Двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма привода вибрирующего поршневого двигателя парсонса

Изобретение относится к двигателям с внешним подводом теплоты. Двигатель содержит рабочий поршень и поршни-вытеснители в разных цилиндрах. Выходной вал снабжен кривошипом, имеющим посредством шатуна шарнирную связь с рабочим поршнем. Шарнирно установленные в корпусе в одну ось, смещенную по отношению к оси выходного вала, вибрирующие втулка и вал, в нее помещенный, снабжены кривошипами, шарнирно связанными посредством шатунов с поршнями-вытеснителями. Внутрицилиндровые пространства над поршнями-вытеснителями являются горячими полостями. Внутрицилиндровые пространства под поршнями-вытеснителями являются холодными полостями. В холодные полости рабочее тело поступает из соответствующих горячих полостей, предварительно пройдя через нагреватели, регенераторы и охладители. Холодные полости связаны магистралями рабочего тела с соответствующими надпоршневой и подпоршневой полостями цилиндра, в котором находится рабочий поршень. В двигателе обеспечено наличие фазового сдвига между рабочим поршнем и поршнями-вытеснителями. Изобретение направлено на приближение рабочего процесса двигателя к идеальному циклу Стирлинга. 12 ил.

 

Изобретение относится к двигателям с внешним подводом теплоты (двигателям Стирлинга) и может быть использовано в их конструкциях.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты с ромбическим механизмом преобразования движения [1], отличающийся применением зубчатых колес для синхронизации вращения двух валов, каждый из которых может быть приводным.

Недостатком известного двигателя с внешним подводом теплоты является то, что его механизм преобразования движения не обеспечивает оптимального изменения объема горячей полости цилиндра, его термодинамический цикл не приближен к идеальному циклу Стирлинга, в котором должна быть обеспечена возможность ускорения движения вытеснительного поршня в стадиях рабочего процесса, соответствующих расширению и регенеративному возврату рабочего тела из горячей полости в холодную.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты с механизмом преобразования движения на основе эллиптических зубчатых колес [2], обеспечивающий замедление-ускорение вытеснительного поршня в расчетные фазы движения, тем приближая закон изменения объема горячей полости цилиндра к идеальному циклу Стирлинга.

Недостаток известного двигателя с внешним подводом теплоты - сложность изготовления эллиптических зубчатых колес, их малая нагрузочная способность, шумность работы и значительные потери мощности в таком зубчатом зацеплении.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий рычажно-кулачковый механизм преобразования движения [3], обеспечивающий движения вытеснительного поршня и изменения объема горячей полости цилиндра по закону, близкому к идеальному циклу Стирлинга, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни соединены симметричными шатунами со штоками, которые через кривошипные шатуны вращают двухколейные валы. Двухколейные валы соединены между собой механизмом изменения фазового угла.

Недостаток известного двигателя с внешним подводом теплоты - малая надежность рычажно-кулачкового приводного механизма и его сложность из-за большого количества элементов, участвующих в преобразовании движения.

Известен четырехзвенный кулисный механизм с регулируемым передаточным отношением [4], содержащий жестко установленный в корпусе, с возможностью смещения, ползун, в оси которого вращается двойная кулиса, в пазах которой скользят и перекатываются ролики, принадлежащие кривошипам равной длины. При одинаковых расстояниях от осей кривошипов до оси ползуна вращение от одного кривошипа передается другому с постоянным передаточным отношением. Если передвинуть ползун, то при вращении ведущего кривошипа ведомый вращается с тем же, но переменным внутри периода отношением.

Известен механизм вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] - прототип, обеспечивающий вращение и вибрацию в цилиндре двух поршней-секторов. Механизм реконструирован и описан ниже.

Известна тепловая схема двигателя с внешним подводом теплоты, предложенная Робертом и Джеймсом Стирлингами в 1827 г. с рабочим и вытеснительным поршнями в разных цилиндрах [1].

Цель изобретения состоит в применении в двигателе с внешним подводом теплоты компактного, сбалансированного механизма, обеспечивающего замедление-ускорение поршня-вытеснителя в расчетные фазы движения, тем приближая закон изменения объема горячей полости цилиндра к идеальному циклу Стирлинга.

Поставленная цель достигается тем, что двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, содержащий рабочий поршень и поршни-вытеснители в разных цилиндрах, отличающийся тем, что выходной вал снабжен кривошипом, имеющим, посредством шатуна, шарнирную связь с рабочим поршнем, а шарнирно установленные в корпусе в одну ось, смещенную по отношению к оси выходного вала, вибрирующие втулка и вал, в нее помещенный, снабжены кривошипами, шарнирно связанными посредством шатунов с поршнями-вытеснителями, внутрицилиндровые пространства над поршнями-вытеснителями являются горячими полостями, а внутрицилиндровые пространства под поршнями-вытеснителями являются холодными полостями, в которые рабочее тело поступает из соответствующих горячих полостей, предварительно пройдя через нагреватели, регенераторы и охладители, при этом холодные полости связаны магистралями рабочего тела с соответствующими надпоршневой и подпоршневой полостями цилиндра, в котором находится рабочий поршень, причем, в двигателе обеспечено наличие фазового сдвига между рабочим поршнем и поршнями-вытеснителями.

На фиг. 1 изображена реконструированная модель известного механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5], вид сбоку.

На фиг. 2 изображен разрез А1-А1 на фиг. 1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих наименьшему углу между рычагами.

На фиг. 3 изображен разрез А2-А2 на фиг. 1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих биссектральному углу между рычагами.

На фиг. 4 изображен разрез А3-А3 на фиг. 1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих наибольшему углу между рычагами.

На фиг. 5 изображен разрез А4-А4 на фиг. 1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих совмещенному положению осей коромысла и рычагов.

На фиг. 6 изображен упрощенный вид двигателя с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5], общий вид.

На фиг.7 изображен разрез Б1-Б1 на фиг.6 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих нахождению в верхней мертвой точке рабочего поршня.

На фиг.8 изображен разрез В1-В1 на фиг.7.

На фиг.9 изображен разрез Б2-Б2 на фиг.6 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих нахождению в верхней мертвой точке поршня-вытеснителя, связанного через кривошип с рычагом, имеющим ось вращения в виде втулки.

На фиг.10 изображен разрез В2-В2 на фиг.9.

На фиг.11 изображен разрез Б3-Б3 на фиг.6 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих нахождению в верхней мертвой точке поршня-вытеснителя, связанного через кривошип с рычагом, имеющим ось вращения в виде вала.

На фиг.12 изображен разрез В3-В3 на фиг.11.

Известный механизм вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] содержит (см. фиг.1 - фиг.5) корпус 1, в котором установлена планка 2, в которой в оси А на валу 3 жестко установлено коромысло 4, каждое из плеч а и b которого посредством звеньев 5 и 6, имеющих плечи с и d, соединено с рычагами 7 и 8, имеющими плечи е и h. Рычаг 7, имеющий шарнир в виде втулки 9, установлен в планке 10 в ось В, смещенную на расстояние g по отношению к оси А. Рычаг 8, имеющий шарнир в виде вала 11, установлен во втулку 9 с совпадением осей втулки 9 и вала 11.

Двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] содержит (см. фиг.6 - фиг.12) проставку 12 между корпусом холодного цилиндра 13 и корпусом горячих цилиндров 14, в которой и в крышке корпуса 15 шарнирно в ось А установлен выходной вал 16 с маховиком 17, имеющий посредством кривошипа 18 и шатуна 19 шарнирную связь со штоком рабочего поршня 20, помещенного в холодный цилиндр 21, установленный в корпусе холодного цилиндра 13. На штоке рабочего поршня 20 закреплен направляющий элемент прямолинейного движения 22, взаимодействующий с внутренней поверхностью холодного цилиндра 21 в нижней его части.

Внутрь коренной шейки выходного вала 16 со стороны корпуса горячих цилиндров 14 в ось А жестко установлено коромысло 23, исполненное в виде диска с функцией маховика. Коромысло 23 посредством уравновешенных звеньев 24 и 25 соединено с уравновешенными рычагами 26 и 27. Рычаг 26 имеет шарнир в виде втулки, в которую шарнирно помещен рычаг 27, имеющий шарнир в виде вала. Общей осью рычаги шарнирно установлены в корпус рычагов 28 в ось В, в котором ось рычагов В имеет расчетное смещение g по отношению к оси А выходного вала 16. Корпус рычагов 28 соединен с корпусом горячих цилиндров 14, в который установлены горячие цилиндры 29 и 30 с помещенными в них поршнями-вытеснителями 31 и 32, имеющими по штокам направляющие элементы прямолинейного движения 33, взаимодействующие с внутренними поверхностями цилиндров в нижней их части. Поршни-вытеснители 31 и 32 своими штоками посредством шатунов 34 и 35 шарнирно связаны с кривошипами рычагов 36 и 37, закрепленными на них механически или изготовленными с ними как одно целое под расчетным углом, обеспечивающим движения поршней-вытеснителей 31, 32 и изменения объемов горячих полостей цилиндров 29 и 30 по оптимальному закону, приближающему термодинамический цикл к идеальному циклу Стирлинга. Двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] также содержит элементы системы теплообмена в графических материалах, не показанные: нагреватель, охладитель, регенератор, магистрали коммуникации рабочего тела.

Указаны стрелками и обозначены:

k и l - надпоршневая и подпоршневая полости холодного цилиндра;

m и n, p и r - надпоршневые и подпоршневые полости горячих цилиндров.

Известный механизм вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] работает следующим образом (см. фиг.1 - фиг.5).

В корпусе 1 на планке 2 жестко установленное на валу 3 коромысло 4, вращаясь в оси А посредством звеньев 5 и 6, передает вращение рычагам 7 и 8, имеющим шарниры на планке 10 в оси B в виде втулки 9 и вала 11.

На фиг.2 изображен разрез А1-А1 на фиг.1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих наименьшему углу между рычагами. При вращении коромысла 4 по направлению стрелки рычаг 7, замедляя движение, а рычаг 8, ускоряя движение, займут положение, изображенное на фиг.3. В этом положении элементов механизма угловые скорости коромысла 4 и рычагов 7 и 8 равны. При дальнейшем вращении коромысла 4 по направлению стрелки рычаг 7, ускоряя движение, а рычаг 8, замедляя движение, займут положение, изображенное на фиг.4. В этом положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса угловая скорость рычага 7 наибольшая, а угловая скорость рычага 8 наименьшая. Коромысло 4 по отношению к положению, изображенному на фиг.2, повернуто на 180 градусов. Угол между рычагами в этом положении наибольший. При дальнейшем вращении коромысла 4 по направлению стрелки рычаги 7, 8 и само коромысло 4, займут положение, изображенное на фиг.2, совершив полный оборот.

На фиг.5 изображен разрез А4-А4 на фиг.1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих совмещенному положению осей А и В коромысла 4 и рычагов 7 и 8. В этом положении осей А и В вращение от коромысла 4 рычагам 7 и 8 передается с постоянным передаточным отношением, равным единице.

Размеры плеч рычагов 7 и 8, коромысла 4, звеньев 5 и 6 и смещение общей оси В рычагов 5 и 6 по отношению к оси А коромысла 4 определяют характер движения рычагов 7 и 8 и, как следствие, - передаточное отношение их скоростей к скорости коромысла 4 внутри периода вращения.

Двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] работает следующим образом.

Внутрицилиндровые пространства m и p над поршнями-вытеснителями 31 и 32 являются горячими полостями, в которые рабочее тело поступает нагретым из специальных теплообменных аппаратов (в графических материалах не показаны). Внутрицилиндровые пространства n и r под поршнями-вытеснителями 31 и 32 являются холодными полостями, в которые рабочее тело поступает из соответствующих горячих полостей, предварительно пройдя через нагреватели, регенераторы и охладители (в графических материалах не показаны). Таким образом, движение поршней-вытеснителей 31 и 32 обеспечивает перераспределение рабочего тела в цилиндрах 29 и 30 между горячими и холодными полостями.

Дополнительно холодные полости n и r цилиндров 29 и 30 связаны магистралями рабочего тела с соответствующими k и l полостями холодного цилиндра 21, в котором находится рабочий поршень 20. Взаимное расположение рычагов с кривошипами 36 и 37 по отношению к кривошипу 18 обеспечивает наличие фазового сдвига между рабочим поршнем 20 и поршнями-вытеснителями 31 и 32. Причем, вследствие зеркальной симметрии в движении поршней-вытеснителей, фазовый сдвиг рабочих процессов в цилиндрах 29 и 30 составляет 180 градусов.

При положении поршня-вытеснителя 31 вблизи верхней мертвой точки рабочее тело в цилиндре 29 сосредоточено, в основном, в холодной полости. При этом движением рабочего поршня 20 обеспечивается сжатие холодного рабочего тела. Одновременно в цилиндре 30 поршень-вытеснитель 32 находится вблизи нижней мертвой точки, рабочее тело в этом цилиндре сосредоточено, в основном, в горячей полости. Соответственно, движение рабочего поршня 20 обеспечивает в этом цилиндре расширение горячего рабочего тела. Таким образом, обеспечивается протекание рабочего процесса по принципу двигателя Стирлинга.

Наличие механизма, обеспечивающего ускорение и замедление вращения рычагов 36 и 37 относительно кривошипа 18, обеспечивает возможность ускорения движения поршней-вытеснителей 31 и 32 в стадиях рабочего процесса, соответствующих расширению и регенеративному возврату рабочего тела из горячей полости в холодную, тем самым приближая рабочий процесс к идеальному циклу Стирлинга.

Источники информации

1. Г. Уокер. Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. - М. Машиностроение, 1985, стр.84-87, 234, 235.

2. Патент Украины без экспертизы по существу 12513А. - Привод двигателя с внешним подводом теплоты, опубл. 28.02.1997, бюл. №1.

3. Патент Украины на полезную модель UA 34284. - Механизм привода двигателя внешнего сгорания (Стирлинга), опубл. 11.08.2008, бюл. №15.

4. И.И. Артоболевский, "Механизмы в современной технике" в 7 томах, Москва, "Наука", 1979, стр.49, механизм 936.

5. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/vibratory/vibrate.htm Parson's Engine ANIMATED

Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий рабочий поршень и поршни-вытеснители в разных цилиндрах, отличающийся тем, что выходной вал снабжен кривошипом, имеющим посредством шатуна шарнирную связь с рабочим поршнем, а шарнирно установленные в корпусе в одну ось, смещенную по отношению к оси выходного вала, вибрирующие втулка и вал, в нее помещенный, снабжены кривошипами, шарнирно связанными посредством шатунов с поршнями-вытеснителями, внутрицилиндровые пространства над поршнями-вытеснителями являются горячими полостями, а внутрицилиндровые пространства под поршнями-вытеснителями являются холодными полостями, в которые рабочее тело поступает из соответствующих горячих полостей, предварительно пройдя через нагреватели, регенераторы и охладители, при этом холодные полости связаны магистралями рабочего тела с соответствующими надпоршневой и подпоршневой полостями цилиндра, в котором находится рабочий поршень, причем в двигателе обеспечено наличие фазового сдвига между рабочим поршнем и поршнями-вытеснителями.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к двигателестроению. .

Изобретение относится к области энергетики. .

Изобретение относится к области силовых установок и двигателей объемного вытеснения, в частности к двигателям, работающим при расширении и сжатии массы рабочего газа, который нагревается и охлаждается в одной или нескольких постоянно сообщающихся камерах, например, двигателей, работающих по циклу Стирлинга.

Изобретение относится к области силовых установок и двигателей объемного вытеснения, в частности к двигателям, работающим при расширении и сжатии массы рабочего газа, который нагревается и охлаждается в одной или нескольких постоянно сообщающихся камер, например, двигателей, работающих по циклу Стирлинга.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, занимающемся двигателями с внешним подводом теплоты. .

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании двигателей с внешним подводом теплоты. .

Изобретение относится к генератору переменного тока, приводимому в движение двигателем внешнего сгорания. Экспедиционный генератор содержит теплообменный корпус. Теплообменный корпус выполнен в виде полого герметичного цилиндра. Вдоль продольной оси герметичного цилиндра, с внутренней стороны, находятся генератор переменного тока, рабочий цилиндр с поршнем и вытеснитель. Вытеснитель выполнен в виде полого цилиндра. Одна торцевая стенка вытеснителя имеет цилиндрическое углубление, повторяющее по форме рабочий цилиндр. В самой глубокой части углубления стенка вытеснителя имеет отверстия для обмена рабочим телом между рабочим цилиндром и буферной емкостью. Буферная емкость располагается внутри вытеснителя. Обмотка статора генератора может быть расположена внутри стенок рабочего цилиндра или теплообменного цилиндра. Подвижные магнитные полюса генератора расположены на рабочем поршне. Вытеснитель может содержать в себе регенератор. Теплообменный корпус может содержать в себе регенератор. Техническим результатом является снижение габаритов и массы генератора при сохранении рабочего объема и давления рабочего тела. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Группа изобретений относится к устройству сжатия газообразной текучей среды, в частности к двигателям Стирлинга. Техническим результатом является увеличение срока службы устройства. Сущность изобретений заключается в том, что устройство содержит первую камеру (21), термически связанную с горячим источником (6), вторую камеру (22), термически связанную с холодным источником (5), подвижный поршень (7), перемещаемый штоком (8), регенеративный теплообменник (9), устанавливающий пневматическую связь между первой и второй камерами, при этом шток расположен в цилиндрической гильзе (17) и шток направляется в осевом поступательном движении линейной направляющей системой (3), чтобы направлять поршень без контакта относительно рубашки. При этом цилиндрическое уплотнительное кольцо (18), закрепленное в цилиндрической гильзе, окружает шток с очень незначительным радиальным зазором для ограничения прохождения газообразной текучей среды вдоль подвижного тока. Кроме того, раскрыты моноблочный холодный картер с механически обработанными отверстиями, тепловой экран в горячем картере и самоприводящаяся система с возвратным упругим средством. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Группа изобретений относится к устройству сжатия газообразной текучей среды, в частности к двигателям Стирлинга. Техническим результатом является увеличение срока службы устройства. Сущность изобретений заключается в том, что устройство содержит первую камеру (21), термически связанную с горячим источником (6), вторую камеру (22), термически связанную с холодным источником (5), подвижный поршень (7), перемещаемый штоком (8), регенеративный теплообменник (9), устанавливающий пневматическую связь между первой и второй камерами, при этом шток расположен в цилиндрической гильзе (17) и шток направляется в осевом поступательном движении линейной направляющей системой (3), чтобы направлять поршень без контакта относительно рубашки. При этом цилиндрическое уплотнительное кольцо (18), закрепленное в цилиндрической гильзе, окружает шток с очень незначительным радиальным зазором для ограничения прохождения газообразной текучей среды вдоль подвижного тока. Кроме того, раскрыты моноблочный холодный картер с механически обработанными отверстиями, тепловой экран в горячем картере и самоприводящаяся система с возвратным упругим средством. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к двигателям с внешним подводом теплоты. Двигатель содержит рабочий поршень и поршни-вытеснители в разных цилиндрах. Выходной вал снабжен кривошипом, имеющим посредством шатуна шарнирную связь с рабочим поршнем. Шарнирно установленные в корпусе в одну ось, смещенную по отношению к оси выходного вала, вибрирующие втулка и вал, в нее помещенный, снабжены кривошипами, шарнирно связанными посредством шатунов с поршнями-вытеснителями. Внутрицилиндровые пространства над поршнями-вытеснителями являются горячими полостями. Внутрицилиндровые пространства под поршнями-вытеснителями являются холодными полостями. В холодные полости рабочее тело поступает из соответствующих горячих полостей, предварительно пройдя через нагреватели, регенераторы и охладители. Холодные полости связаны магистралями рабочего тела с соответствующими надпоршневой и подпоршневой полостями цилиндра, в котором находится рабочий поршень. В двигателе обеспечено наличие фазового сдвига между рабочим поршнем и поршнями-вытеснителями. Изобретение направлено на приближение рабочего процесса двигателя к идеальному циклу Стирлинга. 12 ил.

Наверх