Узел с двигателем стирлинга (варианты)
Изобретения предназначены для использования в бытовых комбинированных системах, служащих для создания тепла и энергии. Узел содержит двигатель Стирлинга и монтажную раму. Двигатель Стирлинга имеет вытеснитель и силовой поршень, расположенные таким образом, чтобы совершать возвратно-поступательное движение вдоль оси. Двигатель установлен на раме так, что при его использовании ось проходит по вертикали, при этом двигатель подвешен к монтажной раме на множестве пружин, работающих на растяжение. Приведен другой вариант выполнения узла с двигателем Стирлинга. Такое выполнение узла позволяет снизить шум и вибрации двигателя. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к узлу с двигателем Стирлинга. В частности, изобретение относится к узлу, пригодному для использования в бытовом комбинированном агрегате, предназначенном для вырабатывания тепла и энергии.
Такой агрегат предназначен для использования в быту вместо обычного бойлера. В данном случае важно то, чтобы шум и вибрация удерживались на весьма низком уровне, и этот уровень был приемлем для потребителя.
Общепринятая практика заключается в удерживании двигателя посредством его монтажа на пружинах, которые изолируют вибрацию, создаваемую в течение обычной работы двигателя. Пример двигателя Стирлинга, имеющего такую компоновку, представлен в патенте США 4400941. Чтобы довести до максимума степень изоляции, требуется монтажная система, обладающая малой жесткостью. Однако выполнение такой системы с работающими на сжатие пружинами может привести к неустойчивости.
Согласно настоящему изобретению узел с двигателем Стирлинга содержит двигатель Стирлинга, имеющий вытеснитель и силовой поршень, расположенные таким образом, чтобы совершать возвратно-поступательное движение вдоль оси, монтажную раму, на которой двигатель установлен так, что при использовании ось проходит по вертикали, при этом двигатель подвешен к монтажной раме на множестве пружин, работающих на растяжение.
В случае подвешивания двигателя Стирлинга с помощью пружин, а не его опирания на пружины, используемые пружины могут представлять собой пружины, обладающие малой жесткостью и большой деформацией. Таким образом, будет устранено присущее известным техническим решениям противоречие между необходимостью создания устойчивой опоры и необходимостью наличия монтажной системы, обладающей малой жесткостью.
Пружины, с которых свешивается двигатель, особенно приемлемы для предотвращения передачи низкочастотных вибраций. Для улучшения демпфирования в большем диапазоне частот предпочтительно, чтобы последовательно с каждой пружиной была подсоединен резиновый элемент. Элемент может находиться между пружиной и двигателем, между пружиной и монтажной рамой либо и там, и там. Такие резиновые элементы особенно полезны для гашения высокочастотных вибраций.
Предпочтительно, чтобы монтажная рама была соединена с нижней половиной двигателя. Этот позволяет использовать более длинные пружины, чем те, которые потребовались бы в случае подсоединения монтажной рамы к верхней части двигателя.
Чтобы обеспечить дополнительную радиальную устойчивость двигателя Стирлинга в пределах, окружающих подвешивающее устройство, а также обеспечить приемлемое уплотнение зоны сгорания, корпус камеры сгорания, расположенный выше и вокруг верхнего колпака двигателя, может включать в себя гибкую кольцеобразную направляющую, находящуюся между его внутренней нижней поверхностью и двигателем. Это может быть, например, O-образное кольцо, изготовленное из материала, пригодного для использования при такой вибрационной, высокотемпературной окружающей среде. За счет этого будет обеспечена возможность некоторого бокового перемещения, так что вибрация не приведет к повреждению и будет предотвращена передача нежелательных сил, а также будет сохранена устойчивость двигателя. При этом нижнее монтажное кольцо размещено на нижнем фланце двигателя. Как вариант, также могут быть использованы уплотняющие устройства, способные противостоять высокой температуре и сильной вибрации окружающей среды.
Пружины предпочтительно имеют длину в свободном состоянии порядка 100-150 мм и общую жесткость между 0,6 и 0,9 кг/мм. Длина пружин, когда двигатель подвешен на пружинах к раме, равна длине корпуса двигателя ±20%.
Описанное выше устройство представляет собой особенно предпочтительное подвесное устройство для двигателя Стирлинга. Однако дополнительные усовершенствования конструкции могут быть получены посредством устройства для поглощения вибрации, чтобы довести до минимума вибрацию двигателя и, следовательно, уменьшить нагрузку на подвесное устройство. Поэтому предпочтительно, чтобы масса, служащая для поглощения вибрации, была подвешена к двигателю по меньшей мере на одном упругом элементе и была расположена так, чтобы создавать силу, находящуюся в противофазе по отношению к двигателю, т.е. ее вибрация находится в противофазе с вибрацией двигателя. Масса для поглощения вибрации может быть подвешена под двигателем либо может представлять собой кольцеобразную массу, подвешиваемую таким образом, чтобы окружать двигатель. Последняя упомянутая компоновка может оказаться предпочтительной для создания двигателя Стирлинга с уменьшенной общей высотой.
В случае симметричной кольцеобразной массы для поглощения вибрации наблюдается тенденция к совпадению частоты угловых продольных колебаний с частотой колебаний по вертикали вследствие сочетания инерции массы вокруг горизонтальной оси и жесткости, касающейся поворота пружинной системы вокруг той же самой оси.
Уровень угловых продольных колебаний связан с недостаточной симметрией диаметральной жесткости, возможным смещением поглощающей массы от центра жесткости пружины и близостью частоты возбуждения к настроечной частоте по вертикали и к частотам угловых продольных колебаний. Поэтому упругие элементы предпочтительно располагают ассиметрично относительно основной оси кольцеобразного элемента. Это можно выполнить, например, посредством установки упругих элементов, имеющих разную жесткость. Их предпочтительно располагают симметрично с противоположных сторон первой оси, перпендикулярной основной оси, а более предпочтительно также располагают симметрично с противоположных сторон второй оси, перпендикулярной основной оси и первой оси.
Как вариант, неравномерная компоновка может быть обеспечена посредством группирования упругих элементов вблизи от первой оси, перпендикулярной основной оси. В случае такой компоновки предпочтительно, чтобы упругие элементы были расположены симметрично с противоположных сторон от первой оси.
В любом случае масса, поглощающая вибрацию, может быть уменьшена вблизи от упругих элементов, по сравнению с остальной частью массы для поглощения вибрации.
Эта неравномерная кольцеобразная поглощающая масса составляет независимый аспект изобретения, что в широком смысле определено как узел с двигателем Стирлинга, содержащий двигатель Стирлинга, имеющий вытеснитель и поршень, расположенные таким образом, чтобы совершать возвратно-поступательное движение вдоль оси, монтажную раму, на которой двигатель установлен так, что при использовании ось проходит по вертикали, при этом кольцеобразная поглощающая масса окружает двигатель Стирлинга и подвешена к двигателю на множестве упругих элементов таким образом, чтобы ее вибрация находилась в противофазе с вибрацией двигателя, причем упругие элементы размещены асимметрично относительно основной оси кольцеобразного элемента.
Эта компоновка может быть использована в том случае, когда двигатель подвешен на пружинах согласно первому аспекту изобретения либо подвешен на каком-то ином упругом монтажном средстве.
Далее пример узла с двигателем Стирлинга согласно настоящему изобретению будет описан со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлено схематическое поперечное сечение узла;
на фиг.2А представлен вид спереди по высоте части монтажного узла, включающего в себя две пружины;
на фиг.2В представлен боковой вид по высоте компоновки, показанной на фиг.2А;
на фиг.3 показано схематическое поперечное сечение узла, представляющего собой альтернативу узлу, показанному на фиг.1;
на фиг.4 представлена схема динамики подвесного устройства;
на фиг.5А представлена схема, демонстрирующая различные виды вибрации кольцеобразной поглощающей массы;
на фиг.5В представлена схема, демонстрирующая оси поглощающей массы;
на фиг.6 представлена схема, демонстрирующая первую компоновку пружин;
на фиг.7 представлена схема, демонстрирующая вторую компоновку пружин;
на фиг.8 представлен вид в перспективе кольцеобразной массы, пригодной для использования в случае компоновки согласно фиг.7.
Узел с двигателем Стирлинга содержит двигатель 1 Стирлинга, который хорошо известен в этой отрасли. Двигатель Стирлинга содержит вытеснитель и силовые поршни, оба из которых расположены таким образом, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении. Это приводит к созданию чисто вертикальной вибрации самого двигателя 1 Стирлинга.
Чтобы уменьшить эту вибрацию, масса 2 для поглощения вибрации подвешена посредством определенного количества пружин 3, работающих на сжатие, находящихся как выше, так и ниже поглощающей массы 2. Это устройство заключено в корпус 4, который жестко прикреплен к донной части двигателя 1 Стирлинга. Массу 2 и пружины 3 регулируют таким образом, что когда двигатель 1 Стирлинга действует с его обычной рабочей частотой, поглощающая масса 2 вибрирует по возможности наиболее близко к противофазе по отношению к двигателю 1 Стирлинга. В результате этого общая вибрация двигателя 1 Стирлинга и корпуса 4 будет значительно уменьшена.
Рассматриваемое устройство включает в себя восемь работающих на сжатие пружин 3, находящихся выше массы 2 для поглощения вибрации, составляющей 10,5 кг (±10%), и восемь работающих на сжатие пружин 3, находящихся ниже массы для поглощения вибрации. Длина этих пружин в свободном состоянии может составлять, например, 67 мм, а их жесткость 66,25 Н/мм (±10%). Поглотитель настраивают таким образом, чтобы он поглощал вибрацию с частотой от 48 Гц до 52 Гц (минимальная вибрация с частотой 50,25 Гц).
Описанный выше узел с двигателем 1 Стирлинга и корпусом 4 прикреплен к монтажной раме 5, которая окружает головку двигателя, как показано на фиг.1. Двигатель 1 и корпус 4 свешиваются с монтажной рамы посредством большого количества монтажных узлов, отстоящих друг от друга вокруг двигателя Стирлинга, один из которых показан на фиг.2А и 2В. Каждый монтажный узел содержит пару работающих на растяжение пружин 6, выполненных на их верхних концах с крюком 7 для крепления к монтажной раме 5. Второй крюк 8 крепит нижний конец каждой пружины к раме 9.
Толщину проволоки пружины выбирают таким образом, чтобы она была достаточной для удерживания веса двигателя 1 и поглощающей массы 2, который может составлять от 40 до 80 кг, но обычно составляет 60 кг. В этом случае диаметр проволоки обычно будет составлять 2,4 мм.
Чтобы обеспечить оптимальную изоляцию подвески, позволяющую уменьшить низкочастотную вибрацию, пружины должны быть по возможности длиннее, при этом точки крепления должны отстоять друг от друга настолько, насколько это позволяет конструкция. В этом случае верхняя монтажная рама 5 размещена непосредственно под корпусом камеры сгорания двигателя, а нижнее монтажное кольцо 12 двигателя размещено на нижнем фланце двигателя. Тогда длина пружин в растянутом состоянии приблизительно будет равна длине корпуса двигателя (обычно 190 мм), который включает в себя охладитель 13, теплопередаточную головку 14 и задний концевой колпак 15 (как показано на фиг.1). Кроме того, необходимо гарантировать, чтобы собственная частота пружины (колебания) не совпадала с частотой работы двигателя или его гармониками, которые могли бы привести к неприемлемому резонансу.
В случае рассматриваемой конфигурации при наличии от 6 до 12 пружин (обычно 8), установленных попарно и расположенных через равные промежутки вокруг двигателя, свободная длина пружин предпочтительно составляет от 100 до 150 мм (обычно 127 мм). Общая жесткость пружин находится между 0,6 и 0,9 кг/мм (обычно 0,75 кг/мм), что в случае этой конфигурации обуславливает жесткость каждой пружины (упругую характеристику пружины) порядка 0,09 кг/мм.
В каждой раме 9 установлен резиновый элемент 10. Этот резиновый элемент 10 поддерживает монтажный болт 11, посредством которого монтажный узел крепят к монтажному кольцу 12 на двигателе 1 Стирлинга. Таким образом, любые вибрации двигателя 1 Стирлинга будут переданы через болт 11 к резиновому элементу 10, к раме 9 и затем через пружины 6 к монтажной раме 5.
В качестве альтернативы или в дополнение к резиновому элементу 10, находящемуся в нижней части каждой пружины, резиновый элемент может быть обеспечен в верхней части каждой пружины.
Жесткость, приходящаяся на резиновый элемент 10, если основываться на четырех группах пружин, составляет, например, 110 Н/мм. Резиновые элементы конструируют таким образом, чтобы устранить высокую частоту, и, следовательно, задаваемая жесткость должна соответствовать этому, а напряжение сохраняют в пределах воспринимаемых уровней с учетом снижения эксплуатационных характеристик резины при повышенных температурах.
Вибрации с повышенной частотой должны поглощаться резиновым элементом 10, в то время как вибрации с пониженной частотой поглощаются пружинами 6, так что вибрации, испытываемые монтажной рамой 5, будут незначительными и находятся в пределах, приемлемых для бытового агрегата, служащего для обеспечения теплом и энергией.
Узел, представляющий собой альтернативу тому, что показано на фиг.1, изображен на фиг.3. В случае этой компоновки корпус 4' крепят таким образом, чтобы он окружал двигатель 1 Стирлинга вместо подвешивания под двигателем 1, как в случае согласно фиг.1. При этом масса 2' поглотителя выполнена кольцеобразной и окружает двигатель Стирлинга. В этом варианте конструкции требуется, чтобы монтажное кольцо 12 имело значительно больший диаметр, чем в варианте согласно фиг.1. Однако общая высота устройства уменьшена, и, следовательно, эта конструкция может быть использована тогда, когда пространство по вертикали ограничено. В иных отношениях устройство выполнено таким же, как и устройство согласно фиг.1, при этом для обозначения одних и тех же компонентов использованы одинаковые позиции.
Динамика узла показана на фиг.4. Элементы, представленные на этой фигуре, таковы:
m1 - основная масса двигателя;
m2 - масса (2) поглотителя;
k1 - жесткость пружины (6), работающей на растяжение, умноженная на число пружин, работающих на растяжение;
c1 - величина демпфирования, связанная с пружинным устройством, работающим на растяжение;
k2 - жесткость сжатия резинового элемента (10), умноженная на число резиновых элементов;
с2 - величина демпфирования, связанная с работающим на сжатие резиновым элементом;
k3 - жесткость пружины (3), работающей на сжатие, умноженная на число пружин (обычно 16), работающих на сжатие;
с3 - величина демпфирования, связанная с пружинами, работающими на сжатие, а также с перемещениями воздуха вокруг массы поглотителя.
Измененные варианты кольцеобразной массы поглотителя согласно фиг.3 описаны со ссылками на фиг.5-8.
На фиг.5А и 5В определена система осей кольцеобразной массы. Оси X, Y и Z ортогональны по отношению друг к другу, при этом первая ось Х и вторая ось Y представляют собой горизонтальные оси в плоскости кольцеобразной массы, пересекающиеся в центре кольцеобразной массы, а основная ось Z представляет собой вертикальную ось, проходящую от центра массы 2' поглотителя. Собственная частота возбуждения вызывает возвратно-поступательное движение по вертикали в направлении стрелки 20. Однако имеется тенденция к совпадению частоты угловых продольных колебаний с частотой по вертикали, что приводит к угловым колебаниям относительно осей Х и Y, как показано стрелками соответственно 21 и 22. Масса кольцеобразного поглотителя также поворачивается вокруг оси Z, как показано стрелкой 23. Чтобы уменьшить угловые колебания вокруг осей Х и Y, предлагается неравномерная компоновка пружин или неравномерность инерции массы поглотителя.
Первый пример такого решения представлен на фиг.6.
Это устройство, в общем, пригодно тогда, когда инерция вращения массы поглотителя относительно осей Х и Y одинакова. В этом случае масса 2' поглотителя имеет однородное поперечное сечение и выполнена однородной. При расположении пружин так, как показано на фиг.6, когда четыре из имеющихся пружин обладают жесткостью К, в то время как остальные четыре пружины имеют жесткость 0,5 К, будет обеспечено изменение жесткости вокруг периферии массы, но не через массу, поскольку жесткость пружин симметрична по противоположным сторонам от осей Х и Y. Характеристика жесткости пружин выше и ниже массы поглотителя повторяется.
На фиг.7 представлено второе устройство, которое особенно приемлемо в том случае, когда инерция вращения поглотительного кольца различна по осям Х и Y. В этом случае установлены восемь пружин, имеющих одинаковую жесткость К', но они сгруппированы по оси наибольшей инерции (X), что соответствует необходимости сохранения достаточной устойчивости в течение работы. В данном случае обеспечена кольцеобразная масса 1", которая по существу содержит пару частей 25 с вырезами, находящихся на противоположных сторонах кольцеобразной массы 2", а восемь пружин размещают для крепления к местам 26 монтажа выше и ниже каждой части с вырезами.
1. Узел с двигателем Стирлинга, содержащий двигатель Стирлинга, имеющий вытеснитель и силовой поршень, расположенные таким образом, чтобы совершать возвратно-поступательное движение вдоль оси, монтажную раму, на которой двигатель установлен так, что при использовании ось проходит по вертикали, при этом двигатель подвешен к монтажной раме на множестве пружин, работающих на растяжение.
2. Узел по п.1, в котором с каждой пружиной последовательно соединен резиновый элемент.
3. Узел по п.1 или 2, в котором длина пружин в свободном состоянии находится между 100 и 150 мм.
4.Узел по п.1, в котором длина пружин, когда двигатель Стирлинга подвешен на пружинах к раме, равна длине корпуса ±20%.
5. Узел по п.1, в котором общая жесткость пружин составляет 0,6-0,9 кг/мм.
6. Узел по п.1 или 2, в котором нижнее монтажное кольцо размещено на нижнем фланце двигателя.
7. Узел по п.1, в котором масса для поглощения вибрации подвешена к двигателю, по меньшей мере, на одном упругом элементе и размещена таким образом, что ее вибрация находится в противофазе с вибрацией двигателя.
8. Узел по п.7, в котором масса для поглощения вибрации выполнена кольцеобразной и окружает двигатель Стирлинга.
9. Узел по п.7, в котором упругие элементы расположены асимметрично вокруг основной оси кольцеобразного элемента.
10. Узел по п.9, в котором асимметричная компоновка обеспечена посредством упругих элементов разной жесткости.
11. Узел по п.7, в котором упругие элементы расположены симметрично с противоположных сторон от первой оси, перпендикулярной основной оси.
12. Узел по п.7, в котором упругие элементы расположены симметрично с противоположных сторон от второй оси, перпендикулярной основной оси и первой оси.
13. Узел по п.7, в котором асимметричная компоновка обеспечена группированием упругих элементов вблизи первой оси, перпендикулярной основной оси.
14. Узел по п.13, в котором упругие элементы расположены симметрично с противоположных сторон от первой оси.
15. Узел по любому из пп.9-14, в котором масса для поглощения вибрации уменьшена вблизи упругих элементов по сравнению с остальной частью массы для поглощения вибрации.
16. Узел с двигателем Стирлинга, содержащий двигатель Стирлинга, имеющий вытеснитель и поршень, расположенные таким образом, чтобы совершать возвратно-поступательное движение вдоль оси, монтажную раму, на которой двигатель установлен так, что при использовании ось проходит по вертикали, при этом кольцеобразная поглощающая масса окружает двигатель Стирлинга и подвешена к двигателю на множестве упругих элементов таким образом, чтобы ее вибрация находилась в противофазе с вибрацией двигателя, причем упругие элементы размещены асимметрично относительно основной оси кольцеобразного элемента.
17. Узел по п.16, в котором асимметричная компоновка обеспечена посредством упругих элементов различной жесткости.
18. Узел по любому из пп.16-17, в котором масса для поглощения вибрации уменьшена вблизи упругих элементов и по сравнению с остальной частью массы для поглощения вибрации.
