ВЫТЕСНИТЕЛЬНЫЙ ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее к конструкции вытеснительных поршней для двигателей с внешним подводом теплоты, работающих по циклу Стерлинга, включая двигатели Стерлинга, имеющие свободнопоршневую конфигурацию или оснащенные приводным механизмом, и может быть использована также при создании различного типа поршневых машин объемного вытеснения.
Известен вытеснительный поршень для двигателей Стерлинга (WO №2005066483, публ. 21.07.2005 г.), содержащий основание с трубчатым удлиненным элементом в качестве штока, который проходит через рабочий поршень двигателя, и связанный с основанием посредством замкового соединения купол, выполненный в виде банки с размещенными в ней внутренними перегородками, выполняющими функцию тепловых экранов. Перегородки имеют ступенчатый поперечный профиль, по которому происходит последовательное сопряжение каждой из перегородок с предыдущей, а сжимающее усилие в данной сборке создается двумя крайними перегородками, которые жестко закрепляются, например, сваркой на стенке банки. Для заполнения внутреннего объема поршня рабочим телом, предпочтительно гелием, в дне банки предусмотрена группа отверстий, а равномерное распределение давления рабочего тела вдоль полости купола обеспечивается благодаря наличию в перегородках отверстий малого диаметра. Такое решение вытеснительного поршня позволяет снизить усилие на поршень, создаваемое перепадом давления снаружи и внутри него, обеспечивает необходимую жесткость конструкции и способствует упрощению процесса установки/замены перегородок, однако выполнение купола цельным при жесткой неразъемной связи части перегородок с его внутренней поверхностью снижает его ремонтопригодность.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является вытеснительный поршень для двигателя Стерлинга (KR №20110020556, публ. 03.03.2011 г.), в котором купол выполнен составным, состоящим из днища и тонкостенного корпуса цилиндрической формы, установлен на основании, связанном со штоком рабочего поршня двигателя, и оснащен одной или несколькими внутренними теплоизоляционными перегородками конической формы, изготовленными из тонкого металла или иного упругого материала. Перегородки разделяют внутренний объем вытеснительного поршня (ВП) на отдельные полости, и для выравнивания давления в этих полостях служат сквозные отверстия, имеющиеся в центре каждой перегородки. В основании, формирующем герметичный внутренний объем ВП, имеется обеспечивающий связь внутренней полости ВП с рабочей полостью двигателя канал, снабженный предохранительным клапаном для поддержания давления во внутренней полости ВП на постоянном уровне. Уплотнительное кольцо, размещенное в соответствующей кольцевой канавке основания, герметизирует ВП в цилиндре двигателя, а соосное расположение ВП относительно цилиндра и снижение трения между ними обеспечивается установленным в другой канавке основания подшипником скольжения.
В прототипе определенная осевая жесткость купола ВП достигается за счет охватывающих его таких компонентов двигателя Стирлинга, как нагреватель, рекуператор и блок охлаждения, что препятствует применению ВП такой конструкции в других типах двигателей Стирлинга, в которых не предусмотрено наличие этих компонентов, т.к. достигаемый в прототипе уровень жесткости недостаточен для обеспечения возможности работы отдельного ВП (без перечисленных компонентов) при высоких давлениях цикла, и требует каких-либо дополнительных конструктивных мер, например увеличения толщины деталей купола, которое повысит массу ВП и тепловой поток вдоль купола, что недопустимо по условиям обеспечения требуемого качества рабочих характеристик ВП, - и это является одним из основных недостатков прототипа.
К другим недостаткам прототипа следует отнести, во-первых, то, что в нем канал, связывающий полости ВП и цилиндра двигателя, открывается только при определенном условии - когда давление газа внутри ВП оказывается ниже давления снаружи, что приводит к усложнению алгоритма работы устройства и требует дополнительных средств для отслеживания этого условия, а это снижает надежность поддержания давления внутри ВП постоянным; и, во-вторых, то, что в прототипе не предусмотрены меры по повышению эффективности герметизирующего уплотнения и компенсации износа уплотнительного кольца. Эти недостатки также оказывают негативное влияние на качество рабочих характеристик ВП, снижая эффективность его работы.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на повышение эффективности работы вытеснительного поршня в различного типа двигателях Стирлинга.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, заключается в улучшении рабочих характеристик вытеснительного поршня путем повышения его эксплуатационной прочности за счет обеспечения конструктивной жесткости устройства и обеспечения давления в его внутреннем объеме на постоянном уровне и путем повышения эффективности работы уплотнительного кольца.
Технический результат достигается тем, что в вытеснительном поршне двигателя Стирлинга, содержащем основание, шток, одним концом закрепленный в центральном отверстии основания, и соединенный с основанием купол составной конструкции, состоящий из днища и тонкостенного корпуса цилиндрической формы, во внутренней полости которого концентрично его внутренней поверхности установлены перегородки конусообразной формы, являющиеся тепловыми экранами, а также выполненный в теле основания канал, предназначенный для обеспечения гидравлической связи между внутренней полостью поршня и рабочей полостью двигателя, подшипник скольжения и уплотнительное кольцо, установленное во внутренней кольцевой канавке основания, в отличие от прототипа, основание выполнено в форме стакана и его верхняя часть по наружной поверхности содержит уступ, на который опирается своим корпусом установленный на нем купол, и соединение купола с основанием осуществляется посредством соединительного стержня, имеющего ступенчатую поверхность, который нижним концом с помощью резьбового соединения скреплен со штоком, а верхним концом также с помощью резьбового соединения - с днищем купола, при этом канал, гидравлически связывающий внутреннюю полость поршня с рабочей полостью двигателя, выполнен постоянно открытым и содержит жиклер, размещенный с внешней стороны основания, а уплотнительное кольцо размещено в упомянутой канавке основания таким образом, что его внутренняя поверхность совместно с поверхностями канавки образует кольцевую полость, которая гидравлически связана посредством канала с внутренней полостью поршня, при этом в верхней и нижней поверхностях этой канавки имеются перпендикулярно расположенные им две дополнительные канавки с размещенными в них торцевыми уплотнениями, контактирующими с уплотнительным кольцом.
Дополнительные отличия полезной модели заключаются в том, что:
- перегородки установлены внутри купола посредством дистанционных втулок, обеспечивающих заданный интервал расположения перегородок, и расположенного на стержне стопорного кольца, на которое опирается первая снизу перегородка;
- внутренняя поверхность уплотнительного кольца, обращенная в кольцевую гидравлическую полость, имеет конический профиль, а торцевые уплотнения уплотнительного кольца представляют собой кольца типа "X-ring".
Жесткость конструкции вытеснительного поршня увеличивается за счет использования соединительного стержня, который, являясь одновременно направляющим элементом для перегородок, воспринимает осевые нагрузки на вытеснительный поршень, вызванные изменением давления рабочего тела в полостях двигателя.
Эффективность работы и ресурс уплотнительного кольца повышаются за счет использования кольцевой полости, постоянно заполненной рабочим телом, давление которого равно среднему давлению цикла двигателя. Рабочее тело в кольцевой полости создает постоянное радиальное усилие на уплотнительное кольцо, которое прижимает уплотнительное кольцо к внутренней поверхности цилиндра двигателя, а также компенсирует износ кольца.
Для герметизации уплотнительного кольца в канавке основания вытеснительного поршня используются торцевые кольца типа "X-ring", которые имеют высокие уплотняющие свойства и в которых снижен эффект залипания.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 дан общий вид вытеснительного поршня (продольный разрез), на фиг. 2 - увеличенный фрагмент основания в разрезе.
На основании 1, выполненном в форме стакана, в верхней его части по наружной поверхности имеется уступ 2, на который опирается своим тонкостенным цилиндрической формы корпусом 3 купол 4, выполненный составным с днищем 5, содержащим центральную базирующую расточку.
Шток 6 одним своим концом, имеющим конический профиль, закреплен в центральном отверстии основания 1, причем параметры конусности сопрягаемых поверхностей отверстия основания 1 и штока 6 равны.
Шток 6 фиксируется в основании 1 с помощью соединительного стержня 7, имеющего ступенчатую поверхность, в котором с двух концов выполнена внутренняя резьба. Соединительный стержень 7 нижним концом скреплен со штоком 6 с помощью резьбового соединения.
Соединение купола 4 с основанием 1 осуществляется посредством соединительного стержня 7. При этом верхняя часть стержня 7 взаимодействует с упомянутой центральной базирующей расточкой днища 5 и для соединения используется резьбовое соединение верхней части стержня с винтом 8, головка которого размещена в днище 5.
Во внутренней полости корпуса 3 концентрично его внутренней поверхности установлены перегородки 9, которые имеют конусообразную форму и выполняют функцию тепловых экранов.
Перегородки 9 установлены в корпусе 3 с минимальным радиальным зазором, который выполняет функцию проходного сечения для перетекания рабочего тела во внутренней полости купола 4. При установке перегородок 9 использованы дистанционные втулки 10, которые располагаются между перегородками 9 и обеспечивают заданный интервал их установки. Причем первая снизу перегородка упирается в стопорное кольцо 11, а неподвижность установки перегородок 9 обеспечивается за счет осевого усилия, создаваемого винтом 8.
Подшипник скольжения 12 размещен в канавке с внешней стороны основания 1. Уплотнительное кольцо 13 установлено во внутренней кольцевой канавке основания 1. Причем подшипник скольжения 12 и уплотнительное кольцо 13 выполнены из подходящего по антифрикционным свойствам материала, предназначенного для работы в условиях сухого трения с внутренней поверхностью цилиндра двигателя.
При этом уплотнительное кольцо 13 размещено в упомянутой канавке основания 1 таким образом, что его внутренняя поверхность совместно с поверхностями канавки образует кольцевую полость 14 (фиг. 2), гидравлически связанную с внутренней полостью поршня посредством канала 15. В верхней и нижней поверхностях этой канавки имеются две дополнительные канавки, расположенные перпендикулярно поверхностям канавки уплотнительного кольца 13. В дополнительных канавках размещены торцевые уплотнения 16, представляющие собой кольца типа "X-ring", которые контактируют с уплотнительным кольцом 13. При этом внутренняя поверхность уплотнительного кольца 13 со стороны кольцевой полости имеет конический профиль, что предотвращает повреждения уплотнений 16 во время установки уплотнительного кольца 13 в канавку основания 1.
В теле основания 1 имеется постоянно открытый канал 17, который гидравлически связывает внутреннюю полость поршня с рабочей полостью двигателя. В канале 17 с внешней стороны основания 1 установлен жиклер 18.
Вытеснительный поршень, размещенный в цилиндре двигателя Стирлинга, делит заполненный рабочим телом внутренний объем двигателя на полости сжатия и расширения. При этом горячая полость расширения располагается со стороны днища 5 ВП, а холодная полость сжатия находится между основанием 1 и рабочим поршнем двигателя (не показан). Во время работы двигателя Стирлинга происходит циклическое возвратно-поступательное движение вытеснительного и рабочего поршней с одинаковой частотой и с определенным фазовым смещением.
Во время работы двигателя Стирлинга внутренняя полость ВП для выравнивания перепада давления внутри и снаружи поршня заполнена рабочим телом, которое поступает через канал 17 из рабочей полости двигателя.
Поскольку во время работы двигателя ВП разделяет горячую и холодную полости двигателя и является проводником теплового потока, значение которого должно быть минимально в целях получения высоких эффективных показателей двигателя, для снижения теплового потока используются перегородки 9, которые снижают тепловой поток от нагретого днища 5 в сторону холодного основания 1 поршня.
После выхода двигателя на рабочий температурный режим во внутренней полости ВП возникает неравномерное температурное поле, что способно привести к неравномерному распределению давления вдоль ВП. Для выравнивания давления по всему объему внутренней полости используется радиальный зазор между перегородками 9 и внутренней поверхностью корпуса 3, через который происходит перетекание рабочего тела.
Во время возвратно-поступательного движения, совершаемого ВП во время работы двигателя, его подшипник скольжения 12 обеспечивает соосное положение поршня и цилиндра двигателя. Подшипник скольжения 12 функционирует как направляющее кольцо и, поддерживая постоянный радиальный зазор между ВП и цилиндром двигателя, также обеспечивает необходимые условия для работы уплотнительного кольца 13.
Канал 17 оснащен жиклером 18, который осуществляет ограничение расхода рабочего тела через канал 17. Диаметр жиклера 18, определяющий его пропускную способность, не оказывает влияния на общий ход рабочего цикла и подбирается исходя из рабочей частоты двигателя, давления, средней температуры и типа рабочего тела.
Жиклер 18 поддерживает давление во внутренней полости ВП на почти постоянном уровне, равном среднему давлению рабочего цикла двигателя. Это обеспечивается тем, что расходная характеристика жиклера 18 не позволяет изменению давления рабочего тела в полости сжатия двигателя оказывать существенного влияния на давление во внутренней полости ВП. Таким образом, внутренняя полость ВП представляет собой аккумулятор давления с почти постоянным давлением, величина которого поддерживается во время движения вытеснительного поршня в обоих направлениях.
Рабочее тело, содержащееся во внутренней полости ВП, по каналу 15 поступает в кольцевую полость 14, давление в которой создает радиальное усилие на уплотнительное кольцо 13. В результате этого уплотнительное кольцо 13 равномерно по всей длине окружности прижимается к внутренней поверхности цилиндра двигателя, что повышает уплотнительные свойства и увеличивает ресурс кольца 13.
Во время работы торцевые уплотнительные кольца 16 обеспечивают двустороннее уплотнение, при котором давление рабочего тела, действующее на кольца 16 со стороны кольцевой полости 14 и со стороны зазора между основанием 1 и стенкой цилиндра, прижимает соответствующие участки колец 16 к поверхностям уплотнительного кольца 13 и к стенкам канавок, в которых установлены кольца 16. Использование давления рабочего тела в работе торцевых колец 16 позволяет уменьшить установочную деформацию этих колец и, соответственно, снизить трение между уплотнительным кольцом 13 и торцевыми кольцами 16, что повысит эффективность работы уплотнительного кольца 13.