RU172972U1

RU172972U1 - STIRLING ENGINE SUBJECTOR

Info

Publication number: RU172972U1
Application number: RU2016152050U
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Хрипач; Лев Юрьевич Лежнев; Денис Алексеевич Иванов; Алексей Павлович Татарников; Федор Андреевич Шустров; Борис Аркадьевич Папкин; Виктор Сергеевич Коротков; Игорь Аркадьевич Папкин
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2017-08-02

Abstract

Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее к конструкции вытеснителя свободнопоршневых двигателей с внешним подводом теплоты, работающим по циклу Стерлинга, и может быть использована при проектировании поршневых машин объемного вытеснения, например линейных компрессоров.Сущность полезной модели состоит в том, что вытеснитель двигателя Стирлинга содержит основание с уступом по наружной поверхности, купол, скрепленный с основанием посредством резьбового соединения, перегородки, установленные внутри купола и выполняющие функции тепловых экранов, направляющее кольцо и уплотнение, расположенное в соответствующей канавке основания. Отличие согласно полезной модели состоит в том, что вытеснитель, выполненный с возможностью заполнения внутреннего объема купола рабочим телом, снабжен расположенным вдоль оси устройства и предназначенным для скрепления основания с куполом соединительным стержнем ступенчатой формы, газовой пружиной, состоящей из цилиндра, которым служит внутренняя полость в нижней ступени соединительного стержня, и штока, установленного с возможностью взаимосвязи с присоединительным фланцем двигателя. Купол вытеснителя выполнен составным, состоящим из днища и тонкостенного корпуса цилиндрической формы с утолщением по торцу. В теле основания имеется, как минимум, одно калиброванное сквозное отверстие, через которое из полости сжатия двигателя в купол вытеснителя поступает рабочее тело. В каждой перегородке купола также содержится, как минимум, одно отверстие, предназначенное для равномерного распределения в разделенных перегородками полостях купола давления рабочего тела.Технический результат заключается в оптимизации массогабаритных параметров вытеснителя за счет снижения материалоемкости и повышения его конструктивной и эксплуатационной прочности.The utility model relates to the field of engine building, more specifically to the design of a displacer for free piston engines with an external heat supply operating according to the Sterling cycle, and can be used in the design of reciprocating volume displacement machines, for example linear compressors. The essence of the utility model consists in the fact that the Stirling displacer contains base with a step on the outer surface, a dome fastened to the base by means of a threaded connection, partitions installed inside the dome and yayuschie function of heat shields, the guide ring and the seal disposed in a corresponding groove of the base. The difference according to the utility model is that the displacer, configured to fill the internal volume of the dome with a working fluid, is equipped with a step-shaped connecting rod located along the axis of the device and used to fasten the base to the dome, a gas spring consisting of a cylinder, which serves as an internal cavity in the lower stage of the connecting rod, and the rod installed with the possibility of interconnection with the connecting flange of the engine. The displacer dome is made integral, consisting of a bottom and a thin-walled cylindrical body with a thickening at the end. In the base body there is at least one calibrated through hole through which the working fluid enters the displacer dome from the engine compression cavity. Each partition of the dome also contains at least one hole designed to evenly distribute the pressure of the working fluid in the cavities of the dome divided by the partitions. The technical result is to optimize the mass and size parameters of the displacer by reducing the material consumption and increasing its structural and operational strength.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее к конструкции вытеснителя свободнопоршневых двигателей с внешним подводом теплоты, работающим по циклу Стирлинга, и может быть использована при проектировании поршневых машин объемного вытеснения, например линейных компрессоров.The utility model relates to the field of engine building, more precisely to the design of a displacer of free piston engines with an external heat supply operating according to the Stirling cycle, and can be used in the design of reciprocating volume displacement machines, for example linear compressors.

Известен вытеснитель для свободнопоршневого двигателя Стирлинга (СПДС), содержащий основание со штоком, который проходит через рабочий поршень двигателя, и связанный с основанием посредством замкового соединения купол, выполненный в виде банки с размещенными в ней внутренними перегородками - тепловыми экранами (WO 2005066483, публ. 21.07.2005 г., фиг. 3 и 4). Перегородки имеют ступенчатый поперечный профиль с коническим выступом, которым каждая из перегородок устанавливается с защелкиванием в соответствующей ей кольцевой канавке на внутренней поверхности купола, обеспечивая необходимую жесткость конструкции. В днище купола и перегородках выполнено по несколько отверстий малого диаметра, благодаря которым внутренний объем вытеснителя заполнен рабочим телом, чем достигается снижение перепада давления снаружи и внутри вытеснителя и компенсируется расширение рабочего тела при нагреве.A displacer for a Stirling free-piston engine (SPDS) is known, which contains a base with a rod that passes through the working piston of the engine and a dome connected to the base by means of a lock, made in the form of a can with internal partitions placed therein - heat shields (WO 2005066483, publ. July 21, 2005, Fig. 3 and 4). The partitions have a stepped transverse profile with a conical protrusion, with which each of the partitions is mounted with a snap in its corresponding annular groove on the inner surface of the dome, providing the necessary structural rigidity. At the bottom of the dome and partitions, several small-diameter holes are made, thanks to which the internal volume of the displacer is filled with a working fluid, thereby reducing the pressure drop outside and inside the displacer and compensating for the expansion of the working fluid during heating.

Конструкция такого вытеснителя имеет низкий уровень технологичности, обусловленный неразборной конструкцией купола и принятых способов неразъемного соединения купола с основанием и установки перегородок, которые к тому же усложняют демонтаж вытеснителя при необходимости его обслуживания и ремонта.The design of such a displacer has a low level of manufacturability, due to the non-separable design of the dome and the accepted methods of permanently connecting the dome to the base and installing partitions, which also complicate the dismantling of the displacer if it is necessary for maintenance and repair.

Наиболее близким аналогом полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является вытеснитель для СПДС, в котором скрепление полого купола с основанием осуществляется посредством резьбового соединения (US 7866153, опубл. 11.01.2011 г.). Купол в прототипе так же, как и в предыдущем аналоге, выполнен в виде единой неразъемной детали и может иметь конусообразную форму с расширением к основанию. Внутри купола установлены перегородки - тепловые экраны, разделяющие внутренний объем купола на несколько отдельных незаполненных полостей, выполняющих функцию термосопротивлений, и термически изолирующих противоположные стороны вытеснителя. Перегородки выполнены в виде тонких дисков, прикрепленных к внутренней поверхности купола посредством высокотемпературной сварки или пайки, что придает прочность конструкции, но делает ее неразборной. Направляющее кольцо, служащее для восприятия любых боковых усилий при работе вытеснителя в составе двигателя и изготовленное из полиамидного материала, установлено в канавке, образованной сопрягаемыми проточками в куполе и основании вытеснителя, а уплотнительное кольцо установлено в отдельной канавке основания.The closest analogue of the utility model, selected as a prototype, is a displacer for SPDS, in which the fastening of the hollow dome with the base is carried out by means of a threaded connection (US 7866153, publ. 11.01.2011). The dome in the prototype, as in the previous analogue, is made in the form of a single integral part and can have a conical shape with an extension to the base. Partitions are installed inside the dome - heat shields that divide the internal volume of the dome into several separate unfilled cavities that perform the function of thermal resistance and thermally insulate opposite sides of the displacer. The partitions are made in the form of thin disks attached to the inner surface of the dome by high-temperature welding or soldering, which gives the structure strength, but makes it non-separable. The guide ring, which is used to absorb any lateral forces during operation of the displacer as part of the engine and made of polyamide material, is installed in the groove formed by the mating grooves in the dome and the displacer base, and the o-ring is installed in a separate groove in the base.

Основным недостатком прототипа является то, что неразъемная конструкция купола вытеснителя в виде единой детали усложняет и удорожает техпроцесс изготовления вытеснителя и затрудняет его последующее обслуживание, а также то, что в нем, поскольку конструкцией не предусмотрена возможность выравнивания перепада давлений внутри и снаружи вытеснителя путем заполнения внутренней полости купола поступающим в нее в процессе работы двигателя рабочим телом, требуемая эксплуатационная прочность вытеснителя может быть достигнута за счет утолщения стенок купола, а это ведет к завышению массогабаритных параметров вытеснителя, ухудшающему его рабочие характеристики.The main disadvantage of the prototype is that the integral design of the displacer dome in the form of a single part complicates and increases the cost of manufacturing the displacer and complicates its subsequent maintenance, as well as the fact that it does not provide for the possibility of equalizing the pressure drop inside and outside the displacer by filling the internal the cavity of the dome by the working fluid entering it during engine operation, the required operational strength of the displacer can be achieved by eniya dome wall, and this leads to an overestimation of the propellant weight and size parameters, deteriorates its performance.

К другим недостаткам прототипа следует отнести:Other disadvantages of the prototype include:

- силовое замыкание резьбового соединения купола с основанием посредством направляющего кольца;- force closure of the threaded connection of the dome with the base by means of a guide ring;

- выполнение части этого соединения на основании, т.к. поскольку жесткость соединения определяется высотой резьбового выступа, этот выступ может быть значительным и увеличивать материалоемкость основания;- the implementation of part of this connection on the basis, because since the stiffness of the connection is determined by the height of the threaded protrusion, this protrusion can be significant and increase the material consumption of the base;

- установку перегородок внутри купола с помощью сварочных работ.- installation of partitions inside the dome using welding.

Задача, решаемая полезной моделью, направлена на создание вытеснителя для СПДС с улучшенными рабочими характеристиками при упрощении технологии его изготовления и монтажа/демонтажа.The problem solved by the utility model is aimed at creating a displacer for SPDS with improved performance while simplifying the technology of its manufacture and assembly / disassembly.

Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, заключается в оптимизации массогабаритных параметров вытеснителя за счет снижения материалоемкости и повышения его конструктивной и эксплуатационной прочности.The technical result obtained by the implementation of the utility model is to optimize the mass and size parameters of the displacer by reducing material consumption and increasing its structural and operational strength.

Технический результат достигается тем, что вытеснитель двигателя Стирлинга, выполненный с возможностью перемещения в цилиндре двигателя, имеющем, по меньшей мере, полости сжатия и расширения рабочего тела и присоединительный фланец, и содержащий основание с уступом по наружной поверхности, купол, скрепленный с основанием посредством резьбового соединения, установленные внутри купола перегородки с функцией тепловых экранов, направляющее кольцо и расположенное в соответствующей канавке основания уплотнение, в отличие от прототипа, выполнен с возможностью заполнения внутреннего объема купола рабочим телом и снабжен расположенным вдоль оси устройства соединительным стержнем ступенчатой формы, предназначенным для скрепления основания с куполом, и газовой пружиной, создающей дополнительное усилие перемещения вытеснителя и состоящей из цилиндра, которым служит внутренняя полость, выполненная в нижней ступени соединительного стержня, имеющей больший диаметр, и штока, установленного с возможностью взаимосвязи одним концом с упомянутым присоединительным фланцем двигателя и имеющего внутреннюю проточку, для обеспечения поступления внутрь пружины рабочего тела, купол выполнен составным, состоящим из днища, снабженного базирующим буртиком, взаимодействующим с ответным ложементом, имеющимся на торце верхней ступени стержня основания, и тонкостенного корпуса цилиндрической формы с утолщением по торцу, которым купол опирается на упомянутый уступ основания и в наружной расточке которого размещено направляющее кольцо, и при этом основание в нижней части содержит буферный элемент, выполненный из упругого материала, в теле основания имеется, как минимум, одно калиброванное сквозное отверстие, обеспечивающее поступление внутрь купола вытеснителя рабочего тела из полости сжатия двигателя, а в каждой перегородке купола выполнено, как минимум, одно отверстие для равномерного распределения в разделенных перегородками полостях купола давления рабочего тела.The technical result is achieved by the fact that the displacer of the Stirling engine, made with the possibility of movement in the cylinder of the engine, having at least a cavity of compression and expansion of the working fluid and a connecting flange, and containing a base with a step on the outer surface, a dome fastened to the base by means of a threaded connections installed inside the partition dome with the function of thermal screens, a guide ring and a seal located in the corresponding groove of the base, in contrast to the prototype, it is filled with the possibility of filling the internal volume of the dome with a working fluid and is equipped with a step-shaped connecting rod located along the axis of the device, designed to fasten the base to the dome, and a gas spring, which creates additional force for displacing the displacer and consists of a cylinder, which is an internal cavity made in the lower stage a connecting rod having a larger diameter, and a rod mounted so as to be interconnected at one end with said connecting flange of the motor the body and having an internal groove, to ensure the entry of the working fluid into the spring, the dome is made integral, consisting of a bottom equipped with a base collar interacting with a response lodgement located on the end of the upper stage of the base rod, and a thin-walled cylindrical body with a thickening at the end, which the dome rests on said base step and in the outer bore of which a guide ring is placed, and the base in the lower part contains a buffer element made of elastic material, in the base body there is at least one calibrated through hole, which ensures that the displacer of the working fluid flows inside the dome of the engine compression cavity, and at least one hole is made in each partition of the dome for uniform distribution of the pressure of the working fluid in the cavity divided by the partitions of the dome .

Дополнительное отличие вытеснителя состоит в том, что резьбовое соединение для скрепления купола с основанием в нем образовано внутренним резьбовым отверстием в верхней ступени соединительного стержня и винтом, головка которого размещена в базирующем буртике днища купола.An additional difference of the displacer is that the threaded connection for fastening the dome to the base is formed by an internal threaded hole in the upper step of the connecting rod and a screw, the head of which is located in the base flange of the dome bottom.

Благодаря предлагаемой совокупности существенных признаков, приведенной в формуле полезной модели, обеспечивается улучшение рабочих характеристик вытеснителя, влияющих на рабочие параметры двигателя в целом, путем оптимизации массогабаритных параметров вытеснителя за счет снижения материалоемкости и повышения его конструктивной и эксплуатационной прочности.Thanks to the proposed set of essential features presented in the formula of the utility model, it is possible to improve the performance of the displacer, affecting the operating parameters of the engine as a whole, by optimizing the mass and size parameters of the displacer by reducing the material consumption and increasing its structural and operational strength.

Конструкционная и эксплуатационная прочность вытеснителя повышена за счет использования в конструкции вытеснителя перегородок с отверстиями и основания с отверстием, обеспечивающим поступление внутрь купола рабочего тела.The structural and operational strength of the displacer is increased due to the use of partitions with holes in the design of the displacer and a base with a hole that allows the working fluid to enter the dome.

Во время работы внутреннее пространство купола вытеснителя заполнено рабочим телом, поступающим в купол из полости сжатия через отверстие в основании, причем давление рабочего тела примерно равно среднему давлению цикла. Отверстия в перегородках позволяют давлению рабочего тела равномерно распределяться по всему куполу, исключая вероятность возникновения областей с разным давлением, вызванным высокой температурой днища и низкой температурой основания во время работы вытеснителя. Перегородки увеличивают жесткость купола, благодаря чему возможно снижение массы вытеснителя за счет уменьшения толщины стенки корпуса. При этом обеспечивается сохранение геометрии купола и структурной целостности вытеснителя в целом.During operation, the internal space of the displacer dome is filled with a working fluid entering the dome from the compression cavity through an opening in the base, and the working fluid pressure is approximately equal to the average cycle pressure. The openings in the partitions allow the pressure of the working fluid to be evenly distributed throughout the dome, eliminating the possibility of areas with different pressures caused by the high temperature of the bottom and the low temperature of the base during operation of the displacer. Partitions increase the stiffness of the dome, which makes it possible to reduce the weight of the displacer by reducing the thickness of the wall of the housing. This ensures the preservation of the geometry of the dome and the structural integrity of the displacer as a whole.

Скреплением купола с основанием с помощью расположенного по оси вытеснителя соединительного стержня обеспечивается конструктивная прочность вытеснителя за счет более надежного, чем в прототипе, силового замыкания соединения деталей купола на основании вытеснителя - это позволяет повысить продольную жесткость вытеснителя вдоль его оси, без увеличения толщины стенки корпуса и днища, образующих купол.By bonding the dome to the base with the help of a connecting rod located along the axis of the displacer, the displacer is structurally strong due to the more reliable force closure of the connection of the dome parts on the displacer base than in the prototype — this allows to increase the longitudinal stiffness of the displacer along its axis without increasing the wall thickness of the housing and bottoms forming a dome.

Полностью разборная конструкция вытеснителя значительно упрощает процесс изготовления и сборки, что особенно важно при производстве вытеснителя диаметром более 100 мм, и в перспективе позволяет проводить замену поврежденных или изношенных деталей, а также проводить исследовательские работы, направленные, например, на поиск новых материалов и наработке данных по изучению влияния геометрических параметров на величину тепловых и прочих потерь в рабочем цикле двигателя Стирлинга.The completely collapsible displacer design greatly simplifies the manufacturing and assembly process, which is especially important in the production of a displacer with a diameter of more than 100 mm, and in the future allows replacing damaged or worn parts, as well as conducting research work, for example, to search for new materials and generate data to study the influence of geometric parameters on the value of heat and other losses in the duty cycle of a Stirling engine.

Снижение материалоемкости достигается тем, что в конструкции минимизирована толщина стенок корпуса и днища, образующих купол, а также тем, что отдельные детали вытеснителя, не подверженные воздействию высоких температур, например основание и соединительный стержень, могут быть изготовлены из более легких металлических сплавов, чем купол.The reduction of material consumption is achieved by the fact that the design minimizes the thickness of the walls of the body and the bottom forming the dome, as well as the fact that individual parts of the displacer, not exposed to high temperatures, such as the base and the connecting rod, can be made of lighter metal alloys than the dome .

Достигнутая оптимизация массогабаритных параметров вытеснителя позволит двигателю работать на более высоких частотах, что обеспечит повышение удельных мощностных показателей.The achieved optimization of the mass and size parameters of the displacer will allow the engine to operate at higher frequencies, which will increase the specific power indicators.

Повышение прочности вытеснителя обеспечивает сохранение его геометрии и структурной целостности, в результате чего поддерживается постоянный зазор между куполом вытеснителя и стенкой цилиндра. Постоянство зазора стабилизирует механические и тепловые потери, что способствует формированию устойчивого автоколебательного процесса двигателя.Increasing the strength of the displacer ensures the preservation of its geometry and structural integrity, as a result of which a constant gap is maintained between the displacer dome and the cylinder wall. The constancy of the gap stabilizes mechanical and thermal losses, which contributes to the formation of a stable self-oscillating process of the engine.

Сущность полезной модели иллюстрируется чертежом, на котором дан общий вид вытеснителя двигателя Стирлинга (продольный разрез).The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which gives a General view of the displacer of the Stirling engine (longitudinal section).

На основании 1 закреплен или выполнен за одно с ним (фиг. 1) расположенный вдоль оси устройства соединительный стержень 2 ступенчатой формы, нижняя ступень которого выполнена с диаметром, большим, чем диаметр верхней ступени. На уступ 3 по наружной поверхности основания 1 установлен составной купол вытеснителя, состоящий из днища 4, снабженного базирующим буртиком 5, взаимодействующим с ответным ложементом, имеющимся на торце верхней ступени стержня 2, и тонкостенного корпуса 6 цилиндрической формы с утолщением по торцу.On the base 1 is fixed or made for one with it (Fig. 1) located along the axis of the device connecting rod 2 of a stepped form, the lower stage of which is made with a diameter larger than the diameter of the upper stage. On the ledge 3, on the outer surface of the base 1, a composite displacer dome is installed, consisting of a bottom 4, equipped with a basing shoulder 5, interacting with a response lodgement, located at the end of the upper stage of the rod 2, and a thin-walled cylindrical body 6 with a thickening at the end.

Для скрепления купола и основания 1 служит резьбовое соединение, образованное внутренним резьбовым отверстием в верхней ступени стержня 2 и винтом 7, головка которого размещена в базирующем буртике 5 днища 2 купола.For fastening the dome and the base 1 is a threaded connection formed by an internal threaded hole in the upper stage of the rod 2 and a screw 7, the head of which is placed in the base flange 5 of the bottom 2 of the dome.

Направляющее кольцо 8 размещено в наружной расточке утолщенного торца корпуса 6, а уплотнительное кольцо 9 установлено в соответствующей наружной канавке основания 1. Во время возвратно-поступательного движения вытеснителя направляющее кольцо 8 обеспечивает концентричное положение вытеснителя относительно цилиндра двигателя. В результате этого обеспечиваются необходимые условия для работы уплотнительного кольца 9 вытеснителя и уплотнения газовой пружины.The guide ring 8 is placed in the outer bore of the thickened end of the housing 6, and the sealing ring 9 is installed in the corresponding outer groove of the base 1. During the reciprocating movement of the displacer, the guide ring 8 provides a concentric position of the displacer relative to the engine cylinder. As a result of this, the necessary conditions are provided for the operation of the sealing ring 9 of the displacer and the gas spring seal.

Уплотнительное кольцо 9 вытеснителя обеспечивает разделение полостей сжатия и расширения. Упругость уплотнительного кольца 9 обеспечивается радиальным усилием, направленным в сторону цилиндра двигателя, в результате чего повышаются уплотнительные свойства.The displacer sealing ring 9 provides separation of the compression and expansion cavities. The elasticity of the sealing ring 9 is provided by a radial force directed towards the cylinder of the engine, resulting in increased sealing properties.

Кольца 8 и 9 выполнены из подходящих по физико-техническим свойствам антифрикционных материалов, способных работать в условиях сухого трения в течение установленного периода времени.Rings 8 and 9 are made of antifriction materials suitable for the physicotechnical properties, capable of working under dry friction conditions for a specified period of time.

Внутри купола концентрично его внутренней поверхности расположены одна или несколько перегородок 10, выполняющих функцию тепловых экранов, и в каждой перегородке 10 купола выполнено, как минимум, одно отверстие 11, С помощью отверстий 11 обеспечивается равномерное распределение давления рабочего тела внутри отдельных полостей купола между перегородками.Inside the dome concentrically on its inner surface there are one or several partitions 10 that perform the function of heat shields, and at least one hole 11 is made in each partition 10 of the dome. Using the holes 11, the pressure of the working medium is evenly distributed inside the individual cavity of the dome between the partitions.

Газовая пружина 12 вытеснителя, предназначенная для создания дополнительного усилия перемещения вытеснителя, состоит из цилиндра 13, которым служит внутренняя полость в нижней ступени соединительного стержня 2, и штока 14, установленного с возможностью взаимосвязи одним концом с присоединительным фланцем 15 цилиндра двигателя и имеющего внутреннюю проточку 16, соединяющую внутренний объем пружины 12 с внешним источником рабочего тела, например газовым баллоном.The gas spring 12 of the displacer, designed to create additional efforts to move the displacer, consists of a cylinder 13, which serves as an internal cavity in the lower stage of the connecting rod 2, and the rod 14, which is installed with the possibility of interconnection at one end with the connecting flange 15 of the engine cylinder and having an internal groove 16 connecting the internal volume of the spring 12 with an external source of the working fluid, for example a gas cylinder.

В теле основания 1 расположено, как минимум, одно калиброванное сквозное отверстие 17, через которое происходит постоянное заполнение внутренней полости купола вытеснителя рабочим телом, поступающим из полости сжатия двигателя, в результате чего снижается перепад давления рабочего тела снаружи и внутри купола. Благодаря подобранному размеру диаметра этого отверстия расход рабочего тела через отверстие 17 ограничен и во внутренней полости поддерживается давление, равное среднему давлению рабочего цикла двигателя.At least one calibrated through hole 17 is located in the base body 1, through which the internal cavity of the displacer dome is continuously filled with a working fluid coming from the compression cavity of the engine, as a result of which the pressure drop of the working fluid outside and inside the dome is reduced. Due to the selected size of the diameter of this hole, the flow rate of the working fluid through the hole 17 is limited and a pressure equal to the average pressure of the working cycle of the engine is maintained in the inner cavity.

При этом диаметры отверстий 11 и 17 подбираются исходя из выполнения условия, при котором перетекание рабочего тела не оказывает влияния на общий ход рабочего цикла. Причем диаметр и количество отверстий 11 и 17 подбираются в соответствии с рабочей частотой и средними давлением и температурой рабочего тела, а также типом используемого рабочего тела. Благодаря заполнению внутреннего объема вытеснителя рабочим телом и наличию перегородок 10 с отверстиями 11 обеспечивается его эксплуатационная прочность и сводятся к минимуму температурные деформации и риск повреждения конструкции.In this case, the diameters of the holes 11 and 17 are selected based on the fulfillment of the condition under which the overflow of the working fluid does not affect the overall course of the working cycle. Moreover, the diameter and number of holes 11 and 17 are selected in accordance with the working frequency and average pressure and temperature of the working fluid, as well as the type of working fluid. Due to the filling of the internal volume of the displacer with a working fluid and the presence of partitions 10 with holes 11, its operational strength is ensured and thermal deformations and the risk of structural damage are minimized.

В нижней части основания 1 имеется буферный элемент 18, выполненный из упругого материала.In the lower part of the base 1 there is a buffer element 18 made of an elastic material.

Вытеснитель размещается в отдельном цилиндре СПДС и разделяет его внутренний объем, заполненный рабочим телом, на полости сжатия и расширения. Причем горячая полость расширения, к которой подводится теплота от внешнего источника, находится со стороны днища 4 вытеснителя, а холодная полость сжатия, от которой отводится теплота, расположена между основанием 1 вытеснителя и рабочим поршнем, размещенным в другом цилиндре двигателя. Оба цилиндра связаны между собой присоединительным фланцем 15. Во время работы СПДС происходит циклическое возвратно-поступательное движение вытеснителя и рабочего поршня с одинаковой частотой и с определенным фазовым смещением, при котором движение вытеснителя отстает от движения поршня на определенное фазовое смещение.The displacer is placed in a separate SPDS cylinder and divides its internal volume, filled with a working fluid, into compression and expansion cavities. Moreover, the hot expansion cavity, to which heat is supplied from an external source, is located on the side of the bottom 4 of the displacer, and the cold compression cavity, from which heat is removed, is located between the base 1 of the displacer and the working piston located in another engine cylinder. Both cylinders are connected by a connecting flange 15. During SPDS operation, a cyclic reciprocating movement of the displacer and the working piston occurs at the same frequency and with a certain phase displacement, at which the displacer moves behind the piston by a certain phase displacement.

В процессе работы двигателя основание 1 вытеснителя подвержено распределенной нагрузке со стороны полости сжатия, а купол вытеснителя принимает распределенную нагрузку со стороны полости расширения двигателя. Обе нагрузки обусловлены давлением рабочего тела в полостях сжатия и расширения. При этом в результате теплового потока от горячего днища 4 в сторону холодного основания 1 вытеснителя между основанием 1 и днищем 4 существует высокий температурный градиент и купол вытеснителя имеет неравномерный нагрев.In the process of engine operation, the displacer base 1 is subjected to a distributed load from the side of the compression cavity, and the displacer dome receives the distributed load from the side of the engine expansion cavity. Both loads are caused by the pressure of the working fluid in the compression and expansion cavities. Moreover, as a result of the heat flow from the hot bottom 4 to the side of the cold displacer base 1, there is a high temperature gradient between the base 1 and the bottom 4 and the displacer dome has uneven heating.

Геометрия и структурная целостность вытеснителя сохраняется при наличии постоянного зазора между вытеснителем и стенкой цилиндра. Для создания зазора служит направляющее кольцо 8, обеспечивающее точную центровку вытеснителя внутри рабочего цилиндра, что исключает контакт основания вытеснителя со стенкой цилиндра и благоприятно сказывается на условиях работы уплотнения газовой пружины. Величина зазора определяет механические и тепловые потери, обусловленные движением рабочего тела в зазоре. Низкое отклонение значения потерь в течение стационарной нагрузки важно для обеспечения автоколебательного процесса двигателя.The geometry and structural integrity of the propellant is maintained when there is a constant gap between the propellant and the cylinder wall. To create a gap, a guide ring 8 is used, which ensures accurate centering of the displacer inside the working cylinder, which excludes contact of the displacer base with the cylinder wall and favorably affects the operating conditions of the gas spring seal. The size of the gap determines the mechanical and thermal losses due to the movement of the working fluid in the gap. Low deviation of the value of losses during stationary load is important to ensure the self-oscillation process of the engine.

Работа вытеснителя двигателя Стирлинга поясняется на примере пяти основных стадий его рабочего цикла.The operation of the Stirling engine displacer is illustrated by the five main stages of its duty cycle.

1. Изначально вытеснитель за счет усилия газовой пружины 12 находится в крайнем верхнем положении, а рабочий поршень расположен в крайнем нижнем положении. При этом объем полости сжатия максимальный, а полость расширения имеет минимальный объем, т.е. большая часть рабочего тела сосредоточена в полости сжатия. Началом первой стадии рабочего цикла является движение поршня вверх.1. Initially, the displacer due to the efforts of the gas spring 12 is in its highest position, and the working piston is in its lowest position. The volume of the compression cavity is maximum, and the expansion cavity has a minimum volume, i.e. most of the working fluid is concentrated in the compression cavity. The beginning of the first stage of the working cycle is the upward movement of the piston.

2. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела в холодной полости и перемещению некоторого его объема в полость расширения. При этом вытеснитель, находящийся под воздействием усилия газовой пружины 12, продолжает оставаться в крайнем верхнем положении.2. The upward movement of the working piston leads to compression of the working fluid in the cold cavity and the displacement of some of its volume into the expansion cavity. In this case, the displacer, which is under the influence of the force of the gas spring 12, continues to remain in its highest position.

3. По мере увеличения давления газа в полости расширения вытеснитель, преодолевая усилие газовой пружины 12, выходит из равновесного состояния и начинает двигаться вниз, выталкивая холодный газ из полости сжатия в полость расширения. Рабочий поршень, обладая большой инерцией, продолжает оставаться вблизи своего крайнего верхнего положения.3. As the gas pressure in the expansion cavity increases, the displacer, overcoming the force of the gas spring 12, leaves the equilibrium state and begins to move downward, pushing the cold gas from the compression cavity into the expansion cavity. The working piston, with great inertia, continues to remain near its extreme upper position.

4. Перемещение вытеснителя в сторону нижнего положения приводит к полному перетеканию рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, в которой происходит нагрев и последующее увеличение давления рабочего тела. Под действием давления со стороны полости сжатия рабочий поршень выходит из равновесия и вместе с вытеснителем начинает движение в сторону нижнего крайнего положения. Поскольку сжатие рабочего тела происходило в холодной полости при низкой температуре, а расширение в полости расширения при более высокой температуре, то результатом этого становится совершение полезной работы.4. The displacement of the displacer towards the lower position leads to a complete overflow of the working fluid from the compression cavity into the expansion cavity, in which heating and a subsequent increase in the pressure of the working fluid take place. Under the action of pressure from the side of the compression cavity, the working piston goes out of balance and, together with the displacer, starts moving towards the lower extreme position. Since the compression of the working fluid took place in a cold cavity at a low temperature, and expansion in the expansion cavity at a higher temperature, the result is the completion of useful work.

5. Оптимальная масса вытеснителя, по сравнению с массой рабочего поршня, приводит к тому, что вытеснитель раньше поршня прекращает движение вниз. В то время как рабочий поршень остается вблизи нижнего крайнего положения, вытеснитель под действием газовой пружины 12 начинает движение вверх и перемещает рабочее тело из полости расширения в полость сжатия. После этого рабочий цикл СПДС повторяется вновь.5. The optimum mass of the displacer, compared with the mass of the working piston, leads to the fact that the displacer stops the downward movement before the piston. While the working piston remains close to the lower extreme position, the displacer under the action of the gas spring 12 starts to move upward and moves the working fluid from the expansion cavity to the compression cavity. After that, the work cycle of the SPDS is repeated again.

В верхнем положении вытеснителя объем газовой пружины 12 максимален и, соответственно, развиваемое усилие минимально. Движение вытеснителя вниз приводит к уменьшению объема газовой пружины 12 и к повышению усилия, направленного против движения вытеснителя.In the upper position of the displacer, the volume of the gas spring 12 is maximum and, accordingly, the developed force is minimal. The movement of the displacer down leads to a decrease in the volume of the gas spring 12 and to increase the force directed against the movement of the displacer.

Совокупное действие газовой пружины вытеснителя 12, изменения давления рабочего тела в полостях сжатия и расширения, инерционные силы вытеснителя, обусловленные его массой, а также тепловые и механические потери, возникающие во время движения вытеснителя, образуют его динамическую систему, обеспечивающую колебание вытеснителя с необходимыми частотой и фазовым смещением, которые оказывают непосредственное влияние на стабильность автоколебательного процесса и постоянство развиваемой мощности двигателя.The combined action of the gas spring of the displacer 12, changes in the pressure of the working fluid in the compression and expansion cavities, the inertial forces of the displacer due to its mass, as well as the thermal and mechanical losses that occur during the movement of the displacer, form its dynamic system, which provides the oscillator of the displacer with the necessary frequency and phase displacement, which have a direct impact on the stability of the self-oscillating process and the constancy of the developed engine power.

В процессе пуска двигателя его автоколебательный режим не установлен, в результате чего вероятен выход амплитуды колебаний вытеснителя за границы предельных значений, определяемых его максимальным рабочим ходом. Также во время работы двигателя в силу ряда причин могут возникнуть условия, которые приведут к отклонению автоколебательного процесса от расчетных значений. Перечисленные особенности работы способны привести к жесткому удару основания и днища вытеснителя о корпусные детали двигателя, что способно привести к их повреждению. Для исключения повреждений основания вытеснителя используется буферный элемент 18, который не допускает жестких ударов за счет упругого столкновения деталей. Риск повреждения днища 4 вытеснителя снижен, поскольку закрывающая стенка полости расширения имеет полусферическую форму, профиль которой повторяет геометрию днища 4. Таким образом, нагрузка равномерно распределяется по всей поверхности и не приводит к серьезным повреждениям.During the engine start-up, its self-oscillating mode was not established, as a result of which the amplitude of the displacer oscillations is likely to go beyond the limits of the limit values determined by its maximum stroke. Also, during engine operation, for several reasons, conditions may arise that lead to a deviation of the self-oscillating process from the calculated values. The listed features of work can lead to a hard impact of the base and bottom of the displacer on the body parts of the engine, which can lead to damage. To exclude damage to the displacer base, a buffer element 18 is used, which does not allow hard impacts due to elastic collision of parts. The risk of damage to the bottom 4 of the displacer is reduced, since the closing wall of the expansion cavity has a hemispherical shape, the profile of which follows the geometry of the bottom 4. Thus, the load is evenly distributed over the entire surface and does not cause serious damage.

Claims

1. The displacer of the Stirling engine, made with the possibility of movement in the cylinder of the engine, having at least a cavity of compression and expansion of the working fluid and a connecting flange, and containing a base with a step on the outer surface, a dome fastened to the base by means of a threaded connection installed inside partition walls with the function of heat shields, a guide ring and a seal located in the corresponding groove of the base, characterized in that it is configured to fill the inner its volume of the dome with a working fluid and is equipped with a step-shaped connecting rod located along the axis of the device, designed to fasten the base with the dome, and a gas spring that creates additional force for displacing the displacer and consists of a cylinder, which is an internal cavity made in the lower stage of the connecting rod, which has a larger diameter, and a rod installed with the possibility of interconnection at one end with said connecting flange of the engine and having an internal groove for ensuring entry into the spring of the working fluid, the dome in it is made integral, consisting of a bottom equipped with a base collar, interacting with a response lodgement, available at the end of the upper stage of the base rod, and a thin-walled cylindrical body with a thickening at the end, which the dome rests on the said step the base and in the outer bore of which the guide ring is placed, and the base in the lower part contains a buffer element made of an elastic material, in the base body there is at least one calibrated through hole, which ensures that the displacer of the working fluid enters the dome from the compression cavity of the engine, and at least one hole is made in each partition of the dome for uniform distribution of the pressure of the working fluid in the partitioned cavities of the dome.

2. The displacer according to claim 1, characterized in that the threaded connection for fastening the dome and base is formed by an internal threaded hole in the upper stage of the base rod and a screw, the head of which is located in the base flange of the dome bottom.