l-a construit și, în anul 1818, l-a pus în funcțiune. Motorul ardea cărbune, furniza 2 cai putere și era folosit pentru pomparea apei dintr-o carieră de piatră.
În secolul al XIX-lea motoarele Stirling au cunoscut o dezvoltare remarcabilă, astfel că în preajma anului 1900 în Marea Britanie și în SUA se aflau în exploatare peste 10.000 de astfel de motoare. La începutul secolului al XX-lea motoarele cu ardere internă și motoarele electrice, mai performante decât vechile motoare Stirling, le-au înlocuit practic din toate utilizările industriale. În mod asemănător au fost înlocuite și motoarele cu piston cu abur, foarte răspândite și ele în acea vreme.
Renașterea interesului pentru motoarele Stirling se plasează în deceniul al patrulea al secolului trecut, când inginerii de la firma Philips au început proiectarea unui mic motor termic policarburant silențios destinat pentru antrenarea unor generatoare electrice care să încarce bateriile de acumulatoare ale stațiilor radio de emisie – recepție din zonele izolate. Utilizând materiale și tehnologii moderne, inginerii firmei Philips au adus motorul inventat de Robert Stirling la performanțe tehnice absolut remarcabile. De exemplu, randamentul efectiv al unui astfel de motor depășea 40%.
După anul 1950 multe firme prestigioase – cum ar fi MAN-MWM, General Motors, Ford, United Stirling A.B. din Suedia dar și altele – au cumpărat licența pentru motoarele Stirling Philips. Ulterior au dezvoltat programe de cercetare în domeniul motoarelor Stirling și alte firme și organizații, între care iese în evidență NASA. Au fost realizate numeroase construcții de motoare Stirling, având ca destinație:
motorizarea unor iahturi și submarine;
motorizarea torpilelor;
motorizarea unor automobile sau autobuze;
antrenarea unor generatoare de energie electrică;
antrenarea inimii artificiale (soluție tehnică experimentată pe vaci, motorul fiind răcit de sânge);
cogenerarea energiei electrice și termice;
motogeneratoare electrice pentru utilizări cosmice;
antrenarea unor mașini frigorifice Stirling pentru producerea frigului ecologic, fără folosirea freonilor (sub forma mașinii duplex).
Și în România s-au făcut cercetări pentru realizarea unui motor Stirling. Aceste cercetări s-au desfășurat între anii 1985 și 1989 la Institutul Național de Motoare Termice din București. La program au participat și specialiști de la ICPIAF [24] Cluj Napoca și de la ICEMENERG București. Dintre motoarele Stirling moderne cel mai cunoscut este motorul cu două pistoane într-un singur cilindru realizat de inginerii firmei Philips din Olanda conform schemei din figura 3.2.
O unitate funcțională de motor Stirling Philips (care corespunde din punct de vedere termodinamic unui monocilindru de motor cu ardere internă) are în compunerea sa un cilindru 9, trei schimbătoare de căldură și un mecanism motor. În cilindru se află un piston împingător 4 și un piston de lucru 8. Schimbătorul de căldură încălzitor 2 este format dintr-un fascicul de țevi metalice subțiri care pornesc din camera de destindere 3, trec prin camera de ardere 1 și ajung în regeneratorul 5. Regeneratorul este amplasat în jurul cilindrului și are în interior o masă de acumulare a căldurii, de cele mai multe ori formată din straturi de plasă metalică. Schimbătorul de căldură răcitor 6 este compus dintr-un fascicul de țevi răcite la exterior cu apă și face legătura dintre regenerator și camera de comprimare 7. Mecanismul motor transformă mișcarea de translație a pistoanelor în mișcare de rotație și asigură defazarea necesară între mișcările pistoanelor. Mecanismul motor al motorului Stirling Philips este compus din patru mecanisme bielă – manivelă, dezaxate puternic (în comparație cu dezaxările uzuale de la motoarele cu ardere internă). Mecanismele sunt plasate simetric față de axa cilindrului. Mecanismul are patru biele, de unde și denumirea de mecanism romboidal. Pistonul împingător 4 este echipat cu o tijă 12 care trece prin pistonul de lucru și prin tija acestuia și se termină cu un jug la capetele căruia sunt articulate bielele inferioare. La fel, pistonul de lucru 8 este echipat cu o tijă 10 care se termină și ea cu un jug la care sunt articulate celelalte două biele (superioare). Pentru sincronizarea mișcării de rotație a arborilor cotiți 14 s-a introdus angrenajul de sincronizare 15. Mecanismul motor este închis într-un carter. Lucrul mecanic produs poate fi transmis utilizatorului prin oricare dintre arbori.
După aprinderea focului în camera de ardere și după punerea în mișcare a mecanismului motor (cu ajutorul unui demaror) motorul Stirling începe să funcționeze, teoretic realizând la fiecare rotație completă câte un ciclu termodinamic Stirling. Funcționarea este prezentată în detaliu în subcapitolul 3.4.
Fig 3. 2 Schema constructivă a motorului Stirling Philips:
1 – cameră de ardere; 2 – încălzitor; 3 – cameră de destindere; 4 – piston
împingător; 5 – regenerator; 6 – răcitor; 7 – cameră de comprimare; 8 – piston de
lucru; 9 – cilindru; 10 – tija pistonului de lucru; 11 – cameră de amortizare; 12 – tija
pistonului împingător; 13 – bielă; 14 – arbore cotit; 15 – angrenaj de sincronizare
Pentru ca mașina să funcționeze este necesar ca cele două pistoane să se deplaseze astfel încât să asigure prezența gazului în camera de destindere când presiunea din cilindru este ridicată și prezența gazului în camera de comprimare când presiunea este scăzută. Astfel se asigură destinderea agentului când acesta are temperatură ridicată și comprimarea lui la temperatură scăzută. Pistonul motor are rolul de a modifica volumul total ocupat de agent în cilindru iar pistonul împingător are rolul de a muta gazul din camera de comprimare în camera de destindere și invers, punându-l în contact alternativ cu cele două surse de căldură.
Regeneratorul are rolul de a reține o parte din căldura pe care agentul o cedează în timpul deplasării sale din camera de destindere în camera de comprimare (transformare teoretic izocorică) și de a reintroduce în ciclu această căldură atunci când agentul parcurge drumul invers (într-o transformare teoretic izocorică). Prezența regeneratorului mărește mult randamentul termic al mașinii.
3.1 Contribuțiile unor firme și organizații la dezvoltarea motoarelor Stirling
Primii care au achiziționat (în 1958) licența pentru motoare Stirling-Philips au fost cei de la firma americană General Motors din Detroit, care au dezvoltat cercetări privind construcția de motoare Stirling pentru automobile și motociclete, pentru submarine și nave de suprafață, precum și pentru utilizări în cosmos.
Au mai preluat licențele firmei Philips consorțiul german MAN-MWM (în 1967) și firma suedeză United Stirling AB din Malmö (în 1968). Aceste două firme au colaborat, realizând motoare Stirling pentru autovehicule și pentru grupuri energetice destinate unor nave de suprafață sau unor submarine. Din punct de vedere constructiv aceste motoare erau cu mecanism romboidal sau cu mecanism motor cu placă înclinată. [25], [26], [27]
În aceeași perioadă au început cercetări în domeniul motoarelor Stirling și la firma McDonnell Douglas Astronautics Co. din localitatea Richland din statul american Washington.
Tabel 3.1 Motoare Stirling
Tabel 3.1 (continuare)
După 1970 guvernul SUA, prin Department of Energy (DOE), a finanțat NASA pentru a efectua cercetări în domeniul instalațiilor energetice cu motoare Stirling de putere mare (370 … 1500 kW). Motoarele trebuiau să ardă cărbune sau deșeuri agricole și menajere. NASA continuă și în prezent cercetări privind instalații energetice cu motoare Stirling cu pistoane libere și cu generatoare electrice liniare, instalații destinate navelor cosmice.
Cercetări în domeniul motoarelor Stirling au fost efectuate de numeroase alte firme și organizații mai mari sau mai mici, unele dintre ele fiind citate în bibliografie.
Cele mai cunoscute motoare Stirling fabricate după 1950 sunt prezentate în tabelul 3.1. [28],[29],[30]
3.2 Utilizări posibile ale motoarelor Stirling
3.2.1 Motoare stirling pentru autovehicule
De la bun început trebuie observat că interesul pentru motoare Stirling destinate autovehiculelor ca sursă alternativă de energie mecanică a fost determinat în mare măsură de conjunctura de pe piața mondială a energiei. Astfel, criza energetică din deceniul al șaptelea al secolului trecut a dat un foarte serios impuls cercetărilor în domeniul utilizării energiilor neconvenționale (eoliană, solară, geotermică, a valurilor) precum și cercetărilor în domeniul perfecționării instalațiilor energetice clasice. În acest context, atât în SUA cât și în Europa, cercetările teoretice și experimentale pentru crearea de motoare Stirling pentru autovehicule au avut o dezvoltare rapidă, obținându-se aproape imediat rezultate concrete.
Motorul Stirling posedă numeroase avantaje potențiale, care îl recomandă pentru autovehicule. Astfel, motorul Stirling are un nivel foarte scăzut al zgomotelor și al vibrațiilor și o toxicitate redusă a gazelor de ardere evacuate, chiar și fără folosirea sistemelor catalitice de depoluare, deoarece arderea se face în exteriorul cilindrului. Un alt avantaj important este acela că motorul Stirling poate funcționa cu orice fel de combustibil – fiind într-adevăr un motor policarburant – sau cu alte surse de căldură (în primul rând cu acumulatoare de căldură). Totodată, motorul Stirling are un randament ridicat, comparabil cu cel al motoarelor Diesel, sau mai bun.
În afara celor arătate mai sus, motorul Stirling are o curbă caracteristică cuplu motor – turație favorabilă folosirii lui pe autovehicule (în special la turații mici).
Dintre neajunsurile motoarelor Stirling pentru autovehicule se menționează gabaritul și masa, amândouă mai mari decât cele ale motoarelor cu ardere internă comparabile ca putere, precum și răspunsul mai lent la schimbarea sarcinii și turației.
În munca pentru introducerea motoarelor Stirling pe autovehicule au fost angrenate numeroase firme și centre de cercetări, între care Ford, Philips, United Stirling A.B., MAN-MWM, NASA etc.
Cercetările complexe efectuate de firmele Ford și Philips au dus la realizarea de motoare Stirling cu dublă acțiune cu mecanism motor cu placă înclinată, de puteri până la 60 – 70 kW. Motorul (de tip 4-235 DA, Tabelul 3.1.) a funcționat pe autoturisme Ford Spirit, Ford Concorde [31], Ford Torino (model 1973, [31]). Împreună cu United Stirling A.B., firma Ford a experimentat motoare Stirling pe autoturisme Ford Taunus, în 1976.
Independent de Ford, General Motors a construit un motor Stirling care a fost montat pe un autoturism Opel Kadett, realizându-se astfel autoturismul Stir-Lec. În motorizarea autoturismului motorul Stirling funcționa la turație constantă și antrena un generator electric de curent alternativ trifazat. Curentul electric era redresat și alimenta o baterie de acumulatoare electrice, după care trecea printr-un inversor și alimenta un motor electric asincron pentru tracțiune.
În deceniul al șaptelea al secolului trecut firmele Philips și General Motors au desfășurat cercetări pentru exploatarea calităților nepoluante ale motoarelor Stirling pentru autoturisme, prin construirea de motoare cu acumulatoare de căldură. S-au folosit acumulatoare de căldură de înaltă temperatură, care înmagazinează energia termică în oxizi de aluminiu (AL2O3) sau în fluorură de litiu (LiF). De la acumulatorul de căldură până la încălzitorul motorului Stirling căldura era transportată cu ajutorul unor tuburi termice de înaltă temperatură cu metale topite (Na, K). Varianta motorului Stirling cu tuburi termice a fost experimentată pe un automobil pentru serviciul de Salvare [32], care avea o autonomie de 75 km. Pe autovehiculele cu motor Stirling cu acumulatoare de căldură exista posibilitatea recuperării energiei cinetice a vehiculului. În timpul frânării motorul funcționa în regim de pompă de căldură, încărcând acumulatorul de căldură [33].
Tuburile termice pot fi folosite și pentru transportul căldurii de la un foc de lemne făcut într-o vatră de pietre până la un mic motor Stirling care antrenează un generator electric într-o regiune izolată, ceea ce amintește de primele proiecte ale firmei Philips [34].
Motoarele Stirling echipate cu acumulatoare de căldură sunt potrivite și pentru motorizarea vehiculelor destinate transportului subteran, acumulatoarele fiind încărcate cu căldură în punctele de stație pentru descărcarea minereurilor.
Firma Philips a fabricat motorul Stirling 4-235 (Tabelul 3.1.) în mai multe variante constructive, cu cilindri verticali în linie sau cu cilindri orizontali în opoziție, variante pe care le-a experimentat pe diverse vehicule, între care și autobuzele DAF S3200.
Importante realizări în folosirea motoarelor Stirling pe autocamioane și pe autobuze au fost obținute în deceniul al optulea al secolului trecut de firma United Stirling A.B.. Prima realizare a fost motorul Stirling 4-615 în licență Philips, având mecanism romboidal cu patru cilindri în linie și puterea de 140 kW la turația maximă de 2400 rot/min [35]. Motorul s-a comportat bine în timpul probelor, dar avea o masă raportată la putere prea mare și era destul de complicat și scump de fabricat. Un motor pentru autobuze mai performant realizat tot de United Stirling A.B. este motorul P150V8, cu mecanism motor bielă – manivelă și cu cilindrii așezați în V (motorul avea camerele caldă și rece amplasate în cilindri diferiți, V-ul referindu-se la așezarea acestora). Cei patru cilindri ai pistoanelor împingătoare și încălzitoarele formau un braț al V-ului iar cilindrii pistoanelor motoare și răcitoarele celălalt braț, între brațe fiind plasate regeneratoarele de căldură. Motorul dezvolta o putere de 150 kW la 2400 rot/min și putea lucra cu turații între 500 și 2400 rot/min.
Cercetările efectuate până în ultimul deceniu al secolului trecut pentru dezvoltarea de motoare Stirling pentru autovehicule, deși au dus la numeroase rezultate privind perfecționarea proiectării și tehnologiei de fabricație, nu au îndreptățit așteptările. Adevărul este că în timp ce motorul Stirling își caută locul printre motoarele pentru autovehicule, încercând să-și pună în valoare calitățile (poluare redusă, zgomot și vibrații reduse, policarburanță), motoarele cu ardere internă cu aprindere prin scânteie sau prin comprimare s-au dezvoltat vertiginos, aplicând noutățile privind supraalimentarea cu turbosuflante, depoluarea catalitică a gazelor de ardere și mai ales injecția de benzină și de motorină controlată prin calculatoare electronice. Aceste perfecționări ale motoarelor cu ardere internă au pus în umbră motoarele Stirling pentru autovehicule. Totuși și după anul 1990 s-au desfășurat și sunt în derulare programe de cercetare în acest domeniu.
3.2.2 Motoare Stirling pentru submarine și pentru nave de suprafață
Nivelul foarte redus al zgomotului și vibrațiilor mecanice, ca și randamentul efectiv, care ajunge la 40%, recomandă motoarele Stirling pentru utilizare la motorizarea submarinelor. Spre deosebire de submarinele cu motoare Diesel, care produc mult zgomot în timpul funcționării, submarinele cu motoare Stirling sunt mult mai greu de detectat cu ajutorul sonarului.
Cercetările pentru realizarea de instalații energetice cu motoare Stirling pentru submarine au început înainte de 1960, în acest sens dezvoltând lucrări fundamentale firme ca General Motors, United Stirling A.B. sau Philips. Una din problemele cele mai importante ce trebuiau rezolvate era aceea a sursei de căldură pentru motorul Stirling. Au fost studiate și experimentate mai multe variante: producerea căldurii prin arderea hidrocarburilor sau a hidrogenului, cu folosirea ca oxidant a oxigenului sau a peroxidului de hidrogen (H2O2); folosirea acumulatoarelor de căldură de înaltă temperatură sau producerea căldurii prin oxidarea într-un curent de oxigen gazos a unor metale topite, a unor cloruri, fluoruri, sulfuri sau a unor oxizi metalici aflați într-o altă stare de oxidare decât starea maximă.
Firma United Stirling (în colaborare cu firma Kockums, de asemenea din Suedia) a fost printre primele care a rezolvat toate problemele ce însoțesc arderea hidrocarburilor pe submarine. O primă soluție constructivă prevedea instalații pentru condensarea vaporilor de apă din gazele de ardere, pentru pomparea apei rezultate peste bord, pentru comprimarea dioxidului de carbon până acesta trece în stare lichidă și pentru stocarea dioxidului de carbon lichid. O a doua soluție constructivă a introdus o instalație pentru dizolvarea gazelor de ardere în apă și pentru pomparea apei peste bord. Ambele soluții eliminau dâra de bule de aer care semnalează celor de la suprafață prezența submarinului.
Primul motor Stirling folosit pe submarine a fost motorul 4-615, ce avea o putere de 150 kW. Motorul ardea motorină și utiliza peroxidul de hidrogen ca oxidant. Folosirea ca oxidant a peroxidului de hidrogen în locul oxigenului (deși pentru ardere sunt necesare cantități de două ori mai mari de peroxid față de cazul oxigenului) se explică prin aceea că în timp ce oxigenul lichid trebuie depozitat la temperaturi scăzute, peroxidul de hidrogen poate fi depozitat la temperatura mediului, deci și în rezervoare scoase în exteriorul submarinului. Instalațiile energetice pentru submarine ale firmei United Stirling mai conțineau un generator electric (antrenat de motorul Stirling) și un electromotor care antrena elicea.
Ultimele realizări (din 1993) ale firmei suedeze se referă la motorizarea submarinelor din clasa A19. Submarinele din această clasă (Gotland – aflat în exploatare, Uppland și Halland – în construcție) au o lungime de 60 de metri și o masă de 1240 tone la suprafață, de 1500 tone imersate și ajung la o viteză maximă de 11 noduri la suprafață și 20 de noduri sub apă. Adâncimea maximă de scufundare probabilă (informația fiind secret militar) este de 400 – 450 m. Puternic înarmate cu torpile și mine, aceste submarine sunt dorite și de Australia (care a comandat câteva exemplare) și Taiwan. Din păcate nu sunt publice informații despre motorul Stirling utilizat. Se cunoaște doar că motorul arde combustibili fosili sau alcooli. Pentru ardere se folosește oxigen stocat în rezervoare, care este amestecat cu gaze de ardere recirculate pentru a se obține procentul de oxigen necesar arderii. Gazele de ardere care nu sunt recirculate sunt dizolvate în apă și evacuate peste bord.
Cercetări pentru folosirea pe submarine a motoarelor Stirling cu acumulatoare de căldură au fost realizate de General Motors, principala problemă care se punea fiind realizarea unor acumulatoare de căldură de mare capacitate (până la 1000 kWh).
Trebuie observată deschiderea largă a preocupărilor firmei General Motors, care a cercetat în paralel utilizarea motoarelor Stirling cu acumulatoare de căldură atât pentru submarine cât și pentru automobile. În 1967 General Motors a construit o instalație energetică de acest tip de 22 kW. [30]
3.2.3 Motoare Stirling pentru utilizări cosmice
În anii de pregătire a zborurilor cosmice cercetătorii și inginerii angrenați în această activitate au trebuit să rezolve problema asigurării energiei electrice necesare alimentării aparatelor de radiotelecomunicații și aparaturii de cercetare, precum și problema asigurării energiei necesare pentru echipamentele de menținere a vieții omului. În acest sens, au fost experimentate mai multe soluții, cum ar fi pile de combustie cu hidrogen și oxigen sau instalații termoelectrice care transformă căldura produsă de mici reactoare nucleare în lucru mecanic (folosind diferite tipuri de turbine funcționând în cadrul unor cicluri termodinamice Rankine sau Brighton [30]).
După anul 1960, în SUA au început să se dezvolte proiecte pentru promovarea instalațiilor electroenergetice cu motoare Stirling în utilizări cosmice. Cercetările au mers pe două căi, deosebite între ele prin sursa de căldură aleasă pentru motorul Stirling – energia solară sau căldura generată de o sursă cu radioizotopi. Primele proiecte, finanțate de armata SUA, au permis firmei Allison Division of General Motors să realizeze o instalație electroenergetică de 3 kW cu motor Stirling cu energie solară. Motorul Stirling al instalației avea mecanism motor romboidal (sub licență Philips). La motor s-a aplicat o inovație importantă, fiind primul motor Stirling care folosea metal topit (un amestec eutectic de Na și K) ca lichid intermediar pentru transportul căldurii de la captatoarele solare la motor.
O altă instalație energetică cu motor Stirling pentru utilizări în cosmos a fost realizată în 1975 de firma Mechanical Technology Inc. din statul american New York. Blocul energetic era compus dintr-un motor Stirling cu pistoane libere și un generator electric liniar cu puterea de 1 kW. Și în această instalație motorul Stirling era încălzit de la captatoare solare.
Interesul pentru motorul Stirling ca transformator al energiei solare în energie mecanică pentru sateliți și pentru nave cosmice care zboară pe traiectorii circumterestre s-a diminuat o dată cu perfecționarea celulelor semiconductoare pentru conversia directă a energiei solare în energie electrică. Deși au randamentul transformării energetice mai mic decât cel de la motoarele Stirling, celulele semiconductoare s-au impus, deoarece au o construcție mult mai simplă, neavând piese în mișcare.
Interesul pentru instalațiile energetice cu motoare Stirling pentru nave cosmice destinate misiunilor interplanetare s-a menținut până în prezent. Astfel, în anul 2000 NASA informează că în laboratoarele sale se efectuează lucrări în acest domeniu [36]. Laboratoarele NASA de la Glenn Research Center din Lewis Field în colaborare cu Department of Energy (DOE) au realizat instalații energetice cu motoare Stirling pe baza unor surse avansate cu radioizotopi. Instalația are un motor Stirling cu pistoane libere, are puterea utilă de 55 W și este destinată navelor cosmice care vor zbura spre planetele îndepărtate (de după planeta Marte). La aceste distanțe de Soare insolația scade și convertoarele ce transformă direct energia solară în energie electrică nu mai sunt eficiente. În aceste condiții convertoarele termoelectrice cu motor Stirling cu sursă de căldură cu izotopi radioactivi devin o soluție eficientă pentru obținerea energiei electrice, practic fiind de neînlocuit.
Tot la NASA (prin Thermo-Mechanical Systems Branch) s-au realizat cercetări în domeniul motoarelor Stirling cu puteri de 10 … 350 W cu pistoane libere, motoare alimentate cu energie solară și destinate zborurilor spre planetele îndepărtate. Au fost studiate generații noi de captatoare solare gonflabile. NASA a studiat comparativ funcționarea acestor convertoare pe diverse planete. [36]
Interesul pentru convertoarele termoelectrice cu motoare Stirling utilizabile în spațiul cosmic este întreținut de cercetări teoretice actuale, cum sunt cele efectuate la Universitatea „Politehnica“ București de o echipă condusă de prof. univ. dr. ing. V. Bădescu, în colaborare cu profesorul M. Feidt de la Universitatea „Henri Poincaré“ din Nancy – Franța. [5]
3.2.4 Motoare Stirling pentru mașina inimă artificială
În 1964 a demarat în SUA un program de cercetare finanțat de Ministerul Sănătății pentru realizarea de inimi artificiale, care să preia temporar sau total activitatea inimii. Programul a fost foarte vast și a cuprins și cercetări privind utilizarea motoarelor Stirling în construcția inimii artificiale. Motoarele Stirling trebuiau să lucreze în regim de generator de impulsuri de presiune pentru antrenarea unei pompe pentru circulația sângelui. În cadrul programului amintit firmele Donald W. Douglas Laboratories din Richland – Washington, Aerojet Liquid Rocket Co. din Sacramento – California, Westinghouse Astronuclear Co. din Pittsburg – Pennsylvania, Thermo Electron Co. și North American Philips Co. din New York și altele au realizat miniaturizări ale motoarelor Stirling.
Micromotoarele Stirling pentru aparatul inimă artificială (denumirea „aparat“ prezentă în literatura de specialitate este improprie, în fond fiind vorba de un sistem de mașini) utilizează ca sursă caldă o sursă de energie cu radioizotopi (plutoniu) sau acumulatoare electrice. Sursa de căldură cu plutoniu a fost preferată deoarece poate asigura energia necesară funcționării motorului Stirling pe circa 10 ani, în timp ce acumulatoarele electrice trebuie reîncărcate la 8 – 10 ore și fiind exterioare corpului necesită conductori care să străbată pielea omului. Puterea necesară pompei de circulație a sângelui este de 3 – 5 W, ceea ce impune o putere termică de 30 – 50 W ce trebuie transmisă motorului Stirling.
Răcirea motorului Stirling pentru inima artificială se face utilizând sângele ca agent de răcire și prin disiparea căldurii preluate de sânge în întreg corpul și apoi în atmosferă. Disiparea suplimentară a unei puteri de 30 – 50 W de către corpul omenesc este perfect posibilă (în mod natural corpul omenesc disipă ~ 100 W în timpul somnului și circa 500 W la efort fizic susținut).
O inimă artificială cu motor Stirling realizată de firma Aerojet Liquid Rocket Co. a fost implantată și experimentată pe vite cornute mari de către cercetătorii acestei firme în colaborare cu medici veterinari de la Universitatea de Stat din California, fiind folosită pentru susținerea mecanică a circulației naturale a sângelui. Primele rezultate au fost comunicate în 1976. [30]
3.3 Perspectivele motoarelor Stirling
O privire de ansamblu asupra articolelor și comunicărilor științifice despre motoarele Stirling apărute în publicațiile tehnico-științifice și în volumele publicate cu ocazia conferințelor și congreselor naționale și internaționale, toate aceste materiale disponibile in extenso sau în rezumat în biblioteci sau pe Internet, arată că la sfârșitul secolului trecut și la începutul secolului nostru s-a manifestat și se manifestă un interes susținut și în creștere pentru dezvoltarea motoarelor Stirling cunoscute și pentru crearea de noi motoare cu ardere externă de tip Stirling, interes viu în întreaga lume.
Cercetările se desfășoară atât în țările cu tradiție în construirea și folosirea motoarelor Stirling, cum ar fi Statele Unite ale Americii, Japonia, Marea Britanie, Olanda, Suedia și Germania, cât și în țări în care interesul pentru introducerea instalațiilor energetice cu motoare Stirling este de dată mai recentă, țări între care se numără Danemarca, Norvegia, Austria, Elveția, Italia, Croația, Australia, Noua Zeelandă, Franța, Rusia, Kazahstan, România, enumerarea nefiind, desigur, completă. La cercetările pentru dezvoltarea și perfecționarea motoarelor Stirling participă universități prestigioase, nu puțini amatori și inventatori individuali bazați mai mult pe entuziasm, dar și organizații și firme particulare care deseori beneficiază de susținere guvernamentală (în Statele Unite de pildă, Department of Energy (DOE) finanțează programe privind instalații energetice ecologice cu motoare Stirling).
Între universitățile care au facultăți sau departamente preocupate de studiul motoarelor Stirling se numără cele din Calgary (Canada), din Saitama Japonia), universități din statele americane Idaho, Ohio, Washington, Massachussets (M.I.T.), Colegiul Regal de Inginerie Navală (Royal Naval
Engineering College) din Marea Britanie și Universitatea din Bath din aceeași țară, universitatea din Nancy (Franța) și Universitatea „Politehnica“ București. Dintre organizațiile și firmele care dezvoltă și în prezent programe în domeniul motoarelor Stirling se amintesc cele din Statele Unite: NASA – Glenn Research Center din Louis Field, Stirling Technology Inc. și Sunpower Inc. din Ohio, Oak Ridge Labs din Tenesse, precum și firma Sigma Electroteknisk A.S. din Norvegia.
3.4 Realizarea ciclului teoretic termodinamic Stirling într-un motor cu un cilindru și două pistoane
Ideea unui motor cu două pistoane introduse într-un singur cilindru i-a aparținut lui Robert Stirling, care în plus a și aplicat-o (fig. 3.1). Cele două pistoane delimitează în cilindru două camere funcționale distincte. Camera de destindere sau camera caldă, plasată între chiulasă și pistonul împingător, se află în permanență în contact cu sursa caldă. Camera de comprimare se află între cele două pistoane și este în contact permanent cu sursa rece. O caracteristică foarte importantă a acestei scheme este aceea că fiecare cameră își păstrează rolul funcțional în tot timpul desfășurării ciclului Stirling. În acest fel problema inerției termice – problemă care apare atunci când ciclul termodinamic Stirling se desfășoară într-un cilindru cu un singur piston – este înlăturată.
Pentru ca motorul cu două pistoane într-un singur cilindru să modeleze ciclul termodinamic Stirling (format din două transformări izotermice legate prin două transformări izocorice) este necesar să se presupună că încălzirea și răcirea agentului de lucru se realizează numai prin pereții cilindrului. Eventuala regenerare a căldurii evacuate din ciclu se realizează în exteriorul mașinii, cu ajutorul unui agent intermediar.
În varianta de realizare a ciclului Stirling cu două pistoane într-un singur cilindru pistonul împingător (cald) are rolul de a deplasa agentul de lucru dintr-o cameră a cilindrului în cealaltă cameră. Deplasarea agentului se poate face prin spațiul tubular lăsat între cilindru și pistonul împingător, ca la motorul construit de Robert Stirling și ca pe fig. 3.3, sau printr-un canal exterior format din schimbătoarele de căldură (încălzitorul, regeneratorul și răcitorul), ca la construcția firmei Philips și ca la majoritatea motoarelor Stirling actuale. mutarea agentului dintr-o cameră în cealaltă consumă puțină energie, deoarece presiunile pe cele două fețe ale pistonului împingător sunt aproape egale, micile diferențe fiind produse de pierderile gazodinamice de pe traseul parcurs de agent. În același timp pistonul împingător îndeplinește și funcția de izolator termic între camera de destindere și camera de comprimare. Ca urmare, capul cilindrului se află tot timpul la temperatură ridicată, iar partea opusă a cilindrului (apropiată carterului) se află permanent la temperatură scăzută. De aceea ciclul termodinamic Stirling se realizează fără pierderi de căldură introduse de încălzirea și răcirea ciclică a pereților cilindrului.
În prima transformare din ciclul Stirling, comprimarea izotermică 1-2, pistonul împingător staționează în punctul mort interior (lângă capacul cilindrului), astfel că întreaga masă de agent de lucru se află în camera de comprimare. Comprimarea se face prin deplasarea pistonului de lucru de la punctul mort exterior la punctul mort interior. Menținerea constantă a temperaturii Tm (egală cu temperatura Tr a răcitorului) în camera de comprimare se face prin răcirea agentului în schimbătorul de căldură răcitor – materializat de peretele cilindrului din zona respectivă – unde se scoate din ciclu căldura Q12.
Procesul de încălzire izocorică 2-3 se realizează când pistonul împingător (cald) se deplasează de la punctul său mort interior la punctul mort interior al pistonului motor, mutând agentul din camera de comprimare în camera de destindere, timp în care agentul primește căldura Q23. La sfârșitul acestui proces pistonul împingător este perfect lipit de pistonul motor, astfel că volumul camerei de comprimare se anulează. În acest timp pistonul de lucru trebuie să staționeze, astfel ca volumul (minim) ocupat de agent să se mențină constant.
Destinderea izotermică 3-4 a agentului încălzit se petrece în camera de destindere, în timp ce pistoanele se deplasează simultan de la punctul mort interior al pistonului motor (de lucru) la punctul mort exterior al pistonului motor. În acest fel se realizează creșterea volumului ocupat de gaz. Menținerea temperaturii constante TM (egală cu temperatura Tî a încălzitorului) în timpul micșorării presiunii din camerele motorului este pusă pe seama unui aport de căldură Q34 prin pereții cilindrului și prin chiulasă.
Închiderea ciclului termodinamic se face cu transformarea izocorică 4-1. Răcirea izocorică 4-1 presupune ca în timp ce pistonul de lucru staționează (menținând constant volumul total ocupat de agent) pistonul împingător să mute agentul – care cedează căldura Q41 – din camera de destindere înapoi în camera de comprimare. Pentru aceasta pistonul împingător efectuează cursa de revenire de la punctul mort exterior înapoi la punctul mort interior.
În schema de realizare a ciclului Stirling într-un cilindru cu două pistoane acestea trebuie să se deplaseze discontinuu, pistonul împingător staționând în timpul procesului de comprimare 1-2 iar pistonul de lucru staționând în timpul proceselor ce se desfășoară la volum constant (încălzirea izocorică 2-3 și răcirea izocorică 3-4).
Deplasarea discontinuă a pistoanelor motorului Stirling cu două pistoane într-un cilindru este prezentată în figura 3.4. În concordanță cu mișcarea discontinuă a pistoanelor motorului Stirling, și volumele camerei de comprimare și celei de destindere variază discontinuu (figura 3.5).
Fig 3. 3 Realizarea ciclului Stirling într-un motor cu un cilindru cu două pistoane:
1 – cameră de destindere; 2 – piston împingător; 3 – încălzitor; 4 – răcitor;
5 – cameră de comprimare; 6 – piston de lucru; 7 – cilindru
Fig 3. 4 Deplasarea discontinuă a pistoanelor motorului Stirling
cu două pistoane în cilindru
În cazul schemei de realizare a ciclului Stirling într-un motor cu un cilindru cu două pistoane și fără regenerator se produc pierderi mari de căldură la trecerea agentului din camera de destindere în camera de comprimare, ceea ce face ca motorul Stirling să aibă un randament de numai câteva procente. Randamentul motorului crește substanțial prin diminuarea acestor pierderi o dată cu introducerea unui regenerator de căldură între încălzitor și răcitor (figura 3.6). Regeneratorul este o masă de acumulare a căldurii care preia căldură de la agentul de lucru care curge spre camera de comprimare și cedează căldură agentului atunci când acesta curge spre camera de destindere. De asemenea, trebuie să se țină cont de faptul că suprafețele laterale ale cilindrului nu sunt proiectate pentru un schimb de căldură eficient. Ca urmare, schimbătoarele de căldură încălzitor și răcitor se construiesc în afara cilindrului, ca subansamble independente.
Fig 3. 5 Variația discontinuă (teoretică) a volumelor camerelor funcționale ale
motorului Stirling cu două pistoane într-un cilindru
Fig 3. 6 Mișcarea armonică a pistoanelor unui motor Stirling cu două pistoane
într-un cilindru: 1 – cameră de destindere; 2 – încălzitor; 3 – regenerator; 4 – piston
împingător; 5 – răcitor; 6 – cameră de comprimare; 7 – piston de lucru; 8 – cilindru
3.5 Realizarea practică a ciclului Stirling pe un motor cu un cilindru și două pistoane
Mișcarea discontinuă a celor două pistoane fiind foarte greu de realizat, în practică se folosesc mecanisme ce imprimă pistoanelor o mișcare continuă, după legi de deplasare armonice (fig. 3.6).
Legile de mișcare a pistoanelor se corelează cu fazele funcționale ale motorului Stirling, alegându-se astfel încât în apropierea punctelor moarte (când deplasările pistoanelor raportate la unghiul de rotație a arborelui sunt mici) să se desfășoare procesele în care teoretic pistoanele staționează.
În cazul în care pentru deplasarea pistoanelor au fost alese legi armonice volumele camerelor motorului Stirling variază continuu, așa cum se observă pe figura 3.7. Mișcarea armonic a pistoanelor s realizează cel mai implu cu mecanisme bielă-manivelă axate sau dezaxate, cu sau fără cap de cruce.
Pe un motor Stirling cu două pistoane care efectuează deplasări armonice derivata în funcție de volum a presiunii din spațiul de lucru este continuă, ceea ce conduce la o diagramă indicată ca în figura 3.8.
Fig 3. 7 Variațiile volumului camerei de destindere Vd și a volumului camerei de
comprimare Vc pentru motorul Stirling cu două pistoane cu mișcări armonice
Fig 3. 8 Diagramă indicată a unui motor Stirling
3.6 Tipuri de motoare
Inginerii au clasificat motoarele Stirling în trei tipuri distincte. Tipul Alfa se referă la cazul când doi sau mai mulți cilindri separați, de diferite temperaturi, sunt conectați între ei. Tipul Beta și Gama folosesc un piston de refulare pentru a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece situate in același cilindru.
3.6.1 Motoare Stirling de tip „alfa“
La motoarele Stirling de tip „alfa“ pistoanele motor și împingător sunt amplasate în cilindri separați (figura 3.9).
La motoarele Stirling de tip „alfa“ cu pistoane cu simplă acțiune pistonul împingător prezintă deosebiri funcționale față de pistonul împingător al motoarelor Stirling de tip „beta“. Astfel, la motoarele Stirling de tip „beta“ fața și fundul pistonului împingător se află la aceeași presiune (sau, dacă se consideră pierderile de presiune la curgerea agentului de lucru prin aparatele schimbătoarele de căldură, se află sub acțiunea unei mici diferențe de presiune), pe când la motoarele Stirling de tip „alfa“ fața pistonului împingător se află sub presiunea ridicată din spațiul de lucru al motorului iar fundul pistonului împingător se află sub acțiunea presiunii din carter. Așadar, din punctul de vedere al forțelor de presiune la care este supus, pistonul împingător al motorului Stirling de tip „alfa“ se află în aceeași situație cu pistonul motor. Altfel spus, motorul Stirling de tip „alfa“ cu simplă acțiune are două pistoane de lucru.
Fig 3. 9 Motor tip alfa Stirling
1 – cameră de destindere; 2 – piston împingător; 3 – încălzitor; 4 – regenerator;
5 – răcitor; 6 – cameră de comprimare; 7 – piston motor
Fig 3. 10 Motor Stirling cu pistoane cu dublă acțiune și cu cilindrii așezați în stea: 1 – arbore cotit; 2 – bielă; 3 – tija pistonului; 4 – cameră de destindere; 5 – piston; 6 – cameră de comprimare; 7 – încălzitor; 8 – regenerator; 9 – răcitor; a – motor în stea cu bielele pe un singur maneton; b – motor în stea cu
mecanism cu bielă și bielete
3.6.2 Motoare Stirling de tip „beta“
Un motor de tip beta are un singur cilindru în care sunt montate un piston de lucru și unul de refulare situate pe același ax. Pistonul de refulare nu este montat etanș și nu are rolul de a extrage lucru mecanic din gazul ce se dilată, având doar rolul de a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece. Atunci când gazul de lucru este împins spre capătul cald al cilindrului, se dilată și împinge pistonul de lucru. Când este împins spre capătul rece, se contractă și momentul de inerție al motorului, de obicei mărit cu ajutorul unui volant, împinge pistonul de lucru în sensul opus, pentru a comprima gazul. Spre deosebire de tipul Alfa în acest caz se evită problemele tehnice ce țin de inelele de etanșare de la pistonul cald.
Fig 3. 11 Motor tip beta Stirling
1 – cameră de destindere; 2 – piston împingător; 3 – încălzitor; 4 – regenerator;
5 – răcitor; 6 – cameră de comprimare; 7 – piston motor
3.6.3 Motoare Stirling de tip „gama“
Motoarele Stirling de tip „gama“ (figura 3.12) se caracterizează din punct de vedere constructiv prin amplasarea pistonului împingător într-un cilindru și a pistonului motor în alt cilindru și prin împărțirea camerei de comprimare în două compartimente legate în paralel și amplasate unul în cilindrul cu pistonul motor deasupra pistonului și celălalt în cilindrul cu pistonul împingător, sub piston. Pistonul motor (rece) al unui motor Stirling de tip „gama“ este un piston cu simplă acțiune. Din punct de vedere funcțional motorul Stirling de tip „gama“ se comportă asemănător motorului de tip „beta“.
Ca urmare a asemănării constructive cu motoarele de tip „alfa“, toate mecanismele motoare care sunt folosite pentru motoare Stirling de tip „alfa“ se potrivesc și la motoarele Stirling de tip „gama“.
Fig 3. 12 Motor tip gama Stirling
1 – cameră de destindere; 2 – piston împingător; 3 – încălzitor; 4 – regenerator;
5 – răcitor; 6 – cameră de comprimare; 7 – piston motor
Studiu de caz. Motorul Gama Stirling
Obiectivele studiului de caz
Obiectivul pricipal al acestui studiu de caz este proiectarea CAD, construcția și testarea tipului de motor Gama Stirling pentru implementarea sa ca sistem de propulsie al aeronavelor în contextul diminuării emisiilor poluante și a epuizării resurselor neregenerabile.
Metodologie
Metodologia abordată a avut în vedere atingerea aspectelor importante privind proiectarea și funcționarea motorului Stirling prin etapele din figura 4.1.
Fig 4. 1 Metodologia studiului de caz
Proiectarea 3D, simularea mișcării și analiza comparativă a maselor
Pentru realizarea pieselor 3D, asamblării și simulării am folosit resursa software SolidWorks care este un program de proiecare grafică 3D pe calculator asemănător programelor: CATIA, Unigraphics, Solid Edge etc.
Desenarea propriu-zisă la calculator urmează, în mare parte, aceleași metode și procedee tradiționale. Se selectează formatul pe care se pregătește desenul, se decide asupra unităților de măsură și a scării și apoi se începe crearea geometriei. Vor fi create linii, cercuri și segmente de „spline”, așa cum se face cu rigla, compasul și florarul, vor fi efectuate ștersături când vor apărea greșeli, așa cum se face manual cu radiera. Geometria creată poate fi oarecum editată: efectuarea racordărilor sau teșirea colțurilor, oglindirea componentelor simetrice etc. Posibilitățile ample de editare a desenelor reprezintă marele avantaj al sistemelor CAD, utilizatorul putând astfel să modifice geometria în diferite moduri.
Programul de proiectare CAD Solid Works 2013 oferă posibilități funcționale largi, cum sunt:
Modelarea solidelor;
Crearea geometriei de referință;
Modelarea pieselor din foi;
Schițarea;
Modelarea ansamblurilor;
Interfața aplicațiilor programului (API);
Translarea datelor;
Vizualizarea modelelor etc.
Fig. 4. 2 Structura „SolidWorks – Parteneri de soluționare
Din punctul meu de vedere programul Solid Works este un program foarte complex dar în acelasi timp foarte usor de lucrat cu el. Schițele se pot desena în format 2D iar apoi cu o comandă simplă schița se transformă în format 3D. După construirea pieselor, acestea se pot asambla și testa dacă acestea se îmbină perfect.
Partea a doua a softului este reprezentată de programele ajutătoare de simulare. Acestea pot simula forțe pe fiecare piesă sau pe tot ansamblul, modul de curgere a diferitor fluide prin interiorul și prin exteriorul ansamblului, se pot face simulări de mișcare, cântărirea pieselor și chiar calculul costului final al produsului incluzând forța de muncă.
În continuare o să descriu comenzile folsite în realizarea modelului 3D:
Bara de instrumente Sketch conține principalele intrumente pentru crarea schiței 2D și comanda Smart Dimension.
Fig 4. 3 Bara de instrumente Sketch
Comanda Extruded Boss/Base are rolul de a genera figura în format 3D din format Sketch 2D pe vericală.
fig 4. 4 Comanda Extruded Boss/Base
Comanda Revolved Boss/Base are rolul de a genera figura 3D prin mișcarea de revoluție în jurul unei axe desemnate. Este folosită de obicei la generarea pieselor cilindrice.
Fig 4. 5 Comanda Revolved Boss/Base
Comanda Mate are rolul de a lipi suparafețele desemnate a două piese.
Comanda Edit Material în cadrul căreia se stabilește materialul din care este realizată piesa și facilitează stabilirea masei piesei.
Fig 4. 6 Comanda Edit Material
4.3.1 Realizarea și asamblarea modelului 3D
Realizarea pieselor modelului 3D
Realizarea cilindrului principal
În realizarea cilindrului principal s-au folosit comenzile din Sketch și Revolved Boss/Base.
Fig 4. 7 Cilindrul principal
Realizarea cilindrului de refulare
.
Fig 4. 8 Cilindrul de refulare
Realizara pistonului principal
Fig 4. 9 Piston principal
Realizarea pistonului de refulare
Fig 4. 10 Piston de refulare
Realizarea radiatoarelor
Fig 4. 11 Radiator
Realizarea roților volante
Fig 4. 12 Roți volante
Realizarea bielelor
Fig 4. 13 Bielă
Realizarea suportului
Fig 4. 14 Suport motor Gama Stirling
Asamblarea 3D
În realizarea asamblării (figura 4. 15) am folosit comanda Mate și am asamblat piesele în ordinea următoare: am asamblat radiatoarele și roțile volante în lagărele suportului, am atașat cilindrii la radiatoare, am atașat bilele de pistoane cu ajutorul unui bolț de fixare iar în final capătul opus al bileleor la roțile volante.
Următoarea etapă a fost realizarea simulării de mișcare pentru a potrivi cilindrii cu cursa pistoanelor.
Fig 4. 15 Asamblarea completă
4.3.2 Simularea mișcării și analiza comparativă a maselor
Simularea mișcării
Simularea de mișcare a fost realizată cu ajutorul softului ajutător SolidWorks Motion Study în felul următor: am selectat ansamblul roților volante și am dat comanda de mișcare rotativă (figura 4.16) iar apoi am selectat parametrii de mișcare (figura 4.17).
Fig 4. 16 Comanda de mișcare rotativă
În cadrul parametrilor de mișcare se pot seta tipul de mișcare (Constană, Oscilatorie, Pe segmente sau se poate inroduce o funcție matematică de mișcare) și numărul de rotații pe minut (RPM).
Fig 4. 16 Selectarea parametrilor
Analiza comparativă a maselor
Determinarea masei simulate pieselor a fost realizată cu ajutorul comenzii Mass Properties din cadrul programului SolidWorks.
Determinarea masei reale a pieselor a fost determinată cu ajutorul cântarului electronic.
Tabel 4.1 Compararea greutăților
Simularea motorului tip Gama Stirling pentru aflarea parametrilor ideali
Pentru aflarea parametrilor ideali ai tipului de motor Gama Stirling am folosit resursa software JLB care este un program de simulare a parametrilor motorului Gama Srirling realizat de către John Bondy, programator la Microsoft și pasionat de motoarele Stirling.
Fig 4. 17 Privire de ansamblu asupara softului JLB
Principalul obiectiv al acestei simulări este de a potrivi parametrii motorului pentru generarea diagramei de funcționare care trebuie să fie cât mai asemănătoare cu diagrama teoretică de funcționare a motorului Stirling din figura 3.8.
Softul este structurat astfel:
Partea de control și de introducere a parametrilor
În figura 4.17 este prezentată partea de introducere a parametrilor și control în care
se poate configura: diferența de temperatură de lucru, dimensiunile cilindrului principal, dimensiunile pistonului principal, dimensiunile pistonului recuperator, faza în care se află motorul (0*-360*), defazajul dintre cursele celor doi cilindri, iar ca parte de control sunt configurate butoanele de funcționare a motorului și de control al sftului.
Fig 4. 17 Introducerea parametrilor și controlul softului
Partea de afișaj în timp real a funcționării motorului și a variației parametrilor
În această parte a softului (figura 4.18) este afișată animația de funcționare a motorului iar în partea dreaptă este afișată variația parametrilor introduși pe timpul funcționării.
Fig 4. 18 Funcționarea motorului și variația parametrilor
Partea generatoare de grafice
Softul JLB generează cinci grafice în funcție de parametrii de intrare, variația lor dar și grafice de piziție a pistoanelor pe decursul unui ciclu de 360* astfel:
Graficul Presiune/Volum denumit și diagrama de funcționare
fig 4. 19 Graficul P/V
Din acest grafic se poate observa asemănarea cu diagrama ideală de funcționare a motorului Stirling (figura 3.8).
Graficul de poziție a pistoanelor
Fig 4. 20 Poziția pistoanelor
Linia de culoare neagră indică pozițiile pistonului principal, linia de culoare verde indică pozițiile pistonului recuperator iar linia verticală galbenă reprezintă poziția pistoanelor în timpul unui ciclu de funcționare.
Graficul de variație a volumelor și presiunii pe durata unui ciclu motor
Fig 4. 21 Variația volumelor și presiunii
Dacă analizăm atent variația volumului total cu variația volumului cald sau rece vom constata că este asemănător cursei pistoanelor din fig 4.20. Acest aspect combinat cu variația proporțională a presiunii în funcție de volumul cald ne confirmă că motorul funcționează la parametrii corecți.
Graficul de variație a temperaturii între cei doi cilindri și variația temperaturii gazului de lucru.
Fig 4. 22 Variația temperaturilor
Liniile îngroșate reprezintă reprezintă variațiile teperaturii gazului de lucru în interiorul celor doi cilindri iar liniile normale reprezintă variația temperaturii cilindrilor.
Graficul lucrului mecanic generat de pistonul principal
Fig 4. 21 Lucrul pistonului principal
Realizarea practică a modelului experimental
Pe baza realizării proiectului 3D și a simulărilor efectuate am comandat piesele modelului experimental de la firma STARPOWER din China transmițând proiectele CAD ale pieselor.
4.5.1 Calcul economic
În tabelul 4.2 sunt reprezentate prețurile pieselor motorului, prețul transportului, taxele vamale și prețul aparatelor de măsură a parametrilor.
Tabel 4.2 Calcul economic
4.5.2 Asamblarea
După recepția pieselor comandate (figura 4. 22) am început asamblarea lor în următoarea ordine:
Fig 4. 22 Piesele componente
ETAPA 1- montarea roților volante împreună cu rulmenții pe suport
ETAPA 2- montarea radiatoarelor pe suport cu ajutorul șuruburilor
ETAPA 3- atașarea pistonului pricipal și a cilindrului recuperator la radiatoare
ETAPA 4- atașarea cilindrului principal și a pistonului recuperator
ETAPA 5- atașarea bielelor la pistoane și la roțile volante
fig 4. 23 Asamblarea finală
Măsurarea parametrilor
Pentru măsurarea parametrilor am fosit următoarele dispozitive de măsură :
Multimetru digital pentru măsurarea tensiunii la generator
Tachometru digital pentru măsurarea turației
Măsurarea parametrilor a fost efectuată conform metodologiei testării experimentale din figura 4. 24 .
Fig 4. 24 Metodologia testării experimentale
Pentru consemnarea rezultatelor am întocmit Fișa de teste în care s-au notat tipul de motor Stirling ales, caracteristicile combustibililor și rezultatele prelevate în urma măsurătorilor (turații, tensiune generator, temperatua). Măsurătorile au fost realizate în cadrul Academiei Forțelor Aeriene.
Tabel 4.3 Fișă de teste
4.6 Testarea și compararea combustibililor neconvenționali pentru motor
Pentru testarea combustibililor neconvenționali am ales cinci tipuri de combustibili obținuți din agricultură (sursă regenerabilă) fară a fi procesați printr-un procedeu industrial complex care ar duce la creșterea prețului.
Pentru compararea combustibililor am ales următoarele caracteristici: căldura specifcă, timpul de ardere a unei cantități de 5 ml, turația și prețul unui litru de combustibil.
Combustibilii potențiali sunt următorii:
Alcool Etilic de proveniență agricolă, obținut prin procedeul de fermentare a
sfeclei de zahăr, cerealelor și plantelor care conțin fructoză.
Ulei de Floarea Soarelui obținut prin presare la rece și la cald.
Ulei de Rapiță obținut prin presare la rece și la cald.
Metanol obținut din porumb prin procedee chimice
Metanol amestecat cu Ulei de Folarea Soarelui în proporții egale
Pentru centralizarea informațiilor și generarea graficelor comparative am folosit resursa software Microsoft Excel.
Tabel 4.2 Achiziția datelor
Capacitatea calorică reprezintă produsul dintre căldura specifică și masa combustibilului, se măsoară in J/*C.
După introducerea datelor în tabel am generat grafice comparative în funcție de cele patru criterii enunțate astfel:
În funcție de căldura specifică (figura 4. 25)
Fig 4. 25 Compararea valorilor căldurii specifice
Din figura 4. 25 putem constata superioritatea alcoolilor dar și amestecul metanol cu ulei are proprietăți apropiate.
În funcție de timpul de ardere (figura 4. 26)
Fig 4. 26 Compararea timpului de ardere
În funcție de timpul de ardere se poate concluziona că alcoolii se consumă foarte repede comparativ cu uleiurile. Amestecul are un timp de ardere apropiat de cel al uleiurilor.
În funcție de turație (figura 4. 27)
fig 4.27 Comparația turațiilor
Valoarea turației este direct proporțională cu valoarea temperaturii degajate de către combustibili.
În funcție de preț (figura 4. 28)
Fig 4. 28 Compararea prețurilor
Factorul decisiv este reprezentat de preț. Alcoolii au proprietăți foarte apropiate de necesitățile motorului dar au un preț sesizabil mai mare. Prețul amestecului este și el apropiat de cel al alcoolilor.
Alcoolii ar putea fi utilizați pentru aeronavele care necesită un plus de putere iar pentru aeronavele de transport se pot utiliza amestecuri de alcooli cu ulei sau uleiuri simple.
În funcție de valorile constructive ale motorului Stirling se pot dezvolta combustibili special destinați pentru acesta din amestecuri, se pot realiza amestecuri de ulei și cu gaz metan, toluen, parafină lichidă etc.
5. Concluzii, contribuții personale și direcții viitoare de cercetare
5.1 Concluzii
Studiile, cercetările teoretice și experimentale efectuate pe parcursul elaborării lucrării de licență, în domeniul sistemelor de propulsie inovative, cu precădere în zona motoarelor Stirling au permis emiterea următoarelor concluzii:
Motorul cu ardere internă cu piston este un produs matur. Am obținut aproape tot ce poate oferi acest sistem de propulsie dar problema zgomotului, vibrațiilor, consumului și nevoia de combustibil exploziv nu ne așteptăm să se schimbe.
Motoarele aeroreactoare au setul lor de probleme, în ciuda raportului excelent putere/greutate, consumul este foarte mare, la fel prețul inițial și orar. Dezvoltările viitoare în domeniul ceramic promit unele diminuări ale întreținerii dar randamentul scăzut la altitudini mici nu pare că se poate schimba.
Motoarele cu ardere internă au variații mari de cuplu, care se concretizează în vibrații ale fuselajului, reducândui resursa și asupra transmisiei sau elicei. Motoarele în patru cilindri gen Lycoming și Continental au o variație a cuplului nominal între 100% negativ și 350% pozitiv. Un motor Stirling cu același număr de cilindri și putere egală are o variație a cuplului de +/- 5%. Acest fapt poate conduce la o dezvoltare a formei elicei și transmisiei.
Dacă vrem ca aviația să avanseze, avem nevoie de un nou sistem de propulsie. În special un motor care să fie silențios. Aeronavele fac mult zgomot și îl fac deasupra caseor oamenilor. Oamenii asociază zgomotul cu pericolul. Nu este o impresie corectă, dar nu contează, este percepția societății că aeronavele sunt mașinării periculoase.
Prin urmare avem nevoie de un motor care funcționează cu orice tip de combustibil care este disponibil, dar în particular un combustibil care nu este exploziv.
Motorul Stirling oferă foarte multe avantaje. Nivelul scăzut al zgomotului este un beneficiu asupra pilotului și aeronavei. Ciclul Stirling este eficient din cauza regenaratorului, care îmbunătățește consumul specific. Consumul de combustibil nu afectează numai costurile de operare dar și construcția aeronavei conducând la reducerea greutății și îmbunătățirea performanțelor.
Operarea la altitudini foarte mari este un pontențial avantaj major al motorului Stirling. Din cauză că operează pe diferența dintre temperatura combustiei și temperatura ambientală, motorul generează mai multă putere cu cât aeronava urcă în altitudine în aer mai rece.
Caracteristicile sistemului de propulsie pentru aeronave sunt total diferite față de cele ale automobilelor. Caracteristicile care fac ca motorul Stirling să fie nepotrivit pentru autovehicule îl fac potrivit pentru aeronave.
5.2 Contribuții personale
Principalele contribuții ale autorului acestei lucrări de licență se pot structura în două categorii: contribuții în domeniul modelării și simulării virtuale și contribuții în domeniul cercetării experimentale.
Contribuții în domeniul modelării și simulării virtuale
Modelarea 3D a pieselor și asamblarea modelului virtual
Simularea funcționării modelului virtual
Simularea maselor pieselor componente
Simularea și analiza paremetrilor modelului experimantal
Analiza și interpretarea datelor obținute din simulări
Contribuții în domeniul cercetării experimentale
Realizarea practică a modelului experimantal Gama Stirling
Elaborarea metodologiei programului de încercări din cadrul cercetării experimentale și achiziția datelor experimentale
Măsurarea parametrilor de funcționare
Testarea combustibililor neconvenționali
Prezentarea avantajelor amestecurilor de combustibil
Prelucrarea datelor obținute experimental și sistematizarea acestora pentru a creea un punct de plecare în domeniul sistemelor de propulsie neconvenționale și pentru a oferi posibilitatea continuării cercetărilor asupra acestor tipuri de sisteme
5.3 Direcții viitoare de cercetare
Rezultatele obținute până în prezent în domeniul motoarelor Stirling din cadrul acestei lucrări permit dezvoltarea fie unor noi direcții de cercetare, fie optimizarea unor sisteme propuse și utilizate precum:
Realizarea calculelor termodinamice și găsirea unor metode de optimizare
Proiectarea unui model de sistem de propulsie adaptat pentru o aeronavă de dimensiuni mici
Cercetarea influenței creșterii presiunii aerului din interiorul motorului asupra performanțelor
Cercetarea utilizării altor gaze în interiorul motorului și influența asupra performanțelor
Optimizarea regimului dinamic de funcționare
Testarea altor variante constructive pentru utilizarea în aviație
Cercetarea materialelor care pot avantaja utilizarea lor pentru un motor Stirling de aeronavă
Continuarea testării combustibililor și a amestecurilor
BIBLIOGRAFIE
http://sci-toys.com/scitoys/scitoys/thermo/thermo.html 12.07.2014.
Ispas, Ștefan (1991). Motorul turboreactor – istorie, prezent, perspective. București: Editura Tehnică. ISBN 973-31-0273-3.
Homutescu C.A., Homutescu V.M., Homutescu A., Calculul termic și aprecierea performanțelor unui motor Stirling cu cilindree variabilă. In volumul TEHNOMIL 2001 – Tehnică și tehnologie. Ed. Academiei Forțelor Terestre „Nicolae Bălcescu“, Sibiu, 2001, p. 24…31, ISBN 973-8088-48-8.
Homutescu C.A., Dinamica motoarelor cu ardere internă, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi“ Iași (I.P.I.), Rotaprint, Vol. I, 1977, 264 p, p. 5…18.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze#mediaviewer/Fi%C8%99ier:Turbojet_operation-_axial_flow_%28ro%29.png 06.06.2014
http://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze#mediaviewer/Fi%C8%99ier:Turbojet_operation-_centrifugal_flow_%28ro%29.png 06.06.2014
http://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze#mediaviewer/Fi%C8%99ier:Turbofan_operation_%28ro%29.png 20.05.2014
http://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze#mediaviewer/Fi%C8%99ier:Turboprop_operation_%28ro%29.png 20.05.2014
http://ro.math.wikia.com/wiki/Fi%C8%99ier:Motor_de_curent_continuu.png 12.07.2014
http://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CCYQFjAB&url=http%3A%2F%2Fitee.elth.pub.ro%2F~pestrion%2FPresentation%2520power%2520point%25203.ppt&ei=ty_BU_2YL4WH0AX9j4G4DQ&usg=AFQjCNFYgLEMh85bH8DkXKriVyHOqfVQw&sig2=5tDdDLsjOc7ywNDMXddgTA&bvm=bv.70810081,d.bGQ 03.04.2014
http://www.pollutionengineering.com/articles/83765-reducing-gas-turbine-emissions?v=preview 06.04.2014
http://www.deviantart.com/morelikethis/artists/340869127/digitalart/3d/objects/tools?view_mode=2#skins 03.05.2014
http://www.conceptsnrec.com/Resources/Photo-Gallery/Compressors.aspx 18.05.2014
http://www.turbocare.com/alabes_compresor_axial.html 18.05.2014
http://en.wikipedia.org/wiki/Combustion_chamber 18.05.2014
http://automotobike.wordpress.com/2013/04/19/inceputurile-motoarelor-piesele-motorului-in-4-timpi/ 23.05.2014
http://www.modified.com/tech/modp-1210-engine-internal-parts/photo_27.html 23.05.2014
http://www.bizoo.ro/firma/moiraservcom/vanzare/393356/segmenti-motor-john-deere 23.05.2014
http://www.atao.ro/2008/02/05/motorul-strica-bujiile-ude-decalibrate-depuneri-de-calamina/ 23.05.2014
http://moto4all.ro/accesorii//supape-titanium-wiseco-571.html 24.05.2014
http://www.taringa.net/posts/autos-motos/10395628/Funcionamiento-de-un-motor-a-explosion.html 23.05.2014
http://grupindustrymgpartner.infoferma.ro/anunt_9837Arbore+cotit+tractor+case+ih.html 24.05.2014
Walker G., Stirling Engines, Clarendon Press, Oxford 1980
Popescu Gh., Mașini Stirling. Ed. Bren, București, 2001, ISBN 973-8143-34-9
Martini W.R., Developments in Stirling Engines. ASME Paper 72-WA/Ener-9, 1972.
Șoiman M., Alternative ale propulsiei viitorului. Știință și tehnică, 1978, nr. 9, București, p. 20.
Walker G., Reader G., Fauvel O.R., Bingham E.R., The Stirling Alternative:Power Systems, Refrigerators and Heat Pumps. Gordon and Breaach Science Publishers, Philadelphia, 1994, ISBN 2-88124-600-1.
Dowdy M.W., Nichtingale N.P., Mod I Automotive Stirling Engine System Performance. SAE Techn. Pap. Ser., 1982, No. 820353, 10 p.
Richey A.E., Mod II Automotive Stirling Engine Design Description and Performance Projections. SAE Techn. Pap. Ser., 1986, No. 860059, 8 p.
West C.D., Principles and Applications of Stirling Engines. Van Nostrand Reinhold Company, Inc., New York, 1986, ISBN 0-0442-29273-2, 247 p.
Reader T.G., Hooper Ch., Stirling Engines. E. & F.N. Spon, London / New York 1983
Walker G., Stirling Engines, Clarendon Press, Oxford 1980
Walker G.,Can Regenerative Braking be Applied to a Stirling Engine? Automotive Engineering, 1980, 88, No. 7, p. 62 … 65.
Beukering H.C.J., van, Le moteur Philips Stirling, „Ingenieurs de l'automobile“, 1971, nr. 6-7, p. 316 … 323.
Neelen G.T.M., Ortegren L.G.H., Kuhlman P., Zacharias F., Stirling Engines in Traction Application. 9-th International Congress on Combustion Engines – CIMAC, Stockholm, Preprint A-26, 1971.
***, Stirling Technology. Glenn Research Center at Lewis Field, NASA, 2014, http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/ stirling.html.
Bădescu V., Popescu Gh., Feidt M., Costea M., Optimisation du fonctionnement sur Mars d’un moteur de Stirling solaire. Termotehnica, An V, 2001, nr. 1, ISSN 1222-4057, București, p. 24 … 28.
ANEXE
4
BIBLIOGRAFIE
http://sci-toys.com/scitoys/scitoys/thermo/thermo.html 12.07.2014.
Ispas, Ștefan (1991). Motorul turboreactor – istorie, prezent, perspective. București: Editura Tehnică. ISBN 973-31-0273-3.
Homutescu C.A., Homutescu V.M., Homutescu A., Calculul termic și aprecierea performanțelor unui motor Stirling cu cilindree variabilă. In volumul TEHNOMIL 2001 – Tehnică și tehnologie. Ed. Academiei Forțelor Terestre „Nicolae Bălcescu“, Sibiu, 2001, p. 24…31, ISBN 973-8088-48-8.
Homutescu C.A., Dinamica motoarelor cu ardere internă, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi“ Iași (I.P.I.), Rotaprint, Vol. I, 1977, 264 p, p. 5…18.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze#mediaviewer/Fi%C8%99ier:Turbojet_operation-_axial_flow_%28ro%29.png 06.06.2014
http://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze#mediaviewer/Fi%C8%99ier:Turbojet_operation-_centrifugal_flow_%28ro%29.png 06.06.2014
http://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze#mediaviewer/Fi%C8%99ier:Turbofan_operation_%28ro%29.png 20.05.2014
http://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze#mediaviewer/Fi%C8%99ier:Turboprop_operation_%28ro%29.png 20.05.2014
http://ro.math.wikia.com/wiki/Fi%C8%99ier:Motor_de_curent_continuu.png 12.07.2014
http://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CCYQFjAB&url=http%3A%2F%2Fitee.elth.pub.ro%2F~pestrion%2FPresentation%2520power%2520point%25203.ppt&ei=ty_BU_2YL4WH0AX9j4G4DQ&usg=AFQjCNFYgLEMh85bH8DkXKriVyHOqfVQw&sig2=5tDdDLsjOc7ywNDMXddgTA&bvm=bv.70810081,d.bGQ 03.04.2014
http://www.pollutionengineering.com/articles/83765-reducing-gas-turbine-emissions?v=preview 06.04.2014
http://www.deviantart.com/morelikethis/artists/340869127/digitalart/3d/objects/tools?view_mode=2#skins 03.05.2014
http://www.conceptsnrec.com/Resources/Photo-Gallery/Compressors.aspx 18.05.2014
http://www.turbocare.com/alabes_compresor_axial.html 18.05.2014
http://en.wikipedia.org/wiki/Combustion_chamber 18.05.2014
http://automotobike.wordpress.com/2013/04/19/inceputurile-motoarelor-piesele-motorului-in-4-timpi/ 23.05.2014
http://www.modified.com/tech/modp-1210-engine-internal-parts/photo_27.html 23.05.2014
http://www.bizoo.ro/firma/moiraservcom/vanzare/393356/segmenti-motor-john-deere 23.05.2014
http://www.atao.ro/2008/02/05/motorul-strica-bujiile-ude-decalibrate-depuneri-de-calamina/ 23.05.2014
http://moto4all.ro/accesorii//supape-titanium-wiseco-571.html 24.05.2014
http://www.taringa.net/posts/autos-motos/10395628/Funcionamiento-de-un-motor-a-explosion.html 23.05.2014
http://grupindustrymgpartner.infoferma.ro/anunt_9837Arbore+cotit+tractor+case+ih.html 24.05.2014
Walker G., Stirling Engines, Clarendon Press, Oxford 1980
Popescu Gh., Mașini Stirling. Ed. Bren, București, 2001, ISBN 973-8143-34-9
Martini W.R., Developments in Stirling Engines. ASME Paper 72-WA/Ener-9, 1972.
Șoiman M., Alternative ale propulsiei viitorului. Știință și tehnică, 1978, nr. 9, București, p. 20.
Walker G., Reader G., Fauvel O.R., Bingham E.R., The Stirling Alternative:Power Systems, Refrigerators and Heat Pumps. Gordon and Breaach Science Publishers, Philadelphia, 1994, ISBN 2-88124-600-1.
Dowdy M.W., Nichtingale N.P., Mod I Automotive Stirling Engine System Performance. SAE Techn. Pap. Ser., 1982, No. 820353, 10 p.
Richey A.E., Mod II Automotive Stirling Engine Design Description and Performance Projections. SAE Techn. Pap. Ser., 1986, No. 860059, 8 p.
West C.D., Principles and Applications of Stirling Engines. Van Nostrand Reinhold Company, Inc., New York, 1986, ISBN 0-0442-29273-2, 247 p.
Reader T.G., Hooper Ch., Stirling Engines. E. & F.N. Spon, London / New York 1983
Walker G., Stirling Engines, Clarendon Press, Oxford 1980
Walker G.,Can Regenerative Braking be Applied to a Stirling Engine? Automotive Engineering, 1980, 88, No. 7, p. 62 … 65.
Beukering H.C.J., van, Le moteur Philips Stirling, „Ingenieurs de l'automobile“, 1971, nr. 6-7, p. 316 … 323.
Neelen G.T.M., Ortegren L.G.H., Kuhlman P., Zacharias F., Stirling Engines in Traction Application. 9-th International Congress on Combustion Engines – CIMAC, Stockholm, Preprint A-26, 1971.
***, Stirling Technology. Glenn Research Center at Lewis Field, NASA, 2014, http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/ stirling.html.
Bădescu V., Popescu Gh., Feidt M., Costea M., Optimisation du fonctionnement sur Mars d’un moteur de Stirling solaire. Termotehnica, An V, 2001, nr. 1, ISSN 1222-4057, București, p. 24 … 28.
ANEXE
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Consideratii Generale Privind Stadiul Actual al Preocuparilor In Domeniul Sistemelor de Propusie (ID: 162179)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.