close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2335650

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
(19)
(11)
2 335 650
(13)
C1
(51) МПК
F02G 1/043 (2006.01)
F02G 1/053 (2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2007109348/06, 15.03.2007
(72) Автор(ы):
Шмелёв Александр Станиславович (RU)
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
15.03.2007
(73) Патентообладатель(и):
Открытое акционерное общество "Бинейро" (RU)
(45) Опубликовано: 10.10.2008 Бюл. № 28
R U
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: US 5113656 А, 19.05.1992. RU 2187680
С1, 20.08.2002. SU 1724914 А1, 07.04.1992. DE
3834071 А, 12.04.1990. СА 1229988 А, 08.12.1987.
2 3 3 5 6 5 0
R U
(57) Реферат:
Изобретение относитс к области силовых
установок и двигателей объемного вытеснени , в
частности к двигател м, работающим при
расширении и сжатии массы рабочего газа,
который нагреваетс и охлаждаетс в одной или
нескольких посто нно сообщающихс камерах,
например, двигателей, работающих по циклу
Стирлинга. Двигатель внешнего нагревани содержит коленчатый вал гор чей группы и
коленчатый вал холодной группы, группу пакетов
гор чих цилиндров с поршн ми и соответствующую
ей группу шатунов, группу пакетов холодных
цилиндров с поршн ми и соответствующую ей
группу шатунов, трансмиссию, топливный насос,
камеру сгорани , компрессор подачи воздуха в
камеру сгорани и теплообменник. Двигатель также
содержит группу трубок, соедин ющих попарно
пакеты холодных и гор чих цилиндров и
содержащих
устройство
регенерации
тепла.
Цилиндры выполнены в виде параллелепипедов и
их толщина d выбираетс из соотношени теплопроводности рабочего газа (воздуха); ? максимальна углова скорость вращени коленчатого вала, при которой сохран ютс изотермические процессы расширени -сжати рабочего газа в цилиндрах; Ср - удельна теплоемкость
рабочего
газа
(воздуха)
при
посто нном давлении; ? - плотность рабочего газа
(воздуха). Ширина цилиндров выбираетс из
услови превышени их толщины не более чем в
четыре раза. Техническим результатом вл етс повышение кпд. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.
где С=2.185?10 -5 - посто нна ; ? - коэффициент
Страница: 1
RU
C 1
C 1
(54) ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО НАГРЕВАНИЯ
2 3 3 5 6 5 0
Адрес дл переписки:
117405, Москва, М-405, Варшавское ш., 143,
корп.1, кв.110, Э.В. Борисову
RUSSIAN FEDERATION
RU
(19)
(11)
2 335 650
(13)
C1
(51) Int. Cl.
F02G 1/043 (2006.01)
F02G 1/053 (2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2007109348/06, 15.03.2007
(72) Inventor(s):
Shmelev Aleksandr Stanislavovich (RU)
(24) Effective date for property rights: 15.03.2007
(73) Proprietor(s):
Otkrytoe aktsionernoe obshchestvo "Binejro" (RU)
(45) Date of publication: 10.10.2008 Bull. 28
R U
Mail address:
117405, Moskva, M-405, Varshavskoe sh., 143,
korp.1, kv.110, Eh.V. Borisovu
a constant, ? is the heat conductivity factor of
working gas (air), ? is the maximum angular speed
C 1
R U
2 3 3 5 6 5 0
of rotation of the crankshaft at which isothermal
processes of working gas expansion-compression
keep running in the cylinders, Cp is the specific
working gas heat at a constant pressure, ? is the
working gas density. The cylinder width is
selected to make their thickness exceeded by not
over four times.
EFFECT: higher efficiency.
9 cl, 2 dwg
Страница: 2
EN
C 1
(57) Abstract:
FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: invention relates to engines
running by expanding and compressing the working
gas heated in one or several continuously
communicating chambers, for example, of the
Stirling engines. The external heating engine
incorporates the hot group crankshaft and the
cold group crankshaft, a group of packages of hot
cylinders with pistons and the mating group of
con rods, a transmission, a fuel pump, a
combustion chamber, a compressor feeding the air
into the combustion chamber and a heat exchanger.
The engine contains also a group of pipes
connecting, by pairs, the packages of the hot and
cold cylinders and incorporating a heat recovery
unit.
The
cylinders
represent
parallelepipeds
with their thickness d selected from the ration
, where: C=2.185?10 -5 is
2 3 3 5 6 5 0
(54) EXTERNAL HEATING ENGINE
RU 2 335 650 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Изобретение относитс к области силовых установок и двигателей объемного
вытеснени , в частности к двигател м, работающим при расширении и сжатии массы
рабочего газа, который нагреваетс и охлаждаетс в одной или нескольких посто нно
сообщающихс камер, например, двигателей, работающих по циклу Стирлинга.
Известен двигатель Стирлинга - преобразователь энергии пр мого цикла с внешним
подводом теплоты, включающий камеру сгорани и холодильник [Г.Ридер, Ч.Хупер.
Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986, стр.55].
Недостатком этого двигател вл етс относительно низкий кпд.
Известно также устройство, включающее преобразователь пр мого цикла (двигатель) с
электрогенератором на одном валу, линию подачи топлива, теплообменник-утилизатор
тепла высокотемпературных отработанных газов двигател , через который проходит
магистраль отработанных газов двигател , систему охлаждени двигател , св занную
через теплообменник с системой внешнего теплоснабжени , кроме того, оно снабжено в
качестве преобразовател пр мого цикла двигателем Стирлинга, теплообменникомутилизатором высокотемпературных отработанных газов двигател Стирлинга,
выполненным в виде парогенератора, паровод ным насосом-подогревателем,
теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигател Стирлинга, теплообменником-охладителем, а также магистралью водопровода с
регулирующим клапаном, раздел ющейс на линию с регулирующим клапаном,
проход щую через теплообменник-охладитель в парогенератор, и линию с регулирующим
клапаном, проход щую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных
отработанных газов двигател Стирлинга в паровод ной насос-подогреватель,
магистралью пара высокого давлени , идущей от парогенератора к паровод ному насосуподогревателю, и магистралью системы гор чего водоснабжени , идущей от паровод ного
насоса-подогревател , при этом магистраль отработанных газов двигател Стирлинга
последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменникутилизатор низкотемпературных отработанных газов [RU (11) 2187680 (13) C1 (51) МПК 7
F02G 1/04, B63G 8/36, 2006].
Недостатком устройства также вл етс относительно низкий кпд.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс двигатель
внешнего нагревани (альфа-модификаци двигател Стирлинга), содержащий коленчатый
вал гор чей группы и коленчатый вал холодной группы, группу гор чих цилиндров с
поршн ми и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с
гор чими поршн ми, а с другой стороны - с коленчатым валом гор чей группы, группу
холодных цилиндров с поршн ми и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с
одной стороны с холодными поршн ми, с другой стороны - с коленчатым валом холодной
группы, группу трубок, соедин ющих попарно холодные и гор чие цилиндры и содержащих
устройство регенерации тепла, трансмиссию, соедин ющую коленчатый вал гор чей
группы с коленчатым валом холодной группы, камеру сгорани , компрессор подачи воздуха
в камеру сгорани и теплообменник [Двигатель шотландского пастора. «Двигатель», №5,
2005. www.engine.aviaport.ru/issues /39/ page 26. html].
Недостатком наиболее близкого технического решени также вл етс относительно
низкий кпд.
Требуемый технический результат заключаетс в повышении кпд.
Требуемый технический результат достигаетс тем, что в устройстве, содержащем
коленчатый вал гор чей группы и коленчатый вал холодной группы, группу пакетов
гор чих цилиндров с поршн ми и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с
одной стороны с коленчатым валом гор чей группы, а с другой стороны - с крейцкопфами,
штоками и с поршн ми группы пакетов гор чих цилиндров, группу пакетов холодных
цилиндров с поршн ми и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной
стороны с коленчатым валом холодной группы, с другой стороны - с крейцкопфами,
штоками и с поршн ми группы пакетов холодных цилиндров, группу трубок, соедин ющих
попарно пакеты холодных и гор чих цилиндров и содержащих устройство регенерации
Страница: 3
DE
RU 2 335 650 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
тепла, трансмиссию, соедин ющую коленчатый вал гор чей группы с коленчатым валом
холодной группы, камеру сгорани , топливный насос, компрессор подачи воздуха в камеру
сгорани и теплообменник, цилиндры группы пакетов гор чих цилиндров с поршн ми и
группы пакетов холодных цилиндров с поршн ми выполнены в виде параллелепипедов, а
их толщина d выбираетс из соотношени где С=2.185?10 -5 - посто нна ;
? - коэффициент теплопроводности рабочего газа (воздуха);
? - максимальна углова скорость вращени коленчатого вала, при которой
сохран ютс изотермические процессы расширени -сжати рабочего газа в цилиндрах;
Сp - удельна теплоемкость рабочего газа (воздуха) при посто нном давлении;
? - плотность рабочего газа (воздуха),
причем ширина цилиндров группы пакетов гор чих цилиндров с поршн ми и группы
пакетов холодных цилиндров с поршн ми выбираетс из услови превышени их толщины
не более чем в четыре раза.
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что поршни группы
пакетов гор чих цилиндров и поршни группы пакетов холодных цилиндров выполнены без
поршневых колец.
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что группа пакетов
гор чих цилиндров с поршн ми выполнена с теплоизол цией.
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что группа трубок,
соедин ющих попарно пакеты холодных и гор чих цилиндров и содержащих устройство
регенерации тепла, выполнена с теплоизол цией.
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что смазка трущихс поверхностей групп шатунов, штоков, крейцкопфов, коленчатых валов и трансмиссии
осуществл етс низкотемпературной смазкой (до 200°C).
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что смазка трущихс поверхностей гор чих цилиндров и холодных цилиндров осуществл етс графитовой
смазкой (до 450°C).
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что шатуны групп
креп тс одним концом к коленчатому валу, а другим - к крейцкопфу, который
соедин етс с поршн ми соответствующего пакета штоком.
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что группу пакетов
гор чих цилиндров с поршн ми выполн ют с теплоизол цией.
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что крейцкопфы, шатуны
и коленчатые валы помещаютс в зону низкой температуры.
Кроме того, требуемый технический результат достигаетс тем, что трущиес поверхности поршней и цилиндров не имеют смазки.
На чертеже представлены: на фиг.1 - конструкци двигател внешнего нагревани (дл частного случа использовани одного пакета гор чих цилиндров и одного пакета
холодных цилиндров), на фиг.2 - диаграмма «давление-объем» двигател внешнего
нагревани .
Двигатель внешнего нагревани (фиг.1) содержит группу пакетов гор чих цилиндров 1 с
поршн ми 2 и соответствующую группу шатунов 5, соединенных с одной стороны с
коленчатым валом 6 гор чей группы, а с другой стороны - с крейцкопфами 4, штоками 3 и
поршн ми 2 пакетов цилиндров гор чей группы.
Двигатель внешнего нагревани содержит также группу пакетов холодных цилиндров 7 с
поршн ми 8 и соответствующую группу шатунов 11, соединенных с одной стороны с
коленчатым валом 12 холодной группы, а с другой стороны - с крейцкопфами 10, штоками
9 и поршн ми 8 пакетов цилиндров холодной группы.
Кроме того, двигатель внешнего нагревани содержит группу трубок 13, соедин ющих
Страница: 4
RU 2 335 650 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
попарно пакеты холодных 7 и гор чих 1 цилиндров и содержащих устройство 14
регенерации тепла, трансмиссию 15, соедин ющую коленчатый вал 6 гор чей группы с
коленчатым валом 12 холодной группы, теплоизол цию 20, топливный насос 16, камеру
сгорани 17, компрессор 18 подачи воздуха в камеру сгорани и теплообменник 19.
При этом размеры цилиндров пакетов 1 группы гор чих цилиндров с поршн ми и
пакетов 7 группы холодных цилиндров с поршн ми выполнены в виде параллелепипедов, а
их толщина d выбираетс из соотношени где С=2.185?10 -5 - посто нна ;
? - коэффициент теплопроводности рабочего газа (воздуха);
? - максимальна углова скорость вращени коленчатого вала, при которой
сохран ютс изотермические процессы расширени -сжати рабочего газа в цилиндрах;
Ср - удельна теплоемкость рабочего газа (воздуха) при посто нном давлении;
? - плотность рабочего газа (воздуха),
причем ширина цилиндров пакетов группы гор чих цилиндров с поршн ми и пакетов
группы холодных цилиндров с поршн ми выбираетс больше, чем их толщина, но не более
чем в 4 раза.
Соотношение (1) получено в результате анализа математической модели цикла
Стирлинга, построенной на основе общей системы уравнений динамики в зкой сжимаемой
газовой среды из услови максимизации кпд двигател внешнего сгорани с учетом
следующих предпосылок:
- холодный и гор чий цилиндры разнесены в пространстве и имеют одинаковые размеры
в форме параллелепипеда;
- в качестве рабочего газа прин т воздух;
- за модель воздуха принималось его представление в виде в зкой сжимаемой газовой
среды;
- пакеты холодных и гор чих цилиндров соединены трубкой с регенератором тепла;
- пакеты холодных и гор чих цилиндров, а также трубка с регенератором тепла
помещены в идеальный теплоизол тор;
- коэффициент трени поршней, размещенных внутри, соответственно холодного и
гор чего цилиндров, близок к нулю;
- устройство преобразовани продольного движени во вращательное (например,
кривошипно-шатунна пара, соединенна с коленчатым валом), помещено в зону низкой
температуры.
Дл характеристики услови "сохранение изотермического процесса расширени сжати " рассмотрим диаграмму «давление Р - объем V», представленную на фиг.2.
Выберем на линии расширени две точки так, чтобы приблизительно выполн лись
равенства:
P1=Pmin+0.7?(Pmax-Pmin)
Р2=Рmin+0.3?(Pmax-Pmin)
Этот участок хорошо описываетс кривой следующего вида:
P?V k=const,
откуда
P1?V1 k=P2?V2 k
Показатель k дл воздуха измен етс в пределах от 1 до 1.4. При значении k=1
процесс называетс изотермическим (т.е. протекает при посто нной температуре), а при
значении k=1.4 процесс называетс адиабатическим (т.е. протекает при отсутствии
теплообмена). При больших размерах цилиндров процесс близок к адиабатическому, а при
малых - к изотермическому. Меру близости к изотермическому процессу мы предлагаем
определ ть по условию:
k<1.1
Страница: 5
RU 2 335 650 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Работает двигатель внешнего нагревани следующим образом.
В двигателе внешнего нагревани (двигателе Стирлинга) камера сгорани 17 вынесена
за пределы гор чих цилиндров 1 и тепло, необходимое дл произведени работы,
передаетс внутрь пакета гор чих цилиндров 1 через их стенки. В пакете холодных
цилиндров 7 производитс сжатие газа, после чего этот газ перемещаетс в пакет
гор чих цилиндров 1, нагреваетс и в пакете гор чих цилиндров 1 производитс его
расширение, за счет чего производитс механическа работа. Считаетс , что двигатель
Стирлинга может иметь цикл, максимально приближенный к идеальному циклу Карно. В
действительности при работе двигател Стирлинга традиционных размеров происходит
сильное отклонение от идеального цикла Карно, поскольку сжатие газа и его расширение
при работе двигател Стирлинга происходит не по изотерме, а почти по адиабате.
Указанное обсто тельство приводит к существенному снижению кпд двигател Стирлинга
традиционных размеров.
Дл того чтобы сжатие и расширение газа происходили по изотерме, необходимо
существенно увеличить отношение площади стенок цилиндра к его объему. Известны
попытки осуществить это увеличение за счет введени в цилиндр и головку поршн специальных ребер, увеличивающих площадь поверхности металлических стенок. Однако
эти решени не дают полноценного изотермического цикла, который можно получить
уменьшением размеров цилиндров и поршней при соответствующем увеличении
количества цилиндров и поршней и объединении их в пакеты дл сохранени требуемой
мощности двигател .
Дл того чтобы сжатие и расширение газа происходили по изотерме, необходимо
существенно увеличить отношение площади стенок цилиндра к его объему, что можно
получить уменьшением размеров цилиндров и поршней при соответствующем увеличении
количества цилиндров и поршней и объединении их в пакеты дл сохранени требуемой
мощности двигател .
В результате анализа математической модели цикла Стирлинга, построенной на основе
общей системы уравнений динамики в зкой сжимаемой газовой среды из услови максимизации кпд двигател внешнего сгорани , получено соотношение (1), позвол ющее
определить требовани к размерам цилиндров.
В результате, при выборе параметров цилиндров исход из соотношени (1)
увеличиваетс кпд двигател внешнего сгорани , что приводит к достижению требуемого
технического результата. Этот эффект усиливаетс за счет того, что устройство
преобразовани продольного движени поршней во вращательное движение вала
размещают в зоне внешнего охладител . Кроме того, шатуны пакетов креп тс одним
концом к коленчатому валу, а другим - к крейцкопфу, который соедин етс с
соответствующим штоком и поршн ми пакета цилиндров, причем крейцкопфы, шатуны и
коленчатые валы помещаютс в зону низкой температуры.
В двигателе внешнего нагревани поршни 2 пакетов группы гор чих цилиндров 1 и
поршни 8 пакетов группы холодных цилиндров 7 могут быть выполнены без поршневых
колец.
Кроме того, группа гор чих цилиндров 1 с поршн ми 2 может быть выполнена с
теплоизол цией 20, группа трубок 13, соедин ющих попарно пакеты холодных 7 и гор чих
1 цилиндров и содержащих устройство регенерации 14, также может быть выполнена с
теплоизол цией.
При этом смазка трущихс поверхностей групп шатунов 5 и 11, коленчатых валов 6 и 12
и трансмиссии 15 осуществл етс низкотемпературной смазкой (до 200°C), а смазка
трущихс поверхностей гор чих цилиндров 1 и холодных цилиндров 7 осуществл етс графитовой смазкой (до 450°C).
Возможен также вариант применени двигател внешнего нагревани , когда трущиес поверхности поршней и цилиндров не имеют смазки. Это обусловлено тем, что
изотермический процесс, характерный дл двигателей внешнего нагревани , позвол ет
поддерживать практически одинаковую температуру поршн и цилиндра, поэтому зазор
Страница: 6
RU 2 335 650 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
между ними можно сделать достаточно малым. Так, если разность температур между
поршнем и цилиндром будет составл ть 10°С, то при диаметре 10 мм различие в тепловом
расширении дл стальных цилиндров и поршней будет составл ть около 1.2 мкм. Если дать
дополнительный допуск на изготовление 1 мкм, то получим зазор 2.2 микрометра. Утечки
воздуха при таком зазоре вполне допустимы. Положение еще больше улучшаетс при
уменьшении размеров цилиндров. Разность температур при этом уменьшаетс линейно с
уменьшением диаметра.
Таким образом, благодар выполнению цилиндров исход из требований, определенных
по соотношению (1) и другим указанным особенност м выполнени устройства,
существенно увеличиваетс его кпд, что приводит к достижению требуемого технического
результата.
Формула изобретени 1. Двигатель внешнего нагревани , содержащий коленчатый вал гор чей группы и
коленчатый вал холодной группы, группу пакетов гор чих цилиндров с поршн ми и
соответствующую ей группу шатунов, соединенных с одной стороны с коленчатым валом
гор чей группы, а с другой стороны - с крейцкопфами, штоками и поршн ми пакетов
гор чей группы, группу пакетов холодных цилиндров с поршн ми и соответствующую ей
группу шатунов, соединенных с одной стороны с коленчатым валом холодной группы, а с
другой стороны - с крейцкопфами, штоками и поршн ми пакетов холодной группы, группу
трубок, соедин ющих попарно пакеты холодных и гор чих цилиндров и содержащих
устройство регенерации тепла, трансмиссию, соедин ющую коленчатый вал гор чей
группы с коленчатым валом холодной группы, топливный насос, камеру сгорани ,
компрессор подачи воздуха в камеру сгорани и теплообменник, отличающийс тем, что
цилиндры пакетов группы гор чих цилиндров с поршн ми и цилиндры пакетов группы
холодных цилиндров с поршн ми выполнены в виде параллелепипедов, а их толщина d
выбираетс из соотношени ,
где С=2.185?10 -5 - посто нна ;
? - коэффициент теплопроводности рабочего газа (воздуха);
? - максимальна углова скорость вращени коленчатого вала, при которой
сохран ютс изотермические процессы расширени -сжати рабочего газа в цилиндрах;
Ср - удельна теплоемкость рабочего газа (воздуха) при посто нном давлении;
? - плотность рабочего газа (воздуха),
причем ширина цилиндров группы гор чих цилиндров с поршн ми и группы холодных
цилиндров с поршн ми выбираетс из услови превышени их толщины не более чем в
четыре раза.
2. Устройство по п.1, отличающеес тем, что поршни пакетов группы гор чих цилиндров
и поршни пакетов группы холодных цилиндров выполнены без поршневых колец.
3. Устройство по п.1, отличающеес тем, что группа гор чих цилиндров с поршн ми
выполнена с теплоизол цией.
4. Устройство по п.1, отличающеес тем, что группа трубок, соедин ющих попарно
пакеты холодных и гор чих цилиндров и содержащих устройство регенерации тепла,
выполнена с теплоизол цией.
5. Устройство по п.1, отличающеес тем, что смазка трущихс поверхностей групп
шатунов, коленчатых валов и трансмиссии осуществл етс низкотемпературной смазкой
(до 200°С).
6. Устройство по п.1, отличающеес тем, что смазка трущихс поверхностей гор чих
цилиндров группы и холодных цилиндров группы осуществл етс графитовой смазкой (до
450°С).
7. Устройство по п.1, отличающеес тем, что шатуны групп креп тс одним концом к
Страница: 7
CL
RU 2 335 650 C1
5
коленчатому валу, а другим - к крейцкопфу, который соедин етс с поршн ми
соответствующего пакета поршней штоком.
8. Устройство по п.1, отличающеес тем, что крейцкопфы, шатуны и коленчатые валы
помещаютс в зону низкой температуры.
9. Устройство по п.1, отличающеес тем, что трущиес поверхности поршней и
цилиндров не имеют смазки.
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Страница: 8
RU 2 335 650 C1
Страница: 9
DR
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
144 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа