Сбалансированный термомеханический генератор Стирлинга

(51) 02 1/00 (2010.01) 02 1/04 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ общего корпуса, и содержащих рабочие и вытеснительные поршни, установленные в рабочие цилиндры, имеющие нагреватели и охладители, и соединенные между собой жесткими штоками,причем рабочий поршень первого цилиндра соединен с вытеснительным поршнем второго цилиндра, а рабочий поршень второго цилиндра с вытеснительным поршнем первого цилиндра. Между рабочими поршнями и корпусом установлены возвратные пружины. А полости цилиндров и полость между рабочими поршнями заполнены рабочей средой с давлением, равным среднему давлению рабочего режима термомеханического генератора. Наличие давления среды во всех полостях и сбалансированность подвижных частей термомеханического генератора позволяет упростить систему уплотнения подвижных частей, а также повысить надежность и долговечность его работы.(72) Арапов Батырбек Арапов Бауржан Батырбекович Арапов Нуржан Батырбекович(73) Республиканское государственное казенное предприятие Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауезова Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СБАЛАНСИРОВАННЫЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СТИРЛИНГА(57) Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано как генератор электрического тока. Предлагаемая конструкция термомеханического генератора, работающего по циклу Стирлинга,состоит из двух агрегатов, расположенных на одной оси на противоположных сторонах относительно Изобретение относится к машиностроению, и может быть использовано как источник электрической энергии. Известен двигатель (АС СССР 850884, М. Мк.3 02 1/04, опуб. 30.07.81. Бюл. 28) с внешним подводом тепла, содержащий, по меньшей мере,один цилиндр, два поршня, кинематически связанные с коленчатым валом и отделяющие в цилиндре две полости, сообщающиеся между собой через нагреватель, регенератор, холодильник и запорное устройство, снабженное датчиком угла поворота вала и механизмом привода запорным устройством, электрически связанным с датчиком угла поворота. Недостатками данного двигателя являются сложности обеспечения герметичности рабочего поршня с цилиндром и балансировки неуравновешенных масс, а также наличие больших нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма. Наиболее близким по конструкции и принципу работы к предлагаемому изобретению является термомеханический генератор с внешним подводом тепла, разработанный под руководством КукЯрборо в Центре по атомной энергии в Харуэлле(Англия) и описанный в книге Г.Ридера и Ч.Хупера Двигатели Стирлинга. (Перевод с английского д.т.н. С.С.Ченцова, к.т.н. Е.Е.Черейского и В.И.Кабакова. М. -Мир, 1986. - с 464), содержащий охлаждаемую металлическую диафрагму, жестко связанным с ней постоянным магнитом, генератор электрического тока, закрепленный к пружинам вытеснитель, и нагреваемый рабочий цилиндр. Недостатками данного устройства являются несбалансированность подвижных частей при различных режимах работы и низкая надежность работы при высоких давлениях рабочей среды из за наличия мембраны. Задача изобретения - упрощение уплотнительной системы рабочего поршня с цилиндром,обеспечение сбалансированности подвижных частей термомеханического генератора и повышение надежности его работы. Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение срока службы безотказной работы генератора. Указанная задача решается тем,что термомеханический генератор состоит из двух агрегатов, расположенных на одной оси на противоположных сторонах относительно общего корпуса, и содержащих рабочие и вытеснительные поршни, установленные в рабочие цилиндры,имеющие нагреватели и охладители, и соединенные между собой жесткими штоками, причем рабочий поршень первого цилиндра соединен с вытеснительным поршнем второго цилиндра, а рабочий поршень второго цилиндра с вытеснительным поршнем первого цилиндра. Между рабочими поршнями и корпусом установлены возвратные пружины. А полости цилиндров и полость между рабочими поршнями заполнены рабочей средой с давлением, равным среднему давлению рабочего режима 2 термомеханического генератора и наглухо герметизированы, что исключает утечку рабочей среды в атмосферу. Такая конструкция термомеханического генератора дает возможность снизить требования к системе уплотнения рабочего поршня с цилиндром и обеспечить балансировку подвижных частей,совершающих возвратно-поступательное движение,что повышает надежность и долговечность его работы. На фигуре 1 приведена принципиальная схема предлагаемого термомеханического генератора. Термомеханический генератор содержит корпус 11, рабочий цилиндр 1, электрогенератор 4, рабочие 3 и вытеснительные 7 поршни, нагревательные устройства 6, охладители 9, теплоизоляционные перегородки 2, возвратные пружины 10, постоянные или электромагниты 12. Термомеханический генератор работает следующим образом В исходном состоянии полости цилиндров и полость между рабочими поршнями заполняются рабочей средой с избыточным давлением, равным среднему давлению цикла термомеханического генератора. В процессе нагревания рабочей среды в цилиндрах 1 ее объем увеличивается и одновременно повышается давление, что приводит в движение рабочие поршни 3 левого поршня вправо,а правого поршня влево, при этом жестко связанные с ними вытеснительные поршни 7 также начнут перемещаться в правом цилиндре вправо и в левом цилиндре влево, т.е., в обоих цилиндрах вытеснительные поршни движутся в сторону зоны нагрева, вытесняя тем самым рабочую среду с горячей части 5 цилиндров к охлаждаемой части 8. Указанное движение рабочих поршней одновременно сжимает возвратные пружины 10 и среду, находящуюся между ними, постепенно повышая ее давление. По мере возрастания первоначального движения поршней, рабочая среда постепенно с горячих зон перегоняется к холодной части цилиндров, что приводит к постепенному ее охлаждению и снижению давления, и вследствие этого к уменьшению усилия на рабочие поршни. Одновременно с этим происходит сжатие возвратных пружин и среды, находящейся между поршнями, что повышает ее давление, в результате чего возрастает суммарная восстанавливающая сила, действующая с тыльной стороны рабочих поршней. При достижении равновесия движущей и инерционной сил, действующих на рабочие поршни со стороны рабочего цилиндра и суммарной восстанавливающей силы с тыльной стороны, они достигают нижнего мертвого (крайнего) положения. После охлаждения рабочей среды в цилиндрах суммарная восстанавливающая сила превышает движущую силу и она перемещает рабочие поршни,вместе с ними и вытеснительные поршни в обратном направлении, возвращая их в другое крайнее положение, в верхнюю мертвую точку. И при постоянном подводе теплоты к нагреваемой зоне и отводе ее с охлаждаемых частей рабочих цилиндров, вышеописанный рабочий цикл будет повторяться и далее. В ходе работы термомеханического генератора вместе с поршнями, закрепленные к ним постоянные или электромагниты 12 тоже совершают возвратно-поступательные движения, что приводит к выработке электрического тока в катушке 4 линейного электрогенератора. Возвратные пружины и соединительный канал 13 обеспечивают симметричность движения поршней даже при неравномерности нагрева и охлаждения рабочих цилиндров. Детали термомеханического генератора,совершающие возвратно-поступательное движение,двигаются в противофазе друг к другу и их силы инерции всегда будут направлены в противоположные направления, а так как их массы равны, равнодействующая инерционных сил при любом режиме работы будет равняться нулю. Наличие среднего давления со стороны рабочего цилиндра и с тыльной стороны рабочих поршней,позволяет выполнить уплотнения подвижных частей менее ответственными, например, такими же, как в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и упростить систему уплотнения подвижных частей и повысить надежность его работы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Сбалансированный термомеханический генератор Стирлинга, содержащий охладитель,нагреваемый рабочий цилиндр,генератор электрического тока,поршень-вытеснитель,отличающийся тем, что термомеханический генератор состоит из двух агрегатов,расположенных на одной оси на противоположных сторонах относительно общего корпуса, и содержащих рабочие и вытеснительные поршни,установленные в рабочие цилиндры, имеющие нагреватели и охладители, и соединенные между собой жесткими штоками, причем рабочий поршень первого цилиндра соединен с вытеснительным поршнем второго цилиндра, а рабочий поршень второго цилиндра с вытеснительным поршнем первого цилиндра. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочие поршни с корпусом взаимодействуют посредством возвратных пружин, а полости цилиндров и полость между рабочими поршнями заполнены рабочей средой с давлением, равным среднему давлению рабочего режима термомеханического генератора.