Двигун зі зовнішнім підводом теплоти і вільним витискувачем

Реферат: UA 88063 U UA 88063 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до енергомашинобудування, а саме до виробництва двигунів і може бути використана у приводних системах, що працюють від будь якого зовнішнього джерела теплоти. Відомо двигун зі зовнішнім підводом теплоти, вільним витискувачем і кривошипно-шатунним приводом для перетворення зворотно-поступального руху робочого поршня у безперервне обертання колінчастого вала, який містить також циліндр, фіктивний (розділюючий) поршень, нагрівач, регенератор, холодильник (див. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга; Пер. с англ.: - М.: Энергия, 1978. - 152 с., С. 125 - прототип). Недоліками відомої конструкції є порушення фазового зміщення поршнів та невизначеність напрямку обертання колінчастого вала після зупинки і повторного пуску двигуна. Ще відомо напрямний механізм, який містить кривошип і коромисло, що з'єднані шарнірами зі стояком, а також шатун у вигляді V-подібного симетричного важеля, плечі якого утворені двома рівними за довжиною коромисла стрижнями, розташованими під кутом приблизно 90° один до одного. Шатун сполучений шарнірами вершиною з коромислом, а кінцями - відповідно з кривошипом і повзуном, що рухається вздовж прямолінійної направляючої, розташованої під кутом 45° до лінії центрів шарнірів приєднання кривошипа і коромисла до стояка. Повзун являє собою кулісу з поперечним направляючим пазом, у якому встановлений камінь, що зв'язаний шарніром з кінцем стрижня V-подібного шатуна. Геометричні розміри напрямного механізму забезпечують практично прямолінійний рух центра шарніра, що приєднує до шатуна камінь, а невеличкі відхилення від прямолінійності не можуть передаватися повзуну, бо компенсуються поперечними відносними переміщеннями каменя (див. патент України на винахід № 21410, МПК (1998) F16Н 21/04, від 30.04.1998, бюл. № 2). Радіус (довжина) коромисла, радіус кривошипа, довжина робочого ходу повзуна, міжцентрова відстань шарнірів, які приєднують кривошип і коромисло до стояка і відстань між повздовжньою віссю переміщення повзуна та прямої, що до неї паралельна і проходить через центр шарніра кривошип-стояк, можуть співвідноситися між собою по-різному, в залежності від бажаних точності відтворення прямолінійного руху та ходу повзуна. Варіант цього співвідношення 1:0,29:0,84:1,40:1,99 забезпечує згаданому вище кінця V-подібного шатуна відхилення від прямої лінії до 0,5 % від ходу повзуна. Слід зазначити, що спосіб з'єднання кінця V-подібного шатуна, що здійснює майже прямолінійний рух, з повзуном - мало придатний у разі, коли повзуном має бути поршень, що рухається у герметичному циліндрі. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення двигуна зі зовнішнім підводом теплоти і вільним витискувачем шляхом застосування для перетворення зворотнопоступального руху робочого поршня (повзуна) у безперервне обертання колінчастого вала такого передаточного важільного механізму, що зменшує імовірність порушення фазового зміщення, забезпечує визначеність напрямку обертання колінчастого вала після зупинки і повторного пуску двигуна і дозволяє функціонувати у разі герметичного циліндра. Поставлена задача вирішується тим, що у двигуні зі зовнішнім підводом теплоти, вільним витискувачем і передаточним важільним механізмом для перетворення зворотно-поступального руху робочого поршня у безперервне обертання колінчастого вала, який містить також циліндр, фіктивний (розділюючий) поршень, нагрівач, регенератор, холодильник, згідно з корисною моделлю, передаточний механізм являє собою напрямний механізм, що містить кривошип і коромисло, з'єднані шарнірами зі стояком, і шатун у вигляді V-подібного симетричного важеля, плечі якого утворені двома рівними за довжиною коромисла стрижнями, розташованими під певним кутом один до одного. Шатун сполучений шарнірами вершиною з коромислом, а одним з кінців - з кривошипом. Геометричні розміри механізму розраховані таким чином, що інший кінець шатуна здійснює майже прямолінійний рух вздовж осі циліндра. Ще один шатун з'єднує за допомогою шарнірів цей кінець з робочим поршнем. Отже, зусилля з боку останнього шатуна на робочий поршень спрямовано фактично вздовж осі циліндра, а невеличкі відхилення від прямолінійної траєкторії кінця V-подібного шатуна не передаються до поршня за наявністю відносного оберту у шарнірі на ньому. Завдяки цьому відсутнє бокове зусилля, а отже, мінімізована і сила тертя у кінематичній парі циліндр-поршень. Таким чином, значно зменшується негативний опір руху робочого поршня, і зникає головна причина порушення фазового зміщення поршнів двигуна одразу після пуску, коли ще не набрано обертів. Важливою особливістю напрямного механізму є той факт, що коромисло виходить зі своїх крайніх положень (мертвих точок) раніше, ніж у свої крайні положення приходить робочий поршень. Завдяки цьому забезпечується визначеність напрямку обертання кривошипа після проходження робочим поршнем своїх крайніх положень і під час пуску двигуна, який треба здійснювати при крайньому верхньому положенні поршня. 1 UA 88063 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Технічна суть та принцип дії запропонованої корисної моделі пояснюються кресленням, де зображена схема двигуна зі зовнішнім підводом теплоти і вільним визискувачем, що містить циліндр 1 з масивним робочим поршнем 2, який має порожнистий з відкритим торцем вертикальний стрижень, що є штоком 3 для фіктивного (розділючого) поршня 4 і порожнистого витискувача 5, виробленого з легкого матеріалу з низькою теплопровідністю. Робочий обсяг складається з гарячої порожнини 6, розташованої над витискувачем 5, і холодної порожнини 7, що розташована між витискувачем 5 і фіктивним поршнем 4. Між фіктивним поршнем 4 і робочим поршнем 2 розташована буферна порожнина 8, яка вміщує також внутрішню порожнину витискувача 5. Ущільнення 9 призначені для герметизації робочого обсягу і буферної порожнини 8. Усі порожнини заповнені робочим тілом (воднем, гелієм, або повітрям), яке нагрівається до температури 600-800 °C нагрівачем 10 у гарячій порожнині 6 і охолоджується до 20-25 °C холодильником 11 у холодній порожнині 7. Обидві порожнини робочого обсягу сполучаються через довгу кільцеву щілину між зовнішньою та внутрішньою стінками відповідно витискувача 5 і циліндра 1, через яку робоче тіло обмінюється теплом з регенератором 12. Перетворення теплоти у роботу здійснюється завдяки циклічним процесам стиснення робочого тіла у холодній порожнині 7 і його розширення у гарячій порожнині 6. Робоче тіло, перетікаючи з гарячої порожнини 6 у холодну 7, віддає накопичене тепло регенератору 12 і потім додатково охолоджується у холодильнику 11. Повертаючись у гарячу порожнину 6 перед тактом розширення, робоче тіло відбирає у регенератора 12 запасене раніше тепло і додатково нагрівається нагрівачем 10. Для отримання корисної роботи необхідно, щоб змінювання обсягу гарячої порожнини 6 випереджувало за фазою змінювання обсягу холодної порожнини 7. Це стає можливим завдяки взаємодії ланок передаточного напрямного механізму, який перетворює узгоджений з витискувачем 5 зворотно-поступальний рух робочого поршня 2 у безперервне обертання кривошипа 13. Також до передаточного напрямного механізму входять стояк 14, коромисло 15, V-подібний шатун 16 і ще один шатун 17. Геометричні параметри напрямного механізму забезпечують високу точність прямолінійного руху вздовж осі циліндра 1 точки А V-подібного шатуна 16, через яку проходить вісь шарніра для приєднання шатуна 17. Вісь іншого шарніра для приєднання до робочого поршня 2 перетинає вісь циліндра 1 у точці В. Таким чином, оскільки робоче тіло тисне на поршні двигуна вздовж осі циліндра 1, кут тиску у шарнірах на шатуні 17 дорівнює 0°. Це означає відсутність бокового зусилля у кінематичній парі циліндр 1 робочий поршень 2, а значить і шкідливої сили тертя, що перешкоджає руху останнього. Робочий цикл двигуна зі зовнішнім підводом теплоти і вільним витискувачем здійснюється за один подвійний хід робочого поршня 2 або за один оберт кривошипа 13. Він починається у момент, коли усі поршні знаходяться у крайньому верхньому положенні. При цьому робочий обсяг за рахунок майже відсутньої холодної порожнини 7 - найменший, а незмінна за обсягом протягом циклу буферна порожнина 8 відокремлює фіктивний поршень 4 від робочого 2. Нагріте нагрівачем 10 і тому розширене робоче тіло тисне на витискувач 5, примушуючи його рухатись донизу разом з фіктивним 4 і робочим 2 поршнями, і починає перетікати через кільцеву щілину між зовнішньою та внутрішньою стінками відповідно витискувача 5 і циліндра 1 у холодну порожнину 7, віддаючи тепло регенератору 12. Це спричиняє таке різке падіння тиску у робочому обсязі, що тиск у буферній порожнині становиться значно більшим. Витискувач 5 швидко прямує догори до головки циліндра 1 і залишається там, доки тиск у буферній порожнині 8 буде вище тиску у робочому обсязі. Після проходження робочим поршнем 2 нижньої мертвої точки він разом з фіктивним поршнем 4 починає рухатись догори. Робоче тіло через кільцеву щілину перетікає із холодної порожнини 7 у гарячу 8, отримуючи тепло, залишене раніше у регенераторі 12. Миттєво відновлюється рівність тисків у усіх порожнинах, а потім тиск у робочому обсязі буде перевищувати тиск у буферній порожнині. У такому разі витискувач 5 починає рухатись донизу до зіткнення з фіктивним поршнем 4, після чого вони разом рухаються догори. У верхній мертвій точці закінчується попередній робочий цикл двигуна і починається наступний. Інертність масивного робочого поршня 2 та інших ланок передаточного напрямного механізму, а також маховик, що при необхідності може бути встановленим на валу кривошипа 13, забезпечать плавне обертання цього вала. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Двигун із зовнішнім підводом теплоти і вільним витискувачем, що містить циліндр, витискувач, фіктивний (розділюючий) і робочий поршні, нагрівач, регенератор, холодильник, передаточний важільний механізм для перетворення зворотно-поступального руху робочого поршня у 2 UA 88063 U 5 безперервне обертання колінчастого вала, який відрізняється тим, що передаточний механізм являє собою напрямний механізм, що містить кривошип і коромисло, які з'єднані шарнірами зі стояком, і шатун у вигляді V-подібного симетричного важеля, плечі якого утворені двома рівними за довжиною коромисла стрижнями, розташованими під певним кутом між ними, що сполучений шарнірами вершиною з коромислом, а одним з кінців - з кривошипом, причому геометричні розміри механізму розраховано таким чином, що інший кінець здійснює майже прямолінійний рух вздовж осі циліндра, а ще один шатун з'єднує за допомогою шарнірів цей кінець з робочим поршнем. Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3