Двигатель стирлинга

 

Использование: энергетика, в частности двигатели внешнего подвода теплоты, рабоаучноизика- e angle - SAE. .: Матности , рабоЖ тающие по циклу Стирлинга. Сущность изобретения: двигатель Стирлинга содержит по мень-шей мере две пары расположенных радиально 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАПИСГИЧЕСКИХ

РеспуБ11ик (я)s F 02 G 1/043

Г СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ЕДОМСТВО СССР, (ОСПАТЕНТ CCCP) АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

21) 4859809/06 (22) 14.08,90 (46) 07.02,93, Бюл, ¹ 5 (71) Физико-технический институт Научнопроизводственного объединения "ФизикаСолнце" АН УЗССР (72) В.С.Трухов и P.È.×åìáaðèñoâ (56) Finkelstein Т. Optimization of phase angle

and volume rations Stirling engines — SAE.

Paper, 1960, N 118, с.15.

Уокер Г. Двигатели Стирлинга. M„Машиностроение, 1985, с,84.

Авторское свидетельство СССР

¹ 376590, кл. F 02 G 1/04. 1970. (54) ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА (57) Использование: энергетика, в частности двигатели внешнего подвода теплоты, paGoтающие по циклу Стирлинга. Сущность изобретения: двигатель Стирлинга содержит по меньшей мере две пары расположеннь)х радиально 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.

Ф

1793086

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 регенерэтором, а поршни через приводной механизм, позволяющий иметь оптимальный угол сдвига фаз между их движениями, кинематически связаны с выходным устройством съема мощности, Однако ДС по схеме А.К, Ридера 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 каналами с соответственными холодными полостями цилиндра сжатия, а одноименные 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 йо 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 одинаковой 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 I80" угла йоворота кривОшипа. 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

10 моментов в зависимости от угла поворота выходного вала двигателя, где t — крутящий момент прототипа (М), 2 — крутящий момент блока цилиндра расширения с цилиндром сжатия, 3 — крутящий момент предлагаемого

15 двигателя, 4 — среднее значение крутящего момента двигателя (M), Величина крутящего момента представляет собой произведение тангенциэльного усилия Т на радиус кривошипа. В свою оче20 редь, усилие Т равняется произведению сип от давления газов на поршень (21 на тангенциальную составляющую Т1 осевого единичного усилия Focea, приложенного к узловой точке (А, В фиг.2) бесшатунного приводного механизма, соединенной с данным поршнем, где

T)=Fpcee 2stn у =1 2sin у" =2sinp

Как следует из графиков (фиг.1, позиции

1 и 4),степень неравномерности крутящего момента составит приблизительно

К1=Ммакс/М=3 8;

35 коэффициент неравномерности крутящего момента

К2=(Ммакс Ммин)/М=5,5;

ЗДЕСЬ Ммакс МаКСИМаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ Крутящего момента;

Ммин — минимальное значение крутящего момента.

45 М вЂ” среднее значение крутящего момента.

Осевые усилия через приводной механизм трансформируются также в силы реакции; связанные с ними прямо пропОрциональной зависимостью, в парах трения. Для бесшатунного силового механизма (БСМ) основные потери на трение происходят в узловых точках А и В и составляют для осевого единичного усилия

Rp=-Focee stn 2(l; gg =Fpcee со$2я.

При учете сил от давления газов изменения реакций по углу поворота кривошипа

БСМ отобразятся для прототипа с типичны1793086 н

25

35 м параметрами кривыми 5 и 6. представляю ими соответственно йд= 1(р) и Na = О! (у ) (иг.1). Реакции имеют ярко выл женный и ковый характер со значительной амплит дой, Уплотнения штоков и поршней в горяч х цилиндрах расширения представляют н сегодняшний день сложную техническую и облему. так как рабочая температура в х достигает величин порядка 700 С.

Эти рассмотренные причины понижают р сурс нормальной работы двигателя.

Целью изобретения является повышен е ресурса двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что в этом ДС двойного действия, имеющем

СМ привода и цилиндры, все цилиндры вигателя содержат горячие полости расшиения и холодные полости сжатия, раздеенные поршнями, причем полость асширения первого цилиндра через теплобменники соединена с полостью сжатия оследующего и т,д., а полость расширения оследнего цилиндра через теплообменнии замкнута с полостью сжатия первого цииндра.

На фиг.2 изображена принципиальная хема описываемого двигателя.

ДС имеет цилиндры 1, 2, 3, 4, содержаие соответственно горячие полости расирения i, !!!, V, Vll, отделенные поршнями, 6, 7, 8 от холодных полостей сжатия II, IV, l, Ч!!!. Поршни размещены на штоках 9, 10

CM 11, Горячие полости расширения I, III,, Vll соединены соответственно каналами теплообменниками 12. 13, 14, 15 с холодыми полостями сжатия !!, IV, VI, VIII, Рассмотрим работу одного из цилиндров, так как все цилиндры работают иденично, В виде того, что в скоммутированных обьемах полостей находится одинаковое ко-! личество газа, то большее давление будет в том обьеме, где основная масса газа сосредоточена в горячей полости — для начальноФормула изобретения

Двигатель Стирлинга, содержащий го, меньшей мере две пары расположейных радиально цилиндров, размещенные внутри

; каждого цилиндра по одному рабочие пор шни, разделяющие объем цилиндра на две рабочие полости; нагреватели, регенерато-! ры и холодильники, установленные по одному в каждой магистрали, соединяющей полость расширения одного цилиндра с по лостью сжатия другого цилиндра. причем каждые два поршня в цилиндрах располо-!

ro момента (p=O) — e полости! цилиндра 1

Поэтому шток 9 будет смещаться вправо, поворачивая приводной механизм против часовой стрелки, ввиду доминирующего

5 воздействия осевого усилия. развитого в цилиндре 1. В остальных цилиндрах и! оходят в это время различные подготовительные и завершающие фазы циклов Стирлинга, не имеющие высокие давления и соответствен10 но мало влияющие на выходной крутящий момент. Приблизительно через четверть оборота ситуация повторится в полости цилиндра 2, и шток 10 будет двигаться вверх, продолжая поворачивать приводной меха15 низм против ч.с. и т.д, во всех цилиндрах в порядке N. 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, изображенный на фиг.1; позиция 3, характеризуемый параметрами К!=1,02; К2=-0,21, 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 — Np, =12(p ) и N в=1з(ут ); — фиг.1, пиковые значения которых вдвое меньше, чем у прототипа. Уплотнения штоков и пор - и

45 шней s 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 позволяет уве40 личить ресурс отдельных узлов и всего двигателя в целом, Облегчается также пуск двигателя и не требуется маховик, утяжеля. ющий и усложняющий конструкцию, жены один напротив другого íà одной оси и связаны общим штоком, который соединен с механизмом привода, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения ресурса двигателя, одна из рабочих полостей каждого цилиндра выполнена в виде полости расширения, а другая — a виде полости сжатия, причем полость сжатия одного цилиндра связана с полостью расширения другого цилиндра, следующего за ним по порядку работы.

1793086

° Я

Составитель О. Катана

Техред М,Моргентал Корректор М, Петрова

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 487 Тираж . Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035.Москва,Ж-35, Раушская наб„ 4/5