CN212774539U - 一种转子结构斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及斯特林发动机技术领域，尤其涉及一种转子结构斯特林发动机，包括缸体和置于缸体内的转子，所述转子与缸体内壁之间形成至少两个腔室，所述缸体包括冷端缸体和热端缸体，所述冷端缸体的腔室与冷却器连通，热端缸体的腔室与加热器连通，并且冷端缸体中的腔室与热端缸体中的腔室一对一通过回热器相互连通，该发动机具有更高的功率密度、更高的热效率，同时具有较小的振动频率和振动幅度，适合各种对动力源要求苛刻的环境。比如潜艇、航天等环境。降低生产成本后，适用于发电机组及机动车辆的动力源，节能环保。

Description

一种转子结构斯特林发动机

技术领域

本实用新型涉及斯特林发动机技术领域，尤其涉及一种转子结构斯特林发动机。

背景技术

现有斯特林发动机都是活塞式，采用回热器来提高热效率，利用驱动活塞两端（驱动端与外界）的压力差实现热能与机械能的转换输出。活塞式发动机体积大、运行时振动强；运行时由于活塞两端温差变化巨大且迅速，导致设计难度高、密封难度大，致使设备寿命短，产品成本提高。并且巨大的温差使活塞及缸壁存在很高的热量传递，导致热量浪费，热效率低。

另外，回热器的效率偏低，工质在从热端流向冷端时，先被加热；工质在从冷端流向热端时，先被冷却。由此导致热量被浪费、回热器两端温差加大，整体热效率下降。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种转子结构斯特林发动机，以解决现有技术中的外燃发动机存在活塞式发动机体积大、运行时震动强以及热效率低的问题，该发动机具有更高的功率密度、更高的热效率，同时具有较小的振动频率和振动幅度。

为了解决上述问题，本实用新型所涉及的一种转子结构斯特林发动机采用以下技术方案：

一种转子结构斯特林发动机，包括缸体和置于缸体内的转子，所述转子与缸体内壁之间形成至少两个腔室，所述缸体包括冷端缸体和热端缸体，所述冷端缸体的腔室与冷却器连通，热端缸体的腔室与加热器连通，并且冷端缸体中的腔室与热端缸体中的腔室一对一通过回热器相互连通。

进一步的，所述转子的外轮廓线满足直角坐标方程：

X=R*sin(a)+r*sin(n*a)+r

Y=R*cos(a)+r*cos(n*a)

其中：R、r为固定参数；2≤n≤5；a为0-360°。

进一步的，所述缸体横穿有主轴，所述主轴包括中部的转子轴和两端的输出轴，其中，输出轴与缸体共轴设置，转子轴与输出轴偏心设置，所述转子套设于转子轴上；在转子的一侧或两侧安装有齿轮，在缸体对应侧的端板的中心设有齿圈，所述齿轮在齿圈内啮合转动，带动转子在绕输出轴公转的同时自转。

进一步的，所述缸体的侧面设置有阀座，阀座具有四个阀孔，阀孔一与缸体连通，阀孔二、阀孔三分别接通于加热器/冷却器的两端，阀孔四与回热器连通；在阀座中安装有介质流向切换阀，所述介质流向切换阀中设有第一通道和第二通道，其中第一通道的两端分别与阀座的两个阀孔对接，第二通道的两端分别与阀座的另外两个阀孔对接。

本实用新型的有益效果如下：

1、采用转子结构，取消了往复运动方式，有效减少了系统体积和重量，提高了功率密度，降低了运行时的振动。

2、采用分离的双转子结构实现了冷热分离，有效减少热传导引起的热损失。同时，将冷端与热端各自独立设计，能够有效降低设计及生产难度，有效减少热传导引起的热损失，能够提高运行时热端温度，从而提高系统的热效率。

3、利用发动机热端各腔体之间的压力差及冷端各腔体之间的压力差实现热能与机械能之间的转换输出，有效提高功率密度，且与外界环境无关，能够实现整体密闭运行，容易满足各种特殊环境要求。

4、装有工质流向切换阀，使工质在进入回热器前，不再经过加热器或冷却器。有效减少热损失，提高热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为缸体的结构示意图。

图3为转子的结构示意图。

图4为主轴的结构示意图。

图5为端板的结构示意图。

图6为介质流向切换阀的结构示意图。

图7为本实用新型的原理图。

图8为介质流向切换阀在吸热过程的示意图。

图9为介质流向切换阀在放热过程的示意图。

图10为转子在缸体内从状态（1）运动至状态（4）的过程变化图。

图11为转子在缸体内从状态（5）运动至状态（8）的过程变化图。

图12为转子在缸体内从状态（9）运动至状态（12）的过程变化图。

图中附图标记说明：1-冷端缸体，2-热端缸体，3-转子，4-冷却器，5-加热器，6-回热器，7-主轴，71-输出轴，72-转子轴， 8-齿轮，9-端板，10-齿圈，11-阀座，12-阀孔，13-介质流向切换阀，14-第一通道，15-第二通道，联轴器-16。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案作出进一步的说明。

实施例1：

一种转子结构斯特林发动机，如图1-12所示，包括缸体，缸体内安装有转子3，转子的外侧壁能够与缸体的内侧壁局部接触，使得转子与缸体内壁之间形成至少两个腔室。缸体包括冷端缸体1和热端缸体2，冷端缸体1的腔室与冷却器4连通，热端缸体2的腔室与加热器5连通，并且冷端缸体1中的腔室与热端缸体2中的腔室一对一通过回热器相互连通。本实施例中，转子3分别将热端缸体2、冷端缸体1分隔为三个腔体，其中，热端缸体2的三个腔室分别命名为A、B和C，冷端缸体1的三个腔室分别命名为a、b和c，A与a连通，B与b连通，C与c连通。

如图1所示，主轴7横穿于缸体中，主轴7由中部的转子轴72和两端的输出轴71组成，其中，输出轴72与缸体的中心轴共轴设置，而转子轴72与输出轴偏心设置。热端缸体2与冷端缸体1的输出轴72之间通过连轴器16连接。转子3套装于转子轴71上，在转子3的两侧安装有齿轮8，在缸体两侧密封有端板9，端板9的中心设有齿圈10，转子3两侧的齿轮能够在齿圈10内啮合转动，即齿轮8在齿圈10中绕发动机输出轴公转的同时自转，以实现转子在缸体内进行转动和平移。

其中，转子3的外轮廓线满足直角坐标方程：

X=R*sin(a)+r*sin(n*a)+r

Y=R*cos(a)+r*cos(n*a)

其中：R、r为固定参数；2≤n≤5；a为0-360°。

如图10-12所示，取N=3，以主轴7逆时针旋转，转子3顺时针旋转，热端轴相位领先冷端90度为例。取发动机运行时的12个典型位置如下图所示：（图中小圆为转子轴的同心圆，大圆为输出轴的同心圆。）

其中，每个状态下的两张图中，上图为热端缸体2，下图为冷端缸体1。热端缸体对应的3个腔室为A、B、C，冷端缸体对应的3个腔室为a、b、c。

斯特林循环分为4个过程：等容升温、等温膨胀、等容降温、等温压缩。

在下列状态图中可以看到：在状态⑴->⑷的过程中，B/b腔工作在等温膨胀过程，吸收热量，压力升高，对外做功；在状态⑷->⑺的过程中，B/b腔工作在定容降温过程，对外放热，压力下降，不做功；在状态⑺->⑽的过程中，B/b腔工作在等温压缩过程，对外放热，压力上升，做负功；在状态⑽->⑿的过程中，b/B腔工作在定容升温过程，吸收热量，压力升高，不做功。

与之对应，A/a腔等温膨胀过程是状态⑸->⑻；定容降温过程是状态⑻->⑾；等温压缩过程是状态⑾->⑵；定容升温过程是状态⑵->⑸。

C/c腔等温膨胀过程是状态⑼->⑿；定容降温过程是状态⑿->⑶；等温压缩过程是状态⑶->⑹；定容升温过程是状态⑹->⑼。

三组腔室压力变化作用在转子及主轴上，从而推动转子顺时针转动、主轴逆时针转动。

分析斯特林循环的4个过程，其中的“等容升温”、“恒温膨胀”两个过程为吸热；“等容降温”、“恒温压缩”两个过程为放热。为进一步提高热效率，在回热器两端加装介质流向切换阀13，如图6所示，在缸体的侧面设置有阀座11，阀座具有四个阀孔，在热端缸体2处，阀孔一与热端缸体连通，阀孔二、阀孔三分别接通于加热器5的两端，阀孔四与回热器6连通。（在冷端缸体处，阀孔一与冷端缸体连通，阀孔二、阀孔三分别接通于冷却器4的两端，阀孔四与回热器连通。）在阀座中安装有介质流向切换阀，介质流向切换阀13可以是柱形阀，也可以是板型阀。在介质流向切换阀13中设有第一通道14和第二通道15，其中第一通道14的两端分别与阀座11的两个阀孔对接，第二通道15的两端分别与阀座的另外两个阀孔12对接。

如图8-9所示，通过切换介质流向切换阀13，从而改变介质的流向，能够使介质在“等容升温”、“恒温膨胀”两个吸热过程中不流经冷却器，而是直接经冷端腔体的介质流向切换阀13的第一通道14进入回热器6。同样，在“等容降温”、“恒温压缩”两个放热过程中不流经加热器，直接经热端腔体的介质流向切换阀13的第一通道14进入回热器6。

最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何对本实用新型进行的等同替换及不脱离本实用新型精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型权利要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种转子结构斯特林发动机，包括缸体和置于缸体内的转子，所述转子与缸体内壁之间形成至少两个腔室，其特征在于：所述缸体包括冷端缸体和热端缸体，所述冷端缸体的腔室与冷却器连通，热端缸体的腔室与加热器连通，并且冷端缸体中的腔室与热端缸体中的腔室一对一通过回热器相互连通。

2.根据权利要求1所述的一种转子结构斯特林发动机，其特征在于：所述转子的外轮廓线满足直角坐标方程：

X=R*sin(a)+r*sin(n*a)+r

Y=R*cos(a)+r*cos(n*a)

其中：R、r为固定参数；2≤n≤5；a为0-360°。

3.根据权利要求2所述的一种转子结构斯特林发动机，其特征在于：所述缸体横穿有主轴，所述主轴包括中部的转子轴和两端的输出轴，其中，输出轴与缸体共轴设置，转子轴与输出轴偏心设置，所述转子套设于转子轴上；在转子的一侧或两侧安装有齿轮，在缸体对应侧的端板的中心设有齿圈，所述齿轮在齿圈内啮合转动，带动转子在绕输出轴公转的同时自转。

4.根据权利要求2或3所述的一种转子结构斯特林发动机，其特征在于：所述缸体的侧面设置有阀座，阀座具有四个阀孔，阀孔一与缸体连通，阀孔二、阀孔三分别接通于加热器/冷却器的两端，阀孔四与回热器连通；在阀座中安装有介质流向切换阀，所述介质流向切换阀中设有第一通道和第二通道，其中第一通道的两端分别与阀座的两个阀孔对接，第二通道的两端分别与阀座的另外两个阀孔对接。

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