专利名称：斯特林发动机组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种斯特林发动机组件。特别是，本发明涉及一种适用于家用组合式热电(DCHP)单元的组件。
背景技术：
这样的家用组合式热电单元将代替普通锅炉用于家庭环境。在这种情况下，重要的是使噪音和振动保持非常低的水平，以便使顾客能够接受。
通常情况是通过将发动机安装在弹簧上来进行支承，该弹簧将隔离在发动机正常工作过程中产生的振动。具有该结构的斯特林发动机的一个实例是美国专利US4,400,941。为了使隔离程度最高，需要采用低刚度的安装系统。不过，采用具有压缩弹簧的低刚度安装系统可能导致不稳定。
发明内容
根据本发明，一种斯特林发动机组件包括斯特林发动机；安装架，发动机安装在该安装架上，这样，在使用时，发动机的往复运动部件沿垂直轴线往复运动，该发动机通过多个拉伸弹簧悬挂到安装架上。
通过由弹簧悬挂斯特林发动机，而不是将它放置在弹簧上，所使用的弹簧可以为低刚度、高挠度的弹簧。因此，可以消除现有技术中在稳定支承的要求和低刚度安装系统的要求之间的矛盾。
悬挂发动机的弹簧特别适于阻止低频振动的传递。为了在更大频率范围内提高阻尼，优选是橡胶垫与各弹簧串联连接。该垫可以布置在弹簧和发动机之间、弹簧和安装架之间、或者在这两个位置处。这些橡胶垫特别适用于减小高频振动。
优选是，安装架与发动机的下半部分相连。与安装架与发动机上部相连时所需的情况相比，这允许使用较长的弹簧。
为了使在环绕悬挂结构内的斯特林发动机具有附加的径向稳定性，并为了使燃烧区域有合适密封，位于发动机上圆盖上面和周围的、用于燃烧器的壳体可以包括柔性环形引导件，该柔性环形引导件在该壳体的内侧底表面和发动机之间。例如，该柔性环形引导件是适用于振动、高温环境的材料的“O”形圈。这将允许进行一定的横向运动，因此，发动机振动将不会引起损坏，并阻止不希望的力的传递，且还可以保持发动机的稳定性。也可以使用能够承受高温、高振动环境的可选密封结构。
优选是，弹簧的自由长度为100-150mm，总刚度在0.6至0.9kg/mm之间。当悬挂了发动机时，该弹簧的长度等于发动机体的长度±20％。
上述结构是特别有利的、用于斯特林发动机的悬挂结构。不过，通过设有能够最小化发动机的振动的减振结构并因此减小悬挂结构的负载，可以进一步改进设计。因此，优选是，减振块通过至少一个弹性部件悬挂在发动机下面，且该减振块布置成提供与发动机反相的力。该减振块既可以悬挂在发动机下面，也可以是环形块，从而环绕该发动机悬挂。后一种结构能够有利地提供具有较短总高度的斯特林发动机。
在对称环形减振块情况下，由于该块环绕水平轴的惯量和弹簧系统关于相同轴的旋转刚度的组合，俯仰频率将与垂直频率重合。
俯仰程度与径向刚度缺乏对称性相关，减振器块越偏离弹簧刚度中心，激励频率就越接近垂直调谐频率和俯仰频率。因此，弹性部件优选是关于环形部件的主轴不对称布置。这例如可以通过使弹性部件有不同刚度来实现。优选是，对称地布置在与主轴垂直的第一轴的相对侧，更优选是，还对称地布置在与主轴和第一轴垂直的第二轴的相对侧。
也可选择，通过使弹性部件聚集成靠近垂直于主轴的第一轴而提供不对称结构。对于该结构，弹性部件优选是布置成在第一轴的相对侧对称。
在这两种情况下，减振块的质量可以在靠近最高旋转刚度的水平轴处相对于该减振块的其余部分处减小。
该不对称环形减振器块形成本发明的一个独立方面，该方面广义定义为，一种斯特林发动机组件，包括斯特林发动机；安装架，发动机安装在该安装架上，这样，在使用时，往复运动部件沿垂直轴线往复运动，其中，环形减振块环绕斯特林发动机，并通过多个弹性部件悬挂在发动机上，以便提供与发动机反相的力，该弹性部件布置成关于环形部件的主轴不对称。
根据本发明的第一方面，当发动机通过弹簧悬挂，或者通过某些其它弹性安装件悬挂时，可以使用该结构。
下面将参考附图介绍本发明的斯特林发动机组件的一个实例，附图中图1是组件的示意剖视图；图2A是包括两个弹簧的安装组件的一部分的主视图；图2B是图2A中所示的结构的侧视图；图3是图1中所示的组件的可选形式的示意剖视图；图4是悬挂结构的动力学示意图；图5A是表示环形减振块的各种振动模式的视图；图5B是表示减振块的轴的视图；图6是表示第一弹簧结构的示意图；图7是表示第二弹簧结构的示意图；以及图8是适用于图7的结构中的环形块的透视图。
具体实施例方式
斯特林发动机组件包括斯特林发动机1，该斯特林发动机1为本领域公知。该斯特林发动机有置换器和动力活塞，该置换器和动力活塞都设置成沿垂直方向往复运动。这产生了斯特林发动机1自身的净垂直振动。
为了减小该振动，减振器块2由在该减振器块2上面和下面的多个压缩弹簧3支承。该结构装于壳体4内，该壳体4刚性固定在斯特林发动机1的底部。该块2和弹簧3调节成这样，即当斯特林发动机1以正常工作频率工作时，减振器块2尽可能接近与斯特林发动机1反相地振动。因此，大大减小了斯特林发动机1和壳体4的总体振动。
当前结构包括在10.5kg(±10％)的减振器块2上面的8个压缩弹簧3和该减振器块2下面的8个压缩弹簧3。例如，这些弹簧的自由长度为67mm，刚度为66.25N/mm(±10％)。该减振器调节成吸收48Hz至52Hz频率的振动(在50.25Hz时振动最小)。
斯特林发动机1和壳体4的上述组件安装在安装架5上，该安装架5围绕发动机的头部，如图1所示。发动机1和壳体4通过多个环绕斯特林发动机间隔的安装组件悬挂在安装架上，图2A和2B中表示了一种这样的安装组件。各安装组件包括一对拉伸弹簧6，该对拉伸弹簧6在它们的上端设有挂钩7，用于安装在安装架5上。第二挂钩8使各弹簧的底端安装在框架9上。
弹簧钢丝的粗细选择为足以支承发动机1和减振器块2的重量，该发动机1和减振器块2的重量在40至80kg之间，但是通常为60kg。这时，弹簧钢丝的直径通常为2.4mm。
为了提供最佳的悬挂隔振效果而减小低频振动，弹簧需要尽可能长，同时安装点应当在设计允许范围内尽可能远。这时，上部安装架5将刚好位于发动机燃烧器壳体的下面，底部发动机安装环12位于底部发动机凸缘上。这时，伸长的弹簧的长度近似等于除去冷却器13、传热头14和后端圆盖15(如图1所示)的发动机体的长度(通常190mm)。此外，必须保证弹簧的固有频率(振荡频率)不与发动机的运行频率或其谐振重合，这可能导致不能接受的共振。
在当前结构中，设有环绕发动机成规则间隔并成对布置的6至12个弹簧(通常8个)，该弹簧的自由长度优选是100至150mm(通常127mm)。总弹簧刚度为0.6至0.9kg/mm之间(通常0.75kg/mm)，在该结构中，各弹簧的刚度通常为0.09kg/mm。
橡胶元件10布置在各框架9中。该橡胶元件10支承安装螺栓11，通过该安装螺栓11，安装组件安装在斯特林发动机1的安装环12上。因此，斯特林发动机1的任何振动都通过该螺栓11传递给橡胶元件10、传递到框架9内，然后通过弹簧6传递给安装架5。
作为一种可选方案，或除了在各弹簧底部的橡胶元件10之外，还可以在各弹簧的顶部设置有橡胶元件。
基于四组弹簧的每个橡胶元件10的刚度为例如110N/mm。该橡胶元件设计成去除高频量，因此，所给出的刚度是合适的，且应变保持在合适水平，应当记住，橡胶在温度升高时的性能降低。
高频振动将通过橡胶元件10而衰减，而低频振动将通过弹簧6而衰减，这样，安装架5受到的振动可以忽略，并在DCHP单元的允许极限内。
图3表示了图1所示组件的可选组件。在该结构中，壳体4’安装成环绕斯特林发动机1，而不是如图1所示悬挂在该发动机1下面。这时，减振器块2’为环形，并环绕斯特林发动机。该实施例要求安装环12有比图1大得多的直径。不过，该装置的总高度减小，因此，该设计在高度空间有限时有用。在其它方面，该装置如图1中所示，且相同参考标号用于表示相同部件。
该组件的动力学图如图4所示。在该图中，各元件表示如下m1-主发动机块，m2-减振器块2，k1-拉伸弹簧6的刚度×拉伸弹簧的数目，c1-与拉伸弹簧结构相关的阻尼值，k2-橡胶元件10的压缩刚度×橡胶元件的数目，c2-与压缩橡胶元件相关的阻尼值，k3-压缩弹簧3的刚度×压缩弹簧的数目(通常为16)，c3-与压缩弹簧以及环绕减振器块的空气运动相关的阻尼值。
下面将参考图5至8介绍图3的环形减振器块的变化形式。
图5A和5B定义了环形块的轴系统。X、Y和Z轴相互正交，其中X和Y轴是在环形块平面内的水平轴，它们在环形块的中心交叉，而Z轴是从减振器块2’的中心伸出的垂直轴。固有激励频率引起沿箭头20方向的垂直往复运动。不过，俯仰频率将与垂直频率重合，该垂直频率引起关于X和Y轴的俯仰运动，如箭头21和22分别所示。环形减振器块还绕Z轴旋转，如箭头23所示。为了减小绕X和Y轴的俯仰运动，提出了使弹簧不对称布置，或者使减振器块的惯量不对称。
这种设置的第一实例如图6所示。该结构通常适于减振器块绕X和Y轴的转动惯量相等的情况。这时，减振器块2’有均匀的截面和均匀的质量。通过将弹簧布置成如图6所示，其中四个弹簧的刚度为K，而其余四个弹簧的刚度为0.5K，应当指出，这提供了当弹簧的刚度在X和Y轴的相对侧对称时环绕该块的外周的刚度变化，而不是横穿该块的刚度变化。该弹簧刚度模式可以在减振器块上面和下面设为一致。在第二结构中，弹簧刚度和减振器块转动惯量都不对称。
第二结构如图7所示当减振器环的转动惯量关于X和Y轴不同时，该第二结构特别合适。这时，提供有相等刚度K’的8个弹簧，但是它们聚集在最高惯量的轴X处，与在工作过程中保持足够稳定性的要求一致。这时，提供有环形块2”，该环形块2”基本在它的相对侧设有一对切口部分25，且这8个弹簧布置成在各切口部分的上面和下面安装在安装点26上。
权利要求
1.一种斯特林发动机组件，包括斯特林发动机；安装架，发动机安装在该安装架上，这样，在使用时，往复运动部件沿垂直轴线往复运动，其中，环形减振块环绕斯特林发动机，并通过多个弹性部件悬挂在发动机上，以便提供与发动机反相的力，这些弹性部件关于环形部件的主轴不对称设置。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于所述不对称结构通过不同刚度的弹性部件来提供。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于这些弹性部件对称地布置在与主轴垂直的第一轴的相对侧。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于这些弹性部件还对称地布置在与主轴和第一轴垂直的第二轴的相对侧。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于通过使弹性部件聚集成靠近垂直于主轴的第一轴而提供不对称结构。
6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于这些弹性部件对称地布置成在第一轴的相对侧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于所述减振块的质量在靠近弹性部件处相对于在该减振块的其余部分处减小。
全文摘要
一种斯特林发动机组件，用于DCHP系统。斯特林发动机(1)通过多个拉伸弹簧(6)悬挂在安装架(5)上。环形减振器块(2)环绕斯特林发动机，并通过多个弹性部件(3)悬挂在发动机上，这些弹性部件布置成关于主轴不对称。该不对称结构通过不同刚度的部件提供，或者通过使部件间的间距不规则而提供。减振器块(2)自身可以在靠近弹性部件处减小。
文档编号F16F15/04GK1721682SQ200510084000
公开日2006年1月18日 申请日期2002年11月12日 优先权日2001年11月14日
发明者亚当·理查德·格雷戈里, 大卫·安东尼·克拉克, 朱莉·帕特丽夏·海德, 大卫·迈克尔·热纳维 申请人:麦克罗金能源有限公司