силовая установка

Формула изобретения

1. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, снабженная тепловой машиной с внешним подводом тепла, содержащей компрессор, расширитель и приводной механизм, включающий индивидуальные для компрессора и расширителя кривошипы, машиной-преобразователем энергии и кинематической связью между ними, включающей звено, суммирующее вращающие моменты кривошипов, отличающаяся тем, что звено, суммирующее вращающие моменты кривошипов, расположено в промежутке между кривошипами.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кривошипы выполнены с наклонными к оси вращения кривошипов шипами (шейками).

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что тепловая машина выполнена аксиальной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, а именно к силовым установкам, предназначенным для преобразования одного вида энергии в другой и имеющим в своем составе тепловую машину с внешним подводом тепла.

Известна силовая установка, снабженная тепловой машиной с внешним подводом тепла, содержащей компрессор, расширитель и приводной механизм, включающий индивидуальные для компрессора и расширителя кривошипы, машиной-преобразователем энергии и кинематической связью между ними, включающей звено, суммирующее вращающие моменты кривошипов.

Недостатком известной компоновки являются увеличенные габариты установки и потери тепла.

Целью изобретения является уменьшение габаритов установки и потерь тепла.

Поставленная цель достигается силовой установкой, снабженной тепловой машиной с внешним подводом тепла, содержащей компрессор, расширитель и приводной механизм, включающий индивидуальные для компрессора и расширителя кривошипы, машиной-преобразователем энергии и кинематической связью между ними, включающей звено, суммирующее вращающие моменты кривошипов и расположенное в промежутке между кривошипами, причем кривошипы могут быть выполнены с наклонными к оси вращения кривошипов шипами (шейками), а тепловая машина может быть выполнена аксиальной.

На фиг.1 кинематическая схема установки, вариант 1; на фиг.2 то же, вариант 2; на фиг.3 то же, вариант 3.

Силовая установка снабжена тепловой машиной 1 с внешним подводом тепла, которая может представлять собой двигатель или холодильную машину, работающие, например, по циклу Стирлинга.

Тепловая машина 1 содержит компрессор 2, расширитель 3 и приводной механизм 4, преобразующий движение, например, поршней во вращательное движение кривошипов 5 или наоборот в зависимости от вида тепловой машины. В соответствии со спецификой тепловых машин с внешним подводом тепла компрессор 2 и расширитель 3 удаляют друг от друга на некоторое расстояние, обеспечивающее наименьшие потери тепла от его "перетекания" из компрессора в расширитель. По этой причине, а также по необходимости создания фазового сдвига в работе компрессора и расширителя кривошипы 5 приводного механизма 4 тепловой машины выполняются индивидуальными для компрессора 2 и расширителя 3.

Силовая установка снабжена также машиной-преобразователем энергии 6 и кинематической связью 7, обеспечивающей механическое взаимодействие машин 1 и 6.

Машина-преобразователь энергии 6 в зависимости от назначения силовой установки может быть, например, электро-, гидро- и т.п. двигателем, электрогенератором, насосом и т.д. (на чертежах условно показана в виде электрической машины).

Кинематическая связь 7 машин 1 и 6 в простейшем, показанном на чертеже варианте может быть выполнена посредством общего вала кривошипов 5, на котором в промежутке между кривошипами закреплены с возможностью передачи вращающего момента ротор электрической машины. В данном простейшем варианте кинематической связи 7 звеном 8, суммирующим вращающие моменты кривошипов, служат элементы конструкции, обеспечивающие передачу вращающего момента с вала кривошипов на ротор электрической машины: это может быть шпоночное или шлицевое соединение или соединение напрессовкой ротора на вал с соответствующим натягом и т.п. Возможно также более сложное исполнение кинематической связи 7 с применением промежуточных передач, валов, муфт и т.п. при этом звеном 8, суммирующим вращающие моменты кривошипов 5, может быть шестерня, промежуточный вал, ротор машины-преобразователя 6 и т.д. В случае, если машина-преобразователь 6 имеет несколько роторов и несколько соответствующих им статоров, звеном 8, суммирующим вращающие моменты кривошипов 5, может стать базовая деталь (станина, картер и т.п.) машины-преобразователя 6. Наиболее сложным случаем для выявления звена, суммирующего вращающие моменты кривошипов, представляется тот, когда в кинематической связи 7 машин 1 и 6 присутствует маховик, который в отдельных фазовых положениях кривошипов 5 может выполнять (или потреблять) значительную долю механической работы кривошипов и, следовательно, забирать на себя существенную долю их суммарного вращающего момента. Очевидно, что при этом за время полного оборота кривошипов роль суммирующего звена циклически может переходить от одних деталей и соединений к другим. Сложнее выявить суммирующее звено и в случае, если потери, например, на трение в кинематической связи 7 составляют существенную долю мощности установки и поэтому не могут не учитываться.

С механической точки зрения машины 1 и 6 являются антиподами (если одна из них источник энергии, то другая обязательно потребитель), рабочие нагрузки которых всегда внутренне уравновешены. По этой причине звено 8 присутствует всегда, в том числе и когда кинематическая связь 7 включает передачи с передаточным числом, отличным от единицы. В общем случае звено 8 определяется как деталь или соединение, на которых, следуя по кинематической цепи 7 от машины 1 к машине 6, впервые выявляется вращающий момент, равный сумме вращающих моментов кривошипов 5 компрессора 2 и расширителя 3. Согласно изобретению звено 8 расположено в промежутке между кривошипами 5.

Для установления возможности сокращения габаритов силовой установки вводятся следующие обозначения:

К длина компрессора;

Р длина расширителя;

У продольное удаление расширителя от компрессора;

П длина машины-преобразователя энергии;

Д_п длина силовой установки-прототипа,

Д1 длина силовой установки по изобретению, когда У больше П;

Д2 длина силовой установки по изобретению, когда П больше У.

В соответствии с тем, что конструктивно из элементов, характеризуемых размерами У и П, по изобретению меньший можно включить в больший, получаются значения длин силовой установки:

Д_п К + Р + У + П

Д1 К + Р + У

Д2 К + Р + П

Сравнение полученных длин силовой установки показывает сокращение в сравнении с прототипом на величину от П до У.

Кривошипы 5 могут быть выполнены с наклонными к оси вращения кривошипов шипами (если кривошипы выполнены консольными) или шейками (если кривошипы двухопорные) 9 (фиг.2). В этом случае появляется побочный эффект в виде возможности полного уравновешивания инерционных нагрузок тепловой машины 1. Достоинства изобретения по п.1 формулы при этом сохраняются.

Тепловая машина 1 может быть выполнена аксиальной (фиг.3). При этом помимо достоинств изобретений по п.п.1 и 2 формулы появляется возможность сокращения поперечных габаритов силовой установки и как побочный результат, улучшается технологичность ее изготовления.

Работу силовой установки можно рассмотреть на примере, в котором тепловая машина 1 является холодильной, а машина-преобразователь энергии 6 электродвигателем.

Для достижения необходимых теплофизических параметров рабочего тела (газа) при одновременном решении проблем пуска и работы кривошипно-шатунных механизмов в благоприятных режимах оптимального нагружения и долговечности силовая установка заполнена рабочим телом под давлением. Работа силовой установки протекает следующим образом.

При включенном электродвигателе (машина 6) посредством кинематической связи 7 приводятся во вращение кривошипы 5 компрессора 2 и расширителя 3 холодильной машины 1, которая благодаря этому работает как совокупность двух объемно-вытеснительных машин. Компрессор 2 забирает теплоноситель из системы, например, внешних теплообменников (не показаны), сжимает его разогревая сжатием и затрачивая на это механическую энергию и нагнетает в охладитель, где часть тепла теплоносителя передается нагреваемой среде, и он частично остывает. Расширитель 3 забирает частично охлажденный теплоноситель из системы внешних теплообменников и предоставляет ему возможность расширения в своих рабочих цилиндрах с возвратом части энергии теплоносителя на кривошип 5 расширителя 3 в виде механической работы. После расширения в расширителе теплоноситель имеет вследствие потери энергии наинизшую температуру в цикле и его направляют в теплообменник, предназначенный для отбора тепла от охлаждаемой среды.

Из примера работы силовой установки видно, что знаки вращающих моментов кривошипа расширителя и электродвигателя могут совпадать, а знак вращающего момента кривошипа компрессора при этом противоположен. Тем не менее вращающий момент электродвигателя (источника механической энергии) равен в данном простейшем варианте исполнения кинематической связи 7 сумме вращающих моментов кривошипов 5 компрессора 2 и расширителя 3 тепловой машины 1 (потребителя механической энергии) с учетом их знаков и, следовательно, звено 8 суммирующее вращающие моменты кривошипов 5, присутствует.

Работа силовой установки в другом качественном составе машин 1 и 6 аналогична.