ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА С ЧАШЕОБРАЗНЫМ ПОРШНЕМ-ВЫТЕСНИТЕЛЕМ
STIRLING ENGINE WITH BOWL-SHAPED DISPLACING PISTON

Изобретение относится к области обратимых тепловых машин, в частности к двигателям внешнего сгорания, работающим по термодинамическому циклу Стирлинга.
Известны двигатели Стирлинга с внешним нагревателем, с установленным в цилиндре с возможностью возвратно-поступательных перемещений поршнем-вытеснителем, разделяющем объем цилиндра на горячий и холодный объемы и выполненным в виде закрытой полусферическим сводом со стороны горячего и плоским днищем со стороны холодного объемов цилиндра тонкостенной цилиндрической обечайки, обеспечивающим тепловую изоляцию нагретого в горячем и охлажденного холодном объемах цилиндра рабочего тела для поддержания постоянной разности температур рабочего тела в горячем и холодном объемах цилиндра и циклические перемещения которого между его верхней и нижней «мертвыми точками» создают циклические потоки рабочего тела через вентиляционные каналы цилиндра, перепускные каналы холодильника и пористые структуры регенератора из горячего объема цилиндра в холодный и обратно, создавая условия для циклических колебаний давления рабочего тела в цилиндре, принуждающих рабочий поршень циклически перемещаться между его верхней и нижней «мертвыми точками», оказывая силовое воздействие на привод, механический, кривошипно-шатунный или ромбический, или типа косой шайбы, или иного типа, например, электромагнитный, согласующий перемещения и фазовый сдвиг вытеснительного и рабочего поршней относительно друг друга, а также передающий механическую или электрическую энергию двигателя устройствам-потребителям. В силу необходимости поддержания постоянной разности температур теплоподводящих и теплоотводящих стенок цилиндра его горячий объем должен быть максимально удален от его холодного объема и высота цилиндра должна быть кратно больше его диаметра и, соответственно, высота поршня-вытеснителя в известных двигателях Стирлинга также кратно больше его диаметра, что обуславливает значительные габариты и вес поршня-вытеснителя, блока цилиндра и двигателя в целом. При таком соотношении высот и диаметров цилиндра и поршня-вытеснителя площадь полусферической теплоподводящей поверхности цилиндра недостаточна для цикла нагрева рабочего тела, что вынуждает дополнительно увеличивать теплоподводящую поверхность применением нагревательных трубок, усложняющих и удорожающих конструкцию. Кроме того, внутренний объем поршня-вытеснителя и нагревательных трубок значительно увеличивает мертвый объем двигателя, что снижает эффективную мощность и КПД двигателя (см. Г. Уокер, «Двигатели Стирлинга», Москва, изд-во «Машиностроение», 1985 г., стр. 65).
Известен также двигатель Стирлинга с тонким плоским поршнем-вытеснителем. Такой поршень-вытеснитель или совмещается с регенератором, или конструктивно выполнен так, что одновременно выполняет и функции регенератора (см. сайт компании COMSOL Group https://www.comsol.ru/blogs/how-can-i-build-an-efficient-stirlinq-heat-pump/).
Указанное устройство не дает возможности достичь оптимального значения степени сжатия рабочего тела, необходимого соотношения объемов рабочего тела в горячем и холодном состоянии. Кроме того, в случае совмещения в указанном устройстве поршня-вытеснителя с регенератором, их общая масса не позволяет достигать высоких частот работы двигателя, а в случае раздельного выполнения поршня-вытеснителя и регенератора не обеспечивается необходимой жесткости тонкого и плоского поршня-вытеснителя, что также не позволяет достигать высоких частот работы двигателя, резко снижая все основные показатели двигателя, ограничивая его применение лишь в качестве демонстрационной и учебной расчетной модели.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение веса поршня-вытеснителя и повышение его жесткости, увеличение площади теплоподводящих и теплоотводящих поверхностей и уменьшение мертвого объема двигателя.
Поставленная задача решается тем, что поршень-вытеснитель, установленный между горячим и холодным объемами цилиндра с возможностью возвратно-поступательных перемещений, выполнен в виде открытой со стороны горячего объема цилиндра и закрытой со стороны холодного объема цилиндра тонкостенной, однослойной или многослойной чашеобразной обечайки, поперечные сечения которой могут быть круглыми, многоугольными, волнистыми и толщина стенок которой в продольных сечениях кратно меньше длины образующей из дуги, параболы, прямой, ломаной, волнистой, фрактальной (самоподобной), или из комбинации этих линий, такой, что величина угла между образующей обечайки поршня-вытеснителя и осью цилиндра определяет степень сжатия двигателя, и внешние цилиндрические поверхности которой или непосредственно, или посредством уплотнительных колец, касаясь стенок цилиндра с минимальным зазором, обеспечивают тепловую изоляцию рабочего тела в горячем и холодном объемах цилиндра для поддержания постоянной разности температур рабочего тела в горячем и холодном объемах цилиндра и сокращают до минимума паразитный поток рабочего тела между горячим и холодным объемами цилиндра через этот зазор, причем теплоподводящие и теплоотводящие внутренние поверхности стенок цилиндра также выполнены в виде подобных чашеобразным поверхностям стенок обечайки поршня-вытеснителя так, что их образующие подобны образующей обечайки поршня-вытеснителя, а в разъеме между теплоподводящими и теплоотводящими стенками цилиндра располагается теплообменник, обеспечивающий поддержание постоянной разности температур теплоподводящих и теплоотводящих стенок цилиндра, в объемах которого размещены регенератор, холодильник с каналами для охлаждающей жидкости и перепускными каналами, через которые рабочее тело принудительно циклически перемещается из горячего объема цилиндра в холодный и обратно циклическими перемещениями поршня-вытеснителя от его верхней «мертвой точки» до нижней и обратно, когда, в положениях «мертвых точек», подобные теплоподводящие и теплоотводящие поверхности поршня-вытеснителя и цилиндра обмениваются тепловой энергией, соприкасаясь или без зазоров, или при минимальном расстоянии между ними.
Конструктивно стенки обечайки чашеобразного поршня-вытеснителя могут быть выполнены как однослойными, монолитными или ячеистыми, из материала с низкой теплопроводностью, так и в виде многослойного, монолитного или ячеистого, сэндвича. В первом случае теплоподводящие, расположенные со стороны горячего объема цилиндра, и теплоотводящие, расположенные со стороны холодного объема цилиндра, поверхности обечайки чашеобразного поршня-вытеснителя могут иметь тонкопленочное покрытие или напыление из материала с высокой теплопроводностью для интенсификации теплообмена с рабочим телом. Во втором случае теплоподводящие и теплоотводящие поверхности обечайки чашеобразного поршня-вытеснителя могут быть образованы наружными металлическими слоями сэндвича, интенсифицирующими теплообмен с рабочим телом и составляющими единое целое с центральным, монолитным или ячеистым, слоем или слоями из материала с низкой теплопроводностью. В случае ячеистых структур, применение которых может быть оправдано для дополнительного повышения жесткости обечайки чашеобразного поршня-вытеснителя, объемы ячеек могут быть заполнены материалом с низкой теплопроводностью или рабочим телом и в этом случае сообщаться посредством мелких каналов с одним из объемов цилиндра, горячим или холодным, для уменьшения силового воздействия перепадов давления рабочего тела на структуры поршня-вытеснителя.
Чашеобразный поршень-вытеснитель может крепиться к штоку посредством резьбового соединения, конуса Морзе или иным способом с противоположной от открытой стороны обечайки. Чашеобразная форма обечайки обеспечивает достаточную механическую жесткость поршня-вытеснителя.
Для снятия производимой рабочим поршнем механической энергии и передачи ее устройствам-потребителям может использоваться привод, кривошипно-шатунный или ромбический, или типа косой шайбы, или иного типа, в том числе немеханический, например, электромагнитный. Привод также выполняет функции согласования взаимных перемещений и фазового сдвига вытеснительного и рабочего поршней относительно друг друга. Для предлагаемого чашеобразного поршня-вытеснителя предпочтителен привод по патенту РФ №2627760, единственный из известных приводов позволяющий поршням совершать регулярные остановки в «мертвых точках», когда подобные поверхности чашеобразного поршня-вытеснителя и цилиндра соприкасаются или без зазоров, или расстояние между ними минимально и поверхность чашеобразного поршня-вытеснителя со стороны горячего объема цилиндра может нагреваться непосредственно от теплоподводящей поверхности цилиндра, а поверхность чашеобразного поршня-вытеснителя со стороны холодного объема цилиндра может охлаждаться непосредственно теплоотводящей поверхностью цилиндра, что позволяет увеличить КПД двигателя, уменьшая аппроксимирующее сглаживание графика термодинамического цикла Стирлинга.
Двигатель внешнего сгорания с чашеобразным поршнем-вытеснителем может быть выполнен по типу «альфа», когда поршень-вытеснитель и рабочий поршень размещены в отдельных цилиндрах, и по типу «бета», когда и поршень-вытеснитель, и рабочий поршень размещены в общем цилиндре, при этом шток чашеобразного поршня-вытеснителя пропущен с возможностью возвратно-поступательных перемещений через уплотнение в рабочем поршне.
На фиг. 1 показаны для сравнения величин теплоподводящих поверхностей упрощенные варианты (без теплообменника) исполнения известного (фиг. 1а и фиг. 1в) и предлагаемого (фиг. 1б и фиг. 1г) цилиндров двигателя Стирлинга с подобранными для соблюдения условий одинаковой массы цилиндров и равенства величины хода поршней размерами высот и диаметров сравниваемых цилиндров; на фиг. 2а показан общий вид предлагаемого двигателя (картер лишь частично представлен каналом штока рабочего поршня); на фиг. 2б показан изометрический вид предлагаемого двигателя по фиг. 2а со стороны камеры сгорания (видны фланцы коллектора подвода воздуха и отвода продуктов сгорания); на фиг. 3а показан фронтальный разрез предлагаемого двигателя по фиг. 2а при положении рабочего поршня в его верхней «мертвой точке» и положении поршня-вытеснителя ровно посередине между его верхней и нижней «мертвыми точками», на фиг. 3б - выносной вид разреза в увеличенном масштабе по фиг. 3а с тепловым сопротивлением в виде теплообменника между теплоподводящими и теплоотводящими стенками цилиндра и крышки цилиндра, в объемах которого размещены холодильник и регенератор; на фиг. 4а представлен общий вид цилиндра предлагаемого двигателя с горизонтальными опорными стенками, на которые опирается теплообменник, цилиндрическими стенками, в объеме которых перемещается чашеобразный поршень-вытеснитель, и чашеобразными теплоотводящими стенками, на фиг. 4б представлен фронтальный разрез цилиндра предлагаемого двигателя, на котором видны опорные горизонтальные, цилиндрические и чашеобразные поверхности, вентиляционные каналы верхнего и нижнего ряда и канал для охлаждающей жидкости, рабочий поршень с уплотнением штока поршня-вытеснителя, гильза цилиндра для рабочего поршня и уплотнительные кольца рабочего поршня; на фиг. 4в показан разрез в изометрии по фиг. 4б с указанием на теплоотводящую чашеобразную внутреннюю поверхность стенки цилиндра; на фиг. 5а показан общий вид теплоподводящей чашеобразной крышки цилиндра предлагаемого двигателя, на фиг. 5б показан фронтальный разрез по фиг. 5а с указанием на угол α между образующей обечайки и осью цилиндра (совпадающей с осью крышки цилиндра) и на теплоподводящую поверхность со стороны камеры сгорания; на фиг. 5в показан вид теплоподводящей чашеобразной крышки цилиндра предлагаемого двигателя в изометрии; на фиг. 6а, 6б, 6в показан вариант теплоподводящей чашеобразной крышки цилиндра с дополнительными нагревательными трубками; на фиг. 7а показан общий фронтальный вид теплообменника, на фиг. 7б показан фронтальный разрез теплообменника по фиг. 7а, на фиг. 7в показан в изометрии разрез по фиг. 7б, на выносном виде фиг. 7г показаны в увеличенном масштабе перепускные каналы для рабочего тела и канал для охлаждающей жидкости; на фиг. 8а показана сборка чашеобразного поршня-вытеснителя и рабочего поршня с поршневыми кольцами и штоками, на фиг. 8б показана в изометрии сборка по фиг. 8а; на фиг. 9 представлен разнесенный вид сборки предлагаемого двигателя, показывающий связи между компонентами; на фиг. 10а, 10б, 10в, 10г показан один из вариантов предлагаемого чашеобразного поршня-вытеснителя с ломаной линией образующей, дающей большую площадь теплообмена (варианты, например, с самоподобной линией образующей не показаны ввиду многообразия вариантов); на фиг. 11а, 11б, 11в вариант чашеобразного многоугольного поршня-вытеснителя с волнистой линией образующей.
Двигатель Стирлинга с чашеобразным поршнем-вытеснителем содержит получающую тепловую энергию от внешнего источника в виде камеры сгорания теплоподводящую крышку цилиндра 1, опирающуюся через теплообменник 2 и теплоизолирующие уплотнительные прокладки 3 на горизонтальные опорные стенки цилиндра 4, в котором размещены с возможностью возвратно-поступательных перемещений чашеобразный поршень-вытеснитель 5 и рабочий поршень 6, гильзу цилиндра 7, регенератор 8, выполненный, например, из пористого металла или из проволочной набивки, или из материала иной структуры, способной накапливать и отдавать тепловую энергию без ее разрушения, опирающийся на теплоподводящую крышку цилиндра 1 кожух камеры сгорания 9, в объеме которого размещены лабиринты подводящего воздух и отводящего продукты сгорания коллектора с каналом подвода топлива, системой зажигания и соплами горелки (не детализированы и показаны условно, поскольку не являются темой предлагаемого технического решения). Привод, выполняющий функции согласования взаимных перемещений и фазового сдвига вытеснительного и рабочего поршней относительно друг друга, показан не в полном виде (поскольку может быть как механическим, например, в виде ромбического привода Рольфа Мейера, или типа «косая шайба» или иного типа) и представлен штоком 10 чашеобразного поршня-вытеснителя, пропущенным сквозь канал штока 13 рабочего поршня 6. Уплотнительные кольца 11 рабочего поршня 6 обеспечивают удержание рабочего тела в замкнутом объеме, образованном теплоподводящей крышкой цилиндра 1, теплообменником 2, уплотнительными теплоизолирующими прокладками 3 и теплоотводящими стенками цилиндра 4. Через канал 12, который является частью картера двигателя (весь картер не показан в ввиду многовариантности исполнения) пропущен полый шток 13 рабочего поршня 6. Через уплотнение 14 в рабочем поршне 6 и канал штока 13 рабочего поршня 6 пропущен шток 10 чашеобразного поршня-вытеснителя 5. Винты 15, гайки 16 и шайбы 17 стягивают теплоподводящую крышку цилиндра 1, теплообменник 2, уплотнительные теплоизолирующие прокладки 3 и цилиндр 4 в единое целое.
Предлагаемое техническое решение основано на том, что, обладая необходимой жесткостью и прочностью, чашеобразные теплоподводящие поверхности крышки цилиндра 1 и поршня-вытеснителя 5 в совокупности имеют кратно большие площади по сравнению с полусферической или плоской теплоподводящей поверхностью известных двигателей при одинаковых диаметрах и величине хода рабочих поршней. При выбранных размерах и углах наклона образующей площадь теплоподводящей поверхности крышки цилиндра предлагаемого двигателя больше площади полусферической теплоподводящей поверхности известного аналога в три раза, а высота цилиндра меньше в два раза при одинаковом весе (см. фиг. 1). Кроме того, предлагаемое техническое решение обеспечивает лучшую теплоизоляцию теплоподводящих стенок цилиндра от теплоотводящих стенок за счет теплового сопротивления теплообменника 2 и прокладок 3, ослабляющих тепловой поток к цилиндру 4. Возможен вариант теплоподводящей крышки цилиндра 1 с нагревательными трубками. В этом случае вентиляционные каналы верхнего ряда цилиндра 4 отсутствуют. Возможен вариант выполнения теплоподводящей крышки цилиндра 1 из кварцевого стекла в виде линзы Френеля для нагрева рабочего тела концентрированными солнечными лучами, поскольку предлагаемая конфигурация позволяет выдерживать значительные давления со стороны рабочего тела.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. После того, как крышка цилиндра 1 нагреется до необходимой температуры от тепла со стороны камеры сгорания, ограниченной кожухом 9, или иного внешнего источника тепловой энергии и внешний стартер (не показан) посредством воздействия на привод (показаны только штоки поршней) принудительно сдвинет чашеобразный поршень-вытеснитель 5 относительно цилиндра 4 или в направлении от крышки цилиндра 1, или, наоборот, к ней, а рабочий поршень 6 относительно гильзы цилиндра 7 и чашеобразного поршня-вытеснителя 5 в направлении, определяемом текущим значением величины фазового угла привода, в горячем и холодном объемах цилиндра 4 возникнет разность давлений, вынуждающая рабочее тело будет перемещаться в зависимости от направления перемещения чашеобразного поршня-вытеснителя 5 соответственно или через нижний ряд вентиляционных каналов цилиндра 4 сквозь перепускные каналы холодильника и регенератор 8 и, наконец, через верхний ряд вентиляционных каналов цилиндра 4 в горячий объем цилиндра 4 под уже нагретую крышку цилиндра 1, от которой получит тепловую энергию, достаточную для расширения, или, в обратном порядке, в холодный объем цилиндра 4 под чашеобразным поршнем-вытеснителем 5, где отдаст тепловую энергию теплоотводящим стенкам цилиндра 4, регенератору 8 и холодильнику, что создаст условия для его сжатия. Далее внешний стартер отключается и движения поршней, и работа двигателя осуществляются только за счет работы циклического расширения и сжатия нагреваемого и охлаждаемого рабочего тела. Предлагаемый чашеобразный поршень-вытеснитель по сравнению с классическим цилиндрическим поршнем-вытеснителем не увеличивает «мертвый объем» двигателя, поскольку не имеет значимого внутреннего объема, и обладает повышенной механической жесткостью по сравнению с плоским поршнем-вытеснителем. Кроме того, предлагаемая конфигурация горячего объема цилиндра, когда диаметр чашеобразного поршня-вытеснителя может быть больше диаметра рабочего поршня, позволяет прокачивать больший объем рабочего тела при той же величине хода поршня-вытеснителя, что позволяет интенсифицировать процессы теплообмена и, при использовании привода, дающего возможность остановок поршней в «мертвых точках», обеспечивает повышение КПД двигателя, аппроксимируя сглаживание углов фигуры интегральной площади, ограниченной двумя изотермами и двумя изохорами, характеризующей термодинамический цикл Стирлинга.
Перечень позиций:
1. Крышка цилиндра;
2. Теплообменник;
3. Теплоизолирующие и герметизирующие прокладки;
4. Цилиндр;
5. Поршень-вытеснитель;
6. Рабочий поршень;
7. Гильза цилиндра;
8. Регенератор;
9. Кожух камеры сгорания;
10. Шток поршня-вытеснителя;
11. Поршневое уплотнительное кольцо;
12. Канал штока рабочего поршня;
13. Шток рабочего поршня;
14. Уплотнение штока рабочего поршня;
15. Стягивающий винт;
16. Гайка;
17. Шайба.