CN207920733U - 一种斜盘式斯特林发动机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种斜盘式斯特林发动机，属于热气机利用技术领域。该发动机包括发动机壳体、气缸及其内的活塞和活塞杆、输出主轴以及将活塞的直线运动转变为输出主轴旋转运动的斜盘机构；气缸一端连接有滑筒,活塞杆的一端制有可在滑筒中滑动的滑块；滑块通过球头杆与斜盘机构相连；斜盘机构包括斜盘和套设于输出主轴上的斜轴套，斜盘通过一个斜盘轴承安装在斜轴套的外周上，斜轴套的中心线与输出主轴的中心线相交成一个角度为10°—15°的夹角。本实用新型的活塞杆不直接与斜盘相连，使得活塞杆不受输出主轴旋转产生的周向作用力；并且该斜盘机构只使用一个轴承与输出主轴形成传动联接，使得输出传动结构更简单，减少气缸和活塞的摩擦损耗并延长使用寿命。

Description

一种斜盘式斯特林发动机
技术领域
本实用新型明涉及一种斯特林发动机，属于热气机利用技术领域。
背景技术
斯特林发动机(Stirling Engine)，是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。在这类机器中，工质(一般为氢气、氦气或空气)被封闭在循环回路中，通过外部加热，在较高的温度和压力下膨胀，推动活塞运动；通过冷却器冷却工质，使工质在较低的温度和压力下压缩，，从而获得正的循环功。其热力过程是按斯特林循环进行的。
双作用式斯特林发动机一般由四个气缸、四个冷却器和回热器按一定顺序热冷结构相接组合而成。高压的气体工质在气缸上部加热膨胀，驱动活塞向下运动。活塞下部分的气体进入冷却器、回热器，再次进入加热器被加热；活塞向下运动到底后需要传动机构带动其向上运动，以完成一个循环动作。四个气缸内的活塞和气体交替循环运动，产生上下的往复直线运动。为将往复直线运动的输出动力转化为旋转运动传递给负载，斯特林发动机有多种传动形式，比较实用的有四种类型：曲柄连杆机构、菱形机构、斜盘机构和摇摆轭机构。前两种传动机构传动链长,零部件多,体积大,成本高,关键问题是动力输出轴线与活塞往复直线运动轴线垂直成90度夹角,结构复杂，加大了发动机的震动和噪音，不适用于需要紧凑型的斯特林发动机，如用于碟式太阳能发电的斯特林发动机。
如图1所示，传统的斜盘式斯特林发动机的传动机构主要由活塞1-12、活塞杆1-11、斜盘1-7、滑靴1-9、滑块1-10、滑靴座1-8、主轴1-5、蓄能飞轮1-2、壳体1-1、轴承1-6、加热气缸1-13等组成。需要指出的是，传统斜盘式斯特林发动机的壳体1-1内部有一个制为整体的轴瓦1-4，轴瓦1-4通过至少两副轴承固定于主轴1-5上。如图1所示，其工作原理为工质经热胀冷缩对活塞1-12做功将活塞1-12的往复直线运动转化为旋转运动传递给负载，并带动发电机发电。斜盘传动机构具有整体结构体积小，输出运动特性好，噪声低、结构简单紧凑、可通过改变斜盘1-7倾角来调节功率等优点。
虽然斜盘结构具有上述优点，但是现有技术中斜盘结构仍过于复杂，需要对每个活塞1-12额外添加一个导向柱1-3，以减少主轴1-5旋转运动时给予斜盘1-7及活塞杆1-11的周向反作用力，减轻活塞杆1-11和气缸的相互作用力，从而减少活塞1-12和气缸的摩擦，以免影响气缸的气密性，造成损害。
检索发现发明专利(斯特林发动机斜盘传动装置,201310112466.6)，该发明专利虽没有导向柱，但完全是靠气缸与活塞杆之间的相互作用来抵消主轴旋转运动时给予活塞杆的周向反作用力，对活塞杆和密封结构损害较大，长期使用可能影响斯特林发动机的正常使用。此外，该发明的斜盘需要四个转盘轴承来使斜盘与输出主轴形成传动连接，活塞杆与斜盘之间也需要四个高速关节轴承来连接，传动连接机构过于复杂，成本高且不易维护。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术不足，提出一种结构简单紧凑、易于装拆且成本低的斜盘式斯特林发动机，该发动机杜绝了斜盘机构对气缸和活塞形成冲击，从而减少活塞和气缸的摩擦磨损，提高了活塞气缸寿命。
本实用新型为了解决上述技术问题提出的技术方案是：一种斜盘式斯特林发动机，包括发动机壳体、设置于发动机壳体上的气缸、设于所述气缸内的活塞和活塞杆、输出主轴、设于所述输出主轴上的飞轮，以及设置于发动机壳体内用于将所述活塞的直线往复运动转变为所述输出主轴旋转运动的斜盘机构；所述输出主轴的一端固定于所述发动机壳体内的支座上,其另一端伸出所述发动机壳体外；所述发动机壳体内固设有滑筒, 所述活塞杆的一端制有可在所述滑筒中滑动的滑块；
所述斜盘机构包括斜盘和套设于所述输出主轴上的斜轴套，所述斜盘通过一个斜盘轴承安装在所述斜轴套的外周上，所述斜轴套的外圆柱面的中心线与所述输出主轴的中心线相交成一个角度为10°—15°的夹角；
所述滑块与所述斜盘之间联接有球头杆, 所述球头杆的端部设有球头，所述滑块和/或斜盘内设置有与所述球头配合的滑靴；
所述发动机壳的内壁与所述斜盘之间设置有用以抵消所述输出主轴旋转时传递给所述斜盘的作用力的泄力机构。
这样,本实用新型的斯特林发动机在工作时：
1）由于采用斜轴套以10°—15°的夹角安装在主轴上，在斜轴套上安装一个轴承，再将斜盘安装在轴承外圈上。相比现有的斜盘传动斯特林发动机整体安装在主轴上的斜盘，本发明的斜盘机构分解为斜轴套、轴承和斜盘三个分立部分，且只有一个轴承，使得本实用新型斜盘机构的结构简单、加工安拆方便且成本更低。
2）由于本实用新型的斜轴套与主轴形成的是垂直孔与垂直轴装配结构，相比现有整体斜盘的斜孔与垂直轴装配结构，运动受力更好。另外，由于活塞杆与斜盘之间利用球头杆联接, 可以使活塞和气缸配合的动力机构与斜盘机构完全分成二个独立部分，安装拆卸更加方便；而且通过球头杆的球头与滑靴的配合，作用力的角度可以改变，接触面积的大大增加，使得斜盘在将直线往复运动转换为输出主轴的旋转动中的作用力得以均匀，从而减小活塞与气缸壁侧向接触力。
3）由于斜盘上特别设置的与发动机壳配合的泄力机构，可以使斜轴套在随输出主轴旋转时，对斜盘所带来的反作用力被抵消，而不会对活塞造成影响。彻底消除了旋转主轴旋转时通过斜盘传递给活塞的周向分力（反作用力），使得活塞和气缸之间的摩擦减小，提高了气缸的气密性，延长了活塞和活塞环的使用寿命。
上述方案的完善一是：所述泄力机构包括设置在所述发动机壳内壁的滑槽和设置在所述斜盘上嵌入所述滑槽中可上下往复直线滑动的泄力滑块。
上述方案的完善二是：所述斜盘安装在所述斜盘轴承的外圈上，所述斜盘轴承的内圈套设并固定在所述斜轴套的外周壁上。
上述方案的完善三是：所述球头杆的上下两端部分别设有上球头和下球头, 所述滑块内设置有上滑靴，所述斜盘内设有下滑靴；所述上球头嵌设在所述上滑靴中，所述下球头嵌设在所述下滑靴内。
上述方案的完善四是：所述上球头用滑靴螺帽固定在上滑靴内，所述下球头用盖板固定在下滑靴内，所述滑靴螺帽套设于所述球头杆上。
上述方案的完善五是：所述下滑靴的垂直中心线在所述斜盘为水平位置时与所述活塞的垂直中心线重合。
上述方案的完善六是：所述输出主轴的一端通过支座轴承固定于所述支座上，所述支座与所述发动机壳体的内筋板固定联接；所述输出主轴的另一端通过固定在所述发动机壳体的端盖轴承穿出所述发动机壳体的壳体壁。
上述方案的完善七是：所述滑筒固定在所述支座上，所述滑筒位于所述气缸的底端并与所述气缸连通；所述活塞杆经过密封滑套伸入到所述滑筒中。
进一步总结本实用新型采用上述技术方案述有益效果在于：
1）活塞杆不直接与斜盘相连，使得活塞杆不受任何周向力，减少活塞在气缸内的磨损，延长密封寿命；
2）该斜盘机构结构简单，仅使用一个轴承，省去传统的斜盘装置需要几套轴承，提高了传动效率；
3）没有导向柱或加类似的加强机壳，只有4 个滑筒，这样可以使设计更加简单，并且减少系统的成本，增加发动机的紧凑性；
4) 斜盘机构与发动机本体分离方便，减小维护成本，易于维修和更换等；
5）利用球头与滑靴配合，增大了接触面积，减少摩擦损耗，并且通过设置在斜盘一侧的泄力滑块和滑槽，改变了斯特林发动机的泄力方式，消除了活塞杆直线运动时的侧向力，延长发动机使用寿命；
6）由于斜盘上特别设置的泄力滑块与发动机壳上的滑槽配合，可以使斜轴套在随输出主轴旋转时，对斜盘所带来的反作用力通过泄力滑块释放到滑槽上，而不会对活塞造成影响。彻底消除了旋转主轴旋转时通过斜盘传递给活塞的周向反作用力，使得活塞和气缸之间的摩擦减小。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1传统斜盘式斯特林发动机示意图。
图2是本实用新型实施例一的斯特林发动机的结构示意图。
图3是图2的俯视图加局部剖视图。
图4是图2中斜盘机构的局部结构示意图。
图5是图4的部分横向剖视图。
图6本实用新型实施例二的斯特林发动机的结构示意图。
附图中标记如下，气缸1、活塞2、发动机壳体3、活塞杆4、滑块5、上滑靴6、上球头7、球头杆8、下球头9、下滑靴10、飞轮11、密封滑套12、输出主轴13、斜轴套14、支座轴承15、斜盘轴承16、斜盘17、盖板18、滑筒19、斜轴螺帽20、平台21、泄力滑块22、滑槽23、端盖轴承24、支座25、内筋板26。
具体实施方式
实施例一
如图2所示，一种斜盘式斯特林发动机，包括发动机壳体3、气缸1、输出主轴13以及设置于发动机壳体3内的斜盘机构。气缸1内设有活塞2和活塞杆4。该斜盘机构用于将活塞2的直线运动转变为输出主轴13的旋转运动。输出主轴13的一端通过支座轴承15固定于发动机壳体3内的支座25上（支座25与发动机壳体3的内筋板26固定联接）；输出主轴13的另一端套设有飞轮11，并通过固定在发动机壳体3端壁上的端盖轴承24穿出发动机壳体3的壳体壁后伸出发动机壳体3外，形成主轴的传动输出。如图3所示，斯特林发动机由四个双作用的活塞2和与其配套的气缸1组成。
如图2所示，气缸1安装在发动机壳体3上，在壳体3上设置有滑筒19（滑筒19固定在支座25上）。滑筒19位于气缸1的一端（底端）并与气缸1连通；活塞杆4经过密封滑套12伸入到滑筒19中，活塞杆4的一端制有可在滑筒19中滑动的滑块5，滑块5可在滑筒19中上下移动。
如图2所示，斜盘机构包括斜盘17和套设于输出主轴13上的斜轴套14，斜轴套14上安装一个斜盘轴承16，斜盘17套设安装在斜盘轴承16的外圈上，斜盘轴承16的内圈套设在斜轴套14的外周壁上并用斜轴螺帽20固定，即斜盘17通过斜盘轴承16安装在斜轴套14的外周上。斜轴套14的外圆柱面的中心线与输出主轴13的中心线相交成一个角度为10°—15°的夹角。
如图2所示，滑块5与斜盘17之间联接有连接杆,本实施例的连接杆采用上下两端部均设有球头的球头杆8 ,滑块5内设置有上滑靴6，球头杆8的上球头7嵌设在上滑靴6中；斜盘17设有下滑靴10，球头杆8的下球头9嵌设在下滑靴10内。
上球头7用空心螺栓固定在上滑靴6内，下球头9用盖板18固定在下滑靴10内。下滑靴10的垂直中心线在斜盘为水平位置时与活塞2的垂直中心线（与输出主轴13的中心线平行的中心线）重合。
如图2、图4所示，在发动机壳3内壁凸起的平台21上设有滑槽23。斜盘17上设置有嵌入滑槽23中并可在滑槽23中上下往复直线移动的泄力滑块22。
在本实施例中，四个气缸1和四个活塞2构成的活塞组相对输出主轴13的轴向中心线的圆周内对称分布，四个活塞组中相邻两个活塞2运动相位差为90度，四个活塞2在平面内分别通过各自的活塞杆4、滑块5、球头杆8连接在斜盘17四个象限对应位置上。当工质气体在气缸1内被加热时，一个活塞2上部气体受热膨胀，驱动活塞2向下运动，其上部气体因膨胀而压力和温度都下降。当该活塞2运动到底部时，由于飞轮11的惯性及其他三个活塞2的依次作用力，使斜轴套14平稳旋转到与该活塞2对称的位置处，在斜盘带动下该活塞2向上运动，使其上部气体被压缩和加热，以完成该活塞2上下的循环运动。
四个活塞2的运动模式是依次上下直线往复运动，活塞2的直线往复运动通过活塞杆4与球头杆8的连接，推动斜盘17依次在四个象限位置上做直线上下往复运动，即斜盘17整体围绕输出主轴13按照90度相位差形成波浪式的上下摆动。
当四个活塞2依次向下运动时，由于斜轴套14的垂直中心线与输出主轴13的轴向中心线相交成一个角度为10°-15°的夹角，球头杆8的下球头9在斜盘17的下滑靴10内产生两个方向的作用力，一是沿斜盘17法向的作用力，使斜盘17向下运动；另一是沿输出主轴13旋转方向的周向力。沿输出主轴13旋转方向的周向力也会通过斜盘轴承16的外圈传递给斜盘17对斜盘17形成一个作用力，斜盘17又将该作用力传递给泄力滑块22，泄力滑块22则将这部分作用力传给滑槽23的侧壁；从而抵消旋转的周向力在斜盘17上形成的这部分作用力，泄力滑块22同时也随斜盘17的上下运动而在滑槽23中形成上下往复直线滑动。沿输出主轴13旋转方向的周向力传递给斜盘轴承16的内圈形成转动而不受滑槽23的限制；同时斜盘17又受到泄力滑块22和滑槽23的限制不能转动，斜盘轴承16的外圈因受到斜盘17的限制也不能转动。斜盘轴承16的内圈形成转动再带动斜轴套14转动，从而使输出主轴13旋转。即这个沿输出主轴13旋转方向的周向力通过斜盘轴承16的内圈传递给斜轴套14，然后推动传动主轴13旋转，最终将活塞2的直线运动转换为输出主轴13的旋转运动并输出功率。
实施例二
本实施例是在实施例一基础上的变化，除了与实施例一相同以外所不同的是如图6所示：球头杆8变成单球头，即取消上球头7保留下球头9。
当然可以想到的是，也可以取消下球头9保留上球头7。
本实用新型不局限于上述实施例，比如：1))除了斜轴螺帽，斜盘轴承16与斜轴套14也可以用其他紧固件代替；2）除了空心螺栓，上球头7也可以用其他紧固件固定在上滑靴6上；3）泄力滑块22与滑槽23的配合限制斜盘转动并泄力的结构也可以用其他的限制斜盘转动并泄力结构代替，即发动机壳3的内壁与斜盘17之间设置有用以抵消输出主轴13旋转时传递给斜盘13的作用力的其他泄力机构；等等。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种斜盘式斯特林发动机，包括发动机壳体、设置于发动机壳体上的气缸、设于所述气缸内的活塞和活塞杆、输出主轴、设于所述输出主轴上的飞轮，以及设置于发动机壳体内用于将所述活塞的直线往复运动转变为所述输出主轴旋转运动的斜盘机构；所述输出主轴的一端固定于所述发动机壳体内的支座上,其另一端伸出所述发动机壳体外；所述发动机壳体内固设有滑筒, 所述活塞杆的一端制有可在所述滑筒中滑动的滑块；其特征在于：
所述斜盘机构包括斜盘和套设于所述输出主轴上的斜轴套，所述斜盘通过一个斜盘轴承安装在所述斜轴套的外周上，所述斜轴套的外圆柱面的中心线与所述输出主轴的中心线相交成一个角度为10°—15°的夹角；
所述滑块与所述斜盘之间联接有球头杆, 所述球头杆的端部设有球头，所述滑块和/或斜盘内设置有与所述球头配合的滑靴；
所述发动机壳的内壁与所述斜盘之间设置有用以抵消所述输出主轴旋转时传递给所述斜盘的作用力的泄力机构。
2.根据权利要求1所述斜盘式斯特林发动机，其特征在于：所述泄力机构包括设置在所述发动机壳内壁的滑槽和设置在所述斜盘上嵌入所述滑槽中可上下往复直线滑动的泄力滑块。
3.根据权利要求1或2所述斜盘式斯特林发动机，其特征在于：所述斜盘安装在所述斜盘轴承的外圈上，所述斜盘轴承的内圈套设并固定在所述斜轴套的外周壁上。
4.根据权利要求3所述斜盘式斯特林发动机，其特征在于：所述球头杆的上下两端部分别设有上球头和下球头, 所述滑块内设置有上滑靴，所述斜盘设有下滑靴；所述上球头嵌设在所述上滑靴中，所述下球头嵌设在所述下滑靴内。
5.根据权利要求4所述斜盘式斯特林发动机，其特征在于：所述上球头用滑靴螺帽固定在上滑靴内，所述下球头用盖板固定在下滑靴内，所述滑靴螺帽套设于所述球头杆上。
6.根据权利要求5所述斜盘式斯特林发动机，其特征在于：所述下滑靴的垂直中心线在所述斜盘为水平位置时与所述活塞的垂直中心线重合。
7.根据权利要求6所述斜盘式斯特林发动机，其特征在于：所述输出主轴的一端通过支座轴承固定于所述支座上，所述支座与所述发动机壳体的内筋板固定联接；所述输出主轴的另一端通过固定在所述发动机壳体的端盖轴承穿出所述发动机壳体的壳体壁。
8.根据权利要求7所述斜盘式斯特林发动机，其特征在于：所述滑筒固定在所述支座上，所述滑筒位于所述气缸的底端并与所述气缸连通；所述活塞杆经过密封滑套伸入到所述滑筒中。
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