ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Российский патент 1994 года по МПК F02G1/53 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании двигателей с внешним подводом теплоты.

Известны конструкции двигателей Стирлинга, содержащих картеp с коленчатым валом, цилиндр, установленный на картере, поршни размещенные в цилиндре, кинематически связанные с коленчатым валом и разделяющие объем цилиндра на полость расширения и полость сжатия, соединенные между собой магистралью с включенными в нее нагревателем, регенеpатором и охладителем, радиатор охлаждающей жидкости, подключенный трубопроводом через крыльчатку центробежного насоса к охладителю, подвижную обойму торцевого уплотнения с контактным кольцом, охватывающую коленчатый вал с возможностью ее осевого перемещения, неподвижную обойму с контактным кольцом, закрепленную в корпусе уплотнения, и каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости.

Однако такое выполнение двигателя не позволяет эффективно охлаждать и смазывать контактные кольца, из-за чего выбор материала при их изготовлении ограничен, кроме того, ограничено и давление рабочего тела во внутреннем контуре.

Целью изобретения является достижение и сохранение высоких эффективных показателей двигателя в процессе эксплу- атации путем надежной герметизации его внутренних полостей.

Цель достигается тем, что известный двигатель Стиpлинга снабжен тонкостенной резиновой манжетой с буртиками на концах, неподвижная обойма выполнена заодно с корпусом уплотнения, а ее контактное кольцо - из кварцевого стекла, на плоской стороне крыльчатки центробежного насоса выполнен импеллер, подвижная обойма снабжена охватывающим коленчатый вал коническим хвостовиком, каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости выполнены в коленчатом вале и корпусе уплотнения, а на поверхностях основания конического хвостовика и коленчатого вала выполнены радиальные канавки, причем резиновая тонкостенная манжета частично охватывает коленчатый вал и частично хвостовик подвижной обоймы и ее буртики размещены в радиальных канавках последних, крыльчатка центробежного насоса установлена на коленчатом валу и примыкает импеллером к корпусу уплотнения, а каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости подключены с одной стороны к импеллеру, а с другой - к всасывающей полости крыльчатки насоса.

На чертеже представлена принципиальная схема предложенного двигателя Стирлинга.

Двигатель содержит картер 1 с коленчатым валом 2, цилиндр 3, установленный на картере, поршни 4 и 5, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на полость сжатия 6 и полость расширения 7, магистраль, соединяющую полости, с включенными в нее нагревателем 8, регенератором 9 и охладителем 10, радиатор 11, подключенный трубопроводом 12 через крыльчатку 13 центробежного насоса к охладителю 10, подвижную обойму 14 торцового контактного уплотнения с контактным кольцом 15 и коническим хвостовиком 16, корпус 17 уплотнения, контактное кольцо 18 корпуса, тонкостенную резиновую манжету 19, импеллер 20, выполненный на плоской стороне крыльчатки центробежного насоса, каналы 21 подвода и отвода охлаждающей жидкости, радиальные каналы 22 и 23, выполненные на основании хвостовика и коленчатом вале, заборники 24 охлаждающей жидкости, размещенные во всасывающей полости 25 крыльчатки насоса.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Объем картера 1 и цилиндра 3 заполнены рабочим телом (водород, гелий, воздух и др. ) под высоким давлением. При движении поршней 4 и 5 происходит попеременное сосредоточение основной массы рабочего тела то в нагревателе 8 и полости расширения 7, то в охладителе 10 и полости сжатия 6. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется непрерывно через стенки нагревателя 8. Когда основная масса рабочего тела сосредоточена в нагревателе и полости расширения, то она получает максимальное количество теплоты, ее температура и давление растут. Начинается процесс расширения с одновременным переталкиванием рабочего тела в полость сжатия 6, аккумулированием теплоты в регенеpаторе 9 и отводом теплоты в охладитель 10. Когда основная масса рабочего тела сосредоточивается в полости сжатия начинается процесс сжатия с одновременным переталкиванием рабочего тела в полость расширения, отводом теплоты в охладителе 10 и подводом теплоты в регенераторе 9 и нагревателе 8. Разница работы расширения, происходящей при высокой температуре рабочего тела, и сжатия, происходящей при низкой его температуре, позволяет полезную работу на валу двигателя. В данной конструкции двигателя при его работе в картере устанавливается определенное колеблющееся, в результате движения поршня 4, давление рабочего тела. При давлении рабочего тела в полости сжатия 6 большем, чем в полости картера, происходят его утечки через уплотнения поршня 4 в картер, а при обратной картине, рабочее тело подается из картера в полость сжатия 6 по отводной магистрали одностороннего действия (не показана).

Мощность двигателя Стирлинга прямо пропорциональна давлению рабочего тела и его потери из внутренних полостей двигателя приводят к потере мощности. В торцовом контактном уплотнении основные потери рабочего тела идут по месту контакта колец 15 и 18, поэтому чистота обработки их контактирующих поверхностей, коэффициент трения, наличие охлаждения и смазки играют первостепенную роль в надежности работы уплотнения. Подвод охлаждения и смазки к кольцам 15 и 18 осуществляется при помощи заборников 24, набегающих на поток охлаждающей жидкости и стремящихся подать ее в каналы 21 подвода охлаждающей жидкости, в которых при помощи импеллера 20 крыльчатки 13 насоса создается разряжение. Утечки рабочего тела по зазору между подвижной обоймой и коленчатым валом 2 предотвращаются при помощи тонкостенной резиновой манжеты 19, а наличие конического хвостовики 16 на обойме 14 позволяет ей свободно перемещаться вдоль коленвала 2 без повреждений манжеты 19 и выдерживать последней значительные давления рабочего тела. (56) Г. Уокер. Двигатели Стирлинга. М. : Машиностроение, 1985, с. 180-182.

Сущность изобретения: подвижная обойма 14 торцевого контактного уплотнения двигателя Стирлинга снабжена коническим хвостовиком 16. Хвостовик 16 и частично коленчатый вал 2 охватывает тонкостенная резиновая манжета 13. Неподвижная обойма выполнена заодно с корпусом 17 уплотнения, а ее контактное кольцо 18 изготовлено из кварцевого стекла. Крыльчатка 13 центробежного насоса установлена на каленчатом валу 2 и примыкает импеллером 20, выполненным на ее плоской стороне, к корпусу 17, а в последнем и в коленчатом вале 2 выполнены каналы 21 подвода и отвода охлаждающей жидкости, которая подается к контактным кольцам 15 и 18 при помощи заборников 24, размещенных во всасывающей полости 25 крыльчатки 13, и при помощи импеллера 20, создающего разряжение в каналах 21. Утечки рабочего тела по зазору между подвижной обоймой 14 и коленчатым валом 2 предотвращаются при помощи тонкостенной резиновой манжеты 19, которая, охватывая хвостовик 16, позволяет работать двигателю при значительных давлениях рабочего тела. 1 ил.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА, содержащий картер с коленчатым валом, по меньшей мере один цилиндр, установленный на картере, поршни, размещенные в цилиндре, кинематически связанные с коленчатым валом и разделяющие объем цилиндра на полость расширения и полость сжатия, соединенные между собой при помощи магистрали с включенными в нее нагревателем, регенератором и охладителем, радиатор охлаждающей жидкости, подключенный трубопроводом через крыльчатку центробежного насоса с всасывающей и нагнетающей полостями к охладителю, торцевое уплотнение, имеющее подвижную обойму с контактным кольцом, охватывающую коленчатый вал с возможностью ее осевого перемещения, и неподвижную обойму с дополнительным контактным кольцом, закрепленную в корпусе уплотнения, и каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективных показателей в процессе эксплуатации путем улучшения герметизации внутренних полостей, он снабжен резиновой манжетой с буртиком на концах, неподвижная обойма выполнена заодно с корпусом уплотнения, а дополнительное контактное кольцо - из кварцевого стекла, крыльчатка центробежного насоса установлена на коленчатом валу и снабжена импеллером, примыкающим к корпусу уплотнения, подвижная обойма снабжена охватывающим коленчатый вал коническим хвостовиком, на поверхности основания последнего и на поверхности коленчатого вала выполнены радиальные канавки, резиновая манжета выполнена охватывающей хвостовик и частично коленчатый вал, ее буртики размещены в радиальных канавках, каналы подвода выполнены в коленчатом вале и подключены к всасывающей полости крыльчатка насоса, а каналы отвода выполнены в корпусе уплотнения и подсоединены в импеллеру.