ВЫТЕСНИТЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее к конструкции вытеснителя свободнопоршневых двигателей с внешним подводом теплоты, работающим по циклу Стирлинга, и может быть использована при проектировании поршневых машин объемного вытеснения, например линейных компрессоров.
Известен вытеснитель для свободнопоршневого двигателя Стирлинга (СПДС), содержащий основание со штоком, который проходит через рабочий поршень двигателя, и связанный с основанием посредством замкового соединения купол, выполненный в виде банки с размещенными в ней внутренними перегородками - тепловыми экранами (WO 2005066483, публ. 21.07.2005 г., фиг. 3 и 4). Перегородки имеют ступенчатый поперечный профиль с коническим выступом, которым каждая из перегородок устанавливается с защелкиванием в соответствующей ей кольцевой канавке на внутренней поверхности купола, обеспечивая необходимую жесткость конструкции. В днище купола и перегородках выполнено по несколько отверстий малого диаметра, благодаря которым внутренний объем вытеснителя заполнен рабочим телом, чем достигается снижение перепада давления снаружи и внутри вытеснителя и компенсируется расширение рабочего тела при нагреве.
Конструкция такого вытеснителя имеет низкий уровень технологичности, обусловленный неразборной конструкцией купола и принятых способов неразъемного соединения купола с основанием и установки перегородок, которые к тому же усложняют демонтаж вытеснителя при необходимости его обслуживания и ремонта.
Наиболее близким аналогом полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является вытеснитель для СПДС, в котором скрепление полого купола с основанием осуществляется посредством резьбового соединения (US 7866153, опубл. 11.01.2011 г.). Купол в прототипе так же, как и в предыдущем аналоге, выполнен в виде единой неразъемной детали и может иметь конусообразную форму с расширением к основанию. Внутри купола установлены перегородки - тепловые экраны, разделяющие внутренний объем купола на несколько отдельных незаполненных полостей, выполняющих функцию термосопротивлений, и термически изолирующих противоположные стороны вытеснителя. Перегородки выполнены в виде тонких дисков, прикрепленных к внутренней поверхности купола посредством высокотемпературной сварки или пайки, что придает прочность конструкции, но делает ее неразборной. Направляющее кольцо, служащее для восприятия любых боковых усилий при работе вытеснителя в составе двигателя и изготовленное из полиамидного материала, установлено в канавке, образованной сопрягаемыми проточками в куполе и основании вытеснителя, а уплотнительное кольцо установлено в отдельной канавке основания.
Основным недостатком прототипа является то, что неразъемная конструкция купола вытеснителя в виде единой детали усложняет и удорожает техпроцесс изготовления вытеснителя и затрудняет его последующее обслуживание, а также то, что в нем, поскольку конструкцией не предусмотрена возможность выравнивания перепада давлений внутри и снаружи вытеснителя путем заполнения внутренней полости купола поступающим в нее в процессе работы двигателя рабочим телом, требуемая эксплуатационная прочность вытеснителя может быть достигнута за счет утолщения стенок купола, а это ведет к завышению массогабаритных параметров вытеснителя, ухудшающему его рабочие характеристики.
К другим недостаткам прототипа следует отнести:
- силовое замыкание резьбового соединения купола с основанием посредством направляющего кольца;
- выполнение части этого соединения на основании, т.к. поскольку жесткость соединения определяется высотой резьбового выступа, этот выступ может быть значительным и увеличивать материалоемкость основания;
- установку перегородок внутри купола с помощью сварочных работ.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на создание вытеснителя для СПДС с улучшенными рабочими характеристиками при упрощении технологии его изготовления и монтажа/демонтажа.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, заключается в оптимизации массогабаритных параметров вытеснителя за счет снижения материалоемкости и повышения его конструктивной и эксплуатационной прочности.
Технический результат достигается тем, что вытеснитель двигателя Стирлинга, выполненный с возможностью перемещения в цилиндре двигателя, имеющем, по меньшей мере, полости сжатия и расширения рабочего тела и присоединительный фланец, и содержащий основание с уступом по наружной поверхности, купол, скрепленный с основанием посредством резьбового соединения, установленные внутри купола перегородки с функцией тепловых экранов, направляющее кольцо и расположенное в соответствующей канавке основания уплотнение, в отличие от прототипа, выполнен с возможностью заполнения внутреннего объема купола рабочим телом и снабжен расположенным вдоль оси устройства соединительным стержнем ступенчатой формы, предназначенным для скрепления основания с куполом, и газовой пружиной, создающей дополнительное усилие перемещения вытеснителя и состоящей из цилиндра, которым служит внутренняя полость, выполненная в нижней ступени соединительного стержня, имеющей больший диаметр, и штока, установленного с возможностью взаимосвязи одним концом с упомянутым присоединительным фланцем двигателя и имеющего внутреннюю проточку, для обеспечения поступления внутрь пружины рабочего тела, купол выполнен составным, состоящим из днища, снабженного базирующим буртиком, взаимодействующим с ответным ложементом, имеющимся на торце верхней ступени стержня основания, и тонкостенного корпуса цилиндрической формы с утолщением по торцу, которым купол опирается на упомянутый уступ основания и в наружной расточке которого размещено направляющее кольцо, и при этом основание в нижней части содержит буферный элемент, выполненный из упругого материала, в теле основания имеется, как минимум, одно калиброванное сквозное отверстие, обеспечивающее поступление внутрь купола вытеснителя рабочего тела из полости сжатия двигателя, а в каждой перегородке купола выполнено, как минимум, одно отверстие для равномерного распределения в разделенных перегородками полостях купола давления рабочего тела.
Дополнительное отличие вытеснителя состоит в том, что резьбовое соединение для скрепления купола с основанием в нем образовано внутренним резьбовым отверстием в верхней ступени соединительного стержня и винтом, головка которого размещена в базирующем буртике днища купола.
Благодаря предлагаемой совокупности существенных признаков, приведенной в формуле полезной модели, обеспечивается улучшение рабочих характеристик вытеснителя, влияющих на рабочие параметры двигателя в целом, путем оптимизации массогабаритных параметров вытеснителя за счет снижения материалоемкости и повышения его конструктивной и эксплуатационной прочности.
Конструкционная и эксплуатационная прочность вытеснителя повышена за счет использования в конструкции вытеснителя перегородок с отверстиями и основания с отверстием, обеспечивающим поступление внутрь купола рабочего тела.
Во время работы внутреннее пространство купола вытеснителя заполнено рабочим телом, поступающим в купол из полости сжатия через отверстие в основании, причем давление рабочего тела примерно равно среднему давлению цикла. Отверстия в перегородках позволяют давлению рабочего тела равномерно распределяться по всему куполу, исключая вероятность возникновения областей с разным давлением, вызванным высокой температурой днища и низкой температурой основания во время работы вытеснителя. Перегородки увеличивают жесткость купола, благодаря чему возможно снижение массы вытеснителя за счет уменьшения толщины стенки корпуса. При этом обеспечивается сохранение геометрии купола и структурной целостности вытеснителя в целом.
Скреплением купола с основанием с помощью расположенного по оси вытеснителя соединительного стержня обеспечивается конструктивная прочность вытеснителя за счет более надежного, чем в прототипе, силового замыкания соединения деталей купола на основании вытеснителя - это позволяет повысить продольную жесткость вытеснителя вдоль его оси, без увеличения толщины стенки корпуса и днища, образующих купол.
Полностью разборная конструкция вытеснителя значительно упрощает процесс изготовления и сборки, что особенно важно при производстве вытеснителя диаметром более 100 мм, и в перспективе позволяет проводить замену поврежденных или изношенных деталей, а также проводить исследовательские работы, направленные, например, на поиск новых материалов и наработке данных по изучению влияния геометрических параметров на величину тепловых и прочих потерь в рабочем цикле двигателя Стирлинга.
Снижение материалоемкости достигается тем, что в конструкции минимизирована толщина стенок корпуса и днища, образующих купол, а также тем, что отдельные детали вытеснителя, не подверженные воздействию высоких температур, например основание и соединительный стержень, могут быть изготовлены из более легких металлических сплавов, чем купол.
Достигнутая оптимизация массогабаритных параметров вытеснителя позволит двигателю работать на более высоких частотах, что обеспечит повышение удельных мощностных показателей.
Повышение прочности вытеснителя обеспечивает сохранение его геометрии и структурной целостности, в результате чего поддерживается постоянный зазор между куполом вытеснителя и стенкой цилиндра. Постоянство зазора стабилизирует механические и тепловые потери, что способствует формированию устойчивого автоколебательного процесса двигателя.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежом, на котором дан общий вид вытеснителя двигателя Стирлинга (продольный разрез).
На основании 1 закреплен или выполнен за одно с ним (фиг. 1) расположенный вдоль оси устройства соединительный стержень 2 ступенчатой формы, нижняя ступень которого выполнена с диаметром, большим, чем диаметр верхней ступени. На уступ 3 по наружной поверхности основания 1 установлен составной купол вытеснителя, состоящий из днища 4, снабженного базирующим буртиком 5, взаимодействующим с ответным ложементом, имеющимся на торце верхней ступени стержня 2, и тонкостенного корпуса 6 цилиндрической формы с утолщением по торцу.
Для скрепления купола и основания 1 служит резьбовое соединение, образованное внутренним резьбовым отверстием в верхней ступени стержня 2 и винтом 7, головка которого размещена в базирующем буртике 5 днища 2 купола.
Направляющее кольцо 8 размещено в наружной расточке утолщенного торца корпуса 6, а уплотнительное кольцо 9 установлено в соответствующей наружной канавке основания 1. Во время возвратно-поступательного движения вытеснителя направляющее кольцо 8 обеспечивает концентричное положение вытеснителя относительно цилиндра двигателя. В результате этого обеспечиваются необходимые условия для работы уплотнительного кольца 9 вытеснителя и уплотнения газовой пружины.
Уплотнительное кольцо 9 вытеснителя обеспечивает разделение полостей сжатия и расширения. Упругость уплотнительного кольца 9 обеспечивается радиальным усилием, направленным в сторону цилиндра двигателя, в результате чего повышаются уплотнительные свойства.
Кольца 8 и 9 выполнены из подходящих по физико-техническим свойствам антифрикционных материалов, способных работать в условиях сухого трения в течение установленного периода времени.
Внутри купола концентрично его внутренней поверхности расположены одна или несколько перегородок 10, выполняющих функцию тепловых экранов, и в каждой перегородке 10 купола выполнено, как минимум, одно отверстие 11, С помощью отверстий 11 обеспечивается равномерное распределение давления рабочего тела внутри отдельных полостей купола между перегородками.
Газовая пружина 12 вытеснителя, предназначенная для создания дополнительного усилия перемещения вытеснителя, состоит из цилиндра 13, которым служит внутренняя полость в нижней ступени соединительного стержня 2, и штока 14, установленного с возможностью взаимосвязи одним концом с присоединительным фланцем 15 цилиндра двигателя и имеющего внутреннюю проточку 16, соединяющую внутренний объем пружины 12 с внешним источником рабочего тела, например газовым баллоном.
В теле основания 1 расположено, как минимум, одно калиброванное сквозное отверстие 17, через которое происходит постоянное заполнение внутренней полости купола вытеснителя рабочим телом, поступающим из полости сжатия двигателя, в результате чего снижается перепад давления рабочего тела снаружи и внутри купола. Благодаря подобранному размеру диаметра этого отверстия расход рабочего тела через отверстие 17 ограничен и во внутренней полости поддерживается давление, равное среднему давлению рабочего цикла двигателя.
При этом диаметры отверстий 11 и 17 подбираются исходя из выполнения условия, при котором перетекание рабочего тела не оказывает влияния на общий ход рабочего цикла. Причем диаметр и количество отверстий 11 и 17 подбираются в соответствии с рабочей частотой и средними давлением и температурой рабочего тела, а также типом используемого рабочего тела. Благодаря заполнению внутреннего объема вытеснителя рабочим телом и наличию перегородок 10 с отверстиями 11 обеспечивается его эксплуатационная прочность и сводятся к минимуму температурные деформации и риск повреждения конструкции.
В нижней части основания 1 имеется буферный элемент 18, выполненный из упругого материала.
Вытеснитель размещается в отдельном цилиндре СПДС и разделяет его внутренний объем, заполненный рабочим телом, на полости сжатия и расширения. Причем горячая полость расширения, к которой подводится теплота от внешнего источника, находится со стороны днища 4 вытеснителя, а холодная полость сжатия, от которой отводится теплота, расположена между основанием 1 вытеснителя и рабочим поршнем, размещенным в другом цилиндре двигателя. Оба цилиндра связаны между собой присоединительным фланцем 15. Во время работы СПДС происходит циклическое возвратно-поступательное движение вытеснителя и рабочего поршня с одинаковой частотой и с определенным фазовым смещением, при котором движение вытеснителя отстает от движения поршня на определенное фазовое смещение.
В процессе работы двигателя основание 1 вытеснителя подвержено распределенной нагрузке со стороны полости сжатия, а купол вытеснителя принимает распределенную нагрузку со стороны полости расширения двигателя. Обе нагрузки обусловлены давлением рабочего тела в полостях сжатия и расширения. При этом в результате теплового потока от горячего днища 4 в сторону холодного основания 1 вытеснителя между основанием 1 и днищем 4 существует высокий температурный градиент и купол вытеснителя имеет неравномерный нагрев.
Геометрия и структурная целостность вытеснителя сохраняется при наличии постоянного зазора между вытеснителем и стенкой цилиндра. Для создания зазора служит направляющее кольцо 8, обеспечивающее точную центровку вытеснителя внутри рабочего цилиндра, что исключает контакт основания вытеснителя со стенкой цилиндра и благоприятно сказывается на условиях работы уплотнения газовой пружины. Величина зазора определяет механические и тепловые потери, обусловленные движением рабочего тела в зазоре. Низкое отклонение значения потерь в течение стационарной нагрузки важно для обеспечения автоколебательного процесса двигателя.
Работа вытеснителя двигателя Стирлинга поясняется на примере пяти основных стадий его рабочего цикла.
1. Изначально вытеснитель за счет усилия газовой пружины 12 находится в крайнем верхнем положении, а рабочий поршень расположен в крайнем нижнем положении. При этом объем полости сжатия максимальный, а полость расширения имеет минимальный объем, т.е. большая часть рабочего тела сосредоточена в полости сжатия. Началом первой стадии рабочего цикла является движение поршня вверх.
2. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела в холодной полости и перемещению некоторого его объема в полость расширения. При этом вытеснитель, находящийся под воздействием усилия газовой пружины 12, продолжает оставаться в крайнем верхнем положении.
3. По мере увеличения давления газа в полости расширения вытеснитель, преодолевая усилие газовой пружины 12, выходит из равновесного состояния и начинает двигаться вниз, выталкивая холодный газ из полости сжатия в полость расширения. Рабочий поршень, обладая большой инерцией, продолжает оставаться вблизи своего крайнего верхнего положения.
4. Перемещение вытеснителя в сторону нижнего положения приводит к полному перетеканию рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, в которой происходит нагрев и последующее увеличение давления рабочего тела. Под действием давления со стороны полости сжатия рабочий поршень выходит из равновесия и вместе с вытеснителем начинает движение в сторону нижнего крайнего положения. Поскольку сжатие рабочего тела происходило в холодной полости при низкой температуре, а расширение в полости расширения при более высокой температуре, то результатом этого становится совершение полезной работы.
5. Оптимальная масса вытеснителя, по сравнению с массой рабочего поршня, приводит к тому, что вытеснитель раньше поршня прекращает движение вниз. В то время как рабочий поршень остается вблизи нижнего крайнего положения, вытеснитель под действием газовой пружины 12 начинает движение вверх и перемещает рабочее тело из полости расширения в полость сжатия. После этого рабочий цикл СПДС повторяется вновь.
В верхнем положении вытеснителя объем газовой пружины 12 максимален и, соответственно, развиваемое усилие минимально. Движение вытеснителя вниз приводит к уменьшению объема газовой пружины 12 и к повышению усилия, направленного против движения вытеснителя.
Совокупное действие газовой пружины вытеснителя 12, изменения давления рабочего тела в полостях сжатия и расширения, инерционные силы вытеснителя, обусловленные его массой, а также тепловые и механические потери, возникающие во время движения вытеснителя, образуют его динамическую систему, обеспечивающую колебание вытеснителя с необходимыми частотой и фазовым смещением, которые оказывают непосредственное влияние на стабильность автоколебательного процесса и постоянство развиваемой мощности двигателя.
В процессе пуска двигателя его автоколебательный режим не установлен, в результате чего вероятен выход амплитуды колебаний вытеснителя за границы предельных значений, определяемых его максимальным рабочим ходом. Также во время работы двигателя в силу ряда причин могут возникнуть условия, которые приведут к отклонению автоколебательного процесса от расчетных значений. Перечисленные особенности работы способны привести к жесткому удару основания и днища вытеснителя о корпусные детали двигателя, что способно привести к их повреждению. Для исключения повреждений основания вытеснителя используется буферный элемент 18, который не допускает жестких ударов за счет упругого столкновения деталей. Риск повреждения днища 4 вытеснителя снижен, поскольку закрывающая стенка полости расширения имеет полусферическую форму, профиль которой повторяет геометрию днища 4. Таким образом, нагрузка равномерно распределяется по всей поверхности и не приводит к серьезным повреждениям.