КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Наличие в двигателе Стирлинга двух синхронно изменяющихся объемов (горячего и холодного) потребовало применения меха­низма, выполняющего одновременно функции синхронизатора движения поршней и силового преобразователя.

По организации ‘изменения объемов и распределению нагру­зок ‘на детали механизма существуют три основных варианта двигателя:

Двигатель простого действия, горячая и холодная полости которого замкнуты «горячим» и «холодным» поршнями, каждая в своём цилиндре (рис. 30, А);

Двигатель вытеснительного типа с горячей и холодной по­лостями, ‘расположенными в одном (рис. 30, В и 31) или <в двух (рис. 30, Б) цилиндрах <и разделенными вытеснительным порш­нем; общее замыкание рабочего пространства осуществляет рабочий поршень;

Двигатель двойного действия, каждый рабочий объем кото­рого замкнут двумя шорпгнями, расположенными в разных ци­линдрах, причем каждый поршень разделяет два рабочих объе­ма (рис. 30, г, Д, е).

Для всех механизмов характерно следующее:

А) горячая полость расположена иа максимальном удале­нии от вала отбора мощности, ее объем определяется переме­щением «горячего» поршня (рис. 30, а), поршня (рис. 30, г—Е) Или вытеснительного ‘п-о риги я (рис. 30,6 и В и ри-с. 31) относи­тельно их ‘положений в в. м.т.;

Б) объем холодной полости определяется перемещением «холодного» поршия относительно его положения в в. м.т. (рис. 30, А); перемещением поршня относительно его положения в н. м.т. (рис. 30, г—е); относительным перемещением рабочего, и вытеснительного поршней (рис. 30, Бу в и рис. 31);

1в) суммарный объем рабочих полостей двигателя опреде­ляется относительным перемещением «горячего» и «холодного» поршней (рис. 30, А) или поршней, расположенных в смежных цилиндрах (рис. 30, г—е); перемещением рабочего поршня от-

КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ

Рис. 30. Кинематические схемы поршневых двигателей Стирлинга:

А — г-образный двигатель простого действия, допускающий реверсирование вращения вала; Б — У-образный двигатель вытеснительного типа; В—рядный двигатель вытесни­тельного типа, допускающий одноцилиндровое исполнение; Г — звездообразный двига­тель двойного действия с кривошипно-шатунным механизмом; Д — звездообразный дви­гатель двойного действия с механизмом С, С. Баландина; Е — барабанный двигатель двойного действия с шайбовым механизмом (продольное и поперечное сечення); / — го­рячий поршень; 2 —холодный поршень; 3 — вытеснительный поршень; 4 — рабочий пор­шень; 5 — поршень

Носительно его положения в в. м.т. (рис. 30, б И б и рис. 31).

Наибольшее ‘распространение в настоящее время получили поршневые двигатели с кривошипно-шатунными механизмами. Аксиальные (или с малыми дезаксиалами) рядные, У-образные и звездообразные кривошипно-шатунные механизмы с цент­ральными и прицепными шатунами, а также бесшатунный ме­ханизм С. С. Баландина достаточно подробно описаны в лите­ратуре [1, 19, 22]. Шайбовые механизмы не имеют широкого распространения в двигателестроении из-за недостаточной до­веденное™ конструкции (высокие контактные напряжения, зна­чительный износ, склонность к заклиниванию из-за больших боковых сил). Однако невысокие степени повышения давления и сравнительно небольшие скорости изменения давления в ра­бочих полостях двигателя Стирлинга, т. е. «мягкость» рабочего процесса, позволяют считать перспективным и механизм это­го типа.

КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ

0}

подпись: 
0}
Л

Рис, 31. Кинематические схемы рядных двигателей Стирлинга с различными вариантами ромбического механизма:

А — со сложным коленчатым валом; Б — с прицепными шатунами комплекта вытесни­тельного поршня; В — симметричный; / — горячая полость; // —холодная’полость; III — буферная полость; IV — картер

Совершенно новой схемой, впервые примененной фирмой Филипс в 1953 г. специально для двигателей Стирлинга, явля­ется схема ромбического механизма Ф. Ланчестера (1898 г.). Так как аналогичные схемы (рис. 31) ‘не использовались при конструировании тепловых поршневых двигателей, то в даль­нейшем основное внимание будет уделено именно этим схемам.

■Применительно к рассматриваемой Схеме ромбического ме­ханизма введем дополнительно условные обозначения: 1 — ра­бочий или вытеснительный поршень, 2— шток, 3— траверса, 4 — палец, 5 — шатун, К5—-крышка большой (кривошипной) головки шатуна, 6 — цапфа кривошипа, 7—противовес, 8 — коленчатый вал, 9—синхронизирующая шестерня, П — детали, относящиеся к механизму рабочего поршня, В — детали, отно­сящиеся к механизму вытеснительного поршня. Эти обозначе­ния в дальнейшем используются как индексы в расчетных фор­мулах.

Ромбический механизм (рис. 31, а) состоит из двух вращаю­щихся в противоположных направлениях коленчатых-валов 8, соединенных синхронизирующими шестернями 9. Направле­ние вращения коленчатых валов должно обеспечивать опере­жающее движение вытеснительного поршня. Штоки 2п и Рабочего и вытеснительного поршней соединены с соответству­ющими траверсами Зп и Зв, а последние через шатуны 5п и Связаны с коленчатыми валами. Под рабочим поршнем нахо­дится буферная полость III.

Двигатель, выполненный по описанной схеме, является дви­гателем вытеснительного типа, где поршни выполняют следую­щие функции: рабочий поршень несет силовую нагрузку н
своим ‘положением определяет суммарный объем рабочих поло­стей; вытеснительный поршень воспринимает тепловую нагруз­ку и своим положением определяет распределение объема ци­линдра между холодной и горячей полостями.

Ромбический механизм симметричен относительно оси ци­линдра в плоскости, перпендикулярной к осям коленчатых валов, и представляет собой совокупность четырех кинематиче­ски связанных дез аксиальных кривошинно-шатунных механиз­мов. Необходимые для ‘работы двигателя законы изменения объемов горячей Кг и холодной Ух полостей можно получить лишь при значительных дезаксиалах механизмов рабочего и вытеснительного поршней, при которых силы, действующие в кривошипио’шатуниых механизмах перпендикулярно оси ци­линдра, резко увеличиваются. Преимуществом ромбического механизма является то, что перпендикулярные к оси цилиндра силы двух симметричных дезаксиалшых »кривошипно-шатунных механизмов воспринимаются соответствующей траверсой и ие нагружают цилиндро-иоршиевую группу.

Симметрия ромбического механизма в продольной плос­кости (рис. 31, В) позволяет приблизить конструкцию к уравно­вешенной. Вследствие больших геометрических размеров комп­лект вытеснительного поршня имеет большую массу, чем ком­плект рабочего поршня. Как будет показано ниже, полное динамическое уравновешивание механизма даже одноцилйн — дрового двигателя возможно лишь при определенном соотно­шении этих масс (в частном случае симметричного ромбиче­ского механизма — при их равенстве), и соответствующем раз­мещении противовесов на коленчатых валах.

Разновидностью ромбического механизма является меха­низм, в котором шатуны комплекта вытеснительного поршня выполнены прицепными (рис. 31,6), что позволяет получить характер изменения объемов горячей и холодной полостей, при­ближающийся к трапецеидальному. Конструктивно такой ме­ханизм в целом несколько сложнее, чем механизм с централь­ными шатунами, но более простую конструкцию имеет коленча­тый вал.

Особый интерес вызывает схема двигателя с рабочим и вы­теснительным поршнями равных диаметров и симметричным ромбическим механизмом с центральными шатунами (рис. 31, В). Отличаясь конструктивной простотой и технологичностью по сравнению с другими ромбическими механизмами (одиоцапфо- вые кривошипы, одинаковые шатуны, траверсы равных раз­меров, бесступенчатый цилиндр), симметричный ромбический механизм позволяет получить вполне приемлемые законы из­менения объемов рабочих полостей двигателя при полной его динамической уравновешенности.

Вывод аналитических кинематических зависимостей для об­щего случая ромбического механизма принципиально ничем не

Отличается от приводимого ниже вывода их для симметричного ромбического механизма, однако является более громоздким, а ‘Сами зависимости — менее приспособленными для наглядно­го анализа. Поэтому ниже рассмотрен симметричный ромби­ческий механизм.

*

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *