CN101709677B - 一种基于双型线曲轴的循环斯特林发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于双型线曲轴的循环斯特林发动机。上中下三个支承板固定于固定设备上，两根轴安装在三个支承板上，两个活塞腔固定于下支承板上，两个活塞腔之间放置换热器，换热器与两个活塞腔之间用管路连接，热活塞腔表面包裹一层保温材料，冷活塞腔表面有用冷却水冷却，在两根轴的位于中支承板与下支承板之间的部分上各安装一个凸轮，两根连杆的一端分别与两个活塞腔中的活塞固连，两根连杆的另一端分别放置于两个凸轮的凹槽内，两个同步齿轮安装在两根轴的位于上支承板与中支承板之间的部分上，一根轴上安装飞轮，另一根轴上安装传输齿轮。本发明的闭式循环发动机能按照斯特林循环的过程进行工作，循环效率能达到同类发动机的前列。
Description
技术领域
本发明属于闭式循环往复活塞式发动机，具体地说涉及一种基于双型线曲轴的理想循环斯特林发动机。
背景技术
理论上斯特林发动机的热效率只与冷热两端的温度有关，冷热两端的温度差越大其热效率就越高，因此冷热两端与外界的换热效率，工质的热特性、回热效率以及机械效率成为提高斯特林发动机热效率的主要关注点。如：专利申请号为200480030898.1的发明专利文件中的“斯特林发动机”，通过在不同区段采用不同材料从而达到提高热端温度和降低连接冷热端构件的热损失来提高热效率的目的；专利申请号为200810058389.X的发明专利文件中的“配气活塞式斯特林发动机”，从机械结构入手减少了斯特林发动机的体积、重量并降低了成本，从而实现提高效率和使用寿命的目的。
但是，斯特林发动机必须工作在斯特林循环下，即要经过四个工作过程，即定温压缩过程、定容吸热过程、定温膨胀过程、定容放热过程，才能达到理论上的热效率，而目前实用的以及书中介绍的斯特林发动机多采用与内燃机相似的活塞、连杆和曲轴的传动机构，包括上述发明专利文件中的技术方案，由于其传动方式使冷热两端的活塞在曲轴连续转动的带动下而连续运动，总是要使热端和冷端的工质的体积不断变化，无法保证斯特林循环中的两个定容过程，因此，即使改善了换热效率、回热效率或是机械损失，在一定程度上提高了热效率，但实际的工作循环却大大偏离斯特林循环，就会在根本上导致热效率的变化规律发生改变，无法取得理想的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种从机械传动机构上保证斯特林发动机近似工作在理想斯特林循环下，使其热效率接近于理想斯特林循环的热效率的一种基于双型线曲轴的循环斯特林发动机。
本发明的目的是这样实现的：
上中下三个支承板固定于固定设备上，两根轴安装在三个支承板上，两个活塞腔固定于下支承板上，两个活塞腔之间放置换热器，换热器与两个活塞腔之间用管路连接，热活塞腔表面包裹一层保温材料，冷活塞腔表面有用冷却水冷却，在两根轴的位于中支承板与下支承板之间的部分上各安装一个凸轮，两根连杆的一端分别与两个活塞腔中的活塞固连，两根连杆的另一端分别放置于两个凸轮的凹槽内，两个同步齿轮安装在两根轴的位于上支承板与中支承板之间的部分上，一根轴上安装飞轮，另一根轴上安装传输齿轮。
本发明还可以包括
1、所述的两根轴安装在三个支承板上是指轴与支承板的连接采用能承受一定轴向载荷的轴承连接。
2、所述的两根连杆的另一端分别放置于两个凸轮的凹槽内，两根连杆在两个凸轮中的位置是一样的。
3、所述的凸轮是具有双型线的圆柱凸轮，凸轮别线的上型线由A、B、C三段线段连接组成，凸轮的型线的下型线由F、G、D、E四段线段连接组成，B线段和D线段的长度相等且是水平方向，A线段、C线段、G线段、D线段+E线段的长度相等而且他们与水平线所成夹角的大小也相等。
本发明提出了一种用于斯特林发动机的传动方式和机构，从机械传动机构上保证斯特林发动机近似工作在理想斯特林循环下，使其热效率接近于理想斯特林循环的热效率。本发明由两个具有双型线的圆柱凸轮、两个活塞、两个连杆、一对同步齿轮和个飞轮构成，采用一种具有双型线的圆柱凸轮使活塞按照理想斯特林循环运动轨迹要求进行运动。
图3给出了凸轮型线的展开图，图中B和D的长度是相等的，且是水平方向，A，C，G，D+E的长度是相等的，而且他们与水平线所成夹角的大小也是相等的。假设A直线的高度为h。
开始工作时，冷腔连杆处于上型线的最左端，而热腔连杆处于下型线的中间即直线D的最左端，假设凸轮向右移动，此时，冷腔活塞(与冷腔连杆连接在一起)向上移动，而热腔活塞(与热腔连杆连接在一起)却保持不动，这样冷热腔之间的工质就被压缩，由于冷腔的温度保持不变，故对应于斯特林循环中的等温压缩，当冷腔连杆在上型线中运动到a点时，热腔连杆运动到了D直线的右端，压缩过程完成，假设a点距上型线的最低点的高度为h1，则斯特林循环的压缩比为h/(h-h1)，因此，根据压缩比的要求和凸轮直径的大小，就可确定整个型线的形式。到达a点后，冷腔活塞继续上行，而热腔活塞下行，由于两条型线的斜率一样，故冷热腔的活塞上下行的速率一样，即气体不会被压缩，只是从冷腔转移到热腔中，并吸收热量，这就对应于斯特林循环中的等容吸热过程，当下型线到达b点时，上型线也到达了B直线的左端，从这时起，冷腔活塞保持不动，热腔活塞下行，膨胀对外做功，由于膨胀在热腔中进行，而且热腔的温度保持不变，就对应于斯特林循环中的等温膨胀过程，当热腔连杆到达下型线直线F的右端时，冷腔连杆也恰好到达直线B的右端，冷腔活塞下行，热腔活塞上行，由于两条直线的斜率一样，故两活塞的运动速率也是一样的，工质不被压缩，只是从热腔转移到冷腔，对应于斯特林循环中的定容放热过程，最后冷腔连杆到达直线C的右端即直线A的左端，热腔连杆到达直线G的右端即直线D的左端，回到了起始位置，完成了一个循环。
根据本发明，连杆和活塞连接在一起，连杆与凸轮连接在一起，而同步齿轮与凸轮通过轴连接在一起确保他们运动的同步性。首先，根据斯特林循环的四个工作过程在一个凸轮上设计两条不同的型线，分别对应两个活塞，这样通过这两条型线使活塞上下运动，而使两个活塞之间封闭的气体来回运动，在换热器中吸热，在冷却端放热，从而能按照斯特林循环的过程进行工作，推动连杆上下移动，由于凸轮的型线，这样气体作用于活塞上的力通过型线对凸轮就有一个切向力，从而推动凸轮旋转，实现对外输出功。由于连杆给予凸轮一个切向力，凸轮也必然给连杆一个反方向的力，这样就会导致连杆发生位移，甚至会卡死在凸轮中，所以我们设计了两个凸轮完全相同的凸轮，但他们的型线的旋向相反，这样在工作中，两个凸轮的旋转方向不同，他们对连杆的推力方向也相反，作用于连杆上时相互抵消，这样就保证了连杆能正常地运动，为了保证连杆在两个凸轮中的位置相同，我们又设计了同步齿轮，通过两个齿轮的噬合，保证了两个凸轮以同样的转速旋转。由于斯特林循环只有一个工程是做功的，所以我们设计了一个飞轮，用以储存一些能量，在不做功时，利用惯性使凸轮转动带动连杆上下移动来完成斯特林循环的其他三个过程。
通过以上各种巧妙的方法，保证了这款闭式循环发动机能按照斯特林循环的过程进行工作，循环效率能达到同类发动机的前列。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是凸轮型线的展开图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1和图2，整套发动机设备由支承板2，4和6支承，三个支承板则固定于固定设备，两根轴7放置于各支承板中，用于传递动力和承载各部分的质量，轴与支承板的的连接采用能承受一定轴向载荷的轴承，两个活塞腔11和13采用螺栓固定于支承板6上，两个活塞腔之间放置换热器9，换热器9与活塞腔之间用管路14连接，而活塞腔11表面包裹一层保温材料，保证热量不散失，作为斯特林循环中的热腔，活塞腔13表面则用冷却水冷却，作为斯特林循环中的冷腔，连杆10和12一端连接着活塞，另一端放置于两个凸轮5的凹槽内，活塞与连杆的连接采用焊接等手段，保证连杆10，12只能随活塞上下运动而不能转动，凸轮5与轴7之间的连接采用键连接，两个同步齿轮3与轴的连接也采用键连接，需要说明的是，在进行装配时，必须保证连杆10，12在两个凸轮中的位置是一样的，8是飞轮，与轴的连接采用键连接，飞轮的作用在于保证斯特林循环中的三个不做功过程也能正常转动，传输齿轮1与轴采用键连接的方式连接，传输齿轮1的作用在于输出功，带动发电机或者其他机械。
工作时，热腔13里的工质膨胀，推动活塞下行，活塞的下行带动连杆的下行，连杆作用于凸轮，使凸轮发生转动，凸轮的转动使轴也转动，从而带动两个同步齿轮3，飞轮8，传输齿轮1也转动，最终带动外部机械，完成做功，当循环处于其他过程时，由于飞轮的惯性很大，储存部分的能量，带动凸轮5转动，凸轮的转动就推动连杆10，12的上下移动，从而使活塞腔11，13之间的工质完成其他的三个过程。这个斯特林循环就能稳定地进行了。
Claims (3)
1.一种基于双型线曲轴的循环斯特林发动机，其特征是：上中下三个支承板固定于固定设备上，两根轴安装在三个支承板上，两个活塞腔固定于下支承板上，两个活塞腔之间放置换热器，换热器与两个活塞腔之间用管路连接，热活塞腔表面包裹一层保温材料，冷活塞腔表面用冷却水冷却，在两根轴的位于中支承板与下支承板之间的部分上各安装一个凸轮，两根连杆的一端分别与两个活塞腔中的活塞固连，两根连杆的另一端分别放置于两个凸轮的凹槽内，两个同步齿轮安装在两根轴的位于上支承板与中支承板之间的部分上，一根轴上安装飞轮，另一根轴上安装传输齿轮；所述的凸轮是具有双型线的圆柱凸轮，凸轮型线的上型线由A、B、C三段线段连接组成，凸轮的型线的下型线由F、G、D、E四段线段连接组成，B线段和D线段的长度相等且是水平方向，A线段、C线段、G线段、D线段+E线段的长度相等而且他们与水平线所成夹角的大小也相等。
2.根据权利要求1所述的一种基于双型线曲轴的循环斯特林发动机，其特征是：所述的两根轴安装在三个支承板上是指轴与支承板的连接采用能承受一定轴向载荷的轴承连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双型线曲轴的循环斯特林发动机，其特征是：两根连杆在两个凸轮中的位置是一样的。
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