Экспериментальное исследование самостабилизации частоты вращения одноцилиндрового пневматического поршневого двигателя

Аннотация

Одно из передовых направлений развития современной энергетики — автономная от сети генерация электрической энергии. Его перспективность определяется тем, что в экономических условиях рыночных отношений в России использование исключительно централизованных электрических сетей и генерирующих мощностей становится невозможным. Распространение генерации электрической энергии автономно от сети при применении известных тепловых двигателей сдерживается невозможностью обеспечения высокой точности стабилизации частоты электрического напряжения (на уровне 50±0,2 Гц) без применения дорогостоящего оборудования. В статье рассмотрено решение этой проблемы путем применения генерирующей установки с поршневой расширительной машиной, работающей в режиме самостабилизации частоты вращения (ССЧВ). Данное явление исследовано на примере пневматического поршневого двигателя. Воздух рассматривается как моделирующее рабочее тело. Натурным рабочим телом реальной когенерационной установки будет являться водяной пар. К особенности работы поршневого двигателя с ССЧВ относится постоянство расхода рабочего тела независимо от мощности нагрузки, что является положительным качеством при его работе в режиме когенерации. Это исключает применение регулируемой байпасной линии или отдельного котла и обеспечивает нормальную работу системы теплоснабжения при снижении электрической нагрузки. Основная цель работы — сопоставление экспериментальных данных о работе генерирующей установки с теоретическими, полученными на упрощенной динамической модели поршневого двигателя в переходных процессах. Показано, что такая модель достаточно точно для использования в инженерной практике описывает реальный поршневой двигатель. Последнее обстоятельство позволило, благодаря простоте динамической модели, впервые получить инженерную аналитическую формулу для перерегулирования поршневых двигателей с ССЧВ при ступенчатом изменении нагрузки. В результате исследования стало возможным достоверно определить отклонение частоты вращения поршневого двигателя с ССЧВ при ступенчатом изменении нагрузки. Эта величина однозначно определяет отклонение частоты электрического напряжения, вырабатываемого электромашинным генератором, приводимым таким двигателем. Авторами созданы предпосылки для определения области рационального применения поршневых двигателей с ССЧВ в когенерационных системах энергоснабжения.