Силовая установка Советский патент 1983 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к устройствам двигателей Стирлинга, работающих на привод электрогенераторов, и может использоваться в энергетических системах, работающих как автономно, так и параллельно с внешними источниками электроэнергии.

Известны силовые установки, содержащие электрогенератор и связанный с ним двигатель Стирлинга, снабженный по меньшей мере одной парой цилиндров, установленных на картере и сообщенных между собой газовой связью через теплообменуые аппараты, и по меньшей мере одним вытёснительным и одним рабочим поршнями, размещенными в цилиндрах одной пары, смещенными по фазе и связанными через механизм привода с электрогенератором 1.

В таких силовых установках в качестве приводного механизма использован ромбический механизм, которому присущи значительные сложность и механические потери.

Известны также синхронные генераторы и двигатели с катящимся ротором, основными достоинствами которых являются отсутствие скользящих контактов и высокие энергетические показатели 2.

Известна конструкция двигателя Стирлинга с гипоциклоидальным механизмом привода, имеющая два коленчатых вала, опирающихся на подшипники, закрепленные в стенке картера, на шатунной шейке каждого из которых при помощи подшипников насажено сателлитное зубчатое колесо,, входящее в зацепление с зубчатым колесом, закрепленным в картере. Штоки поршня и вытеснителя крепятся вблизи венцов сателлитных колес. Возвратно-поступательное движение штока поршня преобразуется во вращательное движение сателлитного зубчатого колеса, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Механизм привода вытеснителя преобразует вращательное движение коленчатого вала в гармоническое возвратно-поступательное движение штока вытеснителя, причем коленчатый вал поршня связан с коленчатым валом вытеснителя при помощи механизма изменения сдвига фаз движения поршня и вытеснителя. Последний имеет два зубчатых колеса большого диаметра, насаженных на коленчатые валы и два зубчатых колеса меньшего диаметра, закрепленных на вращающемся ярме и входящих в зацепление между собой и одним из зубчатых колес большего диаметра 3.

Двигатель Стирлинга с гипоциклоидальным механизмом привода обладает повышенным индикаторным КПД цикла и механическим КПД, строго прямолинейным движением штоков, соединенных с поршнем и вытеснителем, что обеспечивает благоприятные условия для работы уплотнений. Данный двигатель обладает и простотой системы регулирования мощности и перевода

двигателя в режим холодильной машины путем изменения величины сдвига фаз при помощи механизма изменения величины сдвига фаз гармонического движения поршня и вытеснителя 4.

В то же время двигатель Стирлинга с гипоциклоидальным механизмом привода обладает всеми недостатками, присущими двигателям Стирлинга с ромбическим механизмом привода и связанными с необходимостью создания уплотнения рабочего тела по поверхности вращающегося вала и штока, проходящего через поршень, применением зубчатых колес высокого класса точности.

Целью изобретения являет ся повышение эффективности силовой установки.

Поставленная цель достигается тем, что силовая установка, содержащая электрогенератор и связанный с ним двигатель Стирлинга, снабженный по меньшей мере одной парой цилиндров, установленных на картере и сообщенных между собой газовой связью через теплообменные аппараты, и по меньшей мере одним вытеснительным и одним рабочим поршнями, размещенными в цилиндрах одной пары, смещенными по фазе и связанными через механизм привода с электрогенератором, снабжена дополнительным электродвигателем, картер двигателя выполнен в виде двух отдельных герметичных блоков, механизм привода выполнен в виде двух гипоциклоидальных механизмов, каждый из которых- снабжен сателлитным колесом, размещенным в отдельном блоке и связан с одним из порщней, а дополнительный электродвигатель и генератор размещены каждый внутри одного из блоков и выполнены в виде синхронных электромашин с катящимся ротором, причем каждый из последних совмещен с сателлитным колесом гипоциклоидального механизма, а якорная обмотка электродвигателя соединена с якорной обмоткой генератора через электрические линии со сдвигом фаз движения поршней каждой пары.

На электрических линиях, связывающих якорные обмотки электромашин, установлен регулятор сдвига фаз.

На чертеже представлена принципиальная схема силовой установки.

Силовая установка содержит двигатель Стирлинга и синхронные генератор и электродвигатель с катящимися роторами.

Двигатель Стирлинга содержит по меньшей мере одну пару цилиндров 1 и 2, установленных на картере и сообщенных между собой газовой связью через теплообменные аппараты 3. Картер двигателя выполнен в виде двух отдельных герметичных блоков 4 и 5. В цилиндрах 1 и 2 двигателя размещены с возможностью перемешения вытеснительный 6 и рабочий 7 поршни, связанные через штоки 8 с сателлитными колесами 9 гипоциклоидальных механизмов привода, размещенных в блоках 4 и 5 картера. Сателлитные колеса 9 установлены на шатунных шейках коленчатого вала 10 каждого из механизмов привода на опорах качения и имеют возможность катиться по направляюшим блоков 4 и 5 картера. С сателлитными колесами соединены роторы 11 синхронных генератора и электродвигателя с катящимся ротором, конструктивно совмещенных с гипоциклоидальными механизмами приводов Обмотка 12 возбуждения синхронного электродвигателя с катяш,имся ротором гипоциклоидального механизма привода вытеснительного поршня 6 подключается к источнику постоянного тока, а якорная обмотка 13 - к источнику двухфазного переменного тока, которым является синхронный генератор с катящимся ротором, приводимый гипоциклоидальным механизмом привода рабочего поршня 7 и имеющий аналогичную конструкцию. На электрических линиях, связывающих якорные обмотки. электрических машин, установлен регулятор 14 сдвига фаз. При работе двигателя возвратно-поступательное движение с некоторым сдвигом фаз вытеснительного 6 и рабочего 7 поршней преобразуется во вращательное движение сателлитных колес. При этом обмотка 12 возбуждения электродвигателя привода вытеснительного поршня 6 образует в воздушном зазоре между статором и ротором униполярное магнитное поле, а якорная обмотка 13 - однопериодное вращающееся поле. Поскольку на одном из полюсных делений эти поля складываются, а ра другом вычитаются, ротор притягивается в сторону полюсного деления с большей среднеквадратичной индукцией. При этом сила радиального магнитного притяжения прижимает Сателлитные колеса 9 к направляющим в картере. Перемещаясь, поле стремится увлечь за собой ротор и, поскольку силы трения скольжения превосходят силы трения качения, он катится на сателлитных колесах по направляюшим. Вращательное движение сателлитных колес 9 преобразовывается в гармоническое возвратно-поступательное движение штоков 8 вытеснителя, причем подшипник штока перемещается строго прямолинейно, если диаметр окружности, описываемой осью крепления штока к сателлитному колесу относительно оси вращения сателлитного колеса, равен половине диаметра направляющей в картере, что обеспечивает благоприятные условия для работы уплотнений штоков, которые предотвращают попадание смазочного масла из картера в теплообменники двигателя Стирлинга. Работа гипоциклоидального механизма привода поршня, совмещенного с синхронным генератором с катящимся ротором, аналогична указанной работе синхронного двигателя, за исключением того, что перемещение ротора обусловливает изменение магнитного потока и генерирование ЭДС в якорной обмотке синхронного генератора. Роторы двигателя и генератора движутся синхронно с некоторым сдвигом фаз, определяемым смещением якорных обмоток, и электрическим сдвигом фаз, регулируемым регулятором сдвига фаз 14. Совмещение гипоциклоидального механизма привода с синхронными электрическими машинами с катящимися роторами позволяет повысить эффективность силовой установки в целом в результате снижения механических потерь, снижения утечек рабочего тела, а также повысить надежность и ресурс электрических машин.

1. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, содержащая электрогенератор и связанный с ним двигатель Стирлинга,. снабженный по меньщей мере одной парой цилиндров, установленных на картере и сообщенных между собой газовой связью через теплообменные аппараты, и по меньщей мере одним вытеснительным и одним рабочим поршнями, размещенными в цилиндрах одной пары, смещенными по фазе и связанными через механизм привода с электрогенератором, отличающаяся тем, что, с цел1яо повышения эффективности, она снабжена дополнительным электродвигателем, картер двигателя выполнен в виде двух отдельных герметичных блоков, механизм привода выполнен в виде двух гипоциклоидальных механизмов, каждый из которых снабжен сателлитным колесом, размещенным в отдельном блоке и связан с одним из порщней, а дополнительный электродвигатель и генератор размещены каждый внутри одного из блоков и выполнены в виде синхронных i электромашин с катящимся ротором, причем каждый из последних совмещен с сателлит(Л ным колесом гипоциклоидального механизма, а якорная обмотка электродвигателя соедис нена с якорной обмоткой генератора через электрические линии со сдвигом фаз движения поршней каждой пары. 2. Установка, отличающаяся тем, что на электрических линиях, связывающих якорные обмотки электромашин, установлен 4 регулятор сдвига фаз. сх