Двигатель Стирлинга с усовершенствованным узлом уплотнения штоков

(51) 02 1/04 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ С целью обеспечения лучшей герметизаций рабочего цилиндра и повышения срока службы сальниковых уплотнений,в предлагаемой конструкции двигателя, узел уплотнения штоков поршней выполнены многоступенчатыми, а сами сальники снабжены самоуплотняющимися лепестками. При этом, в межсальниковое пространство подаются рабочая среда регулируемого давления, что снижает напор высокого давления рабочей среды на отдельные сальники и увеличивает срок службы сальников уплотнительного узла в несколько раз. Для создания регулируемого давления рабочей среды двигатель снабжается многоступенчатым компрессором (при работе на воздухе) или баллоном со сжатым газом с редукторами (при работе на водороде или гелий). Предлагаемое техническое решение позволяет снизить напор рабочего газа на отдельные сальники и продлевает срок службы уплотнительного узла двигателя.(72) Арапов Батырбек Арапов Бауржан Батырбекович Арапов Нуржан Батырбекович Сералиев Галымжан Елубекович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения ЮжноКазахстанский государственный университет им. М.Ауэзова Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ УЗЛОМ УПЛОТНЕНИЯ ШТОКОВ(57) Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению и может быть использовано для уплотнения штоков поршней двигателя Стирлинга. Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению и может быть использовано при проектировании двигателей Стирлинга. Известен двигатель (А.с. 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, кинематические связанные с коленчатым валом и отделяющиеся в цилиндре две полости, сообщающиеся между собой через нагреватель, регенератор, холодильник и запорное устройство, снабженный 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. Известен также двигатель (А.с. СССР 1275104 , 02 1/04, опуб. 07.12.86. Бюл. 45) с внешним подводом тепла, содержащий рабочий цилиндр, поршень, установленный в рабочем цилиндре и образующий с его крышкой полость сжатия, вытеснительный цилиндр, поршеньвытеснитель, установленный в вытеснительном цилиндре, охладитель, регенератор, нагреватель,снабженный дополнительным регенератором. Недостатками данного двигателя также являются сложности обеспечения герметичности рабочего поршня и поршня вытеснителя с цилиндрами. Известен также двигатель внешнего нагревания с повышенным КПД (Патент Российской Федерации 2201517), содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с нагревателем,регенератором,холодильником и с соединяющими их магистралями, рабочий и вытеснительный поршни и механизм превращения поступательного движения во вращательное. Каждый цилиндр установлен с возможностью поступательного перемещения внутри магнита или электромагнита и связан с механизмом превращения поступательного движения во вращательное. Каждый цилиндр установлен в направляющих, а магистрали оборудованы сильфонами. На одной оси с коленчатым валом установлен генератор, связанный силовыми кабелями с электромагнитом. Недостатками данного двигателя является недолговечность сильфонов и сложность их замены. Задачей настоящего изобретения - является снижение напора на уплотнительные элементы штоков рабочего и вытеснительного поршней. Технический результат, который может быть достигнут, при использовании предлагаемого изобретения заключается, в продлении срока службы уплотнительного узла двигателя. Поставленная задача достигается тем, что в двигателе Стирлинга, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, нагреватель, регенератор,холодильник, соединяющие их магистрали, рабочий и вытеснительный поршни и механизм превращения поступательного движения во вращательное, штоки рабочего и вытеснительного поршней снабжены многоступенчатыми уплотнительными узлами,2 состоящими из скользящих сальников с самоуплотняющимися лепестками. При этом предусмотрены каналы для подачи в межсальниковое пространство рабочую среду регулируемого давления, которое осуществляется при помощи компрессора (в случае рабочей среды воздух) или редуктора с использованием баллона со сжатой рабочей средой (в случае рабочей среды водород или гелий). Такая конструкция уплотнительного узла дает возможность снизить напор рабочей среды высокого давления на отдельные сальники и повышает их долговечность. Кроме того, замена изношенного сальника не требует больших затрат и труда по сравнению с затратами при замене сильфонов. На фиг.1 приведена принципиальная схема двигателя с предлагаемым уплотнительным узлом и компрессорной установкой. Узел уплотнения штока двигателя Стирлинга содержит (фиг.1) рабочий цилиндр двигателя 1,уплотняемый шток 2, пружинную шайбу 3,уплотнительный сальник 5, маслосъмный сальник 6, крейцкопф 7, многоступенчатый компрессор 8. В корпусе уплотнительного узла выполнены каналы 9 для подачи среды в межсальниковое пространство. Уплотнительный узел штока двигателя Стирлинга работает следующим образом (фиг.1). Рабочая среда (воздух) из последней ступени компрессора 8, имеющего число ступеней сжатия соответствующий числу ступеней сальников в узле уплотнения, с давлением равным среднему давлению рабочего цикла, подается одновременно в рабочее и буферное пространство рабочего цилиндра 1. При этом в полости А уплотнительного узла давление среды будет равным максимальному давлению среды в буферном пространстве. Это создает сжимающее усилие на наружную поверхность тонкостенного лепестка 4,который имеет конусообразную форму, и прижимает его к поверхности штока. Обжимающее усилие вокруг лепестка 4 сальника 5 позволяет компенсировать некоторую конусность и овальность поверхности штока 2 и обеспечивает надежную герметизацию буферного пространства. За первым сальником устанавливается второй и после него следующие сальники,расположенные последовательно по длине штока, принципы, работы которых такие же, как и у первого сальника. При этом в пространство В между первым и вторым сальниками по каналу 9 из второй ступени компрессора подается среда с давлением, равным двум третьим среднему давлению рабочей среды двигателя. А в пространство С подается среда с давлением равным одной третьей среднего давления рабочей среды. Таким образом,при трехступенчатом узле уплотнения на отдельные сальники действует напор в три раза меньше, чем рабочее давление среды, что увеличивает срок службы многоступенчатого уплотнения в три и более раза по сравнению с сроком службы уплотнения с одним сальником. Регулируя величины давления среды в пространствах В и С можно установить оптимальные их соотношения,обеспечивающие наибольшую долговечность уплотнительного узла. При этом компрессор работает в начале пуска двигателя и при работающем двигателе,периодически будет отключаться. Предлагаемое техническое решение позволяет снизить напор рабочего газа на отдельные сальники и продлевает срок службы уплотнительного узла двигателя. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Двигатель Стирлинга , содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, нагреватель, регенератор,холодильник, соединяющие их магистрали, рабочий и вытеснительный поршни и механизм превращения поступательного движения во вращательное,отличающийся тем, что штоки рабочего и вытеснительного поршней снабжены многоступенчатыми уплотнительными узлами,состоящими из скользящих сальников с самоуплотняющимися лепестками, и каналами для подачи в межсальниковое пространство рабочую среду регулируемого давления,которое осуществляется при помощи компрессора (в случае рабочей среды - воздух) или редуктора с использованием баллона со сжатой рабочей средой(в случае рабочей среды - водород или гелий).