ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ОППОЗИТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА
POWER PLANT WITH OPPOSED STIRLING ENGINE

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для малых энергоустановок, базирующихся на тепловой машине с внешним подводом тепла (двигатель Стирлинга) и использующих в качестве топлива местные или возобновляемые ресурсы.
Известна энергоустановка (см. Кириллов Н.Г. Применение высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга в судовой энергетике. /Труды 2-й межд. конфер. по морским интеллектуальным технологиям "Моринтех-97"/, Том N5, СПб., 1997, стр.140), содержащая двигатель Стирлинга с горячей полостью, образованной цилиндром и поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм и коленчатый вал с валом электрогенератора, холодную полость, образованную цилиндром и поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм и коленчатый вал с валом электрогенератора, причем угол между шейками коленчатого вала, соединенными шатунами с горячей и холодной полостями, составляет величину, близкую к 90°, горячая полость через нагреватель, регенератор и холодильник соединена трубопроводом с холодной полостью. В известном устройстве фазовый сдвиг между изменением объемов горячих и холодных полостей двигателя Стирлинга, необходимый для получения максимальной мощности, создается за счет конструкции коленчатого вала и не может быть изменен в режиме эксплуатации.
Недостатком известного устройства является утечка рабочего тела, в качестве которого используется газ гелий под давлением до 20 мПа, через уплотнение поршней, на которые действует знакопеременная сила со стороны шатунов, приводящая к их износу и дальнейшей утечке рабочего тела из картерного пространства через подшипники коленчатого вала. Следствием утечки рабочего тела является снижение мощности и КПД установки.
Наиболее близким по технической сущности является энергоустановка на основе термомеханического генератора (Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986 г., стр.42, рис.1.36), содержащая нагреватель, примыкающий к головке цилиндра на горячей стороне энергоустановки, образующий вместе с поршнем горячую полость, холодильник, примыкающий к головке цилиндра на холодной стороне энергоустановки и образующий вместе с поршнем, холодную полость. Горячая полость с рабочим телом отделена от холодной полости колеблющейся мембраной, механически связанной с якорем электрогенератора.
Горелкой или иным источником тепла нагревается горячая полость, а с помощью теплообменника тепло отводится от холодной полости. При работе термомеханического генератора колебательные движения мембраны с амплитудой 1-2 мм передаются якорю электрогенератора, выполненному в виде постоянного магнита, который при движении внутри обмотки статора создает в ней электрический ток.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, низкая надежность пусковых режимов и трудность запуска, когда мембрана и якорь находятся в неподвижном состоянии, а необходимые для устойчивой работы двигателя Стирлинга фазовые соотношения объемов горячей и холодной полостей образуются только при колебательном режиме. Кроме того, малые амплитуды перемещений якоря электрогенератора не позволяют получить существенную электрическую мощность на выходе электрогенератора.
Техническим эффектом, достигаемым в предлагаемом устройстве, является упрощение конструкции, уменьшение потерь рабочего тела из полостей двигателя Стирлинга, повышение надежности пусковых режимов, а также повышение мощности энергоустановки.
Эта техническая задача достигается тем, что в известную энергоустановку с оппозитным двигателем Стирлинга, содержащую нагреватель, примыкающий к головке цилиндра на горячей стороне энергоустановки, образующий вместе с поршнем горячую полость, холодильник, примыкающий к головке цилиндра на холодной стороне энергоустановки и образующий вместе с поршнем холодную полость, горячая полость соединена регенератором с холодной полостью, введены четыре герметичных капсулы с расположенными в каждой из них горячими и холодными полостями, поршни горячих и холодных полостей каждой капсулы соединены штоками с закрепленными на них зубчатыми рейками, находящимися в зацеплении с роторами обратимых электромашин, причем горячая полость первой капсулы соединена с холодной полостью второй капсулы трубопроводом, последовательно соединяющим собственные нагреватель, регенератор и холодильник, горячая полость второй капсулы соединена с холодной полостью третьей капсулы трубопроводом, последовательно соединяющим собственные нагреватель, регенератор и холодильник, горячая полость третьей капсулы соединена с холодной полостью четвертой капсулы трубопроводом, последовательно соединяющим собственные нагреватель, регенератор и холодильник, горячая полость четвертой капсулы соединена с холодной полостью первой капсулы трубопроводом, последовательно соединяющим собственные нагреватель, регенератор и холодильник, внутреннее пространство капсул заполнено газом, идентичным газу в рабочих полостях, давление которого равно среднему давлению рабочего тела в термодинамическом цикле.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема энергоустановки, на фиг.2 - временные диаграммы положения поршней и режимов работы обратимых электрических машин.
Энергоустановка с оппозитным двигателем Стирлинга содержит четыре герметичных капсулы 1, 2, 3, 4, заключающие в себе нагреватели 1-1, 2-1, 3-1 и 4-1, примыкающие к головкам цилиндров 1-2, 2-2, 3-2 и 4-2 на горячей стороне энергоустановки, образующие вместе с поршнями 1-3, 2-3, 3-3 и 4-3 на штоках 1-4, 2-4, 3-4 и 4-4 с зубчатой рейкой горячие полости 1-5, 2-5, 3-5 и 4-5, герметичные капсулы 1, 2, 3 и 4 заключают в себе также холодильники 1-6, 2-6, 3-6 и 4-6, примыкающие к головкам цилиндров 1-7, 2-7, 3-7 и 4-7 на холодной стороне энергоустановки и образующие вместе с поршнями 1-8, 2-8, 3-8 и 4-8 на противоположном конце штоков 1-4, 2-4, 3-4 и 4-4 с зубчатой рейкой холодные полости 1-9, 2-9, 3-9 и 4-9, причем горячая полость 1-5 первой капсулы 1 соединена с холодной полостью 2-9 второй капсулы 2 трубопроводом, 5 последовательно соединяющим нагреватель 1-1, регенератор 1-10 и холодильник 2-6, горячая полость 2-5 второй капсулы 2 соединена с холодной полостью 3-9 третьей капсулы 3 трубопроводом 6, последовательно соединяющим нагреватель 2-1, регенератор 2-10 и холодильник 3-6, горячая полость 3-5 третьей капсулы 3 соединена с холодной полостью 4-9 четвертой капсулы 4 трубопроводом 7, последовательно соединяющим нагреватель 3-1, регенератор 3-10 и холодильник 4-6, горячая полость 4-5 четвертой капсулы 4 соединена с холодной полостью 1-9 первой капсулы 1 трубопроводом 8, последовательно соединяющим нагреватель 4-1, регенератор 4-10 и холодильник 1-6, зубчатые рейки на штоках 1-4, 2-4, 3-4 и 4-4 через зубчатые колеса связаны с роторами обратимых электромашин 1-11, 2-11, 3-11 и 4-11, многооборотное положение роторов которых контролируется информационными сигналами 1-12, 2-12, 3-12 и 4-12.
Энергоустановка с оппозитным двигателем Стирлинга работает следующим образом.
В начальный момент времени система управления энергоустановкой по информационным сигналам 1-12, 2-12, 3-12 и 4-12 с обратимых электромашин 1-11, 2-11, 3-11 и 4-11, переключив их в двигательный режим, устанавливает положение штоков 1-4, 2-4, 3-4 и 4-4 в положение, соответствующее сдвигу на четверть цикла от положения штока 1-4 первой капсулы 1 до положения штока 4-4 четвертой капсулы.
При подводе тепла к нагревателям 1-1, 2-1, 3-1 и 4-1 и отвода тепла от холодильников 1-6, 2-6, 3-6 и 4-6 в горячих полостях 1-5, 2-5, 3-5 и 4-5 и холодных полостях 1-9, 2-9, 3-9 и 4-9 создаются условия для осуществления традиционного термодинамического цикла Стирлинга. Для этого обратимые электромашины, присоединенные штоки которых перемещаются от горячей стороны, т.е. стороны, к которой присоединены нагреватели, к холодной, т.е. стороне, к которой присоединены холодильники, переключаются в режим генерирования электрической энергии. Обратимая электромашина 1-11 первой капсулы 1 и обратимая электромашина 2-11 второй капсулы 2. При этом происходит расширение рабочего тела (гелий, 20 мПа) при подводе тепла (верхняя изотерма цикла Стирлинга). Одновременно электромашины, присоединенные штоки которых должны перемещаться от холодной стороны к горячей, системой управления переводятся в двигательный режим, осуществляя вытеснение рабочего тела (гелий, 20 мПа) на холодную сторону по нижней изотерме цикла, соответственно, обратимая электромашина 3-11 третьей капсулы 3 и обратимая электромашина 4-11 четвертой капсулы 4 работают в двигательном режиме. При достижении штоками и, соответственно, поршнями крайних положений, а эти положения отражаются информационными сигналами 1-12, 2-12, 3-12 и 4-12 с роторов обратимых электромашин 1-11, 2-11, 3-11 и 4-11, система управления переводит обратимые электромашины в инверсный режим: с генераторного в двигательный, и наоборот, осуществляя, тем самым, циклические по капсулам 1, 2, 3 и 4 и челночное внутри капсул перемещения поршней. Работа обратимых электромашин иллюстрируется циклограммой режимов.
Система управления следит за тем, чтобы перемещения штоков между крайними положениями осуществлялось за одинаковый промежуток времени, при таком управлении между изменениями объемов на горячей и холодной сторонах энергоустановки сохраняется заданный при начальной установке фазовый сдвиг в 90 градусов, необходимый для получения максимальной мощности в двигателях Стирлинга любой конструкции.
Перемещение рабочего тела с горячей стороны на холодную и обратно осуществляется через регенераторы 1-10, 2-10. 3-10 и 4-10, при челночном перемещении происходит теплообмен между рабочим телом и наполнителем регенератора при постоянном объеме. На P-V диаграмме этим процессам соответствуют две изохоры, замыкающие термодинамический цикл Стирлинга.
В генераторном режиме работы электромашин их статорные обмотки через управляемые ключи нагружаются на накопительный элемент, в качестве которого может выступать аккумуляторная батарея или блок ионисторов. В двигательном режиме электромашины через другие управляемые ключи подключаются к накопительному элементу с инверсией полярности так, чтобы направление вращения роторов менялось на противоположное. Поскольку в прямом цикле Стирлинга производится положительная работа, т.е. работа, совершаемая рабочим телом при расширении с подводом тепла, когда обратимая электромашина работает в генераторном режиме и создает зарядный ток, больше работы совершаемой над рабочим телом при сжатии с отводом тепла, когда обратимая электромашина работает в двигательном режиме, потребляя ток от накопительного элемента, очевидно, что зарядный ток накопительного элемента больше разрядного и в нем накапливается электрический потенциал, который через преобразующее устройство передается потребителям в виде трехфазного или постоянного напряжения.
При челночном движении штоков кинетическая энергия раскрученного ротора электромашин не теряется, а передается газовой пружине в полостях двигателя и возвращается ротору при инверсии вращения. Таким образом, четыре пары термодинамически связанных полостей 1-5 и 2-9, 2-5 и 3-9, 3-5 и 4-9, 4-5 и 1-9 при выполнении двух необходимых для работы двигателей Стирлинга условий: - наличие фазового сдвига в четверть периода между изменениями объемов полостей на горячей и холодной сторонах двигателя и теплообмен между изохорными составляющими цикла, - оказываются не связанными между собой механически, что не достигается в известных конструкциях. Наличие механической связи полостей, это кривошипно-шатунный механизм, ромбический привод или привод «косая шайба», существенно усложняет и утяжеляет конструкцию энергоустановки. Устранение механических связей полостей позволяет обеспечить решение первого пункта поставленной задачи - упрощение конструкции.
Оппозитная связь поршней на горячей и холодной сторонах двигателя через жесткие штоки позволяет осуществить идеальные условия для работы поршневых уплотнений; на них не воздействуют тангенциальные силы, тем более знакопеременные, возникающие при использовании, например, кривошипно-шатунного механизма. В таких условиях утечки рабочего тела из рабочих полостей можно свести к минимуму. Кроме того, поскольку все подвижные элементы капсулированы и при их перемещении не происходит изменения внутреннего объема капсул, за счет создания внутрикапсульного давления, равного среднему давлению термодинамического цикла, утечки рабочего тела, происходящие в фазах превышения давления в полостях над средним, компенсируются обратным перетеканием, когда давление в полостях меньше среднего.
Капсулирование агрегатов установки позволяет устранить утечки рабочего тела в пространство. Капсулы 1, 2, 3 и 4 имеют только сварные трубные штуцеры для связей друг с другом по рабочему телу, герметические силовые выводы электромашин и герметичные выводы информационных сигналов и не имеют выводов механического движения или вращения.
Таким образом, оппозитное соединение штоками поршней, создание внутри капсульного давления, равного среднему давлению термодинамического цикла, и капсулирование подвижных частей энергоустановки позволяет полностью устранить утечки рабочего тела, что обеспечивает решение второго пункта поставленной задачи - уменьшение потерь рабочего тела.
При пуске, прежде всего, осуществляется принудительная установка положения поршней, обеспечивающая необходимый фазовый сдвиг, поэтому при подводе тепла, т.е. при запуске, плавно нарастающее давление в полостях двигателя вызывает также плавное прямое и обратное перемещение штоков. Таким образом, обеспечивается устранение недостатка прототипа, связанное с трудностью запуска.
Поскольку линейное перемещение штоков может достигать десятков сантиметров и выбором диаметра шестерни на роторе электромашины преобразовано в сотни оборотов ротора, мощностные характеристики электромашин могут быть существенно большими, чем при динамике якоря линейного генератора в единицы миллиметров. Кроме того, в предлагаемом техническом решении используется четыре термодинамических цикла и четыре электрогенератора и оно (решение) не сводится к параллельному использованию четырех генераторов прототипа.
Использование изобретения позволяет получить значительно большую электрическую мощность на выходе, что соответствует решению задачи повышения мощности энергоустановки и повышению надежности при запуске.