МАШИНА ПО ЦИКЛУ СТИРЛИНГА Российский патент 1998 года по МПК F02G1/43 F01C1/07 

Изобретение относится к объемной роторной машине, предназначенной для работы по циклу Стирлинга, и может быть использовано при изготовлении холодильников, тепловых насосов и двигателей. В данной заявке рассмотрена конструкция двигателя. Известная объемная роторная машина с качающимся ротором, (патент СССР N 1174568). Она содержит корпус, с закрепленными на нем с внутренней стороны шиберами, концентрично установленный в корпусе и имеющий центральное отверстие ротор с вытеснителями, каждый из которых размещен между двумя соседними шиберами, причем в одном из вытеснителей выполнен кулисный паз, в котором расположена шейка коленчатого вала, имеющего кривошипные щеки, размещенные в полости, ограниченной торцовыми стенками. Из двух таких машин можно спроектировать классический двигатель Стирлинга, если кривошипные шейки коленчатого вала расположить под углом 90^o, при этом роторы блока сжатия и блока расширения при вращении коленчатого вала будут двигаться в разных фазах с разными угловыми скоростями. Объемы в рабочих камерах будут меняться, можно конструктивно воспроизводить в них термодинамический процесс, соответствующий циклу Стирлинга.

Также известна объемная роторная машина, взятая в качестве ближайшего аналога (патент СССР N 1836572), способная работать по циклу Стирлинга. В частности она содержит центрирующую ротор вставку, которая имеет две изолированные друг от друга полости и установлена в центре ротора так, что две такие машины можно скомпоновать в двигатель Стирлинга.

Общим недостатком двигателя Стирлинга является относительно большие потери теплоты, отдаваемой в систему охлаждения. После расширения рабочее тело поступает в нагреватель, где его температура повышается. Далее в регенераторе рабочее тело отдает часть своей теплоты, но к холодильнику поступает все еще со значительной температурой. Другой недостаток - сложная система регулирования мощности. Известны двигатели с внешним подводом теплоты, снабженные с целью повышения экономичности обводными магистралями нагревателя и охладителя, а в обводных магистралях установлены обратные клапаны (см. например, журнал "Двигателестроение" N 10, 1981, c/ 6-10).

Задача настоящего изобретения состоит в упрощении конструкции двигателя в случаях использования дополнительных обводных магистралей и системы регулирования мощности двигателя.

Поставленная задача решается тем, что для конструирования двигателя использована машина по патенту СССР N 1174568 и она снабжена золотником с распределительными окнами, предназначенными для регулирования наполнения газом рабочих камер и вытеснения газа в полости регенератора, установленного в центральном отверстии ротора блока расширения и имеющего две изолированные между собой полости. Отличительные признаки состоят в следующем:
а) золотник установлен внутри регенератора вдоль оси ротора в отверстиях, выполненных в стенках блока расширения, а каждая стенка снабжена двумя изолированными между собой системами каналов, причем каждая система соединяет соответствующие рабочие камеры с полостью регенератора через окно золотника при определенных углах поворота последнего;
б) стенка блока расширения выполнена из трех частей, и каждая из систем каналов размещена между двумя частями стенок;
в) золотник снабжен кольцевой проточкой и средством перемещения его вдоль собственной оси до совмещения проточки с системой каналов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан схематично общий вид двигателя по циклу Стирлинга; на фиг. 2 - общий вид более подробно, в увеличенном масштабе; на фиг.3 - разрез А-А на фиг. 1 условно не показан коленчатый вал; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.2; на фиг. 7 - разрез Д-Д на фиг.2; на фиг.8 - схема работы машины; на фиг. 9 - схема коленчатого вала, его положение, соответствующие положению роторов на фиг. 8; на фиг. 10 - положение коленчатого вала, соответствующее положению роторов на фиг.1 и 3; на фиг.11 - коленчатый вал в сборе; на фиг.12 - разрез Е-Е на фиг.11; на фиг.13 - схема двигателя Стирлинга, вариант выполнения.

Машина по циклу Стирлинга (двигатель) состоит из блока 1 сжатия газа и блока 2 расширения газа. Блок 2 закрыт с торцов стенками 3 и 4, каждая из которых выполнена из трех частей. Блок 1 закрыт стенками 5 и 6, выполненными каждая из двух частей. К стенке 7 прикреплен герметичный привод вращения (герметичный ввод вращения ГВВ) 8, в котором ось 9 коромысла наклонена к оси 10 вала 11 со шпонкой 12. Шестерни 13 и 14 неподвижно закреплены на коленчатом валу с осью 15. Зубчатое колесо 16 вращает золотник 17 вдвое медленнее вращения коленчатого вала. Вал 11 ГВВ вращается медленнее коленчатого вала посредством зубчатого колеса 18. В стенке 5 образована полость 19, которая с помощью трубки 20 соединена с рабочей камерой блока 1. В распорке 21 выполнен канал 22, соединяющий полость 19 с полостью регенератора. Крышка 23 закрывает пространство 24, где циркулирует вода, охлаждающая трубки 20 и распорку 21. К трубкам 25 нагревателя подводят теплоту от любого источника. Экран 26 предназначен для крепления камеры сгорания с воздуховодами. Крышка подшипника 27 охлаждается водой. Внутри корпусов 1 и 2 находятся роторы 28 с вытеснителями 29 и 30. Пластины 31 и 32 уплотняют рабочие камеры 33 и 34 переменного объема, размещенные между вытеснителями и шиберами 35. Ротор 28 центрируется по генератору 36. Между корпусом и ротором имеются гарантированные зазоры а и б (а > б).

Ниже оси 37 корпуса 2(фиг.3) в вертикальной плоскости симметрии внутри регенератора 36 установлен золотник 17, в котором выполнены распределительные окна 39 и 40. По отношению к окну 39 окно 40 повернуто на 90^o. По наружному диаметру длина дуги, стягиваемой хордой, равной ширине окна, составляет одну восьмую длины окружности золотника, что соответствует 45^o. Внутри регенератора 36 имеются изолированные между собой полости 41 и 42, заполненные набивками. Стенки 3 и 4 стянуты с корпусом 2 шпильками 43, 44, 45 и полой шпилькой 46, которая крепится неподвижно и герметично на наружных стенках 3 и 7. Каждая стенка блока расширения состоит из трех частей: К стенке 3 присоединены части 47 и 48, к стенке 4 - части 49 и 50. Между стенками 3 и 47 размещены каналы 51 и 52, соединенные между собой посредством окна 39 (фиг. 4). Трубки 53 соединяют рабочие камеры 51, 33 с каналом 51 (фиг.4). Рабочие камеры 33 соединены через отверстия 54 с каналами 55, выполненными в стенке 50. При определенных углах поворота золотника 17 рабочие камеры 33 могут сообщаться с полостью 41 регенератора через отверстие 56, канал 57, окно 40 и канал 58 (фиг.5). Рабочие камеры 34 сообщаются с полостью 42 регенератора через отверстия 59, каналы 60 и 61, окно 39, канал 62 и отверстие 63 (фиг.7). При определенных углах поворота золотника 17 рабочие камеры 34 могут сообщаться с полостью 42 регенератора через отверстия 59, трубки 25, отверстия 64, канал 65, окно 40 и канал 66 (фиг.6). На фиг.3 показано расширение газа в рабочих камерах 33, поступающего из полости 41 через отверстие 67 (фиг.6) в канал 52 (фиг.4). В стенке 5 выполнена вторая полость 68, изолированная от полости 19 и сообщающаяся с полостью 41 через отверстие 69 (фиг.7). Полость 58 соединена трубками 70 с соответствующими рабочими камерами блока 1. Схема соединения трубками рабочих камер блоков 1 и 2 показана на фиг.8. На фиг.9 условно показан с торца коленчатый вал. Положение кривошипа 71 точно соответствует положению ротора блока 1, а крипошипа 72 соответствует положению ротора блока 2. 73 и 74 - мертвые точки, соответствующие положениям роторов 28, когда их угловая скорость ω₃ - равна нулю. Внутри холодильника 75 проточная вода охлаждает трубки 20 и 70. В нагревателе 76 к трубкам 25 и 53 подводят теплоту. Коленчатый вал коренными шейками 77 вращается в подшипниках 78 сухого трения. На кривошипные шейки 71 и 72 надеты кулисные камни, взаимодействующие с кулисными пазами 79 роторов 28. В полости 80 шпильки 46 протекает вода, охлаждая в изнутри коленчатый вал. Благодаря особому соединению полости 81 с рабочими камерами (тема для отделенной заявки) давление газа в ней - минимальное. Для регулирования мощности двигателя в золотнике 17 выполнены две кольцевые проточки 82 и 83. В стенке 84 выполнено отверстие 85, через которое золотник 17 взаимодействует с мембраной 86, прижатой герметично к стенке 84, втулкой 87. Эластичная шайба 88 прижата жесткой шайбой 89 к мембране 86 винтом 90. Штифт 91 установлен в отверстии золотника и зацепляется с пазом 92 зубчатого колеса 16.

Работа двигателя.

При вращении вала 11 коромысло 9 передает вращение на зубчатое колесо 18, которое вращает шестерню 14 коленчатого вала. Роторы 28 блоков 1 и 2 начинают двигаться каждый в своей фазе. В рабочих камерах 33 и 34 начинаются процессы сжатия и расширения газа. Если при этом к трубкам 25 и 53 подводить теплоту, а от трубок 30 и 70 отводить теплоту, выделяющуюся при сжатии газа, то ротор блока 2 будет воздействовать на коленчатый вал, вращая его. Угловая скорость ω₁ ротора 28 (фиг.3) имеет максимальное значение при заданной постоянной скорости вращения коленчатого вала. Угловая скорость ω₂ (фиг.8) меньше скорости ω₁ . При положении кривошипной шейки коленчатого вала в мертвой точке (фиг.9) соответствующий ротор имеет нулевую угловую скорость. Угловая скорость ω₄ (фиг.8) чуть больше нуля, она увеличивается при дальнейшем вращении коленчатого вала. Отбор мощности производят от вала 11. Для регулирования мощности двигателя вращают винт 90, вследствие чего шайба 89 давит на шайбу 88 и через нее на мембрану 86. Эластичный материал мембраны выходит в отверстие 85 и толкает золотник 17, проточки 82 и 83 которого совмещаются в каналами 57, 58, 61, 62. Происходит постоянное сообщение полостей 41 и 42, регенератора с соответствующими рабочими камерами 33 и 34. Падает мощность двигателя из-за того, что меньше газа проходит через трубки нагревателя при расширении, т.е. меньше тепловой энергии подводят к рабочему телу. При вращении винта в обратную сторону золотник 17 движется обратно под воздействием обратной пружины 93 и давления газа. Проточки 82 и 83 не сообщаются с каналами стенок, при этом максимальное количество рабочего тела проходит через трубки 25 и 53 нагревателя. Мощность двигателя увеличивается.

В данном двигателе рабочее тело после расширения (вследствие чего его температура падает) направляется в полости регенератора, а затем в холодильник. Меньше теплоты поступает в систему охлаждения, повышается КПД двигателя. Уменьшается тепловая нагрузка на регенератор.

Особенности конструкции двигателя.

1. При работе ротор не давит на корпус и стенки (нет воздействия ротора в радиальном и торцовом направлениях).

2. Скорость уплотнительных пластин относительно корпуса в 10 раз меньше аналогичной скорости традиционных двигателей.

3. Между стенками и ротором нет зазоров (см. патент СССР N 1836572).

4. Применено абсолютное уплотнение внутреннего контура от внешней среды (пакет изобретений).

5. Высокое отношение рабочего (полезного) объема двигателя к габаритному объему, вследствие чего можно создать относительно тихоходный двигатель (обороты коленвала в среднем 2000 в минуту).

6. Внутри двигателя нет спец. смазки.

Ротор и корпус вырезают на проволочном электроэрозионном станке с точностью ± 0,003 мм. Скорость вырезки (толщина металла 30 мм) - 10 мм мин.

Для проектирования двигателя применены запатентованные технические решения (см. патент СССР N 1174568, N 1373875, N 1702021, N 18368572; патенты РФ N 2004864 и др.).

Машина по циклу Стирлинга может быть использована при изготовлении холодильников, тепловых насосов и двигателей. Машина снабжена золотником 17, установленным в отверстиях торцовых стенок 48. В стенках выполнены каналы, а в золотнике 17 распределительные окна 40, находящиеся на уровнях каналов. Рабочие камеры 33 и 34 сообщаются с каналами, которые могут сообщаться с полостями 41 и 42 регенератора 36 через окна только при определенных углах поворота золотника 17. Когда рабочие камеры 34 наполняются газом, проходящим через трубки нагревателя (процесс расширения), из камер 33 газ вытесняется в одну из полостей регенератора, минуя нагреватель. Регулировку ведет золотник 17 с помощью окон и каналов. В систему охлаждения уходит меньше тепловой энергии. 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Машина по циклу Стирлинга, содержащая блоки сжатия и расширения газа, каждый включающий в себя корпус с установленным в нем ротором, причем роторы кинематически связаны коленчатым валом, а также регенератор и золотник, отличающаяся тем, что золотник установлен внутри регенератора вдоль оси ротора в отверстиях, выполненных в стенках блока расширения, а в каждой стенке выполнены по две изолированные между собой системы каналов, подключенные к соответствующим рабочим камерам и полостям регенератора, при этом золотник кинематически связан с коленчатым валом с возможностью разъединения соответствующих рабочих камер и полости регенератора в каждой системе каналов, или соединения их посредством окна золотника. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что стенка блока расширения выполнена из трех частей и каждая из систем каналов размещена между частями стенок. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в золотнике выполнена кольцевая проточка и он снабжен средством перемещения его вдоль собственной оси до совмещения проточки с системой каналов. 4. Машина по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что средство перемещения золотника выполнено в виде мембраны, закрепленной по периферии герметично с возможностью взаимодействия с торцом золотника, эластичной шайбы, прилегающей к мембране, твердой шайбы и винта, прижимающего твердую шайбу к эластичной шайбе. 5. Машина по п. 1, 3 и 4, отличающаяся тем, что средство перемещения золотника установлено в центре ротора блока сжатия.