ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Российский патент 1997 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно, к двигателям, работающим по циклу Стирлинга.

Из авторского свидетельства N 1692205 (полож. реш. по заявке N 4796926/06 от 27.09.90) известен двигатель Стирлинга, содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные внутри цилиндра и разделяющие его на горячую полость, холодную полость и буферную полость, нагреватель, регенератор, охладитель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем охладитель содержит рубашку охлаждения с патрубками для подвода и отвода охлаждающей жидкости, охладитель выполнен в виде кольцевых каналов, образованных при помощи втулок с внутренними отверстиями, расположенными равномерно по диаметру цилиндра в рубашке охлаждения, рубашка охлаждения снабжена нижним и верхним кольцевыми коллекторами, подключенными соответственно к патрубкам подвода и отвода охлаждающей жидкости и сообщенными между собой через внутренние отверстия во втулках, через пазы, выполненные между втулками, и радиальный зазор, образованный в рубашке охлаждения у ее периферии, причем охладитель выполнен по типу "труба в трубе", при этом внутренние отверстия во втулках, пазы и радиальный зазор в рубашке охлаждения заполнены охлаждающей жидкостью, а кольцевые каналы рабочим телом.

Недостатком известного двигателя является его низкий КПД, так как в гладких кольцевых каналах охладителя не происходит турбулизации и перемешивания рабочего тела из-за отсутствия источников турбулизации, вследствие чего снижается коэффициент теплоотдачи между рабочим телом и стенками охладителя, что и приводит к снижению КПД такого двигателя. Кроме того, в этом двигателе Стирлинга каналы для входа и выхода рабочего тела в охладитель выполнены радиальными, поэтому у концов кольцевых каналов охладителя напротив каналов для входа и выхода рабочего тела в охладитель за втулками образуются застойные зоны, в которых практически не происходит движения рабочего тела, в результате чего ухудшается теплообмен в этих зонах и снижается коэффициент теплоодачи между рабочим телом и стенками охладителя, что и приводит к снижению КПД двигателя Стирлинга. Каналы для выхода рабочего тела в холодную полость в этом двигателе выполнены радиальными, поэтому в холодной полости не происходит турбулизации и более интенсивного перемешивания рабочего тела из-за отсутствия источников турбулизации, что приводит к ухудшению теплообмена в холодной полости, снижению коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра, а следовательно, и к снижению КПД двигателя Стирлинга.

Целью изобретения является повышение КПД путем интенсификации теплообмена во внутреннем контуре двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что известный двигатель Стирлинга снабжен двумя расточками, примыкающими к охладителю, размещенными в магистрали и сообщенными с кольцевыми каналами охладителя при помощи тангенциальных каналов, причем одна расточка подключена к генератору, а другая через тангенциальные отверстия подключена к холодной полости цилиндра, тангенциальные каналы и отверстия выполнены прямоугольными, тангенциальные каналы и отверстия выполнены спиральными, в тангенциальных каналах и отверстиях размещены вставки спиральной формы, вставки выполнены из металлической полосы, скрученной в спираль и закреплены в тангенциальных каналах и отверстиях при помощи неразъемного соединения: сварки или пайки.

На фиг. 1 изображен двигатель Стиринга в разрезе; на фиг. 2 разрез А-А двигателя на фиг. 1 со спиральными каналами и отверстиями; на фиг. 3 разрез А-А двигателя на фиг. 1 с прямоугольными каналами и отверстиями, в которых размещены вставки спиральной формы.

Двигатель Стиринга содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с верхней крышкой. Вытеснительный 2 и рабочий 3 поршни размещены внутри цилиндра 1 и разделяют его объем на горячую полость 4, холодную полость 5 и буферную полость 6. Нагреватель 7, регенератор 8, охладитель 9 установлены последовательно в магистрали 10, соединяющей горячую 4 и холодную 5 полости. Охладитель 9 содержит рубашку охлаждения 11 с патрубками для подвода 12 и отвода 13 охлаждающей жидкости. Охладитель 9 выполнен в виде кольцевых каналов, образованных при помощи втулок 14 с внутренними отверстиями 15, расположенными равномерно по диаметру цилиндра 1 в рубашке охлаждения 11. Рубашка охлаждения 11 снабжена нижним 16 и верхним 17 кольцевыми коллекторами, подключенными соответственно к патрубкам подвода 12 и отвода 13 охлаждающей жидкости и сообщенными между собой через внутренние отверстия 15 во втулках 14, через пазы 18, выполненные между втулками, и радиальный зазор 19, образованный в рубашке охлаждения 11 у ее периферии. Причем охладитель 9 выполнен по типу "труба в трубе", при этом внутренние отверстия 15 во втулках 14, пазы 18 и радиальный зазор 19 в рубашке охлаждения 11 заполнен охлаждающей жидкостью, а кольцевые каналы охладителя 9 рабочим телом. Двигатель снабжен двумя расточками 20 и 21, примыкающими к охладителю 9, размещенными в магистрали 10 и сообщенными с кольцевыми каналами охладителя 9 при помощи тангенциальных каналов 22 и 23, причем расточка 20 подключена к регенератору 8, а расточка 21 подключена к холодной полости 5 через тангенциальные отверстия 24 в гильзе 25. Тангенциальные отверстия 24 и каналы 22 и 23 могут быть выполнены как спиральными, так и прямоугольными. Для увеличения теплообменной поверхности охлаждения и повышения интенсификации теплообмена во внутреннем контуре двигателя в тангенциальных отверстиях 24 и каналах 22 и 23 размещены вставки 26 спиральной формы. Для упрощения технологии изготовления вставки 26 выполнены из металлической полосы, скрученной в спираль, и закреплены в тангенциальных отверстиях 24 и каналах 22 и 23 при помощи неразъемного соединения: сварки или пайки. Рабочий поршень 3 снабжен штоком 27 для передачи движения приводному механизму (не показан).

Двигатель Стирлинга работает следующим образом.

Теплота подводится к нагревателю 7 и горячей полости 4 и отводится от охладителя 9 и холодной полости 5 охлаждающей жидкостью, поступающей через патрубок 12 в коллектор 16, затем одновременно через внутренние отверстия 15 во втулках 14, радиальный зазор 19 и пазы 18 поступает в коллектор 17 и выходит через патрубок 13. При движении вытеснительного поршня 2 вверх рабочее тело из горячей полости 4 через нагреватель 7, регенератор 8 поступает в расточку 20, затем через тангенциальные каналы 22 попадает в кольцевые каналы охладителя 9 и далее через тангенциальные каналы 23, расточку 21 и тангенциальные отверстия 24 в гильзе 25 перемещается в холодную полость 5 и охлаждается. За счет тангенциальных каналов 22 и 23 происходит интенсификация теплообмена в кольцевых каналах охладителя 9 путем закручивания, турбулизации и спирального движения рабочего тела, а за счет тангенциальных отверстий 24 в гильзе 25 происходит интенсификация теплообмена в холодной полости 5 за счет вращения и более интенсивного перемещения рабочего тела. Давление в цилиндре 1 при этом снижается и рабочий поршень 3 за счет усилия, действующего на шток 27 от приводного механизма, перемещается в верхнее положение, осуществляя сжатие рабочего тела. После реверса вытеснительный поршень 2 перемещается вниз. При этом рабочее тело из холодной полости 5 через тангенциальные отверстия 24, расточку 21 и тангенциальные каналы 23 поступает в кольцевые каналы охладителя 9, затем через тангенциальные каналы 22, расточку 20, регенератор 8 и нагреватель 7 перемещается в горячую полость 4 и прогревается. В результате нагрева рабочего тела давление в цилиндре 1 повышается и воздействует на рабочий поршень 3, который под действием этого давления начинает двигаться к нижнему положению, совершая расширение рабочего тела и полезную работу, передаваемую через шток 27 приводному механизму. После реверса вытеснительного поршня 2 к верхнему положению цикл повторяется.

Наличие двух расточек, соединенных через тангенциальные каналы с кольцевыми каналами охладителя, позволяет закручивать, турбулизировать и более интенсивно перемещать рабочее тело при спиральном движении его по кольцевым каналам охладителя, что приводит к интенсификации теплообмена во внутреннем контуре за счет увеличения коэффициента теплоодачи между рабочим телом и стенками охладителя, увеличению перепада давления в цилиндре, увеличению индикаторной и выходной мощности, а следовательно, и к повышению КПД двигателя Стирлинга. Наличие в гильзе тангенциальных отверстий, выходящих в холодную полость, позволяет также интенсифицировать теплообмен, но уже в холодной полости за счет вращения рабочего тела и увеличения тем самым коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра, что приводит к повышению эффективности внутреннего контура и повышению КПД двигателя Стирлинга. Размещение спиральных вставок в тангенциальных каналах и отверстиях позволяет не только увеличить теплообмен и улучшить эффективность внутреннего контура двигателя путем вращения и турбулизации рабочего тела, но и увеличить теплообменную поверхность тангенциальных каналов и отверстий, что и приводит к повышению эффективности двигателя Стирлинга и повышению его КПД. Двигатель Стирлинга может быть с успехом использован в автономных установках систем навигации, систем жизнеобеспечения в труднодоступных районах, под водой, в космическом пространстве, под землей и других отраслях народного хозяйства.

Использование: двигателестроение, двигатели Стирлинга. Сущность изобретения: двигатель Стирлинга снабжен двумя расточками 20 и 21, примыкающими к охладителю 9, размещенными в магистрали 10 и сообщенными с кольцевыми каналами охладителя при помощи тангенциальных каналов 22 и 23, причем одна расточка 20 подключена к генератору 9, а другая 21 через тангенциальные отверстия 24 подключена к холодной полости 5 цилиндра 1. Наличие двух расточек, соединенных через тангенциальные каналы с кольцевыми каналами охладителя позволяет турбулизировать рабочее тело, что приводит к интенсификации теплообмена, а следовательно, и к повышению КПД двигателя. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель Стирлинга, содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные внутри цилиндра и разделяющие его объем на горячую полость, холодную полость и буферную полость, нагреватель, регенератор, охладитель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем охладитель содержит рубашку охлаждения с патрубками для подвода и отвода охлаждающей жидкости, охладитель выполнен в виде кольцевых каналов, образованных при помощи втулок с внутренними отверстиями, расположенными равномерно по диаметру цилиндра в рубашке охлаждения, рубашка охлаждения снабжена нижним и верхним кольцевыми коллекторами, подключенными соответственно к патрубкам подвода и отвода охлаждающей жидкости и сообщенными между собой через внутренние отверстия во втулках, через пазы, выполненные между втулками, и радиальный зазор, образованный в рубашке охлаждения у ее периферии, причем охладитель выполнен по типу "труба в трубе", при этом внутренние отверстия во втулках, пазы и радиальный зазор в рубашке охлаждения заполнены охлаждающей жидкостью, а кольцевые каналы рабочим телом, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем интенсификации теплообмена во внутреннем контуре, двигатель снабжен двумя расточками, примыкающими к охладителю, размещенными в магистрали и сообщенными с кольцевыми каналами охладителя при помощи тангенциальных каналов, причем одна расточка подключена к регенератору, а другая через тангенциальные отверстия подключена к холодной полости цилиндра. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что тангенциальные каналы и отверстия выполнены прямолинейными. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что тангенциальные каналы и отверстия выполнены спиральными. 4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что в тангенциальных каналах и отверстиях размещены вставки спиральной формы. 5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления, вставки выполнены из металлической полосы, скрученной в спираль, и закреплены в тангенциальных каналах и отверстиях при помощи неразъемного соединения: сварки или пайки.