Состояние разработок по созданию системы «термоакустический двигатель - линейный генератор» В последнее десятилетие достаточно активно развиваются исследовательские работы по созданию электромеханических систем на основе термоакустических двигателей и линейных электрических генераторов при решении задач разработки принципиально новых СЭП для КА и установок для сжижения и разделения газов на основе термоакустического эффекта. Имеются сведения о разработке в США фирмой Northrop Grumman Space and Technology, Space & Electronics Group (One Space Park, Redondo Beach, CA 90278) при поддержке Los Alamos National Laboratory, Condensed Matter and Thermal Physics (MST-10, MS-K764, Los Alamos, NM 87545) в рамках контракта NAS CDRL 3f с NASA опытного образца термоакустического двигателя - линейного генератора космического назначения. Генератор имеет электрическую мощность 116 Вт постоянного тока при общей массе 13.9 кг, т.е. начальную удельную мощность 8.3 Вт/кг. При тепловой мощности изотопного источника 500 Вт суммарный КПД генератора составляет 23%.

Конструкция термоакустического двигателя с номинальной акустической мощностью 143 Вт фирмы Northrop Grumman Space and Technology

Энергетические показатели и перспективы разработки КПД собственно термоакустического двигателя, преобразующего тепло изотопного плутониевого источника в энергию акустических колебаний удовлетворителен и составляет 30%. Для систем СЭП КА большей мощности следует ожидать увеличения КПД термоакустического двигателя и, следовательно, системы«термоакустический двигатель – линейный генератор» (ТАД – ЛГ) в целом. Успех опытного образца термоакустического генератора космического назначения определил активизацию зарубежных работ по созданию систем СЭП для КА на основе термоакустического эффекта. В данном докладе представлены исследования по определению возможных технических характеристик для применения энергетических установок КА на основе системы ТАД – ЛГ.

Структура системы ТАД -ЛГ Система «термоакустический двигатель - электрический генератор» для КА состоит из следующих структурных единиц: источника тепловой энергии (изотопного нагревателя); термоакустического двигателя, преобразующего тепло в энергию акустических колебаний; холодильника-излучателя. преобразователя энергии акустических волн в электрическую энергию (альтернатора - линейного генератора переменного тока); вентильного преобразователя переменного тока в постоянный.

Структурная схема ТАД - ЛГ Линейный генератор Термоакустический двигатель Вентильный преобразователь Холодильник Изотопный нагреватель Теплоотвод к элементам конструкции КА Радиатор - излучатель.

Типичная компоновка термоакустического двигателя и линейного генератора (альтернатора)

Теплообмен в ТАД-ЛГ Термические интерфейсы для подвода и отвода тепла: - термический интерфейс тепловыделяющей сборки с горячим теплообменником термоакустического двигателя - термический интерфейс горячего теплообменника термоакустического двигателя с тепловыделяющей сборкой - термический интерфейс холодного теплообменника термоакустического двигателя с радиатором - термический интерфейс холодного теплообменника термоакустического двигателя с элементами конструкции КА. Для ТАД - ЛГ значительной мощности в качестве холодильника - излучателя необходимо использовать радиатор, излучающий отработанное тепло в косм ос.

Потери Тепло выделяющая сборка Изотоп ный нагреватель Термоакус тический двигатель Линейный генератор Вентильный преобразователь Космическое пространство

Компоновка линейного генератора Линейный генератор (ЛГ) переменного тока преобразует энергию акустических волн в электрическую энергию. Он имеет поршень, который без смазки движется в цилиндре, соединенном с акустической системой ТАД. Зазор между поршнем и цилиндром составляет мкм. Для поддержания такого малого зазора используют подвеску ротора поршня на двух мембранных пружинах. Для компенсации вибраций при компоновке системы используется два оппозитных ЛГ, имеющих общий акустический интерфейс с акустической системой ТАД. С поршнем соединен подвижный элемент, на котором расположена магнитная система линейного генератора переменного тока. Для ЛГ мощностью до нескольких киловатт в качестве магнитной системы используются постоянные магниты (ЛГПМ). На неподвижном статоре генератора расположена неподвижная магнитная система (магнитопровод и обмотки) линейного генератора. Зазор в магнитной системе поддерживается с помощью подвески подвижного элемента на мембранных пружинах.

Конструкция оппозитного ТАД – ЛГПМ 1,6 – магнитопровод, 2 - обмотка, 3 – постоянные магниты, 4 – индуктор, 5 – корпус ЛГПМ, 7,9 – мембрана, 8 – шток, 9 – холодильник-излучатель,10 – термоакустический двигатель.

Вариант конструкции ЛГПМ 1 – магнитопровод, 2 – обмотка, 3 – подвижная часть (индуктор), 4 – постоянный магнит

В качестве одного из конструктивных вариантов может быть предложена магнитная система, изображенная на слайде Для данной конструкции магнитопровод ЛГПМ состоит из двух частей: внешней – выполненной в виде пакета круглых штампованных пластин с четырьмя полюсами, и внутренней – представляющей собой также пакет шихтованных пластин, размещенных с внутренней стороны индуктора. Подвижная часть состоит из полого каркаса из немагнитного материала и восьми призматических магнитов, размещенных на нем. Немагнитный промежуток обеспечивается специальной вставкой. Преимуществом данной конструкции является ее технологичность и достаточно высокое использование материалов. Обмотка, выполненная в виде сосредоточенных катушек, размещена на полюсах магнитопровода. Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, суммируется и проходит через полюса магнитопровода, меняя свое направление в зависимости от положения индуктора.

Картина распределения магнитного поля ЛГПМ

Распределение магнитных потоков. Эквивалентная схема магнитной цепи ЛГПМ Независимо от положения индуктора в системе существуют магнитные потоки трех видов: 1. Потоки рабочего зазора 2. Потоки краевого эффекта 3. Потоки рассеяния Все перечисленные потоки являются функциями координаты перемещения х, и это очень важно с точки зрения определения электромагнитных сил, а также наведения ЭДС в рабочих обмотках.

Временные диаграммы магнитных потоков ЛГ

Данные лабораторного образца Номинальная мощность - 50 Вт, 1.5 кратная перегрузочная способность Частота колебаний – 50 Гц Амплитуда колебаний м Температура подвижного элемента – не более 100 °С Н, кА/м 50°С 100°С 200°С 150°С 20°С MAEP33HsLs4πJ, Тл Кривая размагничивания магнита МАЕР33HsLs на основе NdFeB

Оценка необходимого объема постоянного магнита Для предварительной оценки необходимого объема магнита можно использовать соотношения, разработанные для вращающихся генераторов с ПМ. Однако известные зависимости целесообразно дополнить множителем, учитывающим худшее по сравнению с вращающимися машинами использование материала ПМ Значения поправочного коэффициента к определению объема магнита

Особенности проектирования ЛГПМ Предложенная методика применима для проектирования генераторов возвратно-поступательного движения малой (десятки ватт) и средней мощности (1-2 киловатт). При разработке методики проектирования ЛГПМ были приняты следующие основные допущения: мощность первичного двигателя много больше мощности генератора и, следовательно, амплитуда колебаний не зависит от нагрузки; координата положения индуктора изменяется по гармоническому закону; при расчете параметров магнитной цепи магнитное сопротивление стальных участков принимается равным нулю.

Особенности определения соотношений ширины магнита и немагнитного промежутка Кривая 1 – полезная мощность ЛГПМ, кривая 2 – коэффициент гармонических искажений, кривая 3 –коэффициент амплитуды

Алгоритм расчетной модели ЛГПМ

Стенд с лабораторным образцом ЛГПМ

Внешняя характеристика лабораторного образца Зависимость выходного напряжения U rab от тока нагрузки I rab

Энергетическая характеристика лабораторного образца Зависимость КПД η rab от мощности нагрузки P rab (I rab )

1 – индуктор, 2 – постоянные магниты, 3 – концентрический магнитопровод, 4 – П-образный магнитопровод, 5 – шток, 6 – обмотка, 7,8 – мембрана, 9 – задняя крышка, 10 – корпус. Конструкция лабораторного образца ЛГПМ

Данные расчета типоразмеров ЛГПТ Расчетная мощность, Вт Напряжение, В63 Номинальный ток, А 0,8101,6003,9807,95015,890 КПД (без учета мех потерь), о.е. 0,7860,8200,8490,8640,873 Диаметр магнита, м 0,0140,0260,0660,1320,260 Высота магнита, м 0,005 Ширина магнита, м 0,005 Немагнитный зазор, м 0,001 Удельная мощность, Вт/кг 29,732,73433,230,4

Выводы Определена перспективная конструкция линейного генератора с постоянными магнитами для автономных электроэнергетических комплексов. Разработанная методика инженерного проектирования использована для расчета ЛГПМ различной мощности с заданными массообъемными и энергетическими показателями СЭП в составе автономного объекта. Предложены рекомендации по проектированию ЛГПМ