Двигатель Стирлинга Советский патент 1993 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к энергетике, в частности к двигателям внешнего подвода теплоты, работающим по циклу Стирлинга.

Известен двигатель Стирлинга (ДС), выполненный по схеме А.К.Ридера, в котором горячая и холодная полости для рабочего теплоносителя разделены на 2 цилиндра, замыкаемых поршнями, причем полости, снабженные соответственно нагревателем и холодильником, сообщаются между собой через соединительный канал со встроенным регенератором, а поршни через приводной механизм, позволяющий иметь оптимальный угол сдвига фаз между их движениями, кинематически связаны с.выходным устрой- ством съема мощности.

Однако ДС по схеме А.К. Рйдёра имеет большую металлоемкость, крупные габариты и высокую стоимость из расчета на единицу производительности, механизм привода со сложной кинематикой состоит из множества деталей.. ....: -.Эти качества ограничивают диапазон применения двигателя малыми мощностями и не дают возможности экономически оправданно получить на выходе более 15 кВт мощности, , ......- :..:.

Указанные недостатки устранены в ДС двойного действия, имеющем бесшатунный силовой механизм привода, содержащем блоки цилиндра расширения с цилиндров сжатия, в котором горячие полости цилиндра расширения соединены попарно канала- ми с соответственными холодными полостями цилиндра сжатия, а одноимен- ные цилиндры разных (смежных по приводу) блоков размещены на общих штоках,

В итоге количество возвратно-поступательно движущихся узлов сведено в них к минимуму по сравнению с ДС по схеме А.К.Ридера, число поршней и деталей привода сокращается в 2 раза, что значительно упрощает кинематическую схему приводного механизма, уменьшает металлоемкость и снижает стоимость двигателя при одинако- вой мощности. .

В то же время ресурс такого двигателя будет сравнительно не большим, так как результаты протекания термодинамических циклов в сблокированных двух цилиндрах идентичны таковым блока из других двух цилиндров, но размещены они относительно привода таким образом, что на выходном валу эффекты от блоков проявляются со сдвигом в 180 угла поворота кривйшипа. а так как периодичность изменения параметров циклов в цилиндрах блока также составляет 180° (исходя из конструкции), то в каждый момент времени на выходе двигателя будет действовать удвоенное значение

крутящего момента от блоков попарно соединенных цилиндров, а по штокам удвоенное значение осевых усилий/развиваемых поршнями в идентичных цилиндрах.

На фиг. 1 в качестве примера для ДС, имеющего типичные значения параметров, приведены функции изменения крутящих моментов в зависимости от угла поворота выходного вала двигателя, где 1 - крутящий момент прототипа (М), 2 - крутящий момент блока цилиндра расширения с цилиндром сжатия, 3 - крутящий момент предлагаемого двигателя, 4 - среднЈе значение крутящего момента двигателя (М).

Величина крутящего момента представляет собой произведение тангенциального усилия Т на радиус кривошипа. В свою очередь, усилие Т равняется произведению сил от давления газов на поршень 2 на тангенциальную составляющую Ti осевого единичного усилия Росев, приложенного к узловой точке (А, В фиг.2) бесшатунного приводного механизма, соединенной с данным поршнем, где

Tl Foceo sfn f 1«2sin (p 2siny .

Как следует из графиков (фиг. 1, позиции 1 и 4),степень неравномерности крутящего момента составит приблизительно

,8; .- .- .;

коэффициент неравномерности крутящего момента

К2(Ммакс-Ммин),5;

здесь Ммзкс - максимальное значение крутящего момента,

Ммин - минимальное значение крутящего момента.

М среднее значение крутящего момента. . . . . -..... - .

Осевые усилия через приводной механизм трансформируются также в силы реак- ции; связанные с ними прямо пропорциональной зависимостью, в парах трения; Для бесшатунногр силового механизма (БСМ) основные потери на трение происходят а узловых точках А и В и составляют для осевого единичного усилия

WA Foceo Sin 2tt ;NB Focee-COS2«.

При учете сил от давления газов изменения реакций по углу поворота кривошипа БСМ отобразятся для прототипа с типичными параметрами кривыми 5 и 6. представляющими соответственно NA f( у) и NB fi (p) (фиг.1). Реакции имеют ярко выраженный пиковый характер со значительной амплитудой,

Уплотнения штоков и поршней в горячих цилиндрах расширения представляют н i сегодняшний день сложную техническую п юблему, так как рабочая температура в

„

/tx достигает величин порядка 700°С.

Эти рассмотренные причины понижают суре нормальной работы двигателя.

Целью изобретения является повышение ресурса двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что этом ДС двойного действия, имеющем ЕСМ привода и цилиндры, все цилиндры двигателя содержат горячие полости расширения и холодные полости сжатия, разделенные поршнями, причем полость р асширения первого цилиндра через тепло- с бменники соединена с полостью сжатия г оследующего и т.д., а полость расширения г оследнего цилиндра через теплообменни- и замкнута с полостью сжатия первого ци- индра..

На фиг.2 изображена принципиальная схема описываемого двигателя.

ДС имеет цилиндры 1, 2, 3, 4, содержащие соответственно горячие полости рас- иирения I, III, V. VII, отделенные поршнями ), 6, 7, 8 от холодных полостей сжатия II, IV, /I, VIII. Поршни размещены на штоках 9, 10 БСМ 11. Горячие полости расширения I, 111, |/, VII соединены соответственно каналами ; теплообменниками 12, 13, 14, 15 с холод- чыми полостями сжатия Н, IV, VI, VIII,

Рассмотрим работу одного из цилиндров, так как все цилиндры работают иден- ггично.

В

виде того, что в скоммутированных

объемах полостей находится одинаковое количество газа, то большее давление будет в том объёме, где основная масса газа сосредоточена в горячей полости-для начального момента ( ) - в полости 1 цилиндра 1 Поэтому шток 9 будет смещаться вправо, поворачивая приводной механизм против часовой стрелки, ввиду доминирующего

воздействия осевого усилия. развитого в цилиндре 1. В остальных цилиндрах проходят в это время различные подготовительные и завершающие фазы циклов Стирлинга, не имеющие высокие давления и соответственно мало влияющие на выходной крутящий момент. Приблизительно через четверть оборота ситуация повторится в полости цилиндра 2, и шток 10 будет двигаться вверх, продо лжая поворачивать приводной механизм против ч.с. и т.д, во всех цилиндрах в порядке №2.3,4 через каждые 90° поворота кривошипа БСМ; таким образом;одно и то же количество энергии будет равномернее распределено во времени и выходной крутящий момент будет иметь вид, изображен- ный на фиг.1; позиция 3, характеризуемый параметрами ,02; ,21. Т.е. степень . неравномерности по сравнению с прототипом, принятым и за базовый объект, уменьшится в 3,8 раза, а коэффициент неравномерности в 27,5 раза. Осевые усилия также будут иметь меньшие значения и реакции в узловых точках изобразятся кривыми 7 и 8 - NA fa( (р } и з( - фиг. 1,

пиковые значения которых вдвое меньше, чем у прототипа. Уплотнения штоков и поршней в предлагаемом двигателе располагаются в холодной зоне и работают в нормальных условиях.

В результате уменьшается динамическая нагрузка деталей, подверженных влиянию крутящего момента, уменьшается нагрузка основных пар трения, упрощаются конструкции уплотнений, что позволяетувеличить ресурс отдельных узлов и всего двигателя в целом, Облегчается также пуск двигателя и не требуется маховик; утяжеля- ющий и усложняющий конструкцию.

45

Использование: энергетика, в частности двигатели внешнего подвода теплоты, рабоаучно- изика- e angle - SAE. .: Матности , рабоЖ тающие по циклу Стирлинга. Сущность изобретения: двигатель Стирлинга содержит по мень-шей мере две пары расположенных ра- диально цилиндров 1-4, размещенные внутри каждого цилиндра по одному рабочие поршни 5-8, разделяющие объем цилиндра на две рабочие полости. Каждые два поршня в цилиндрах расположены один напротив другого на одной оси и связаны общим штоком 9 и 10. который соединен с механизмом привода 11. Одна из рабочих полостей каждого цилиндра выполнена в виде полости расширения, а другая - в виде полости сжатия, причем полость сжатия одного цилиндра связана с полостью расширения другого цилиндра, следующего за ним по порядку работы, что приводит к повышению ресурса двигателя. 2 ил. fe

. -..- Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я j Двигатель Стирлинга, содержащий по меньшей мере две пары расположенных ра- диально цилиндров, размещенные внутри каждого цилиндра по одному рабочие пор- 1 шни, разделяющие объем цилиндра на две рабочие полости, нагреватели, регенерато- I ры и холодильники, установленные по одно- му в каждой магистрали, соединяющей

полость расширения одного цилиндра с по-. лостью сжатия другого цилиндра, причем

каждые два Поршня в цилиндрах раеположены один напротив другого на одной оси и связаны общим штоком, который соединен с механизмом привода, отличающий- с я тем, что, с целью повышения ресурса двигателя, одна из рабочих полостей каждого цилиндра выполнена в виде полости расширения, а другая - в виде полости сжатия, причем полость сжатия одного цилиндра связана с полостью расширения другого цилиндра, следующего за ним по порядку работы. ...