Сборник 70 студ конференции БГТУ

651

С.М. Сусоев СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ

ВОДОПОДГОТОВКИ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЕЛЬНЫХ

Объект исследования:водоподготовительнаяустановка.

Результаты, полученные лично автором:анализ Na-катионитового фильтра наразличныхрежимах.

Выбор схемы очистки воды играет важную роль в системе теплоэнергетического оборудования. Качество водоподготовки определяет надежность эксплуатации не только основного оборудования котельной, но также тепловых сетей. Подпиточная вода не должна вызывать накипеобразования и шламовыделения в подогревателях, трубопроводах и местных системах, а также коррозию металла. Не учитывая эти явления, в котле начнут происходить необратимые процессы.

Представлен анализ методов водоподготовки очистки сырой воды, который показал, что выбор водоподготовительной установки и методов очистки воды не простая задача, решаемая квалифицированным специалистом. Необходимо учитывать показатели содержания примесей источника сырой воды, а также их изменение в течение года.

Произведен расчет тепловой схемы водогрейной котельной, в результате чего было найдено, что для восполнения потерь сетевой воды необходимо подготовить в среднем 9.93 т/ч подпиточной воды. Источником сырой воды является р. Волга, следовательно в системе водоподготовки должен быть осветлитель и фильтр очищающий от солей жесткости. Таковым в моей схеме водоподготовки является Na – катионитовый фильтр I ступени ФИПа 0,7 0,6 Na. Допустимая скорость фильтрования в нем составляет 15 – 30 м/с. Это позволяет пропускать через него воду с расходом до 12 т/ч. Что нас устраивает.

Расчет на различных режимах Na – катионитового фильтра показал, что при изменении жесткости исходной воды, меняется в прямой пропорциональности среднечасовой расход воды, на собственные нужды фильтра, при этом увеличивается и количество его регенераций. При Жо = 1,6 мг-экв/кг, n=1.7, Qс.н.час=0.44 т/ч, при Жо = 2,2 мг-экв/кг, n=2,35, Qс.н.час=0.6 т/ч. Также фильтр себя ведет и при увеличении расхода сырой воды.

Продолжение исследований по нахождению оптимального режима работы водоподготовительных установок является перспективным направлением в создании наиболее подходящей системы водоподготовки.

Работа выполнена под руководствомк.т.н,доцента В.С. Казакова

652

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Н.О. Безрученко, О.М. Турлакова АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА

ТОРМОЗА С МАССИВНЫМ РОТОРОМ ОТ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СКОРОСТИ ЕГО ДВИЖЕНИЯ

Объект исследования: электромагнитный тормоз с массивным ферромагнитным ротором.

Результаты, полученные лично автором: построены зависимости и найдены аппроксимирующие функции распределения нормальной составляющей магнитной индукции и тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в воздушном зазоре и массивном ферромагнитном роторе. Определены аналитические выражения, позволяющее рассчитывать электромагнитный момент и анализировать влияние параметров на его величину.

Электромагнитный тормоз с массивным ферромагнитным ротором представляет собой устройство, в котором ротор движется относительно постоянного магнитного поля обмотки намагничивания. На движущийся ротор действует сила Ампера, порождающая электромагнитный момент. Сила воздействия магнитного поля на движущийся ротор определяется с помощью тензора натяжения Максвелла. Применительно к электромагнитному тормозу тензор натяжения определяется произведением нормальной составляющей магнитной индукции на тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля. Сила определяется как интеграл от тензора натяжений по площади ротора.

Расчет полевой задачи в электромагнитном тормозе с учетом нелинейности магнитных характеристик и конфигурации воздушного зазора аналитическими методами практически невозможен. Поэтому для решения таких задач используются численные методы. Однако численные методы не позволяют получать аналитические зависимости, позволяющие оценить влияние различных параметров на величину электромагнитного момента. Поэтому, актуальной задачей представляется обобщение результатов серии численных экспериментов с целью отыскания аналитических зависимостей, позволяющих определять силу, действующую на ротор в функции скорости его движения и магнитной индукции, имеющей место при неподвижном роторе. Получение таких зависимостей позволит проводить оценочный расчет момента тормоза по значениям его исходных параметров.

Для исследования использовался программный комплекс Comsol Multiphisics, позволяющий решать полевые задачи с учетом нелинейностей магнитных характеристик и сложной конфигурации воздушного зазора. Решения полевой задачи позволили получить зависимости распределения составляющих магнитного поля в воздушном зазоре и массивном ферромагнитном роторе.

653

Полученные графики показали, что распределение составляющих магнитного поля имеет сложный характер (рис. 1). Произведение величин, определяющих тензор натяжения, является ещё более сложной зависимостью. Было сделано допущение о том, что интеграл произведения нормальной составляющей магнитной индукции на тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля равен произведению интегралов модулей названных величин. Для подтверждения принятого допущения был проведен ряд численных экспериментов, в котором момент определялся разными способами. Анализ результатов показал, правомерность принятого допущения.

ис

1.

Рас

пре

дел

ени

е

нор

ма

льн

ой

сос

тав

ля

ющ

ей

маг

нит

ной индукции на поверхности ротора при различных скоростях его вращения: 1 – n=0 об/мин, 2 – n=300 об/мин, 3 – n=600 об/мин, 4 – n=900 об/мин.

Результаты экспериментов сводились в таблицы, по которым строились графики. В результате проведенной аппроксимации для нормальной составляющей магнитной индукции и тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля на поверхности ротора получены выражения:

Bn (B0 , ) 0,196B0 0,0065 ln( ) 1,7288B0 0,0222 ;

H (B0 , ) 3925B0 205,49 ln( ) 13027B0 831 .

Поскольку величина момента пропорциональна произведению H Bn , то выражение для момента, при пренебрежении малозначимыми слагаемыми, может быть найдено в виде:

M ln( ) 2 769B02 66B0 ln( ) 9339B02 690B0 22521B02 1725B0 k ,

где k – коэффициент, зависящий от геометрических параметров ротора.

С целью оценки точности полученных результатов были рассчитаны погрешности определения момента по аппроксимирующим выражениям в сравнении с моментом определенным по тензору натяжения Максвелла на

654

модели. Погрешность в определении момента не превышает 25%, что вполне допустимо для предварительного оценочного расчета момента.

Полученные зависимости могут использоваться для оценки влияния на момент тормоза различных параметров.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Промышленная электроника и электротехника» В.П.Маклакова

Д.Д. Бобылев, Е. А. Артамонов ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Объект исследования: аналоговые и цифровые датчики температуры. Результаты, полученные лично авторами: проведен анализ литературных источников; изучены характеристики полупроводниковых

датчиков температуры; выявлены их достоинства и область применения.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков.

Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Полупроводниковые датчики температуры предназначены для измерения температуры от -55° до 150°С. В этот диапазон попадает огромное количество задач, как в бытовых, так и в промышленных приложениях. Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом характеристик.

Благодаря высоким характеристикам, простоте применения и низкой стоимости полупроводниковые датчики температуры оказываются очень привлекательными для применения в микропроцессорных устройствах измерения и автоматики.

Физический принцип работы полупроводникового термометра основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещенном в прямом направлении. В качестве чувствительных элементов на практике используются диоды, либо транзисторы, включенные по схеме диода. Для проведения измерений, необходимо протекание стабильного тока через чувствительный элемент. Выходным сигналом является падение напряжения на датчике.

Простые аналоговые полупроводниковые датчики практически в чистом виде реализуют идею измерения температуры, с помощью определения падения напряжения на p-n переходе. Для устранения всех отрицательных явлений, связанных с работой такого перехода, используется специальная схема, содержащая в своем составе два чувствительных элемента (транзистора) с различными характеристиками. Выходной сигнал

655

формируется как разность падений напряжения на каждом чувствительном элементе.

Основной характеристикой датчика температуры является точность измерений. Для полупроводниковых моделей она колеблется от ±1°С до ±3.5°С. Самые точные модели редко обеспечивают точность лучше чем ±0.5°С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры

Температурные датчики можно встретить в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, служебных мониторов микропроцессорных систем Примером подобных изделий могут служить датчики температуры с цифровым выходом. В отличие от аналоговых вариантов, эти устройства содержат встроенный АЦП и формирователь сигналов какого-либо стандартного интерфейса. Наибольшую популярность получили интерфейсы SPI, I2C и 1-Wire. Использование термометров с цифровым выходом значительно упрощает схемотехнику измерительного устройства, при незначительном увеличении стоимости относительно аналоговых вариантов

Характеристики интегральных датчиков температуры с цифровым выходом в целом соответствуют характеристикам аналоговых вариантов. При этом в виду применения АЦП, добавляется такой параметр, как разрешение выходных данных. Сегодня можно встретить датчики с разрешением от 9 до 16 бит. Часто данный параметр указывается в виде температуры, определяемой младшим разрядом АЦП.

Кроме непосредственного измерения температуры, многие цифровые датчики обладают дополнительными функциональными возможностями. Наибольшее распространение получил дополнительный выход термостатирования, позволяющий использовать микросхемы без внешних устройств управления.

Работа выполнена под руководством доц. кафедры «Промышленная электроника и электротехника» Н. А. Кривоногова

К. С. Борисенков ГЕНЕРАТОР ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С

САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

Объект исследования: генератор возвратно-поступательных движений с самовозбуждением.

Результаты, полученные лично автором: анализ устройства и принципов работы преобразователей с самовозбуждением. Изготовлена и испытана конструкция генератора с самовозбуждением.

Для преобразования возвратно-поступательных движений в электрическое напряжение известны конструкции с постоянными магнитами:

А) закрытый вариант. Преобразователь имеет полностью защищенную закрытую конструкцию, на которой расположены только два выхода для снятия генерируемого напряжения.

656

Б) открытый вариант. Характерной особенностью является то, что подвижный магнитопровод непосредственно крепится к рессоре/амортизатору.

Конструкции на постоянных магнитах легко реализуются, но имеют ряд недостатков, таких как: сложность и высокая стоимость конструкции, ограниченную область применения, а также то, что магниты плохо подвержены обработки и теряют свои свойства со временем и при повышении температуры.

Недавно была предложена конструкция генератора возвратнопоступательного движения с самовозбуждением [1].

Для экспериментальной проверки работоспособности предложенного генератора был разработан и изготовлен опытный образец. С целью уменьшения перемещения подвижного магнитопровода, например, для преобразователя вибраций в электрическое напряжение, была несколько изменена конструкция генератора. В ней применены два (вместо четырех) симметрично расположенных Ш-образных неподвижных магнитопровода, у которых обмотка возбуждения расположена на центральных стержнях, а генераторные обмотки на внешних стержнях. При этом центральный стержень выполнен сплошным и из углеродистой стали, а внешние стержни, соединенные между собой в виде С-образной конструкции, выполнены шихтованными. Подвижный магнитопровод изготовлен прямоугольной формы без зубцов, следовательно, тоже шихтованный. Длина подвижного магнитопровода выполнена такой, чтобы он замыкал магнитную цепь от внешнего стержня до внутреннего.

При возвратно-поступательных движениях подвижного магнитоповода замыкается магнитная цепь то одного, то другого внешнего магнитоповода. При этом в генераторных обмотках наводится электродвижущая сила в

соответствии с уравнением , где w – число витков

генераторной обмотки, Ф – магнитный поток во внешнем стержне неподвижного магнитопровода. Так как магнитный поток поочередно возрастает у одного стержня, а у другого убывает, и наоборот, то электродвижущие силы в генераторных обмотках оказываются в противофазах. Для их суммирования обмотки включают встречно. Генераторные обмотки другого Ш-образного магнитопровода включены аналогично – встречно между собой и последовательно согласованно с обмотками первого Ш-образного магнитопровода. Полученное переменное напряжение выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором.

Для обеспечения самовозбуждения часть полученной электрической энергии возвращается в обмотки возбуждения. Так как центральный стержень неподвижного магнитопровода выполнен из углеродистой стали, то у него будет остаточная намагниченность, и ток в обмотке возбуждения увеличит в нем магнитный поток, что приведет к последующему увеличению электродвижущей силы и увеличению тока, возвращаемого в обмотку возбуждения.

657

Изготовленный макетный образец генератора возвратнопоступательного движения был испытан. При частоте возвратнопоступательных движений менее одного герца напряжение, полученное на выходе (на конденсаторе) достигало 13В. Однако, получить на данной частоте самовозбуждения генератора не удалось.

Для дальнейших исследований генератора планируется уменьшение рабочих зазоров между подвижным магнитоповодом и неподвижными магнитопроводами, а также уменьшение сопротивления обмоток возбуждения.

Работа выполнена под руководством проф. Л.А. Потапова

А.В. Крысов, П.О. Лахтер ГЕНЕРАТОРЫ ТЕПЛОВЫХ И АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Объект исследования: генераторы тепловых и атомных электростанций.

Результат исследования: проведен анализ влияниясистем охлаждения на параметры турбогенератора.

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока магнитной индукции.Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Роторы турбогенераторов изготовляют из цельных поковок высококачественной стали. Диаметр ротора определяется условиями механической прочности; для ограничения действующих на ротор центробежных сил он не должен превышать 1,0—1,5 м, поэтому увеличивают его длину. Однако и длина ротора ограничивается допустимым прогибом вала и возникающими при этом вибрациями. Для того чтобы прогиб вала при неподвижном роторе не превышал 2,5 мм, длина ротора турбогенератора не должна превышать 7,5 — 8,5 м. Следовательно, отношение длины к диаметру достигает 5 — 6.

Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготовляется сварным, с торцов он закрывается щитами с уплотнениями в местах стыка с другими частями. Сердечник статора состоит из отдельных пакетов, собранных с целью уменьшения вихревых токов из изолированных лаком листов стали толщиной 0,5 мм и имеющих форму сегмента. Для охлаждения стали статора пакеты разделяют радиальными вентиляционные

658

каналы. В пазы, имеющиеся во внутренней расточке сердечника, укладывается трехфазная обмотка, обычно двухслойная.

Для турбогенераторов важнейшей проблемой является проблема их охлаждения. При мощности до 30 МВт они имеют поверхностное или косвенное (посредством обдува) воздушное охлаждение, а при больших мощностях — косвенное водородное. В турбогенераторах мощностью более 60 МВт применяют непосредственное внутреннее охлаждение проводов обмоток. Обмотки у таких машин изготавливаются из полых проводников, внутри которых циркулирует охлаждающая среда. В качестве охлаждающей среды используется газ (водород) или жидкости (вода, трансформаторное масло).

В настоящее время косвенное воздушное охлаждение применяют ограниченно, в турбогенераторах только до 12 МВт. Более мощные генераторы оснащаются теперь более эффективными системами охлаждения, позволяющими значительно увеличить единичную мощность без существенного увеличения размеров машины.

Водородное охлаждение эффективнее воздушного. Он имеет в 1,7 раза больший коэффициент теплоемкости, в 7 раз более высокую теплопроводность. Это предопределяет малое тепловое сопротивление прослоек водорода в изоляции и зазорах пазов. Плотность водорода в 10 раз меньше: ротору легча вращаться а менее вязкой среде, снижаются потери на трение, вентиляционные потери уменьшаются в 8-10 раз коэффициент полезного действия турбогенератора увеличивается примерно на один процент; существенно и то что в среде водорода медленнее изнашивается («стареет») изоляция.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Промышленная электротехника и электроника» Н.А. Кривоногова.

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Р.В. Аверочкин РАЗДЕЛЕНИЕ ЦИКЛА ДВС

Объекты исследования: Двигатель Кушуля; двигатель Скудери; двигатель Тайца-Старокожева.

Результаты, полученные лично автором: рассмотрено устройство и принцип действия различных двигателей с раздельным циклом.

Во всем мире ведутся интенсивные исследования как по снижению общей загазованности выхлопа автомобильного двигателя, так и по уменьшению содержания в нем токсичных веществ.

Расчеты показывают, что разделение цикла дает гораздо более высокую степень сжатия смеси и быстрое и полное ее сгорание.

Двигатель с разделенным циклом был предложен профессором Ленинградского института авиационного приборостроения Вениамином Моисеевичем Кушулем в 1962 г.

659

Термодинамический цикл В.М. Кушуля предусматривает соединение двух рабочих тел – низкосжатого воздуха (после сообщения ему тепла) с высокосжатым воздухом, давление которого должно быть равно давлению сгорания низкосжатого воздуха.

Термодинамический цикл В М. Кушуля позволяет осуществить рабочий процесс с высокой степенью сжатия независимо от детонационных свойств топлива, что делает двигатель многотопливным и повышает его КПД и литровую мощность.

Принципиальная схема двигателя В.М. Кушуля.

Рабочий процесс в двигателе В.М. Кушуля отличается от традиционных.

Для сгорания топливовоздушной смеси создаются наилучшие условия

Вконце сгорания объем над двумя поршнями будет такой же, как объем над одним поршнем в двигателе, работающем по принципу Отто.

Управляемый рабочий процесс позволяет также осуществлять качественное регулирование заряда.

Проведем сопоставление рассматриваемого цикла с существующими. Отличия двигателя В.М. Кушуля от двигателей, работающих по циклу

Отто, сводятся к следующему.

Термодинамический расчет показывает, что осуществление рассматриваемого цикла даже без вторичного подвода тепла дает повышение КПД двигателя, работающего по этому циклу по сравнению с КПД двигателей, работающих по циклу Отто, на 21%.

Особенность двигателя В.М. Кушуля состоит именно в том, что в нем достигается лучшая организация процесса сгорания и качественное его осуществление.

Для обеспечения надежного воспламенения и устойчивого начального горения необходимо, чтобы количество теплоты, выделяющееся в результате химической реакции в нагретом от искры объеме смеси, было больше теплоотдачи с поверхности.

Вдвигателе с управляемым рабочим процессом обеспечено естественное отделение фазы воспламенения и начала горения от фазы основного горения и создание оптимальных условий для каждой из них.

Детонация при сгорании возникнуть не может.

По условиям осуществления термодинамического цикла проходное сечение перепускного канала не ограничено и рассчитывается из условия создания во второй фазе сгорания достаточных турбулентных движений газов, чтобы обеспечить.

Двигатель В.М. Кушуля по принципу действия является многотопливным.

Всвязи с тем, что термодинамический цикл осуществляется в двух цилиндрах, конструктивная схема двигателя должна предусматривать парное расположение цилиндров, которое может быть осуществлено в продольном или поперечном направлении.

660

Воснову концепции двигателя, придуманного Кармело Скудери, положен принцип разделения цилиндров на рабочие и вспомогательные.

Вотличие от схемы Отто, в двигателе с разделенным циклом SCC на каждый оборот вала приходится один рабочий такт.

Входе виртуальных испытаний рядного прототипа двигателя Скудери было выявлено, что он очень стабилен.

Вдвигателе Отто каждый поршень последовательно совершает такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. В разработке Скудери обязанности делятся между парными цилиндрами.

Вцикле Отто рабочий ход происходит на каждом втором обороте коленчатого вала, в двигателе Скудери - на каждом.

Сыновья Кармело усовершенствовали конструкцию мотора, добавив к ней баллон со сжатым воздухом, создав оригинальную гибридизированную версию Scuderi Air-Hybrid.

Конструкция двухблочного четырехкамерного роторно-поршневого двигателя (РПД) была предложена д.ф.-м.н., профессором О.Г. Тайцем и к.т.н. М.А. Старокожевым Принцип действия двухблочного четырехкамерного роторно-поршневого двигателя Тайца-Старокожева состоит в соединении в себе достоинств роторно-поршневого двигателя и двигателя с циклом разделенного рабочего процесса.

Работа выполнена под руководством доц. каф «Тепловые двигатели» Е.В. Дмитриевского

Агапов B.C.

ПРИМЕНЕНИЕ МОЩНЫХ МАЛООБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ДИЗЕЛЬ - ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Объекты исследования: силовые агрегаты на базе МОД.

Результаты, полученные лично автором: рассмотрены конструкции и польза установки МОД на ЭС.

В настоящее время производственный потенциал энергетики России составляет более 700 электростанций общей мощностью свыше 215 млн. кВт. Из них 70% - тепловые электростанции, около 20% - гидроэлектростанции и 10% - атомные. Протяженность линий электропередач всех классов более 2,5 млн. км. Свыше 90% этого потенциала сосредоточено в Единой Энергетической Системе (ЕЭС)

Износ линий электропередач ныне превышает в системе ЕЭС 25%, подстанций - 45%. Это свидетельствует о нарастающей угрозе аварийных перебоев в электроснабжении.

Таким образом, наряду с большой энергетикой, в современных условиях весьма значительной становится роль объектов малой энергетики, к которой чаще всего относят отдельные, не входящие административно в ЕЭС электростанции, мощность которых лежит в диапазоне до 150 МВт.