Тепловой блок двигателя Стирлинга
STIRLING ENGINE THERMAL BLOCK

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к устройству теплового блока двигателей, работающих по циклу Стирлинга, и может быть использовано в различных двигательных установках Стирлинга, применяемых в изолированных районах, в космическом пространстве и т.д., и там, где неэффективно или невозможно применять двигатели внутреннего сгорания, а также паровые двигатели или турбины.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2100634, опубл. 27.12.1997], содержащий по меньшей мере один цилиндр вытеснителя, в котором перемещается вытеснительный поршень, разделяющий объем цилиндра на горячую и холодную полости. При этом нагреватель, регенератор и охладитель установлены последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости. Охладитель содержит цилиндрическую рубашку охлаждения, заполненную охлаждающей жидкостью и охватывающую цилиндр с поршнем, снабженную двумя кольцевыми коллекторами, подключенными к патрубкам подвода и отвода жидкости. Охладитель, выполненный по типу "труба в трубе", содержит кольцевые каналы, образованные при помощи втулок с внутренними отверстиями, расположенными равномерно по диаметру цилиндра в рубашке охлаждения, по которым циркулирует рабочее тело.
Недостатком данного устройства является недостаточный теплообмен цилиндрических стенок каналов охладителя с рабочей средой, что уменьшает эффективность двигателя.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2008489, опубл. 28.02.1994], содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой-нагревателем, обращенной к внешнему источнику теплоты, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую полость, холодную полость и буферную полость, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем профилированными каналами, одна часть которых соединяет горячую полость с периферией диска, которая сообщена с другой частью каналов, соединяющих периферию диска с регенератором, при этом каналы нагревателя выполнены в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей своей поверхностью к источнику теплоты.
Недостатком этого двигателя являются необходимость использования в нагревателе диска с каналами, имеющего большую жесткость и толщину для того чтобы выдерживать высокое давление рабочего тела (газа) внутри. Вторым недостатком является то, что для обеспечения требуемого теплового потока необходимо использовать большие габариты диска нагревателя, что затрудняет использование данной конструкции в многопоршневых двигателях. Третьим недостатком является низкая эффективность теплопередачи в охладителе, содержащим канал, в котором рабочее тело охлаждается за счет охлаждения стенок внешней рубашкой охладителя с циркулирующим в нем холодным теплоносителем.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является двигатель Стирлинга [RU 2007603, опубл. 15.02.1994], в котором горячий цилиндр вытеснителя, где перемещается поршень-вытеснитель с колпаком, выполнен с верхней куполообразной частью меньшего диаметра и тремя рядами равномерно расположенных радиальных каналов, два из которых расположены на стенке верхней части горячего цилиндра и к которым присоединены трубки нагревателя рабочего тела (газа), омываемые снаружи горячими газами в камере сгорания. Нагретое рабочее тело из данных трубок поступает в кольцевой регенератор для отдачи тепла, и, далее, в и полость сжатия под поршнем-вытеснителем. Для повышения эффективности теплообмена на стенке горячего цилиндра в районе размещения регенеpатора находится третий ряд радиальных каналов, соединенный с регенератором. Данный ряд каналов является элементом дополнительного нагревателя рабочего тела, который образован объемом зазора между стенкой горячего цилиндра и колпаком поршня-вытеснителя.
Недостатком прототипа является недостаточная эффективность теплопередачи рабочему телу, а также нетехнологичность изготовления и ремонта двигателя, обусловленная использованием паяных соединений для присоединения двух рядов трубок нагревателя, что снижает срок службы двигателя.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплопередачи рабочему телу в нагревателе и охладителе, а также упрощении конструкции и уменьшение металлоемкости теплового блока.
Технический результат достигается тем, что в тепловом блоке двигателя Стирлинга, содержащем цилиндр вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем, нагреватель, регенератор и охладитель, новым является то, что нагреватель теплового блока состоит из наружного и внутреннего цилиндров, а также головки цилиндра, содержащих внутренние полости, при этом внутренний цилиндр нагревателя в своей верхней части соединяется над стенками цилиндра вытеснителя с наружным цилиндром нагревателя, а в нижней части - с головкой цилиндра с образованием единого объема для циркуляции горячего теплоносителя, охладитель теплового блока охватывает нижнюю часть цилиндра вытеснителя и образован рубашкой охлаждения, содержащей входной и выходной патрубки, и направляющей втулкой, ограничивающей движение поршня вытеснителя, при этом на боковых поверхностях нагревателя и охладителя, контактирующих с цилиндром вытеснителя нанесены продольные щелевые каналы, которые могут быть направленными под углом к оси цилиндра или выполнены в виде выступов на поверхности.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях, и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На фигуре 1 представлен заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга, на фигуре 2а - сечение нагревателя теплового блока двигателя Стирлинга, фигуре 2б - сечение охладителя теплового блока двигателя Стирлинга, на фигуре 3 - один из вариантов выполнения каналов на поверхностях нагревателя и охладителя.
Как представлено на фигуре 1, заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга состоит из цилиндра вытеснителя 1 с установленным в нем поршнем-вытеснителем 2, показанным на фигуре 1 в нижней «мертвой» точке, а также последовательно механически соединенных нагревателя 3, регенератора 4 и охладителя 5. Нагреватель 3 теплового блока состоит из наружного 6 и внутреннего 7 цилиндров, а также головки цилиндра 8, содержащих внутренние полости 9-11 соответственно. При этом внутренний цилиндр 7 нагревателя 3 в своей верхней части соединяется над стенками цилиндра вытеснителя 1 с наружным цилиндром 6 нагревателя 3, а в нижней части - с головкой цилиндра 8 таким образом, что их внутренние полости 9-11 образуют единый объем, в котором циркулирует горячий теплоноситель. В центре наружной части головки цилиндра 8 имеется входной патрубок 12 для входа горячего теплоносителя, а сбоку нижней части наружного цилиндра 6 нагревателя 3 имеется выходной патрубок 13 для выхода теплоносителя. На поверхностях нагревателя 3, контактирующих с цилиндром вытеснителя 1 нанесены продольные щелевые каналы 14, по которым циркулирует рабочее тело (газ) (фиг.1 и фиг.2а).
В средней части цилиндра вытеснителя 1 с внутренней поверхностью наружного цилиндра 6 нагревателя 3 последовательно соединен с образованием канала цилиндрический регенератор 4, заполненный пористым веществом для аккумулирования и отдачи тепла рабочему телу (фиг.1).
Движение поршня-вытеснителя 2 снизу ограничено направляющей втулкой 15, в которой находится аксиальный канал 16, где перемещается шток 17 поршня-вытеснителя 2, жестко соединенный с ним. Подпоршневое пространство (нижнюю часть цилиндра вытеснителя 1) охватывает охладитель 5 (фиг.1).
Охладитель 5 заявляемого теплового блока двигателя Стирлинга образован рубашкой охлаждения 18, содержащей входной 19 и выходной 20 патрубки, через которые происходит поступление и отвод холодного теплоносителя, и направляющей втулкой 15. На боковых поверхностях охладителя и направляющей втулки 15, контактирующих с цилиндром вытеснителя 1, нанесены продольные щелевые каналы 21 и 22 для циркуляции рабочего тела (фиг.1 и 2б).
Продольные щелевые каналы 14, 21 и 22 могут быть направлены под углом к оси цилиндра или могут быть выполнены в виде выступов на данных поверхностях (второй вариант выполнения каналов в виде выступов представлен в качестве примера на фигуре 3). Нанесение щелевых каналов на двух цилиндрах нагревателя помогает добиться двухпроходности движения газа (вверх и вниз) в нагревателе и уменьшить его продольный размер вдвое.
В нижней части цилиндра расположен выходной патрубок 23 (фиг.1), через который рабочее тело (газ) передается в рабочий цилиндр (на фигурах не показан).
Заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга работает следующим образом. Когда поршень-вытеснитель 2 движется из нижней «мертвой» точки вверх, рабочее тело (газ) движется и нагревается, увеличивая давление, посредством контакта с полусферической частью нагревателя в головке цилиндра 8 и, далее, проходя сквозь щелевые каналы 14 на поверхностях внутреннего 7 и наружного 6 цилиндров нагревателя 3. Далее газ движется сквозь регенератор 4, дополнительно обмениваясь теплом с его пористым материалом. Затем нагретое рабочее тело движется сквозь продольные щелевые каналы 21 охладителя 4, уже охлаждаясь и приводя к уменьшению давления. Данное уменьшение давления рабочего тела через входной патрубок 23 передается в рабочий цилиндр двигателя (не показан на фигурах), совершая полезную работу.
Таким образом, заявляемое техническое решение теплового блока двигателя Стирлинга позволяет повысить эффективность теплопередачи в нагревателе и охладителе, а также упростить конструкцию теплового блока и уменьшить его металлоемкость.