МНОГОЦИЛИНДРОВАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА РЕГУЛИРУЕМОЙ МОЩНОСТИ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА
MULTI-CYLINDER THERMAL MACHINE WITH CONTROLLED OUTPUT AND WITH EXTERNAL HEAT SUPPLY

Изобретение относится к области тепловой энергетики, в частности к тепловым поршневым многоцилиндровым машинам, и предназначено для использования в качестве силовой установки автономной системы выработки тепловой и электрической энергии при использовании местных топлив и возобновляемых источников энергии.
Известна тепловая машина (авторское свидетельство СССР №1460382, МПК F02G 1/00, 1/04, опубл. 23.02.1989), содержащая две группы вертикально установленных цилиндров, частично заполненных несжимаемой жидкостью с находящимся над ней газообразным рабочим телом, газовые полости каждой пары цилиндров соединены между собой через нагреватель, регенератор и холодильник, а жидкостные полости соединены с полостями объемной гидромашины.
Недостатком известного устройства является невозможность плавного оперативного регулирования мощности, что снижает экономичность машины и ограничивает функциональные возможности, так как не позволяет машине работать в качестве теплового насоса или холодильной установки.
Наиболее близкой по технической сущности является многоцилиндровая тепловая машина с внешним подводом тепла (Г.Ридер, Ч.Хупер, Двигатели Стирлинга, Москва: изд. «Мир», 1986 г., стр.72, рис.1.65), содержащая группу цилиндров и поршней, к внутренним полостям которых подводится тепло, и группу цилиндров и поршней, от внутренних полостей которых тепло отводится, соединенные шатунами с общим коленчатым валом. Внутренние полости цилиндров и поршней на горячей стороне соединены через нагреватель, регенератор и охладитель с внутренними полостями цилиндров и поршней на холодной стороне многоцилиндровой тепловой машины.
Недостатком известной тепловой машины является невозможность плавного регулирования мощности, так как используемый в ней кривошипно-шатунный механизм определяет фиксированные фазовые углы изменения объемов горячих и холодных полостей.
Кроме того, при движении поршней на горячей стороне машины значительная часть тепловой энергии выносится из полости с тыльной стороны поршней и рассеивается в пространстве, что снижает КПД, а поскольку, поршневое уплотнение работает в условиях максимальной разности давления на сторонах уплотнения, то неизбежны утечки рабочего тела (газ гелий, давление 5-25 МПа), что приводит к снижению экономичности и мощности тепловой машины.
Технической задачей изобретения является повышение мощности, увеличение ресурса, а также расширение функциональных возможностей многоцилиндровой тепловой машины с внешним подводом тепла.
Многоцилиндровая тепловая машина регулируемой мощности с внешним подводом тепла, содержащая группу цилиндро-поршневых пар на горячей стороне тепловой машины, поршни которых посредством штоков и шатунов соединены с первым коленчатым валом, группу цилиндро-поршневых пар на холодной стороне тепловой машины, рабочие полости группы цилиндро-поршневых пар на горячей стороне тепловой машины соединены трубопроводами с последовательно расположенными нагревателями, регенераторами и холодильниками и с рабочими полостями группы цилиндро-поршневых пар на холодной стороне тепловой машины, согласно изобретению отличается тем, что в нее введены муфта регулирования мощности и второй коленчатый вал, причем, поршни группы цилиндро-поршневых пар на холодной стороне тепловой машины посредством дополнительных штоков и дополнительных шатунов соединены со вторым коленчатым валом, который соединен первой цепной передачей с левой полуосью муфты регулирования мощности, первый коленчатый вал соединен второй цепной передачей с правой полуосью муфты регулирования мощности, управляющий шкив которой связан элементом передачи вращения с управляющим электроприводом, нерабочие полости с тыльной стороны поршней на горячей стороне машины попарно соединены трубопроводами между собой, нерабочие полости с тыльной стороны поршней на холодной стороне машины также попарно соединены трубопроводами между собой так, чтобы при работе машины суммарный объем соединенных трубопроводами полостей не менялся.
Муфта регулирования мощности выполнена в виде левой полуоси с винтовыми канавками, в которые помещены шарики левой полуоси, правой полуоси с винтовыми канавками, наклон которых противоположен наклону канавок на левой полуоси, и в которые помещены шарики правой полуоси, вращающейся обоймы с круговыми канавками на внутренней поверхности обоймы, которая шариками левой полуоси и шариками правой полуоси связана с правой и левой полуосями смещающего винта, который посредством шарикоподшипников, установленных на торцевых поверхностях смещающего винта, передает смещение на вращающуюся обойму управляющего шкива, закрепленного в опорных подшипниках, препятствующих его продольному перемещению, и образующего винтовую пару со смещающим винтом, левая полуось и правая полуось зафиксированы в упорных подшипниках, препятствующих продольному перемещению полуосей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемой тепловой машины, а на фиг.2 - устройство муфты регулирования мощности.
Многоцилиндровая тепловая машина регулируемой мощности с внешним подводом тепла содержит группу 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 цилиндро-поршневых пар на горячей стороне тепловой машины, поршни которых посредством штоков 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 и шатунов 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 соединены с первым коленчатым валом 4, группу 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 цилиндро-поршневых пар на холодной стороне тепловой машины, поршни которых посредством штоков 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 и шатунов 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 соединены со вторым коленчатым валом 8, рабочие полости 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 группы 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 цилиндро-поршневых пар на горячей стороне тепловой машины посредством нагревателей 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, регенераторов 11-1, 11-2, 11-3, 11-4 и холодильников 12-1, 12-2, 12-3, 12-4 соединены трубопроводами с рабочими полостями 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 группы 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 цилиндро-поршневых пар на холодной стороне тепловой машины.
Первый коленчатый вал 4 с маховиками 14 и 15 соединен цепной передачей 16 с правой полуосью 17 муфты 18 регулирования мощности. Второй коленчатый вал 8 с маховиками 19 и 20 соединен цепной передачей 21 с левой полуосью 22 муфты регулирования мощности 18. Управляющий шкив 23 муфты 18 регулирования мощности соединен с элементом передачи вращения 24 с управляющим электроприводом 25. Второй коленчатый вал 8 соединен с элементом передачи вращения 26 с электрогенератором 27.
Нерабочие полости 28-1, 28-2, 28-3, 28-4 группы 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 цилиндро-поршневых пар на горячей стороне машины соединены попарно: полость 28-1 трубопроводом 29 соединена с полостью 28-3, а полость 28-2 трубопроводом 30 с полостью 28-4.
Нерабочие полости 31-1, 31-2, 31-3, 31-4 группы 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 цилиндро-поршневых пар на холодной стороне машины соединены попарно: полость 31-1 трубопроводом 32 соединена с полостью 31-3, а полость 31-2 трубопроводом 33 с полостью 31-4.
Группа нагревателей 10-1, 10-2, 10-3, 10-4 помещена в камеру 34 нагревателей, к которой подводится поток 35 тепловой энергии. Группа холодильников 12-1, 12-2, 12-3, 12-4 помещена в камеру 36 холодильников, от которой отводится поток 37 тепловой энергии в систему отопления. Группа 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 цилиндро-поршневых пар на холодной стороне тепловой машины помещена в камеру 38 воздушного охлаждения, от которой отводится тепловой поток 39 в систему кондиционирования.
Муфта 18 регулирования мощности тепловой машины содержит левую полуось 22 с винтовыми канавками 40, в которые помещены шарики 41, правую полуось 17 с винтовыми канавками 42, наклон которых противоположен наклону винтовых канавок 40 и в которые помещены шарики 43, вращающуюся обойму 44 с круговыми канавками 45 и 46 на внутренней поверхности обоймы, которая через шарики 41 и 43 связана с правой 17 и левой 22 полуосями, смещающий винт 47, который посредством шарикоподшипников 48 передает смещение на вращающуюся обойму 44, управляющий шкив 23, закрепленный в подшипниках 49, образует винтовую пару со смещающим винтом 47. Левая полуось 22 и правая полуось 17 зафиксированы в упорных подшипниках 50, препятствующих продольному перемещению полуосей.
Многоцилиндровая тепловая машина регулируемой мощности с внешним подводом тепла работает следующим образом.
Повышение температуры в камере 34 нагревателей через группу нагревателей 10-1, 10-2, 10-3, 10-4 вызывает нагрев газообразного рабочего тела (гелий под давлением 20-25 МПа) в рабочих полостях 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 на горячей стороне тепловой машины. Если угловое положение второго коленчатого вала 8, кинематически связанного через цепную передачу 21, муфту 18 регулирования мощности и вторую цепную передачу 16 с первым коленчатым валом 4, составляет величину, близкую к 90°, в газодинамически связанных через группу нагревателей 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, группу регенераторов 11-1, 11-2, 11-3, 11-4 и группу холодильников 12-1, 12-2, 12-3, 12-4 рабочих полостях 9-1 и 13-1, 9-2 и 13-2, 9-3 и 13-3, 9-4 и 13-4 на горячей и холодной стороне тепловой машины, создаются оптимальные условия для осуществления термодинамического цикла Стирлинга. При условии отведения тепла через камеру 36 холодильника и камеру 38 воздушного охлаждения в цикле Стирлинга производится положительная работа, которая расходуется на выработку электрической энергии в электрогенераторе 27. Поток 37 отведенного тепла с жидким теплоносителем используется для целей отопления, а поток 39 нагретого воздуха может использоваться для целей кондиционирования.
Известно, что мощность тепловой машины, работающей по циклу Стирлинга, имеет синусоидальную зависимость от фазового угла изменения объемов полостей с рабочим телом на горячей и холодной стороне тепловой машины. Наличие механической муфты 18 позволяет произвести взаимный разворот вращающихся коленчатых валов 4 и 8 и тем самым изменить фазовый угол объемов рабочих полостей 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 на горячей стороне по отношению к объемам рабочих полостей 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 на холодной стороне. Если в начальный момент между объемами этих полостей установлен нулевой фазовый сдвиг, т.е. происходит синхронное и синфазное изменение объемов, то мощность тепловой машины равна нулю. Если фазовый угол увеличивать в положительную сторону, то происходит плавное возрастание положительной мощности, т.е. тепловая машина работает как двигатель. Если фазовый угол увеличивать в противоположную сторону, то происходит такое же плавное возрастание отрицательной мощности, т.е. тепловая машина начинает работать как холодильная установка, преобразуя механическую энергию, подведенную к кинематически связанным коленчатым валам 4 и 8, в разность температур между горячей и холодной сторонами тепловой машины. Управляющий электропривод 25 через элемент передачи вращения 24 поворачивает управляющий шкив 23, предположим, по часовой стрелке. Положение управляющего шкива 23 зафиксировано подшипниками 49, поэтому его вращение через винтовую пару со смещающим винтом 47 вызывает смещение винта 47, имеющего, например, правую резьбу, влево. Это смещение через шарикоподшипники 48 передается на вращающуюся обойму 44, которая через шарики 41 связана с левой полуосью 22 и через шарики 43 с правой полуосью 17. Поскольку шарики 41 и 43 с одной стороны находятся в круговых канавках 46 и 45 на внутренней цилиндрической поверхности вращающейся обоймы 44, а с другой стороны в винтовых канавках на полуосях 17 и 22, то их смещение вместе с вращающейся обоймой 44 вызывает изменение их положения в винтовых канавках на полуосях, т.е. взаимный разворот полуосей 17 и 22, а следовательно, и коленчатых валов 4 и 8, связанных с полуосями 17 и 22 через цепные передачи 16 и 21, что и необходимо осуществить для регулирования мощности тепловой машины. Если управляющий электропривод 25 передает на управляющий шкив 23 вращение противоположного направления, то полуоси 17 и 22 взаимно разворачиваются в другую сторону, что позволяет регулировать мощность противоположного знака.
Нерабочие полости 28-1, 28-2, 28-3, 28-4 группы цилиндро-поршневых пар 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 на горячей стороне тепловой машины и нерабочие полости 31-1, 31-2, 31-3, 31-4 группы цилиндро-поршневых пар 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 на холодной стороне тепловой машины герметизированы уплотнением штоков 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 и уплотнением штоков 6-1, 6-2, 6-3, 6-4. При движении поршней группы 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 нагретый от тыльной стороны поршней и от стенок газ перетекает из нерабочей полости 28-1 по трубопроводу 29 в нерабочую полость 28-3 и из нерабочей полости 28-2 по трубопроводу 30 в нерабочую полость 28-4. Поскольку объемы нерабочих полостей 28-1 и 28-3, а также объемы нерабочих полостей 28-2 и 28-4 изменяются противофазно, их суммарный объем остается постоянным и герметичность объемов не оказывает сопротивления рабочему ходу поршней. При этом тепло, израсходованное на нагрев газа в нерабочих полостях на горячей стороне тепловой машины, не рассеивается в окружающей среде, а остается внутри агрегатов на горячей стороне тепловой машины, что позволяет повысить ее КПД. Аналогичные процессы перетекания газа по трубопроводам 32 и 33 происходят в противофазно изменяющихся объемах нерабочих полостей на холодной стороне тепловой машины.
Газообразное рабочее тело в рабочих полостях 9-1, 9-2, 9-3, 9-4 на горячей стороне и в рабочих полостях 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 на холодной стороне машины находится под большим давлением (около 20 МПа) и для уменьшения потерь рабочего тела из рабочих полостей через уплотнение поршней в нерабочих полостях с тыльной стороны поршней создается противодавление, равное среднему давлению рабочего тела в термодинамическом цикле. Для создания противодавления используется газ, идентичный газу в рабочих полостях. Поскольку диаметр штоков 2-1,2-2, 2-3, 2-4 и штоков 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 в 20-30 раз меньше диаметров поршней, во столько же раз меньше длина уплотнения штока, следовательно, оно может быть сделано многоступенчатым и без значительных потерь на трение.
Таким образом, введение муфты 18 регулирования мощности путем взаимного разворота вращающихся коленчатых валов 4 и 8 позволяет осуществить оперативное, т.е. в процессе работы, регулирование мощности тепловой машины в диапазоне положительных и отрицательных мощностей, что существенно расширяет ее функциональные возможности и повышает экономичность.
Попарное соединение нерабочих полостей трубопроводами, так, чтобы суммарный объем полостей сохранялся неизменным в процессе работы тепловой машины, позволяет устранить потери тепла на горячей стороне, а заполнение нерабочих полостей газом, идентичным по составу газообразному рабочему телу в рабочих полостях, создает контрдавление на тыльной стороне поршневого уплотнения, что снижает утечки рабочего тела и потерю, вследствие этого, мощности тепловой машины.
Использование изобретения позволяет повысить мощность, увеличить ресурс, а также расширить функциональные возможности многоцилиндровой тепловой машины с внешним подводом тепла.