Двигатель стирлинга

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБ/1 ИК 1/04 ТЕНТН СУДАР СТВЕ ННОЕ ДОМСТВО СССР ОСПАТЕНТ СССР 2 ститут Научно ения "Физика сов1 ржаве ап 9 91 пез - ЯАЕ(57) Использование; энергетикдвигатели внешнего подвода тающие по циклу Стирлинга. Сущность изобретения; двигатель Стирлинга содержит по меньшей мере две пары расположеннь 1 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 цилинд.ра связана с полостью расширения друГого цилиндра. следующего за ним по порядку работы, что приводит к повышению ресурса двигателя, 2 ил.Изобретение относится к энергетике, вчастности к двигателям внешнего подводатеплоты, работающим по циклу Стирлинга.Известен двигатель Стирлинга (ДС), выполненный по схеме А,К,Ридера, в которомгорячая и холодная полости для рабочеготеплоносителя разделены на 2 цилиндра,замыкаемых поршнями, причем полости,снабженные соответственно нагревателеми холодильником, сообщаются между собойчерез соединительный канал со встроеннымрегенерэтором, а поршни через приводноймеханизм, позволяющий иметь оптимальный угол сдвига фаз между их движениями,кинемэтически связаны с выходным устройством съема мощности,Однако ДС по схеме А.К, Ридера имеетбольшую металлоемкость, крупные габариты и высокую стоимость из расчета на единицу производительности, механизмпривода со сложной кинематикой состоитиз множества деталей.Эти качества ограничивают диапазонприменения двигателя малыми мощностями и не дают возможности экономическиоправданно получить на выходе более 15кВт мощности,Указанные недостатки устранены в ДСдвойного действия, имеющем бесшатунныйсиловой механизм привода, содержащемблоки цилиндра расширения с цилиндровсжатия, в котором горячие полости цилиндра расширения соединены попарно каналами с соответственными холоднымиполостями цилиндра сжатия, а одноименные цилиндры разных(смежных по приводу)блоков размещены на общих штоках.В итоге количество возвратно-поступательно движущихся узлов сведено в них кминимуму по сравнению с ДС йо схемеЛ.К.Ридера, число поршней и деталей привода сокращается в 2 раза, что значительноупрощает кинематическую схему приводного механизма, уменьшает металлоемкость иснижает стоимость двигателя при одинакоВой мощности,В то же время ресурс таого двигателя.будет сравнительно не большим, так как результаты протекания термодинамическихциклов в сблокированнь 1 х двух цилиндрахидентичны таковым блока из других двухцилиндров, но размещены они относительно привода таким образом, что на выходномвалу эффекты от блоков проя вля 1 отся сосдвигом в 180" угла йоворота кривОшипа. а. так как периодичность изменения параметров циклов в цилиндрах блока также составляет 180 о (исходя из конструкции). то вкаждый 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 крутящих19 моментов в зависимости от угла поворотавыходного вала двигателя, где 1 - крутящиймомент прототипа (М), 2 - крутящий моментблока цилиндра расширения с цилиндромсжатия, 3 - крутящий момент предлагаемого15 двигателя, 4 - среднее значение крутящегомомента двигателя (М),Величина крутящего момента представляет собой произведение тангенциэльногоусилия Т на радиус кривошипа. В свою оче 20 редь, усилие Т равняется произведению сипот давления газов на поршень(2) на тангенциальную составляющую Т 1 осевого единичного усилия аросев, приложенного к узловойточке(А, В фиг.2) бесшатунного приводного25 механизма, соединенной с данным поршнем, гдеТ 1=Госев 231 п у =1 ф 231 п у =231 пу30 Как следует из графиков (фиг.1, позиции 1 и 4),степень неравномерности крутящего момента составит приблизительноК 1=М макс/М=3,8:35коэффициент неравномерности крутящего моментаК 2=(Ммакс Ммин)/М=5,5;40здесь Ммакс - максимальное значение крутящего момента;Ммин - минимальное значение крутящего момента,45 М - среднее значение крутящего момента,Осевые усилия через приводной механизм трансформируются также в силы реакции; связанные с ними прямопропорциональной зависимостью, в парахтрения. Для бесшатунного силового механизма (БСМ) основные потери на трениепроисходят в узловых точках А и В и составляют для осевого единичного усилия55МА=Росевфз 1 п 2 иКВ =аросевсо 82 гх.При учете сил от давления газов изменения реакций по углу поворота кривошипаБСМ отобразятся для прототипа с типичны1793086 н 20 25 30 35 1 м параметрами кривыми 5 и 6. представляю ими соответственно Яд= 1 р) и йв =биг,1). Реакции имеют ярко вылженный 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 1, 111, Ч, Ч 1, отделенные поршнями , 6, 7, 8 от холодных полостей сжатия 1, Ч, 1, Ч 11. Поршни размещены на штоках 9, 10 СМ 11, Горячие полости расширения 1, И 1, , Ч 11 соединены соответственно каналами теплообменниками 12, 13, 14, 15 с холодыми полостями сжатия 1, Ч, Ч 1, Ч 111,Рассмотрим работу одного из цилиндров,так как все цилиндры работают иденично,В виде того; что в скоммутированныхобьемах полостей находится одинаковое количество газа, то большее давление будет в том обьеме, где основная масса газа сосредоточена в горячей полости - для начальноФормула изобретенияДвигатель Стирлинга, содержащий по , 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 го момента( 0) - в 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 остал ьн ых цилиндрах и роходят в это время различные подготовительные и завершающие фазы циклов Стирлинга, не имеющие высокие давления и соответствен но мало влияющие на выходной крутящиймомент. Приблизительно через четверть оборота ситуация повторится в полости цилиндра 2, и шток 10 будет двигаться вверх, продолжая поворачивать приводной меха низм против ч.с, и т.д, во всех цилиндрах впорядке М 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; К 2=-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 - КА=12( у ) и К в=1 з(р ); - фиг.1,пиковые значения которых вдвое меньше,чем у прототипа. Уплотнения штоков и пор)45 шней в предлагаемом двигателе располагаются в холодной зоне и работают внормальных условиях. В результате уменьшается динамическая нагрузка деталей, подверженных влиянию крутящего момента, уменьшается нагрузка основных пар трения, упрощаются конструкции уплотнений, что позволяет уве 40 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 на одной оси й 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 - в виде полости сжатия, причем полость сжатия одного цилиндра связана с полостью расширения другого цилиндра, следующего за ним по порядку работы.ри ГКН 10 Произ Заказ8 Н Тираж . ПодписноеПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия 113035,Москва,Ж, Раушская наб 4/5 венно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагар