RU205655U1

RU205655U1 - Crank mechanism of a Stirling engine type α

Info

Publication number: RU205655U1
Application number: RU2021109577U
Authority: RU
Inventors: Владимир Евгеньевич Кондаков
Original assignee: Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева"
Priority date: 2021-04-06
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2021-07-26

Abstract

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности к двигателям Стирлинга альфа (α) типа и направлена на повышение надежности двигателя, в котором использована крестообразная схема расположения цилиндров.Предложен кривошипно-шатунный механизм двигателя Стирлинга альфа (α) типа, содержащий две пары взаимно перпендикулярных цилиндров 1-4, поршни 5-8, помещенные в соосные цилиндры и соединенные штоками 9 и 10, центры которых надеты на внутренние шейки 12 и 13 коленчатого вала, закрепленные на концах средней щеки 11 коленчатого вала по разные ее стороны. Внешние шейки 16 и 17 коленчатого вала, закрепленные на крайних щеках 14 и 15 коленчатого вала, помещены в отверстия в кривошипах 18 и 19, снабженных зубчатыми колесами 20 и 21, входящими в зацепление с зубчатыми колесами 23 и 24, надетыми на соединительный синхронизирующий вал 22. На коленчатом валу крайние щеки 14 и 15 шарнирно соединены с внутренними шейками 12 и 13, выступающими из отверстий в штоках. Техническое решение позволяет повысить надежность двигателя Стирлинга.The utility model relates to the field of thermal power engineering, in particular to Stirling engines of the alpha (α) type and is aimed at increasing the reliability of an engine in which a cruciform arrangement of cylinders is used. cylinders 1-4, pistons 5-8, placed in coaxial cylinders and connected by rods 9 and 10, the centers of which are put on the inner journals 12 and 13 of the crankshaft, fixed at the ends of the middle cheek 11 of the crankshaft on different sides. The outer journals 16 and 17 of the crankshaft, fixed on the extreme cheeks 14 and 15 of the crankshaft, are placed in the holes in the cranks 18 and 19, equipped with gears 20 and 21 engaging with the gears 23 and 24, put on the connecting synchronizing shaft 22 On the crankshaft, the outer cheeks 14 and 15 are pivotally connected to the inner journals 12 and 13 protruding from the holes in the rods. The technical solution improves the reliability of the Stirling engine.

Description

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности к двигателям Стирлинга типа α.The utility model relates to the field of thermal power engineering, in particular to α-type Stirling engines.

Известен двигатель Стирлинга типа α, состоящий из двух взаимно перпендикулярных цилиндров - горячего и холодного, содержащих внутри себя поршни, шарнирно соединенные с шатунами, которые в свою очередь шарнирно соединены с общей шатунной шейкой коленчатого вала, что обеспечивает движение поршней в цилиндрах со сдвигом по фазе на 90°. Этот тип двигателя особенно эффективен при использовании низкопотенциальных источников тепла таких как, например, геотермальные (информационный ресурс: https://wiki.zr.ru/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D 0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0).Known Stirling engine type α, consisting of two mutually perpendicular cylinders - hot and cold, containing inside the pistons, pivotally connected to the connecting rods, which in turn are pivotally connected to the common connecting rod journal of the crankshaft, which ensures the movement of the pistons in the cylinders with a phase shift 90 °. This type of engine is especially effective when using low-grade heat sources such as, for example, geothermal (information resource: https://wiki.zr.ru/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0 % D1% 82% D0% B5% D0% BB% D1% 8C_% D0% A1% D1% 82% D0% B8% D1% 80% D 0% BB% D0% B8% D0% BD% D0% B3% D0% B0).

К основным недостаткам аналога относятся значительные боковые нагрузки, воздействующие на стенки цилиндров при наклонном положении шатунов, что ведет к повышенным потерям на трение и износу боковых поверхностей цилиндров и поршней.The main disadvantages of the analogue include significant lateral loads acting on the cylinder walls when the connecting rods are tilted, which leads to increased friction losses and wear of the side surfaces of the cylinders and pistons.

Известен поршневой двигатель с двумя парами взаимно перпендикулярно расположенных цилиндров, в котором движение поршней в соседних цилиндрах, как и в аналоге, осуществляется со сдвигом по фазе на 90° (АС СССР №118471, опубл. 10.12.1973 г., БИ №47). В этом двигателе поршни, помещенные в соосные цилиндры, соединены штоками снабженными крейцкопфами, центры штоков надеты на внутренние шейки коленчатого вала и закреплены на концах средней щеки коленчатого вала по разные ее стороны, внешние шейки коленчатого вала, закрепленные на его крайних щеках, помещены в отверстия кривошипов, снабженных зубчатыми колесами, входящими в зацепление с зубчатыми колесами, надетыми на соединительный синхронизирующий вал, оси внешних шеек коленчатого вала лежат на прямой, проходящей через центр средней щеки в плоскости, совпадающей с осями внутренних шеек. Например, данный механизм использован в двигателе внешнего сгорания Стирлинга типа α (АС СССР №376590, опубл. 05.04.1973 г., БИ №17).Known piston engine with two pairs of mutually perpendicular cylinders, in which the movement of pistons in adjacent cylinders, as in the analogue, is carried out with a phase shift of 90 ° (AS USSR No. 118471, publ. 10.12.1973, BI No. 47) ... In this engine, pistons placed in coaxial cylinders are connected by rods equipped with crossheads, the centers of the rods are put on the inner journals of the crankshaft and fixed at the ends of the middle cheek of the crankshaft on different sides, the outer journals of the crankshaft, fixed on its outer cheeks, are placed in the holes cranks, equipped with toothed wheels engaging with gears put on the connecting synchronizing shaft, the axes of the outer journals of the crankshaft lie on a straight line passing through the center of the middle cheek in the plane coinciding with the axes of the inner journals. For example, this mechanism is used in an external combustion engine of the Stirling type α (AS USSR No. 376590, publ. 05.04.1973, BI No. 17).

Данный двигатель внутреннего сгорания выбран в качестве прототипа предлагаемой заявки на полезную модель, как наиболее близкий по конструкции механической части.This internal combustion engine was chosen as a prototype of the proposed application for a utility model, as the closest in mechanical design.

Недостатки прототипа обусловлены кинематической схемой механизма, имеющей избыточные связи между элементами, что требует повышенной точности изготовления и приводит к заклиниванию двигателя.The disadvantages of the prototype are due to the kinematic scheme of the mechanism, which has redundant connections between the elements, which requires increased manufacturing accuracy and leads to engine jamming.

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении надежности двигателя Стирлинга типа а, в котором использована крестообразная схема расположения цилиндров.The technical result to be achieved by the proposed utility model consists in increasing the reliability of the Stirling engine of type a, in which a cruciform cylinder arrangement is used.

Для достижения названного технического результата в заявляемом кривошипно-шатунном механизме двигателя Стирлинга типа α, содержащем две пары взаимно перпендикулярных цилиндров, поршни, помещенные в соосные цилиндры, соединены штоками, центры которых надеты на внутренние шейки коленчатого вала и закрепленные на концах средней щеки коленчатого вала по разные ее стороны, внешние шейки коленчатого вала, закрепленные на крайних щеках коленчатого вала, помещены в отверстия в кривошипах, снабженных зубчатыми колесами, входящими в зацепление с зубчатыми колесами, надетыми на соединительный синхронизирующий вал, на коленчатом валу крайние щеки шарнирно соединены с внутренними шейками, выступающими из отверстий в штоках.To achieve the named technical result in the claimed crank mechanism of a Stirling type α engine, containing two pairs of mutually perpendicular cylinders, pistons placed in coaxial cylinders are connected by rods, the centers of which are put on the inner journals of the crankshaft and fixed at the ends of the middle cheek of the crankshaft along its different sides, the outer journals of the crankshaft, fixed on the outer cheeks of the crankshaft, are placed in the holes in the cranks, equipped with gear wheels engaging with the gear wheels put on the connecting synchronizing shaft, on the crankshaft the outer cheeks are pivotally connected to the inner journals, protruding from the holes in the rods.

Отличительным признаком предлагаемого кривошипно-шатунного механизма является шарнирное соединение крайних щек с внутренними шейками коленчатого вала.A distinctive feature of the proposed crank mechanism is the articulated connection of the outer cheeks with the inner journals of the crankshaft.

Благодаря наличию этих признаков устранены причины заклинивания двигателя за счет удаления избыточных связей в кинематической схеме, что ведет к повышению надежности работы двигателя.Due to the presence of these signs, the causes of engine jamming are eliminated by removing excess connections in the kinematic diagram, which leads to an increase in the reliability of the engine.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.The invention is illustrated by the drawings shown in FIG. 1-3.

На фиг. 1 представлена диметрическая проекция кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма двигателя.FIG. 1 shows a dimetric projection of the kinematic diagram of the engine crank mechanism.

На фиг. 2 - совмещенный разрез кинематической схемы параллельными плоскостями, проходящими через оси цилиндров.FIG. 2 is a combined section of the kinematic diagram with parallel planes passing through the axes of the cylinders.

На фиг. 3 - разрез кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма двигателя, плоскостью совпадающей с одной из осей цилиндров параллельной осям кривошипов и соединительного синхронизирующего вала.FIG. 3 - section of the kinematic diagram of the crank mechanism of the engine, the plane coinciding with one of the axes of the cylinders parallel to the axes of the cranks and the connecting synchronizing shaft.

Предлагаемый кривошипно-шатунный механизм содержит две пары цилиндров 1-4 с помещенными в них поршнями 5-8, связанными между собой штоками 9 и 10, коленчатый вал, включающий среднюю щеку 11 с внутренними шейками 12 и 13, крайние щеки 14 и 15 с внешними шейками 16 и 17, кривошипы 18 и 19 с зубчатыми колесами 20 и 21, соединительный синхронизирующий вал 22 с зубчатыми колесами 23 и 24.The proposed crank mechanism contains two pairs of cylinders 1-4 with pistons 5-8 placed in them, connected by rods 9 and 10, a crankshaft including a middle cheek 11 with internal journals 12 and 13, extreme cheeks 14 and 15 with external necks 16 and 17, cranks 18 and 19 with gears 20 and 21, connecting synchronizing shaft 22 with gears 23 and 24.

Кривошипно-шатунный механизм работает следующим образом.The crank mechanism works as follows.

Поочередный нагрев газа в горячих цилиндрах 1 и 3 (фиг. 2) вызывает переменное по направлению движение штока 9. Шарнирно связанный с ним посредством средней щеки 11 коленчатого вала шток 10 приводит в движение поршни 6 и 8, размещенные в холодных цилиндрах 2 и 4 для охлаждения горячего газа и подачи охлажденного газа в горячие цилиндры 1 и 3. Соединенные со штоками 9 и 10 с помощью крайних щек 14 и 15 коленчатого вала приводятся во вращение кривошипы 18 и 19 с закрепленными на них зубчатыми колесами 20 и 21, входящими в зацепление с зубчатыми колесами 23 и 24, закрепленными на соединительном синхронизирующем валу 22, который обеспечивает отсутствие перекосов в работе предлагаемого кривошипно-шатунного механизма и отбор мощности от двигателя. Вследствие симметричного расположения средней щеки 11 и крайних щек 14 и 15 коленчатого вала относительно штоков 9 и 10 при любом угле поворота кривошипов 18 и 19 поперечные составляющие усилий, возникающих в щеках 11, 14 и 15 коленчатого вала, компенсируют друг друга, и давление поршней 5-8 на стенки цилиндров 1-4 практически отсутствует, что позволяет отказаться от крейцкопфов и устранить опасность заклинивания двигателя.Alternate heating of the gas in hot cylinders 1 and 3 (Fig. 2) causes a direction-altering movement of the rod 9. The rod 10 pivotally connected to it by means of the middle cheek 11 of the crankshaft drives the pistons 6 and 8, located in the cold cylinders 2 and 4 for cooling the hot gas and supplying the cooled gas to the hot cylinders 1 and 3. Connected to the rods 9 and 10 by means of the extreme cheeks 14 and 15 of the crankshaft, the cranks 18 and 19 with gear wheels 20 and 21 attached to them, engaging with gear wheels 23 and 24, fixed on the connecting synchronizing shaft 22, which ensures the absence of distortions in the operation of the proposed crank mechanism and power take-off from the engine. Due to the symmetrical arrangement of the middle cheek 11 and the extreme cheeks 14 and 15 of the crankshaft relative to the rods 9 and 10 at any angle of rotation of the cranks 18 and 19, the transverse components of the forces arising in the cheeks 11, 14 and 15 of the crankshaft compensate each other, and the pressure of the pistons 5 -8 on the walls of cylinders 1-4 is practically absent, which eliminates the need for crossheads and eliminates the danger of engine jamming.

Claims

The crank mechanism of a Stirling engine of type α, containing two pairs of mutually perpendicular cylinders (1-4), pistons (5-8), placed in coaxial cylinders, are connected by rods (9 and 10), the centers of which are put on the inner journals (12 and 13) of the crankshaft, fixed at the ends of the middle cheek piece (11) of the crankshaft on different sides of it, the outer journals (16 and 17) of the crankshaft, fixed on the extreme cheeks (14 and 15) of the crankshaft, are placed in the holes in the crankshafts (18 and 19), equipped with gear wheels (20 and 21) engaging with gear wheels (23 and 24) put on the connecting synchronizing shaft (22), characterized in that on the crankshaft the extreme cheeks (14 and 15) are pivotally connected to internal journals (12 and 13) protruding from the holes in the rods.