ТЕПЛОВОЙ МОТОР

Полезная модель относится к области энергетики и машиностроения, а именно к конструкции двигателей и может быть использована, например, для создания конструкций двигателей с внешним подводом теплоты, реализующих замкнутый термодинамический цикл, например, цикл Стирлинга.
Известна конструкция двигателя Стирлинга (патент США №4738105, 19.04.1988 г.), содержащего устройство передачи движения в виде коромысла, поршневых шатунов и тяги, закрепленной на корпусе двигателя. Устройство передачи движения обеспечивает параллельность работы цилиндров и простоту изготовления конструкции двигателя за счет соединения коромысла треугольной формы со стержнями поршней в вершинах треугольника, обеспечения единственного соединения коромысла с коленчатым валом и сопровождение вращательного движения коромысла тягой, закрепленной на корпусе двигателя.
При этом соединение стержней с поршнем предусматривает жесткую связь между ними, а соединение с вершиной коромысла - наличие пальцевого соединения. Такое исполнение связи стержней повышает риск заклинивания поршня в цилиндре в процессе работы и предъявляет высокие требования к точности изготовления элементов устройства передачи движения. Кроме того, отсутствие возможности регулирования длины стержней не позволяет регулировать размер зазора между верхней поверхностью поршней двигателя и цилиндров, что может привести к увеличению мертвого объема двигателя со снижением его эффективности, а также повышению требований к точности изготовления элементов устройства передачи движения.
Известна конструкция двигателя Стирлинга (патент США №20140000235, 02.01.2014 г.), принятого за наиболее близкое решение к заявляемому решению и содержащего устройство передачи движения в виде коромысла с качающимся плечом и соединительных стержней (поршневые шатуны) с шаровыми наконечниками для поступательного движения поршней двигателя с коромыслом. Преобразование поступательного движения во вращательное происходит за счет связи поршневых шатунов с коромыслом, коромысла с шатуном коленчатого вала и шатуна коленчатого вала непосредственно с коленчатым валом, который расположен во внутреннем объеме двигателя между поршневыми шатунами с шаровыми наконечниками.
Достоинством указанной конструкции является использование шаровых наконечников на обоих концах поршневых шатунов, что представляет собой вариант использования соединения между цилиндрами двигателя и коромыслом, имеющего три степени свободы движения и позволяющего обеспечить самоцентровку поршней в цилиндрах с горячей и холодной полостями при их работе.
Однако при этом поршневые шатуны с шаровыми наконечниками не предполагают возможность изменения величины зазоров между верхней поверхностью поршней и цилиндров двигателя, что может привести к снижению эффективности работы двигателя и повышению требований к точности изготовления элементов устройства передачи движения. Также соединение коромысла с коленчатым валом в данном случае предполагает наличие двух групп дополнительных кинематических связей в виде качающегося плеча, соединенного с коромыслом и шатуном коленчатого вала, и шатуна коленчатого вала, связанного с качающимся плечом и коленчатым валом. Такое исполнение увеличивает механические потери, снижает надежность механизма и также предъявляет повышенные требования к точности изготовления элементов устройства для обеспечения параллельности работы поршней и избегания заклинивания механизма. Кроме того, использование коромысла с качающимся плечом и шатуном коленчатого вала также предполагает использование дополнительного пространства внутри двигателя, увеличивая его массогабаритные показатели.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы теплового мотора за счет обеспечения параллельности работы цилиндров при снижении требований к точности изготовления его элементов и повышении эффективности работы.
Технический результат достигается при использовании теплового мотора ТМ1, содержащего устройство передачи движения в виде коромысла, соединенное с поршневыми шатунами и тягой, закрепленной на корпусе теплового мотора, при этом поршневые шатуны содержат устройство соединения с коромыслом, имеющее три степени свободы движения, и устройство для регулирования зазоров между верхней поверхностью поршней и цилиндров мотора.
Устройство соединения поршневых шатунов с коромыслом с тремя степенями свободы движения может представлять собой шаровые наконечники и пальцевые соединения, а также любое другое соединения аналогичного функционального назначения.
Устройство для регулирования зазоров между верхней поверхностью указанных поршней и цилиндров мотора может представлять собой резьбовое соединение или любые другие соединения аналогичного функционального назначения.
Использование устройства соединения с тремя степенями свободы позволяет получить гибкую связь поршневых шатунов с коромыслом, а использование устройства для регулирования зазоров между верхней поверхностью поршней и цилиндров мотора позволяет получить жесткую связь поршневых шатунов с коромыслом. Такая комбинация жесткой и гибкой связей позволяет реализовать параллельную работу поршней цилиндров мотора и одновременно снизить требования к точности изготовления деталей теплового мотора и повысить эффективность его работы.
При этом тяга, будучи закрепленной на корпусе теплового мотора, не занимает отдельного места во внутреннем пространстве мотора, тем самым уменьшая его массогабаритные показатели и повышая эффективность работы.
Заявляемая компоновка устройства передачи движения позволяет минимизировать потери трения в паре цилиндр-поршень, снизить мертвый объем теплового мотора и, как следствие, повысить надежность.
Указанная конструкция позволяет получить силовой механизм для реализации термодинамического цикла, например, термодинамического цикла Стирлинга.
Рассмотрим конкретный пример реализации конструкции теплового мотора при создании мотора, реализующего цикл Стирлинга.
Тепловой мотор ТМ1 содержит цилиндр с холодной полостью 1, охладитель 2, регенератор 3, нагреватель 4, цилиндр с горячей полостью 5. Поршни цилиндров 6 и 7 соответственно в холодной и горячей полостях соединены с коромыслом 8 посредством поршневых шатунов с устройствами соединения, имеющими три степени свободы движения: шаровыми наконечниками 9 и 10 и пальцевыми соединениями 11 и 12. Также поршневые шатуны имеют устройство для регулирования зазоров 13 в холодной полости между верхней поверхностью поршня цилиндра 6 и охладителя 2 или в горячей полости между верхней поверхностью поршня цилиндра 7 и нагревателя 4, обеспечивающее жесткую связь между поршневыми шатунами и коромыслом 8.
Параллельная работа поршней в указанной компоновке обеспечивается последовательным соединением цилиндра с холодной полостью 1, охладителя 2, регенератора 3, нагревателя 4 с поворотом 180 градусов и цилиндра с горячей полостью 5 без дополнительных каналов и полостей с минимальными мертвыми объемами мотора между ними.
Параллельная работа поршней обеспечивает минимизацию боковых сил в паре цилиндр-поршень за счет близкой к линейной траектории поршней цилиндров 6 и 7. Такая параллельность работы осуществляется за счет соединения поршней цилиндров 6 и 7 с коромыслом 8 с помощью поршневых шатунов с шаровыми наконечниками 9 и 10, пальцевыми соединениями 11 и 12 и устройством для регулирования зазоров 13.
Использование гибкой связи (шаровых наконечников и пальцевых соединений) позволяет увеличить количество степеней свободы жесткой связи поршневых шатунов с коромыслом и достичь эффекта центровки (самоустановления) поршней в цилиндрах 1 и 5 при работе силового механизма, избежать его заклинивания, а также снизить требование к точности изготовления силового механизма.
Через пальцевое соединение 11 поршень цилиндра с горячей полостью 7 соединяется с верхним шаровым наконечником 9. Связь указанного поршня с коромыслом 8 осуществляется посредством поршневого шатуна и устройства для регулирования зазоров 13, например, резьбового соединения, при помощи пальцевого соединением 12 и нижнего шарового наконечника 10.
Устройство для регулирования зазоров 13 обеспечивает простое регулирование зазора в холодной полости между верхней поверхностью поршня цилиндра 6 и охладителя 2 или в горячей полости между верхней поверхностью поршня цилиндра 7 и нагревателя 4.
Коромысло 8 обеспечивает параллельное движение поршней цилиндров 6 и 7 без заклинивания за счет тяги 14, зафиксированной на корпусе мотора через подшипниковое соединение 15 и соединенной с коромыслом 8 через подшипниковые соединения 16. Данный принцип позволяет преобразовать параллельное поступательное движение поршней во вращательное движение на валу, соединенного с коромыслом 8 подшипниковым соединением 17.
Тепловой мотор работает следующим образом.
За счет внешнего нагревания теплота передается к рабочему телу. Рабочее тело, например, газ гелий, находится под давлением и герметично замкнуто во внутренней полости мотора. Происходит расширение рабочего тела в горячей полости цилиндра 5. Работа расширения превращается через поступательное движение поршня цилиндра 7 в горячей полости во вращательное движение вала за счет вышеописанного механизма преобразования. После расширения рабочее тело протекает через регенератор 3, отдавая часть теплоты, и поступает в холодную полость цилиндра 1. Затем, рабочее тело сжимается под воздействием поршня цилиндра 6 в холодной полости и перетекает обратно в горячую полость цилиндра 5 регенерируя теплоту в регенераторе 3.
Герметичность рабочего тела в горячей и холодной полостях достигается за счет использования уплотнения 18 между поршнями 6 и 7 и цилиндрами 1 и 5.
Таким образом, удается реализовать термодинамический цикл Стирлинга с помощью параллельного движения поршней цилиндров с горячей и холодной полостями и представленного силового механизма, повысив его надежность, эффективность, а также снизив требования к точности изготовления элементов теплового мотора.