close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 07891

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2006.02.28
(12)
7
(51) F 03G 7/06,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 7891
(13) C1
(19)
F 02B 71/00
СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
(21) Номер заявки: a 20020202
(22) 2002.03.12
(43) 2003.09.30
(71) Заявитель: Комиссаров Феликс Давидович (BY)
(72) Автор: Комиссаров Феликс Давидович (BY)
(73) Патентообладатель: Комиссаров Феликс Давидович (BY)
(56) РИДЕР Г. и др. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986. - С. 34-50, рис. 1.28.
SU 1444559 A1, 1988.
SU 731031, 1980.
SU 577386, 1977.
RU 2045685 C1, 1995.
RU 2027898 C1, 1995.
GB 2095338 A, 1982.
FR 2626320 A1, 1989.
BY 7891 C1 2006.02.28
(57)
1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий корпус, цилиндр, в головке которого
последовательно размещены вытеснительный и рабочий поршни, имеющий полость расширения и полость сжатия, заполненные рабочим телом и выполняющие функции горячей
и холодной полостей, которые сообщены между собой через нагреватель, регенератор и
холодильник, буферную полость, причем вытеснительный поршень в нижней своей части
имеет полый шток, подвижной посадкой входящий в буферную полость, выполняющую
функцию газовой пружины, отличающийся тем, что в корпусе двигателя установлен
ротор облегченной конструкции, на котором по его образующей закреплены спаренные
цилиндры головками вверх, в которых попарно размещены рабочие и вытеснительные
Фиг. 1
BY 7891 C1 2006.02.28
поршни основаниями друг к другу, имеющие на нижней торцевой части полые штоки,
способные входить один в другой, причем масса штоков одинакова, полости расширения
расположены в верхней и нижней частях спаренных цилиндров, а полости сжатия расположены в средней части цилиндров между основаниями поршней, при этом нагреватель
расположен в выполняющей функцию регенератора центробежной тепловой трубе, соединенной с ротором двигателя, сообщен через распределитель направления потока и дозатор с головками цилиндров и связан с холодильником, причем центробежная тепловая
труба имеет конденсатор, внутри которого установлен нагреватель.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни выполнены из тяжелого материала, не проводящего тепло.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что при совмещении штоков рабочего и вытеснительного поршней их общая длина должна быть равна радиусу ротора.
4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни
имеют одинаковую геометрическую форму и выполнены из одного и того же материала.
5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя и рабочего тела при диапазоне температур ниже 230 °С могут быть использованы: вода, спирт, аммиак,
ацетон, N2O4, фреоны, жидкий кислород, азот, водород, CO2.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам преобразования
тепловой энергии в механическую работу в процессе осуществления пароконденсационного термодинамического цикла в камере переменного объема с подвижной стенкой, и
может быть использовано для привода различных машин и механизмов, или установлено
на общем валу с электрогенератором.
Известны двигатели внутреннего сгорания, в которых преобразование возвратнопоступательного движения поршней во вращательное движение вала осуществляется
бесшатунным силовым механизмом. Бесшатунный механизм позволяет конструктивно
просто осуществлять при малых габаритах и высокой быстроходности двигателей двусторонний рабочий процесс в цилиндрах и получать вследствие этого почти удвоенную литровую и габаритные мощности. При бесшатунном механизме полностью исключается
трение поршней о стенки цилиндров и значительно снижаются нагрузки и трение в кинематических парах механизма на единицу развиваемой мощности.
Поршни каждой пары цилиндров, расположенные соосно по обе стороны картера, соединены общим штоком. В средней части штоков имеются ползуны, скользящие по направляющим, расположенным в картере. Ползуны шарнирно связаны с точками А и В
промежуточного звена АСВ, точка С которого, также шарнирно, соединена с кривошипом
ОС, вращающимся вокруг оси О. Направляющие и промежуточное звено АСВ обеспечивают прямолинейное возвратно-поступательное движение штоков и связанных с ними
поршней строго по осям Y-Y и Х-Х соответствующих цилиндров. Поршни и цилиндры
при этом не касаются один другого и полностью освобождены от боковых сил при работе
двигателя. Для осуществления беспрепятственного движения штоков по направляющим
осей Y-Y и Х-Х цилиндры, расположенные по этим осям, смещены одни относительно
других на некоторое расстояние в направлении продольной оси двигателя, однако и при
этом механизм остается плоским, так как все его точки перемещаются в параллельных
плоскостях. При бесшатунном механизме отдельные цилиндры или цилиндровые блоки
можно располагать в поперечной плоскости двигателей с различными углами между их
осями. Все построенные бесшатунные двигатели имели по сравнению с аналогичными
кривошипно-шатунными двигателями равной мощности в несколько раз меньшие габариты, значительно большую литровую мощность, меньший удельный расход топлива,
меньшую удельную массу конструкции и увеличенный моторесурс [1].
2
BY 7891 C1 2006.02.28
Устройство работает следующим образом. В двигателях внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части теплоты в механическую энергию происходят непосредственно внутри рабочего цилиндра двигателя. Топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в закрытое пространство цилиндра
двигателя, образованное днищем крышки, стенками цилиндра и поршнем. Образующиеся
при сгорании газы, которые имеют высокую температуру, создают давление на поршень и
перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршней посредством штока, соединяющего два противоположно расположенных поршня, передается ползунам, скользящим по направляющим и шарнирно связанным с точками: А и В промежуточного звена
АСВ, точка С которого, также шарнирно, соединена с кривошипами ОС, вращающимися
вокруг оси О, на которой насажена шестерня, передающая усилие другой шестерне, насаженной непосредственно на соединительный вал, который передает крутящий момент от
свободного кривошипа к кривошипу, непосредственно связанному с потребителем мощности двигателя.
К недостаткам устройства двигателя следует отнести: 1) наличие большого числа деталей в конструкции бесшатунного двигателя внутреннего сгорания, как, например: ползунов, направляющих ползунов, промежуточного звена ABC, коленчатого вала, свободного кривошипа и кривошипа, непосредственно связанного с потребителем мощности
двигателя, шестерен подвижных и неподвижных, которые участвуют в передаче механической энергии валу. Такая передача механической энергии приводит к большим затратам
ее на преодоление сил трения деталей этого механизма; 2) В двигателях с двусторонним
процессом сложно осуществить параллельный подвод охлаждающего масла ко всем
поршням и обеспечить одинаковые условия их охлаждения, а также смазку поршневых
колец и стенок цилиндров. Еще сложнее организовать отвод из поршней нагретого масла
по автономным каналам таким образом, чтобы оно не попадало в подшипники механизма
и имело минимальную утечку в картер.
Известны двигатели со свободно движущимися поршнями, в которых энергия передается без помощи шатунно-кривошипного или какого-либо другого механизма. А движение поршней определяется не движением механизма, а только действием давления газов с
обеих сторон поршня. К ним относятся генераторы газов со свободно движущимися
поршнями. Основными частями генератора газов являются рабочий цилиндр, рабочие
поршни и жестко соединенные с ними поршни компрессора, компрессорный цилиндр,
впускные клапаны, нагнетательные клапаны, форсунки для подачи топлива, газоотводящие трубопроводы, воздушный ресивер, механизм синхронизации, буферный цилиндр,
выравнивающая давление трубка, соединяющая правый и левый буфер. Цилиндр двигателя по конструкции аналогичен цилиндрам двухтактных двигателей с противоположно
движущимися поршнями. На одном конце цилиндра имеются продувочные окна, а на другом его конце выпускные окна. Оба рабочих поршня внутри цилиндра связаны между собой синхронизирующим их совместное движение механизмом [2].
Работа генератора происходит следующим образом. При движении рабочих поршней
в обе стороны от центра рабочего цилиндра во время рабочего хода происходит сжатие
воздуха в буферных цилиндрах. При полном перемещении рабочих поршней от центра
цилиндра открываются в рабочем цилиндре выпускные и впускные окна, и воздух из ресивера поступает в рабочий цилиндр, происходит продувка и наддув. При обратном движении поршней, которое происходит по причине расширения воздуха в буферных цилиндрах,
осуществляется сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, а давление в компрессорных
цилиндрах падает, впускные клапаны открываются, и компрессорные цилиндры заполняются воздухом. Когда давление воздуха в компрессорном цилиндре достигает 4-7 кг/см2,
нагнетательные клапаны открываются, и воздух поступает в воздушный ресивер. После закрытия впускных и выпускных окон в рабочем цилиндре двигателя происходит сжатие
заряда, и в определенный момент в воздушный заряд с помощью форсунки впрыскивается
3
BY 7891 C1 2006.02.28
топливо, которое воспламеняется от теплоты сжатия. Под действием давления горячих
газов поршни снова расходятся, и цикл повторяется снова. Смесь продуктов сгорания и
сжатого в компрессорах воздуха (газо-воздушная смесь) при давлении 4-7 кг/см2 и темпе-ратуре 450-600 °С поступает по газоотводящим трубопроводам в турбину или цилиндры
расширительной машины, служащей для приведения в движение судна, тепловоза, автомобиля, генератора и т.п.
К недостаткам установки следует отнести трудность регулирования числа циклов и
изменения мощности в широком диапазоне, громоздкость всей установки, некоторые
трудности в обеспечении привода вспомогательных агрегатов, усложнение конструкции
за счет применения синхронизирующего механизма, буферов и ряд других.
Наиболее близким по своей технической сущности является двигатель Стирлинга без
механической связи между поршнями. В этом случае рабочий и вытеснительный поршни
называются свободными поршнями. Двигатель Стирлинга со свободными поршнями часто называют свободнопоршневым двигателем Била, где поршень или поршни являются
"свободными" только в смысле отсутствия между ними механической связи, однако газодинамически они связаны. Этот двигатель аналогичен двигателю с рабочим и вытеснительным поршнями. Отличительными особенностями этих двигателей являются - отсутствие кривошипно-шатунного механизма, и полная изоляция обоих торцов цилиндра,
поскольку агрегат не содержит ни шатунов, ни каких-либо других рычагов, связанных с
поршнями. Шток вытеснительного поршня - полый, открытый со стороны своего нижнего
торца, так что рабочее тело, находящееся внутри вытеснительного поршня, постоянно сообщается с рабочим телом в так называемой буферной полости, где все время поддерживается постоянное давление. Эта полость служит газовой пружиной и выполняет функцию,
аналогичную функции коленчатого вала в обычном двигателе Стирлинга. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга состоит из цилиндра, в расширительной полости которого помещен вытеснительный поршень, повторяющий своей внешней конфигурацией внутреннюю поверхность головки цилиндра. Вытеснительный поршень в своей нижней части
имеет полый шток, который плотной посадкой входит в буферную полость рабочего
поршня, работающую как газовая пружина. Рабочий поршень совмещен с вытеснителем,
который перемещается в расширенной нижней части цилиндра. Между нижней поверхностью вытеснительного поршня и верхней торцевой поверхностью рабочего поршня находится полость сжатия. А верхняя часть головки цилиндра имеет связь по рабочему телу с
нижней частью цилиндра через нагреватель, регенератор и холодильник, выход которого
по холодному рабочему телу связан с полостью сжатия [3].
Таким образом, свободнопоршневой двигатель содержит корпус, закрытый цилиндр, в
головку которого помещены вытеснительный и рабочий поршни, имеющий полость расширения, полость сжатия, выполняющие функции горячей и холодной полости, которые
сообщаются между собой через нагреватель, регенератор и холодильник, а вытеснительный поршень в нижней своей части имеет полый шток, скользящей посадкой входящий в
буферную полость, выполняющую функцию газовой пружины, а к рабочему поршню в
его нижней части присоединен вытеснитель [3].
Свободнопоршневой двигатель Стирлинга работает следующим образом. В начальном
положении давление и температура рабочего тела во всем двигателе одинаковы, причем
давление равно в его буферной полости рв. По мере передачи энергии рабочему телу в
расширительной полости от трубок нагревателя температура рабочего тела возрастает, что
влечет за собой возрастание давления. Это в свою очередь заставляет вытеснительный и
рабочий поршни начать свое движение вниз. Вытеснительный поршень имеет меньшую
массу, чем рабочий поршень для того, чтобы обеспечить сдвиг по фазе движений обоих
возвратно-поступательных элементов для получения полезной мощности. Воздействие
рабочего тела на рабочий и вытеснительный поршни приблизительно одинаково, однако
из-за меньшей массы вытеснительный поршень движется с большим ускорением и выжи4
BY 7891 C1 2006.02.28
мает рабочее тело из полости сжатия через регенератор в горячую полость, вызывая дальнейшее повышение давления в полости сжатия и тем самым увеличивается разность давлений относительно давления в буферной полости. И вытеснительный поршень вступает в
контакт с рабочим поршнем. Дальнейшее движение оба поршня совершают совместно. С
этого момента давление в двигателе начинает падать из-за расширения рабочего тела. Однако это давление все еще не превышает давления в буферной полости, и поршни продолжают двигаться вниз. Процесс расширения продолжается до уравнивания давления во
всех полостях. Процесс движения обоих поршней продолжается до появления разности
давлений между рабочими полостями и буферной полостью, но уже противоположного
знака. Поскольку вытеснительный поршень легче рабочего, то он останавливается быстрее, отделяясь от рабочего поршня. А так как рабочий поршень продолжает двигаться
вниз и после остановки вытеснительного поршня, то рабочее тело начинает перетекать из
расширительной полости в полость сжатия, вызывая дальнейшее более быстрое падение
давления в рабочих полостях и соответствующее увеличение направленной вверх силы,
действующей на поршни. Вытеснительный поршень теперь очень быстро перемещается в
верхнюю часть цилиндра, вытесняя дополнительное количество рабочего тела из расширительной полости в полость сжатия. Когда вытеснительный поршень достигает своего
конечного положения и остается в этом положении все время, пока давление в буферной
полости превышает давление рабочего тела. Тем временем рабочий поршень, дойдя до
своего крайнего положения, начинает перемещаться вверх, сжимая рабочее тело, заключенное между верхней поверхностью рабочего поршня и нижней поверхностью вытеснительного поршня. В процессе сжатия давление рабочего тела возрастает по сравнению с
давлением в буферной полости и в результате возникает сила, перемещающая вытеснительный поршень вниз. Изолированное в рабочем объеме рабочее тело перетекает в полость расширения, сообщая вытеснительному поршню дополнительное ускорение, под
действием которого он догоняет рабочий поршень. Затем рабочий цикл повторяется. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различные модификации, определяемые методом отбора мощности, развиваемой двигателем.
Рабочий цикл свободнопоршневого двигателя Стирлинга почти полностью идентичен
циклу двигателя, в котором рабочий и вытеснительный поршни механически связаны
кривошипным механизмом обычного типа. Конфигурация "вытеснительный поршень рабочий поршень" в свободнопоршневом двигателе, по существу, является колебательной
системой масса - пружина, и эта система настраивается на работу с резонансной частотой,
которая является рабочей частотой двигателя. Как и двигатель Стирлинга с обычным кривошипным приводом, свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различные модификации, определяемые методами отбора мощности, развиваемой двигателем. Определено, что свободнопоршневым двигателем Стирлинга называется двигатель, в котором
отсутствует связь между элементами, совершающими возвратно-поступательное движение. Известны: свободнопоршневой двигатель Стирлинга, работающий как линейный генератор переменного тока, работающий как насос, работающий как термомеханический
генератор (ТМГ), тепловой двигатель "Флюидайн", в котором используются столбы жидкости, а не поршни, изготовленные из твердых материалов.
К недостаткам устройства свободнопоршневого двигателя следует отнести следующие: 1. Невозможность, использования механического способа передачи мощности двигателя непосредственно на выходной вал, минуя вспомогательные механизмы привода типа
кривошип-шатун; 2. По причине того, что в свободнопоршневом двигателе Стирлинга отсутствует связь между элементами, совершающими возвратно-поступательное движение,
то система вытеснительный поршень-рабочий поршень в этом случае является колебательной системой и поэтому она может использоваться в двигателях типа масса - пружина, в которых процесс преобразования полученной энергии в механическую работу может
осуществляться только для ограниченных типов преобразователей механических колеба5
BY 7891 C1 2006.02.28
ний в полезную работу, а не в массе известных преобразователей, к которым относятся
такие типы двигателей Стирлинга, как то двигатели, осуществляющие передачу механической энергии при помощи кривошипно-шатунного механизма непосредственно на выходной вал; 3. Выходная мощность двигателя Стирлинга прямо пропорциональна среднему давлению цикла в рабочем теле и, следовательно, если с помощью каких-либо
внешних устройств удастся изменять уровень давления в цилиндре, то тем самым можно
будет регулировать и мощность, развиваемую двигателем. Простейшим методом для достижения этого эффекта является стравливание рабочего тела из цилиндра для уменьшения
его мощности и подкачка его в цилиндр для ее увеличения. А так как в двигателях Стирлинга используются дорогие газы и, вообще-то, экологически небезопасные, то это производить не выгодно и дорого. А на практике же для изменения среднего давления цикла
требуются достаточно сложные устройства.
Исключить вышеперечисленные недостатки отсутствия передаточного механизма в
максимальной мере можно построив такой свободнопоршневой двигатель, где перемещение в головках цилиндров поршней, не связанных между собой, не является препятствием
для возникновения крутящего момента на выходном валу двигателя.
Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства, которое бы исключило все недостатки прототипа и позволило бы получить максимальный КПД устройства при минимальных затратах тепловой энергии и, которое могло бы работать как при
малом, так и при большом перепаде температур между зоной нагрева и зоной охлаждения.
Поставленная задача решается тем, что свободнопоршневой двигатель, содержит корпус, цилиндр, в головке которого последовательно размещены вытеснительный и рабочий
поршни, имеющий полость расширения и полость сжатия, заполненные рабочим телом и
выполняющие функции горячей и холодной полостей, которые сообщены между собой
через нагреватель, регенератор и холодильник, буферную полость, выполняющую функцию газовой пружины.
Отличительной особенностью является то, что в корпусе двигателя установлен ротор,
облегченной конструкции, на котором по его образующей закреплены спаренные цилиндры головками вверх, в которых попарно помещены рабочие и вытеснительные поршни
основаниями друг к другу, имеющие на нижней торцевой части полые штоки, способные
входить один в другой, причем масса штоков одинакова, полости расширения расположены в верхней и нижней части спаренных цилиндров, а полости сжатия расположены в
средней части цилиндров между основаниями поршней, при этом нагреватель расположен
в выполняющей функцию регенератора центробежной тепловой трубе, соединенной с ротором двигателя, сообщен через распределитель направления потока и дозатор с головками цилиндров и связан с холодильником, причем центробежная тепловая труба имеет
конденсатор, внутри которого установлен нагреватель, отличающийся тем, что рабочий и
вытеснительный поршни выполнены из тяжелого материала, не проводящего тепло, отличающийся тем, что при совмещении штоков рабочего и вытеснительного поршней их общая длина должна быть равна радиусу ротора, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни имеют одинаковую геометрическую форму и выполнены из одного и
того же материала, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя и рабочего тела в
диапазоне температур ниже 230 °С могут быть использованы - вода, спирт, аммиак, ацетон, N2O4, фреоны, жидкий кислород, азот, водород, СО2.
На фиг. 1 изображен свободнопоршневой двигатель в сборе.
На фиг. 2 изображены блоки спаренных цилиндров в вертикальном и горизонтальном
положениях, в разрезе.
На фиг. 3 изображен распределитель рабочего тела с дозатором, в разрезе.
Свободнопоршневой двигатель, содержит корпус 1, цилиндр 2, вытеснительный 3 и
рабочий 4 поршни, полость расширения 5, полость сжатия 6, рабочее тело 7, горячую 8 и
холодную 9 полости, нагреватель 10, регенератор 11 и холодильник 12, буферная полость
6
BY 7891 C1 2006.02.28
13, полый шток 14, ротор 15, теплоноситель 16, центробежная тепловая труба 17, распределитель направления 18 потока, дозатор 19, конденсатор 20, неподвижная пластина 21,
испаритель 22, вал 23 двигателя, горячая трубка 24, холодная трубка 25, фитиль 26 (пористая вставка), пар теплоносителя 27, зона испарения 28, зона конденсации 29, источник
тепловой энергии 30, ось переходного блока 31.
Работа свободнопоршневого двигателя.
Свободнопоршневой двигатель после заполнения всех его полостей рабочим телом 7
работает следующим образом. В начальный момент давление и температура в объеме головки спаренного цилиндра 2 одинаковы. По мере передачи тепловой энергии от теплоносителя 16 рабочему телу 7 через поверхность нагревателя 10 возрастает температура рабочего тела 7 и возрастает давление рабочего тела 7. Поэтому происходит увеличение объема, занимаемого рабочим телом 7. Часть поступающей тепловой энергии от теплоносителя 16 тратится на прогрев трубопровода и материала головки спаренного цилиндра 2,
а другая ее часть расходуется на прогрев самого рабочего тела 7.
1. Рассмотрим работу двигателя на примере работы головки спаренного цилиндра 2
при его вертикальном расположении на оси, проходящей через его геометрический центр.
При получении тепловой энергии от теплоносителя 16 через поверхности конденсатора 20
центробежной тепловой трубы 17 рабочее тело 7 в нагревателе 10 и горячей трубке 24
расширяется, повышается его давление. Прогретое рабочее тело 7 поступает в нижнюю
головку вертикально расположенного спаренного цилиндра 2 по горячей трубке 24. При
этом нижний рабочий поршень 4 под действием повышенного давления нагретого рабочего тела 7 поднимается вверх, увеличивая просвет между поршнем 4 и внутренней поверхностью головки цилиндра в полости расширения 5. Движение нижнего рабочего поршня 4
вверх вызывает увеличение давления холодного рабочего тела 7 в полости сжатия 6, расположенной между нижними поверхностями рабочего 4 и вытеснительного 3 поршней,
помещенных в спаренный цилиндр 2. Под действием увеличивающегося давления на холодное рабочее тело 7 в полости сжатия 6 возрастает температура рабочего тела, как реакция от действия сжатия рабочего тела 7. Затем происходит расширение рабочего тела 7 в
полости сжатия 6 по причине перемещения верхнего вытеснительного поршня 3 вверх и, в
результате этого перемещения происходит понижение температуры рабочего тела 7 в полости сжатия 6, и выравнивание давления в системе спаренного цилиндра 2. При перемещении нижнего рабочего поршня 4 его полый шток 14 входит в соприкосновение со штоком верхнего вытеснительного поршня 3 и штоки 14 входят один в другой. При этом, так
как штоки 14 полые, то внутреннее пространство штоков 14, заполненное газообразным
рабочим телом или паром является застойной зоной, где температура рабочего тела 7 подвержена слабому изменению. Эта пространство является буферной полостью 13, которая
работает, как газовая пружина, т.е. смягчает соударение поршней 3 и 4. И оба поршня 3 и
4 далее движутся без толчков вместе под действием давления нагретого рабочего тела полости расширения 5. А это движение поршней 3 и 4 приводит к возрастанию давления в
расширительной полости 5 над верхним вытеснительным поршнем 3 и рабочее тело 7 над
этим поршнем 3 нагревается. Как только спаренный цилиндр 2 отклонится от вертикали,
т.е. когда произойдет поворот спаренного цилиндра 2 по часовой стрелке вправо, произойдет сброс давления над верхним вытеснительным поршнем 4 по причине открытия
входа в холодную трубку 25, и рабочее тело 7 под повышенным давлением сбрасывается
по холодной трубке 25 в холодильник 12, передавая ему полученную тепловую энергию,
выделившуюся в результате сжатия, а давление в полости расширения 5 над верхним
поршнем 4 падает. И верхний вытеснительный поршень 3 плотно прижимается к внутренней поверхности головки спаренного цилиндра 2. В этот момент давление в системе
поршней выравнивается и поршни несколько расходятся за счет пружинящего действия
рабочего тела 7 в буферной полости 13, созданной полыми штоками 14 обоих поршней 3 и
4. Далее происходит поворот спаренного цилиндра 2 по оси его вращения за счет перевеса
7
BY 7891 C1 2006.02.28
правого плеча спаренного цилиндра, где размещен вытеснительный поршень 3, и верхняя
головка спаренного цилиндра 2 занимает нижнее положение. При прохождении по инерции нижней точки в эту головку спаренного цилиндра 2 по горячей трубке 24 от регенератора 11 подается нагретое рабочее тело 7, и рабочий цикл повторяется. 2. Так как на роторе 4 свободнопоршневого двигателя размещено несколько головок спаренных цилиндров
2, то работа каждого спаренного цилиндра 2 повторяет работу вышеописанного цилиндра,
и вращение всего ротора 14 состоит из суммы вращения всех головок спаренных цилиндров 2.
2. Рассмотрим работу всего свободнопоршневого двигателя с учетом процессов, происходящих в центробежной тепловой трубе 17. Размещение тепловой трубы 17 с конусной
вставкой (фитилем 26) на вращающемся выходном валу 23 двигателя способствует равномерному распределению сконденсировавшегося теплоносителя 16 по всей внутренней
поверхности зоны конденсации 29. В зоне испарения 28 теплоноситель 16 движется по
пористой конусной вставке 26 (фитиль), стекая с нее на внутреннюю поверхность испарителя 22, и растекается по ней равномерным слоем, что приводит к равномерному образованию паров жидкости на всей поверхности зоны испарения 28. Наличие фитиля 26 в зоне
испарения 28 приводит к тому, что теплоноситель 16 в центробежной тепловой трубе 17
не движется непосредственно по поверхности испарителя 22, а разбрызгивается через поры конусного фитиля 26 на всю поверхность испарителя 22, что исключает прогорание
металла в зоне испарения 28 и, что интенсифицирует теплообмен в зоне испарения 28.
При вращении вала 23 пары теплоносителя 16 под действием центробежных сил движутся
из зоны более высокой температуры в зону более низкой температуры, т.е. в зону конденсации 29. Там пары теплоносителя 16 конденсируются более ускоренно из-за действия
центробежных сил, оседая на поверхность конденсатора 20, они отдают ей накопленную
скрытую теплоту парообразования. За счет постоянного и нескончаемого переноса накопленной теплоты парообразования в зоне конденсации 29 температура повышается, и тепло
через стенки центробежной тепловой трубы 17 в зоне конденсатора 20 посредством паровой фазы теплоносителя передается металлу нагревателя 10 и через этот металл рабочему
телу 7, которое постоянно направленным потоком циркулирует из верхней головки спаренного цилиндра 2 через нагреватель 10, который установлен в тепловой трубе 17 в зоне
конденсации 29.
Переходным блоком между свободнопоршневым двигателем и центробежной тепловой трубой 17 служит герметичное устройство, состоящее из вращающегося на оси 31,
скрепленной с валом 23 двигателя, распределителя направления 18, неподвижных дозатора 19 и пластины 21. Поток теплоносителя 16 поступает к полому нагревателю 10, по горячей трубке 24 через дозатор 19, пластину 21 и распределитель 18 на вход нижней головки цилиндра 2. А холодное отработанное рабочее тело 7 выходит из верхней головки
спаренного цилиндра 2 через распределитель 18, неподвижную пластину 21, дозатор 19 в
холодную трубку 25 и холодильник 12 на вход в нагреватель 10, установленный в центробежной тепловой трубе 17. Круг замыкается и рабочий цикл повторяется.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:
1. Применение ротора и установка на нем спаренных цилиндров по его диаметру головкам вверх, с размещенными в них рабочим и вытеснительным поршнями, позволило
при перемещении поршней под давлением горячего рабочего тела в холодную сторону
спаренного цилиндра, создать крутящий момент ротора на рабочем валу двигателя по часовой стрелке по причине перевеса правого плеча над левым плечом при горизонтальном
размещении спаренного цилиндра. То есть перемещение рабочего и вытеснительного
поршней внутри спаренного цилиндра напрямую без применения кривошипно-шатунного
механизма вызывает вращение вала двигателя, что в прототипе осуществить не удается.
8
BY 7891 C1 2006.02.28
2. Установка на нижней торцевой поверхности рабочего и вытеснительного поршней
полых штоков, способных входить один в другой при сближении их в процессе рабочего
цикла в холодной полости сжатия спаренного цилиндра, приводит к образованию в объеме полых штоков застойной зоны с неизменяемой температурой, которая является буферной полостью и выполняет функцию газовой пружины, препятствующей соударению
поршней, что может нарушить термодинамический цикл в объеме спаренных цилиндров,
в то время как холодное рабочее тело полости сжатия не изменяет свою массу на протяжении всего рабочего цикла.
3. Изготовление рабочего и вытеснительного поршней из тяжелого материала, обеспечивает появление крутящего момента на валу ротора, из-за перевеса его правого плеча над
левым, когда вытеснительный поршень в спаренном цилиндре под действием горячего
рабочего тела занимает крайнее правое положение, а рабочий поршень занимает в этот
момент положение строго на оси, т.е. является основой возникновения причинной связи
между перемещениями поршней и вращением вала двигателя.
4. Изготовление рабочего и вытеснительного поршней из материала не проводящего
тепло, является необходимой преградой противодействующей проникновению тепла в полость сжатия, а это предотвращает нарушение естественного термодинамического цикла
двигателя, что в прототипе не оговорено.
5. Изготовление центробежной тепловой трубы в виде замкнутой металлической конструкции, где внутренняя ее поверхность выполнена конусообразной формы, имеющей
наименьший диаметр у конденсатора, а наибольший - у испарителя, и размещение на ее
внутренней поверхности слоя пористого материала типа мелкоячеистой проволочной сетки, обладающей капиллярным действием, приводит к тому, что находящаяся в центробежной трубе рабочее тело впитывается в слой этого материала, называемого фитилем, а
пары этого рабочего тела заполняют не занятый внутренний объем в этой трубе. При подводе тепла к испарителю происходит образование паров рабочего тела. Пар в центробежной тепловой трубе под действием разности давлений переносится к конденсатору в зону
конденсации, где и конденсируется выделяя тепло, полученное при парообразовании. Пар
превращается в жидкость, которая под действием капиллярных сил возвращается по поверхности конденсатора и фитиля обратно в зону испарения, чему содействует и внутренняя наклонная поверхность конуса.
6. Выполнение корпуса центробежной тепловой трубы в форме полого закрытого цилиндра единого внешнего диаметра для зоны испарения и зоны конденсации с их разделением выборкой на две части, позволило увеличить теплоемкость трубы зоны конденсации
и несколько уменьшить теплопередачу по объему металла из зоны конденсации в зону испарения, в то время как во внутреннем объеме трубы происходят такие же процессы обратного направления - перенос тепловой энергии из зоны нагрева в зону конденсации, что
приводит к накоплению тепловой энергии во внутреннем объеме зоны конденсации, и
уменьшает ее утечку по металлу трубы. А утолщение заднего торца трубы увеличивает
теплоемкость металла зоны испарения, вносит некоторую равномерность в распределение
градиента температуры по длине зоны испарения и уменьшает зависимость от градиента
распределения теплоты и от колебаний температуры пламени внешнего источника по
длине наружной поверхности металла зоны испарения.
7. Размещение тепловой трубы на вращающемся выходном валу двигателя способствует равномерному распределению сконденсировавшегося теплоносителя по всей внутренней поверхности зоны конденсации, что приводит к равномерному образованию паров
жидкости из всей поверхности фитиля. Наличие фитиля приводит к тому, что теплоноситель в центробежной трубе не движется непосредственно по поверхности зоны испарения,
а разбрызгивается на всю поверхность испарения, что исключает ее прогорание и интенсифицирует теплообмен в зоне испарения.
8. Рабочее тело в двигателе находится в замкнутом пространстве и во время работы не
заменяется, а лишь изменяет свой объем при нагревании и охлаждении, так как не имеет
никакого сообщения по рабочему телу с внешней средой.
9
BY 7891 C1 2006.02.28
9. Двигатель позволяет использовать непрерывный процесс горения, что позволяет
сжигать различные виды топлива. Так как непрерывный процесс прогрева теплоносителя
осуществляется через стенку центробежной тепловой трубы, и в процессе прогрева поверхности трубы не происходит ее прогорание, а рабочее тело нагревается в нагревателе,
установленном внутри центробежной тепловой трубы зоне конденсации, то не требуется
применения жаропрочных дорогих сталей, как в прототипе, для изготовления головок цилиндров двигателя.
10. Поставка тепловой энергии рабочему телу двигателя через поверхность конденсатора центробежной тепловой трубы, выполняемая теплоносителем от внешнего источника
внутрь двигателя через металл нагревателя, позволяет сделать двигатель компактным, а на
выходном валу двигателя разместить несколько роторов.
11. В двигателях Стирлинга метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен,
так как теплоемкость материалов, из которых изготавливается головка цилиндра, слишком велика для реализации требуемых быстрых изменений температуры от более низкой
до максимальной. Применение для доставки тепловой энергии центробежной тепловой
трубы сделало возможным доставлять тепловую энергию непосредственно от источника
тепла в двигатель через горячее рабочее тело, минуя стенки головок спаренных цилиндров, изготовленных из жаропрочных, имеющих большую теплоемкость материалов. Для
изготовления же центробежной тепловой трубы возможно применение относительно недорогих материалов с высокой теплопроводностью.
12. Функциями применяемых в свободнопоршневом двигателе распределителя и дозатора является подвод горячего рабочего тела непосредственно в спаренную головку цилиндра, причем этот процесс может осуществляться сколь необходимо быстро, как и
отвод охлажденного рабочего тела из спаренной головки цилиндра, так как пути их
транспортировки разделены, и не требуется нагревать и охлаждать один и тот же цилиндр
в процессе одного термодинамического цикла, как в прототипе.
13. Скорость вращения ротора свободнопоршневого двигателя зависит только от скорости подачи горячего тела в головку цилиндра и от скорости отвода холодного рабочего
тела из спаренной головки цилиндра, которая зависит от разности давлений на входе и
выходе из спаренного цилиндра.
14. В свободнопоршневом двигателе соблюдается основной принцип Стирлинга - попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего
тела в процессе термодинамического цикла.
15. Регулирование скорости вращения вала свободнопоршневого двигателя возможно
по двум направлениям: 1) создание разности давлений на входе и выходе головки спаренного цилиндра, что возможно создать за счет разности диаметра входного и выходного
отверстий спаренного цилиндра; 2) скорости подачи горячего теплоносителя и скорости
выведения охлажденного теплоносителя из спаренной головки цилиндра, которая зависит
от разности температур на входе и выходе двигателя.
16. Возможно увеличение мощности свободно поршневого двигателя за счет увеличения диаметра и массы рабочего и вытеснительного поршней, и за счет увеличения диаметра ротора 14 свободнопоршневого двигателя.
17. Опережение процесса сброса отработанного холодного рабочего тела из верхней
головки спаренного цилиндра над процессом поступления горячего рабочего тела в нижнюю головку спаренного цилиндра устраняет препятствие к протеканию естественных
термодинамических процессов в спаренной головке свободнопоршневого двигателя.
18. Установка головок спаренных цилиндров на роторе со смещением по продольной
оси вращения ротора одних относительно других, позволила создать двигатель плоским,
так как все его точки размещаются в параллельных плоскостях, что позволяет на валу
двигателя разместить по несколько таких роторов со смещением начала термодинамического цикла каждого ротора относительно других роторов.
10
BY 7891 C1 2006.02.28
19. Предлагаемый свободнопоршневой двигатель по своей простоте и технологичности конструкции наиболее предпочтителен по сравнению с прототипом.
20. Двигатель отличается бесшумностью своей работы по сравнению с прототипом и
другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания и др.
Установка ротора 15 в корпусе 1 свободнопоршневого двигателя с размещенными на
его образующей головками спаренных цилиндров 2 по его диаметру, и размещение в них
рабочего 4 и вытеснительного 3 поршней из тяжелого материала, позволила создать крутящий момент на валу ротора 15 при расположении головки спаренного цилиндра 2 в горизонтальном положении, и при условии перемещения поршней слева направо под действием давления горячего рабочего тела 7 или газа.
Изготовление рабочего 4 и вытеснительного 3 поршней из не проводящего тепло материала является необходимой преградой противодействующей проникновению тепла в
полость сжатия 6, и предотвращает нарушение термодинамического цикла двигателя.
Изготовление полых штоков 14 рабочего 4 и вытеснительного 3 поршней, способными
входить один в другой одинаковой массы, обеспечивает, при расположении спаренного
цилиндра 2 параллельно горизонта, вращающий момент ротору 15 при перемещении
поршней 3 и 4 вправо. А так как площади отверстий полых штоков 14 разновелики, то перемещение свободных поршней под действием горячего рабочего тела 7 происходит с некоторым сдвигом по фазе, что благоприятно воздействует на КПД двигателя.
Использование центробежной тепловой трубы 17 для подвода тепловой энергии к
двигателю, позволяет осуществлять передачу тепловой энергии непосредственно от ее источника 30 свободнопоршневому двигателю, используя наиболее кратчайший путь.
Использование в качестве генератора 11 тепловой энергии центробежной тепловой
трубы 17, вращающейся вокруг своей оси 31 с определенной скоростью, позволяет равномерно смачивать всю внутреннюю теплонагруженную поверхность тепловой трубы с помощью центробежных сил.
Изготовление центробежной тепловой трубы 17 в виде замкнутой металлической конструкции с внутренней поверхностью конусообразной формы, имеющей наименьший
диаметр у конденсатора 20, а наибольший у испарителя 22, и размещение на внутренней
поверхности конуса в зоне испарения 28 слоя пористого материала типа мелкоячеистой
проволочной сетки, обладающего капиллярным действием, приводит к тому, что находящееся в центробежной трубе 17 теплоноситель 16 впитывается в слой этого материала,
называемого фитилем 26, а пары 27 теплоносителя 16 заполняют незанятый внутренний
объем в этой трубе. При подводе тепла через стенку трубы к испарителю 22 происходит
образование паров теплоносителя 16 во внутреннем объеме трубы. Пар 27 в центробежной
трубе 17 под действием разности давлений переносится к конденсатору 20, где и конденсируется на поверхности нагревателя 9 и конденсатора 20, выделяя тепло, полученное при
парообразовании. Пар превращается в жидкость, которая по наклонной поверхности трубы конденсатора 20 возвращается на фитиль 26, и по нему обратно в испаритель 22, чему
содействует и внутренняя наклонная поверхность конуса.
Выполнение корпуса 1 центробежной тепловой трубы 17 в форме полого закрытого
цилиндра одинакового внешнего диаметра для зоны испарения 28 и зоны конденсации 29
с их разделением выборкой на две части позволило по сравнению с известным [SU, N
577386 F 28 D 15/00, 22.10.77 Бюл. 39] увеличить теплоемкость трубы зоны конденсации
29 и несколько уменьшить теплопередачу по объему металла из зоны конденсации 29 в
зону испарения 28, в то время как во внутреннем объеме трубы происходят такие же процессы обратного направления - перенос тепловой энергии из зоны испарения 28 в зону конденсации 29, что приводит к накоплению тепловой энергии во внутреннем объеме зоны
конденсации 29 и уменьшает ее утечку по металлу трубы. А утолщение заднего торца трубы увеличивает теплоемкость металла зоны испарения 28, вносит некоторую равномерность в распределение градиента температуры по длине зоны испарения и уменьшает зависимость от градиента распределения теплоты от колебаний пламени внешнего источника.
11
BY 7891 C1 2006.02.28
Размещение центробежной тепловой трубы 17 на вращающемся выходном валу 23
двигателя способствует равномерному распределению сконденсировавшегося теплоносителя 16 по всей внутренней поверхности зоны конденсации 29, что приводит к равномерному образованию паров жидкости из всей поверхности фитиля 26. Наличие фитиля 26 на
продолжении наклонной поверхности в зоне испарения 28, и размещение слоя фитиля 26
на поверхности испарителя 22 приводит к тому, что теплоноситель 16 не движется непосредственно по поверхности зоны испарения 28, а разбрызгивается на всю поверхность
испарителя 22, где размещен дополнительный слой фитиля 26, и впитывается в этот слой,
что исключает прогорание стенки трубы испарителя 22 и, что интенсифицирует теплообмен в зоне испарения 28.
Установка центробежной тепловой трубы 17 на валу 23 двигателя позволяет использовать непрерывный процесс горения для получения тепловой энергии, которая дает возможность сжигать различные виды топлива, что особенно важно с экологической точки
зрения. А так как непрерывный процесс нагрева теплоносителя 16 осуществляется через
стенку центробежной тепловой трубы 17, на внутренней поверхности которой теплоноситель 16 распределяется тонким слоем, то в процессе прогрева поверхности трубы не происходит ее прогорание, и поэтому не требуется применения жаропрочных дорогих сталей,
как в прототипе, когда прогрев головок цилиндров часто приводит к прогоранию стенок
цилиндров при воздействии на них источника тепловой энергии 30.
Поставка тепловой энергии теплоносителю 16 через поверхность конденсатора 20
центробежной тепловой трубы 17, выполняемая теплоносителем 16 от внешнего источника 30 внутрь двигателя через нагреватель 10 и рабочее тело 7, позволяет сделать двигатель
компактным, а на выходном валу 23 двигателя разместить несколько роторов 15.
Помещение нагревателя 10 в зону конденсации теплоносителя 16 центробежной тепловой трубы 17 и сообщение его с холодильником 12, по которому в нагреватель поступает отработанное и охлажденное рабочее тело 7, способствует тому, что конденсатор 20
центробежной тепловой трубы 17 берет на себя выполнение функции как поставщика тепловой энергии в головки спаренного цилиндра 2, так и функции регенератора 11, т.е. аккумулятора тепловой энергии двигателя.
Использование центробежной тепловой трубы 17 в свободнопоршневом двигателе
сделало возможным доставлять тепловую энергию непосредственно от внешнего источника тепловой энергии 30 к нагревателю 10 спаренного цилиндра 2, минуя стенки головок
спаренных цилиндров 2, изготовленных из жаропрочных материалов, имеющих большую
теплоемкость. Для изготовления же центробежной тепловой трубы 17 возможно применение материалов с высокой теплопроводностью.
Функциями распределителя 18 и дозатора 19 является подвод горячего рабочего тела 7
непосредственно в спаренную головку цилиндра 2, причем этот процесс может осуществляться сколь необходимо быстро, как и отвод охлажденного рабочего тела 7 из спаренной
головки цилиндра 2, так как пути их транспортировки разделены, что не требует нагревать
и охлаждать один и тот же цилиндр многократно, как в прототипе.
Применяемые в свободнопоршневом двигателе распределитель 18 и дозатор 19 выполняют несколько функций: 1) направление рабочего тела в заданную спаренную головку цилиндра 2; 2) дозировку необходимого количества рабочего тела 7 для полноценной
работы двигателя; 3) заполнение необходимым количеством горячего рабочего тела 7
объема нижней головки спаренного цилиндра 2; 4) поддержание постоянного давления в
полости расширения 5 при передаче рабочему телу 7 тепловой энергии в процессе перемещения рабочего поршня 3 под действием давления горячего рабочего тела 7.
Введение герметичного переходного блока между свободнопоршневым двигателем и
центробежной тепловой трубой 17, состоящего из вращающегося на оси 31, скрепленной с
валом 23 двигателя, распределителя 18, неподвижных дозатора 19 и неподвижной пластины 21, обеспечивает беспрерывное поступление в каждую головку спаренных цилиндров
2, размещенных на образующей ротора 15, горячего рабочего тела 7 и выброс отработан12
BY 7891 C1 2006.02.28
ного холодного рабочего тела 7. Поток рабочего тела 7 поступает из полого нагревателя
10, по горячей трубке 24 через дозатор 19, пластину 21 и распределитель 18 на вход нижней головки цилиндра 2. А холодное отработанное рабочее тело 7 выходит из верхней головки спаренного цилиндра 2 через распределитель 18, пластину 21, дозатор 19 в холодную трубку 25 и холодильник 11 на вход в нагреватель 10, размещенный в горячей зоне
конденсации 29.
Скорость вращения ротора 15 свободнопоршневого двигателя зависит только от скорости подачи горячего рабочего тела 7 в головку цилиндра 2 и от скорости отвода холодного рабочего тела 7 из спаренной головки цилиндра 2.
Регулирование скорости вращения вала 23 свободнопоршневого двигателя возможно
созданием разности давлений на входе и выходе спаренной головки цилиндра 2, за счет
разности диаметра входного и выходного отверстий спаренного цилиндра 2; за счет быстроты подачи горячего рабочего тела 7 и быстроты выведения охлажденного рабочего тела
7 из спаренной головки цилиндра 2, которая зависит от разности температур на входе и
выходе двигателя; скорость двигателя можно регулировать количеством рабочего тела 7,
загружаемого в головки спаренных цилиндров 2, или величиной среднего давления рабочего цикла.
Увеличение мощности свободно поршневого двигателя возможно за счет увеличения
диаметра и массы поршней 3 и 4 и за счет увеличения диаметра ротора 15 свободнопоршневого двигателя.
Подключение к центробежной тепловой трубе 17 на этапе ее разгона электрического
двигателя позволяет запустить ее в работу для подачи тепловой энергии через нагреватель
10 рабочему телу 7 двигателя. Как только произойдет несколько оборотов ротора 15 двигателя, необходимость в работе пускателя отпадает. В дальнейшем само вращение ротора
15 двигателя обеспечивает работу центробежной тепловой трубы 17, и подачу горячего
рабочего тела 7 из нагревателя 10 в спаренную головку цилиндра 2.
Организация сброса отработанного холодного рабочего тела 7 из верхней головки
спаренного цилиндра 2 несколько ранее вхождения горячего рабочего тела 1 в нижнюю
головку спаренного цилиндра 2 способствует протеканию естественных термодинамического цикла в спаренных цилиндров 2 свободнопоршневого двигателя, т.е. круговому
движению рабочего тела 7 из верхней головки спаренного цилиндра 2 в нижнюю головку
спаренного цилиндра через нагреватель 10.
Организация процесса опережения сброса отработанного холодного рабочего тела 7 из
верхней головки спаренного цилиндра 2 над процессом ввода горячего рабочего тела 7 в
нижнюю головку спаренного цилиндра 2 обеспечивает направленное естественное движение горячего рабочего тела 7 в нижнюю головку спаренного цилиндра 2 и делает этот
процесс пульсирующим. Пульсация поступления горячего рабочего тела 7 в свободнопоршневой двигатель сглаживается путем размещения на валу 23 двигателя нескольких
аналогичных роторов 13 сдвигом по фазе начала поступления рабочего тела 17.
Источники информации:
1. С.С. Баландин. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972. - 175 с.
2. В.П. Алексеев, Н.И. Костыгов, М.Г. Круглов и др. Двигатели внутреннего сгорания.
/под ред. А.С. Орлина. - М.: Машиностроительная литература, 1960. - С. 395-404. 447 с.
3. Г. Ридлер, Ч. Хупнер. Двигатели Стирлинга. / Перевод с англ. д-ра т.н. С.С. Чепцова
и к.т.н. Е.Е. Черейского, В.И. Кабакова. - М.: Мир, 1986. - С. 34-49. 460 с.
4. А.с. SU N 577386, МПК F 28 D 15/00 // Бюл. N 39, 1977.
13
BY 7891 C1 2006.02.28
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
228 Кб
Теги
07891, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа