là đề tài nghiên cứu tốt nghiệp của khoa cơ khí trong đây có cả quy trình công nghệ và bản vẽ solid các chi tiết các kiến thức nhiệt động học cơ khí ô tô. những nghiên cứu tương laiTổng hợp kiến thức đã học vận dụng tính toán thiết kế và chế tạo mô hình động cơ Stirling Motor Teilileste. Ứng dụng phần mềm tham số để mô phỏng tính toán áp lực để xác định tốc độ quay của động cơ.
LI NểI U T lõu nay, nng lng l quan tõm hng u ca mi ngi Ngun du m trờn th gii mc dự rt phong phỳ nhng vi cỏch khai thỏc t nh hin thỡ ó lm cho ngun du m ngy cng cn kit, ú giỏ du m tng cao mt cỏch chúng mt Hn na thi i ngy nay, m mụi trng ang l c quan tõm ton cu, mụi trng ang b ụ nhim nng, m mt nhng nguyờn nhõn chớnh l khớ thi ca ng c Nng ca nhng cht gõy ụ nhim khớ x ca ng c nh NO, CO, HC, b húng cú xu hng gia tng mnh m cựng vi s gia tng nng CO2, cht khớ gõy hiu ng nh kớnh lm tng nhit khớ quyn ó l ti bn cói nhiu din n quc t v khuvc Tt c nhng ú ũi hi ngnh ng c phi tỡm nhng gii phỏp thớch hp ng c t ang dn dn c thay th bng nhng loi ng c khỏc, ú ng c Stirling c s quan tõm ca nhiu nh nghiờn cu õy l loi ng c t ngoi s dng mụi cht cụng tỏc th khớ ụng c cú kt cu n gin khụng cú cỏc h thng ph phc nh: h thng in, h thng phun nhiờn liung c Stirling cung cp cụng theo mt chu trỡnh theo ú piston nộn khớ nhit thp v cho gión n khớ nhit cao ng c ny cú th dựng bt k ngun nhit no, quỏ trỡnh cp nhit cú th thc hin bờn hay ngoi xy lanh ỏn tt nghip ny, em gii thiu tng quỏt v ng c Stirling, nờu mc ớch nghiờn cu, tỡm hiu cỏc loi kt cu khỏc ca ng c, nờu u nhc im ca nú, tỡm hiu nguyờn lý hot ng ca ng c v thit k mt ng c Stirling chy bng ngun nhit.Trong quỏ trỡnh hon thnh ỏn, mc dự bn thõn em ó c gng nhng chc chn khụng trỏnh nhng sai sút Vỡ vy em mong c s ch bo ca cỏc thy cụ v cỏc bn vic nghiờn cu v thit k ng c c hon thin hn 1 Em xin by t lũng cm n n thy Nguyn Quc Tun v cỏc thy cụ giỏo ó giỳp em hon thnh ỏn ny H Ni, ngy thỏng nm 2017 Sinh viờn thc hin Trnh Trung Thnh Trn Cụng Quang u ỡnh Tựng 2 Chng 1: NGHIấN CU TNG QUAN V NG C STIRLING 1.1 GII THIU Hỡnh 1-1 : Tin s Robert Stirling ngi phỏt minh ng c Stirling ng c Stirling c phỏt minh vo nm 1816 Robert Stirling phỏt minh Phỏt minh ny nhm to mt phng ỏn an ton hn thay th cho ng c hi nc ang ph bin lỳc by gi Ni hi ca ng c hi nc thng xy hin tng n ỏp sut cao ca hi nc v nguyờn liu khụng thớch hp Thc nhng ý tng phỏt minh mt loi ng c mi thay th cho ng c hi nc ó xut hin t nhng nm 1699 nhng iu lut u tiờn v khớ thi i Nm 1807, nh phỏt minh ngi Anh George Cayley ó phỏt minh ng c khớ núng Nhng mụ hỡnh ca Stirling a c chỳ ý hn c v c xem l ỏng giỏ nht Nú cng l mt loi ng c nhit thuc nhúm ng c t ngoi nhng nguyờn lý sinh cụng ca nú khỏc hn Nú s dng mt ngun núng lm gión n mụi cht bờn xy lanh v sinh cụng, sau ú li 3 dựng mt ngun lnh gii nhit cho mụi cht cụng tỏc trc y nú tr li phớa u núng Hỡnh 1-2 : Mụ hỡnh ng c Stirling sỏng ch nm 1816, nú c s dng vo nm 1818 bm nc t m ỏ Tuy ng c Stirling xut hin sm nh vy nhng nú cha c phỏt trin ng dng cuc sng vỡ giỏ thnh ch to cao v li nhun thp nờn khụng th cnh tranh vi loi ng c hin ti Trong th k ny, ngi bt u ngh v mụi trng thỡ ng c Stirling ang c quan tõm c bit bi quỏ trỡnh hot ng ca ng c rt ờm, hiu sut cao thi sch nh s dng cỏc ngun nhit sch hoc ớt gõy ụ nhim hn ng c cú th s dng bt k ngun nhit no iu ny cho phộp s dng cỏc ngun nhit thụng thng nh ngun nhit t chỏy than ci, rỏc ri v nht l cú th s dng nhng ngun nhit sch nh t nng lng mt tri 4 Hỡnh 1-3 Mt mụ hỡnh ng c Stirling ti Vin nghiờn cu cụng ngh FPT Ngoi FPT, vic nghiờn cu ng c Stirling ó c trin khai ti H Bỏch Khoa Nng vi ti nghiờn cu s dng nng lng mt tri cho ng c Stirling bm nc t cỏc ao h, sụng vo cỏc b cha hoc ng rung.Tin s Hong Dng Hựng nhn nh: Nng lng mt tri hon ton cú th ng dng chy ng c Stirling ng c ny cú th s dng cho nhiu mc ớch khỏc m bm nc l mt cỏc ng dng ú Bm nc s dng nng lng mt tri cú th s dng hiu qu cỏc trng hp nh bm nc t b lờn bn cha hoc dựng bm nc t ao h, sụng ngũi dựng cho ti tiờu cho cỏc nụng trng.Min Trung v Nam Vit Nam cú nng v nhit cao quanh nm õy l iu kin thun li lp t cỏc ng c Stirling dựng chy mỏy phỏt in mini cụng sut khong 1KW dnh cho cỏc h gia ỡnh hoc xõy dng cỏc nh mỏy in c nh s dng ng c Stirling So vi cỏc ng c t cựng cụng sut, ng c Stirling cú hiu sut cao hn, khụng gõy nhiu ting n, hot ng n nh v bn, khụng cn bo dng nhiu, v cú th hot ng vi chờnh lch nhit gia ngun núng v ngun lnh di rng t c chc C n hng nghỡn C Trc tỡnh hỡnh giỏ thnh nng lng tng cựng quan ngi v s bin i khớ hu ca Trỏi t, 5 ng c Stirling ang c nhiu quc gia quan tõm a vo cỏc nh mỏy phỏt in vi nng lng tỏi to v lnh vc hng khụng v tr Mt nhng hng phỏt trin ng c Stirling l ch to nhng ng c nh cung cp cụng c hc trờn tu thuyn rt c quan tõm chỳng ta cú nhiu phng ỏn thit k gn nh nõng cao cụng sut riờng ca ng c Nhng nghiờn cu phỏt trin ng dng ca ng c Stirling trờn phng tin chuyn cng c cỏc nh sn xut ụ tụ quan tõm Mt khỏc nú cú th bin i nhit trc tip t nng lng mt tri thnh cụng nờn nú ó c nghiờn cu ng dng trờn cỏc tu khụng gian t nm 1995 V cụng ngh ng c Stirling cú kt cu n gin, vỡ vy loi ng c ny cú th ch to tng i d dng ti cỏc c s c khớ nc ta Mi õy, trng i hc Bỏch khoa Nng ó ch to thnh cụng bm nc s dng nng lng mt tri, hot ng theo nguyờn tc ng c Stirling vi cỏc thụng s k thut sau: +Cụng sut : m3/ ngy + p sut hỳt ti a : 5m H2O + p sut y ti a : 10m H2O Hỡnh 1.4 ng c Stirling s dng nng lng mt tri Nh vy chỳng ta hon ton cú th tin tng rng mt tng lai khụng xa na ng c Stirling s tr li v tr thnh ngun ng lc ph bin nht 6 Hỡnh 1-5 Mụ hỡnh stirling ca cỏc sinh viờn i hc cụng nghip H Ni 1.2 KHI NIM V PHN LOI Cỏc ng c nhit ph bin hin khụng c cung cp nhit nng t bờn ngoi mt cỏch trc tip m c cung cp nhiờn liu, sau ú nhiờn liu c t chỏy to nhit nng Cn c vo v trớ t nhiờn liu, ngi ta chia ng c nhit thnh nhúm : ng c t v ng c t ngoi ng c Stirling l mt loi ng c nhit thuc nhúm t ngoi cú piston Mụi cht cụng tỏc ca ng c Stirling (thng l khụng khớ, hydrogen hay helium ) ch di chuyn mt khong khụng gian ó c lm kớn v cú thnh phn khụng thay i tt c nhng giai on khỏc ca quỏ trỡnh cụng tỏc Khi mụi cht cụng tỏc c mt ngun nhit t bờn ngoi (cú th l t chỏy nhiờn liu, a nhit, nng lng mt tri ) t núng nú thỡ nú s gión n v y piston i xung sinh cụng c hc Sau ú nú c lm mỏt v c mt piston khỏc y tr li khụng gian nộn thc hin chu trỡnh lm vic tip theo Cũn ng c t trong, nhng gian on khỏc ca chu trỡnh cụng tỏc, mụi cht cụng tỏc cú thnh phn, trng thỏi khỏc v c gi bng nhng tờn khỏc nh khớ mi, sn phm chỏy, khớ thi, khớ sút, hn hp chỏy, hn hp khớ cụng tỏc 7 ng c Stirling c phõn loi theo nhng tiờu khỏc Cn c vo c im cu to, cú th chia ng c Stirling thnh cỏc loi : ng c Stirling kiu alpha, ng c Stirling kiu beta v ng c Stirling kiu gamma C th cu to ca tng loi chỳng ta s tỡm hiu sau 1.3 C IM CU TO V NGUYấN Lí HOT NG 1.3.1 NGUYấN Lí CHUNG CA NG C STIRLING Xột mt xylanh c lm kớn mt u v u cũn li c bt kớn bng mt piston (H 1-6) v mt ớt khụng khớ cha bờn khụng thoỏt c bờn ngoi Gi s, lỳc ban u ton b thit b cú nhit bng nhit u lnh v bng nhit mụi trng Lỳc ny khụng khớ bờn s cú ỏp sut bng ỏp sut khớ quyn Vi iu kin ú piston s ng yờn Nu ta t mt u xylanh (u núng), ngun nhit c s dng cú th l chựm tia bc x mt tri hi t ti u xylanh hoc mt cỏch n gin l dựng mt ngn nn Khi ú ỏp sut v nhit ca khụng khớ bờn s tng lờn, gión n y piston chuyn ng v sinh cụng hu ớch ( H 1-7) Bt k ngun nhit no cng cú kh nng sinh cụng, nhng nhit cng cao thỡ sinh cụng cng ln ng c khụng th chuyn nhit thnh cụng mt ln ri ngng nh trờn m phi cú kh nng sinh cụng liờn tc 8 Quỏ trỡnh sinh cụng tip din nu cũn quỏ trỡnh gión n ca khụng khớ bờn xylanh Tuy nhiờn, piston chuyn ng ngoi quỏ xa nú s vt ngoi xylanh Quỏ trỡnh sinh cụng kt thỳc Do vy quỏ trỡnh sinh cụng phi kt thỳc trc iu ú xy Nu piston chuyn ng n u bờn phi ca xylanh ta ngng quỏ trỡnh cp nhit v tng quỏ trỡnh thi nhit bng cỏch tng cng lm mỏt cho xylanh thỡ ỏp sut v nhit khụng khớ bờn xylanh gim xung n mt lỳc no ú ỏp sut khụng khớ bờn thp hn ỏp sut khớ quyn thỡ piston s chuyn ng ngc li v tr li v trớ ban u, chun b cho chu trỡnh tip theo 9 Trờn thc t thỡ piston chuyn ng quay li l nh vo lc quỏn tớnh ca bỏnh lm cho trc khuu quay vũng trũn, t ú truyn s y piston chuyn ng tr li Vn t vi ng c Stirling l lm th no chỳng hot ng mt cỏch t ng, tc l xylanh nhn, thi nhit v liờn kt cht ch 10 10 K2 = : Hệ số tính đến trờng hợp tăng lực cắt dao mòn K3 = : Hệ số tính đến trờng hợp tăng lực cắt gia công gián đoạn K4 = 1,3: Hệ số tính đến sai số cấu kẹp chặt kẹp tay K5 = : Hệ số tính đến mức độ thuận lợi cấu kẹp tay K6 = 1,5 : Hệ số tính đến trờng hợp mô men làm quay chi tiết định vị chi tiết phiến tỳ K = 1,5.1,2.1.1.1,3.1.1,5 = 3,51 - P0: lực chiều trục P0 = 209 N Vậy thay vào phơng trình ta có : K.Ptđ W + P0.f (1) W K.Ptđ - Po.f W 3,51.149 - 209.0,15 = 491 N Với phơng trình mômen K.Ptđ.a W.b (2) K.Ptd a 3,51.149.80 = b 25 W =1673 N Vậy hai trờng hợp ta chọn lực kẹp có giá trị 1673N 4- Xác định sai số chế tạo đồ gá Sai số chuẩn Ta có sơ đồ nh sau: (hình vẽ) Ta có chuỗi kích thớc: H = c - x Trong đó: - c: kích thớc cố định (khoảng cách từ tâm mũi khoan tới đáy khối V) - x: kích thớc thay đổi Vậy ta có sai số chuẩn kích thớc thực hiện:c(H) = c(x) 123 D D D sin / sin / 2 x= = ( ) Với Trong sai số kích thớc đờng kính D Vậy sai số chuẩn kích thớc thực hiện: (: góc khối V = 900) 2. ( 1) c(H) = c(x) = sin / Do bề mặt qua nguyên công tiện bán tinh nên đạt độ xác kích thớc cấp 10, tra sai lệch cho mặt trụ 23 ta đợc = 84àm Vậy sai số chuẩn: 2.40 ( 1) c = sin 45 = 35 àm Sai số kẹp chặt Sai số kẹp chặt xuất lực kẹp chặt phôi sinh giá trị lợng di động chuẩn gốc chiếu lên phơng kích thớc thực kc = (ymax - ymin).cos : Góc phơng kích thớc thc lực kẹp Trong trờng hợp ta tính theo công thức kc = C.W0,5 = 0,3.16730.5 = 12,27 àm C hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia công, W lực kẹp cần thiết đợc tính phần trớc Sai số đồ gá đg Sai số đồ gá đg bao gồm sai số sinh chế tạo ct , lắp ráp đồ gá không xác lđ , mòn cấu định vị m dg = ct + ld + m - ct : sai số chế tạo đồ gá - lđ : sai số lắp đặt nhỏ thờng lấy lđ = 10 àm - m : sai số mòn tínhtheo công thức: 124 m = N (àm) : Hệ số phụ thuộc vào hình dạng đồ định vị, mặt định vị Do mặt định vị ta mặt chuẩn tinh nên tra bảng 6.2 (tính thiết kế đồ gá) ta đợc = 0,3 N: Số lần tiếp xúc chi tiết gia công đồ định vị số lợng phôi đuợc định vị hai lần điều chỉnh cấu định vị đồ gá Do điều kiện sản xuất hàng loạt nên ta chọn N = 1000 Vậy m = N = 0,3 1000 = 9,48(àm) Do sai số gá đặt đồ gá gđ phải thoả mãn điều kiện sau: 1 gđ< [gđ] = ( ữ ) : Dung sai cho phép kích thớc cần đạt, với chuẩn định vị mặt trụ nên = 130àm (cấp 11) 1 Vậy lấy [gđ] = ( ữ ) = 65àm Mặt khác ta lại có: gđ< [gđ] = 2c + 2k + 2dg = 2c + 2k + 2ld + 2m + 2ct Nh để thoả mãn yêu cầu làm việc, nghĩa gia công đồ gá đạt đợc yêu cầu kỹ thuật chi tiết ta phải có: ct = = 2gd ( 2c + 2k + 2m + 2ld ) = 652 (352 + 9,4 + 9,5 + 102 ) = 52,16àm Vậy chế tạo đồ gá phải thoả mãn sai số chế tạo Điều kiện kỹ thuật đồ gá Từ kết tính toán giá trị sai số gá đặt cho phép đồ gá ta nêu yêu cầu kỹ thuật đồ gá nh sau: -Sai lch xuyờn tõm ca tõm bc dn hng v ng tõm V nh hn 0,052mm 125 - khụng vuụng gúc gia tõm bc dn v tõm V nh hn 0,052mm 126 Chng : VN HNH-NG DNG 5.1 Vn Hnh Hỡnh 5.1 Sn phm mụ hỡnh S dng cn khụ cho v ngun cp nhit ng cn sau ú bt la t tr nung lờn sau khong phỳt sau ú quay bỏnh theo hng dn 127 Hỡnh 5.2 Hỡnh 5.3 Cỏch thỏo lp nhng b phõn phc Lu ý trc chy : Cho u dựng du cho mỏy may hay dựng du PR7 Dựng vo cỏc v trớ lm vic ch Piston v truyn nờn cho ớt Khi tra xong xoay bỏnh vi vũng cho du thoa u trờn xylanh Piston Ch nờn dựng cn, hoc cn khụ khụng t bng vt liu khỏc 128 5.2 ng dng khoa hc hin i hng phỏt trin cho ng c s dng chi trỡnh Stirling S DNG NGUN NHIT THI Nh lũ t, thi nhit ng c t Hỡnh 5.4 Thit k tu v tr ca tng lai da trờn thit k ca ng c Stirling Hỡnh 5.5 Tu ngm s dng ng c AIP Thy in phỏt trin khỏi nim ng c chu trỡ nh Stirling, s dng oxy lng v nhiờn liu diesel lm quay mỏy phỏt in cụng sut 75kW s dng cho ng c y hoc sc pin cho tu ng c chu trỡnh Stirling cú kh nng 129 hot ng liờn tc 14 ngy di nc vi mt tu ngm ti trng 1.500 tn tc hi lý/gi Hỡnh 5.6 Chu trỡnh Stirling AIP 130 KT LUN Qua quỏ trỡnh nghiờn cu thc hin ỏn nghiờn cu thit k mụ hỡnh ng c Stirling motor Teileste cú th rỳt mt s kt lun nh sau : Ngy nay, cỏc loi ng c t núi chung v ng c Stirling núi riờng gn nh ó khụng cũn s dng na thay vo ú l ng c t Nhng khụng vỡ th ng c Stirling b lóng quờn, trỏi li nú c nghiờn cu rt nhiu nhng nc cú trỡnh phỏt trin k thut cao nh M, Nht bi l nú cú hiu sut rt cao lm vic yờn tnh c xem nh loi ng c sch cỏc loi ng c ngy cng khụng cú hiu sut cao nh th, ngoi ng c Stirling cú th s dng nhng loi nhiờn liu m ng c t khụng th s dng ú l nng lng mt tri, a nhit iu ny rt quan trng vic s dng ngun nng lng xng du cú nguy c cn kit vi tc s dng nh ngy ti tng chng c khụng cú ý ngha vi hin ti nhng thc nú li l mi v rt cú ý ngha tng lai Nu c quan tõm nghiờn cu phỏt trin v ch to thỡ õy l mt loi ng c cú nhiu u th nht xut ý kin Em xin cú mt s kin ngh nh sau : i vi nhng ng c Sirling s dng nng lng mt tri cụng sut nh v va, nờn trung nghiờn cu hai kiu ng c v , vỡ õy l hai kiu kt cu gn, cú th cho phộp d dng lp t cp nhit trc tip ti bung gión n m khụng cn b cp nhit riờng T ú gim c th tớch cht, tng hiu sut ng c Nhng ng c Sirling s dng nng lng mt tri cụng sut va v ln, cú kh nng thớch ng vi c trng hp s dng nhiu gng phn x hoc 131 s dng b thu nng lng mt tri dng lng kớnh cp nhit c lp Cng cú th s dng ng thi c gng phn x v b thu nng lng mt tri dng lng kớnh V lý thuyt, ng c Sirling cú th t ng i vi ng c Sirling, ca tụi v ng cú th gp nhng khú khn nht nh, nht l nhng ng c ớt xylanh Vỡ vy quỏ trỡnh nghiờn cu, ch to nờn chỳ ý n phng phỏp ng cho ng c Gúc lch pha gia hai piston (ng c kiu ) hay gia piston lc v trt (ng c kiu v ) l yu t khỏ quan trong, nú s quyt nh n hiu qu quỏ trỡnh gión n ca chu trỡnh Khi thay i giỏ tr gúc lch ny, lm cho thi im v thi gian gión n thay i v cú th khụng nm vo vựng sinh cụng hiu qu, t ú lm gim hiu sut v cụng sut ng c Hoc cú th lm cho ng c khụng th khing c S cn thit phi cú mt ng c Stirling hin i v y cỏc h thng cm bin, truyn v ch th cỏc thụng s c bn ca ng c nghiờn cu nhng yu t nh hng n quỏ trỡnh hot ng ca ng c nhng iu kin mụi trng khỏc Thụng qua nhng kt qu thc nghim, chỳng ta mi cú th nghiờn cu, ch to v ng dng hiu qu ng c Sirling thc tin Mt ln na em xin cm n sõu sc n thy Nguyn Quc Tun ó hng n chỳng em thc hin ỏn ny 132 TI LIU THAM KHO [1] Nguyn Bn - Hong ngc ng, Nhit k thut, Nh xut bn Giỏo dc 1999 [2] H S Xuõn Diu, Nghiờn cu lý thuyt v thit k ch to ng c Stirling mu, Lun ỏn thc s khoa hc k thut, Nng - 2000 [3] Nguyn Tt Tin, Nguyờn lý ng c t trong, Nh xut bn Giỏo dc 2000 [4] G Walker, Stirling - cycle machines, Nh xut bn Clarendon Press Oxford, 1973 [5] G.T Reader - C Hooper, Stirling engines, E & F.N Spon, London New york - 1983 [6] Nghiờn cu ng c stirling s dng nhit thi lun thc s ngnh k thut c khớ ng lc [7] Website: http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/anime_a.htm http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/anime_c.htm http://www.Keveney.com/Vstirling.htm http://www.Keveney.com/stirling.htm 133 PH LC 134 135 136 137