ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к тепловым двигателям.

Известны двигатели внешнего сгорания, например двигатель Стирлинга, паровая машина.

Недостатками этих двигателей являются низкий коэффициент полезного действия, значительные габариты и сравнительно малая удельная мощность.

Целью изобретения является создание теплового двигателя, имеющего более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с другими тепловыми двигателями, более высокую удельную мощность, более компактного при равной с аналогами величине мощности.

Компактность достигается за счет использования в предлагаемом устройстве вместо газообразного рабочего тела - твердого в виде гибкой ленты, что за счет более высокой плотности материала рабочего тела позволяет получать те же крутящие моменты на рабочем валу при значительно меньших габаритах двигателя.

Более высокий коэффициент полезного действия достигается в результате того, что площадь сечения рабочего тела, через которую теряется за счет теплопроводности часть тепловой энергии сжигаемого топлива, значительно меньше площади его сечения, используемой для передачи тепла от нагревателя к рабочему телу и от рабочего тела к охладителю. Меньшим тепловым потерям способствует также и то, что рабочий процесс в предлагаемом устройстве осуществляется непрерывно, а не циклично. Достижению поставленной цели служат следующие элементы предлагаемого устройства: рабочее тело в виде ленты, одного или нескольких витков проволоки, троса и т.п., намотанное на две катушки - неподвижную и подвижную, обладающее значительной механической прочностью, заметным температурным коэффициентом линейного расширения или значительным температурным напряжением, вызываемым неравномерным распределением температуры в различных его частях; катушка неподвижная, на которую наматывается охлажденное рабочее тело; катушка подвижная, одновременно являющаяся сателлитом, вращаемая вокруг своей оси за счет разности температур в нагретой и охлажденной частях рабочего тела; зубчатое колесо неподвижное, преобразующее вращение вокруг своей оси подвижной катушки-сателлита во вращение вокруг неподвижной катушки, которое в конечном счете передается рабочему валу двигателя и за счет которого осуществляется непрерывный переход охлажденной части рабочего тела к нагревателю, а нагретой части к охладителю; нагреватель и охладитель, создающие необходимые температурные напряжения рабочего тела, приводящие двигатель в работу.

На фиг. 1 изображена схема теплового двигателя с ленточным термически напрягаемым рабочим телом; на фиг.2 - узел катушек, обеспечивающий более длительную безотказную работу двигателя при той же термической выносливости материала рабочего тела, вариант.

Устройство содержит рабочее тело 1 в виде гибкой ленты сплошной или из отдельных нитей, изготовленной из механически прочного материала, имеющего достаточное линейное расширение при нагреве и обладающего по возможности не очень большой теплопроводностью, в качестве материала для ленты может быть использована сталь, неподвижную катушку (блок) 2, жестко закрепленную на неподвижной оси 8, подвижную катушку (блок) 3, жестко соединенную с сателлитом 4 или выполненную с ним как единое целое, ось 9 подвижной катушки (подвижного блока) и сателлита, водило 10, неподвижное зубчатое колесо 5, устройство, нагревающее рабочее тело (нагреватель) 6, устройство 7, охлаждающее рабочее тело (охладитель), на фиг.2 показаны дополнительные катушки 11, оси которых удерживаются водилом 10, дополнительные катушки предназначены для продления срока службы рабочего тела, уменьшая частоты смены циклов нагрева и охлаждения по сравнению с частотой вращения сателлита, кроме того они могут одновременно являться дополнительными теплообменными элементами нагревателя и охладителя.

Для исключения отрицательного влияния зазоров, которые могут образовываться в отдельных узлах двигателя, например подшипниках, в результате износа в процессе эксплуатации целесообразно рабочее тело (ленту, проволоку, трос) при изготовлении двигателя натягивать (наматывать) на катушки (блоки) в предварительно термически напряженном состоянии, нагрев его до температуры, превышающей эксплуатационную.

Наличие твердого рабочего тела, непрерывный процесс создания термических (температурных) напряжений рабочего тела порождают крутящий момент на рабочем валу двигателя.

Предлагаемое устройство при предварительно напряженном рабочем теле работает следующим образом.

Внутренние напряжения рабочего тела 1 стремятся сократить его длину со стороны нагревателя 6, где температура рабочего тела выше, эти напряжения будут меньше, чем со стороны охладителя 7, при наличии достаточного сцепления рабочего тела с катушками за счет силы трения, а в случае ее недостаточности за счет зубьев, которыми могут быть снабжены лента 1 и катушки 2 и 3, или специальных насечек, разность внутренних напряжений будет создавать крутящий момент, стремящийся повернуть подвижную катушку 3 вокруг своей оси, вращаясь вокруг своей оси, подвижная катушка 3, жестко закрепленная на оси подвижного зубчатого колеса 4, будет перемещаться вдоль окружности неподвижного зубчатого колеса 5 в направлении нагреваемой части рабочего тела, при этом со стороны нагревателя 6 будет происходить непрерывное наматывание нагретой части рабочего тела 1 на подвижную катушку 3 и сматывание холодной части рабочего тела с неподвижной катушки 2 с перемещением этой части в зону нагрева, а со стороны охладителя 7 охлажденная часть рабочего тела будет наматываться на неподвижную катушку 2, а нагретая часть сматываться с подвижной катушки 3, перемещаясь в зону охлаждения. Нагреватель 6 и охладитель 7, закрепленные на водиле 10, поддерживая определенную разность температур между нагретой и охлажденной частями рабочего тела 1 при движении подвижной катушки 3, поддерживают таким образом определенную величину крутящего момента, обеспечивая непрерывную работу двигателя.

Для работы двигателя необходимо, чтобы отношение диаметра подвижной катушки к диаметру неподвижной катушки равнялось отношению диаметра подвижного зубчатого колеса к диаметру неподвижного зубчатого колеса.

Работа двигателя с ненапряженным предварительно рабочим телом аналогична описанной выше, но для него отношение диаметра подвижной катушки к диаметру неподвижной катушки должно быть несколько больше с учетом температурных удлинений в нагретой части рабочего тела.

Конструкции нагревателя и охладителя могут быть самыми разнообразными. Для нагрева рабочего тела могут использоваться открытое пламя, нагретый газ, нагретая жидкость, лазерный луч, электрический ток и т.д. Для получения тепловой энергии могут использоваться различные виды топлива, возможна конструкторская разработка многотопливного варианта предлагаемого двигателя. Для более эффективной работы нагревателя и охладителя в качестве их теплообменных элементов могут использоваться дополнительные катушки 11 (фиг.2), а также подвижная катушка 3 для предварительного охлаждения рабочего тела и неподвижная катушка 2 для предварительного нагрева.

Для упрощения ремонта двигателя в случае термической усталости рабочего тела, неподвижная и подвижная катушки с намотанной проволокой (лентой) могут быть выполнены в виде единого узла (ротора), заменяемого целиком.

Предлагаемое устройство не содержит более сложных элементов, чем аналоги, его изготовление не представляет затруднений для современного уровня развития техники.

Возможность использования дешевых сортов топлива, достижения высокого коэффициента полезного действия, малая материалоемкость могут позволить предлагаемому устройству найти широкое применение в народном хозяйстве.

Использование: энергетика, в частности тепловые двигатели. Сущность изобретения: устройство содержит рабочий элемент, выполненный из термочувствительного материала в виде гибкой ленты, сплошной или из отдельных нитей. Рабочий элемент выполняется предварительно термически напряженным из механического прочного материала, имеющего достаточное линейное расширение и необходимую по величине теплопроводность, в качестве материала для ленты может быть использована сталь, кроме ленты для рабочего элемента может использоваться проволока, трос, сплетенный из проволоки и т.п.; устройство содержит неподвижную катушку 2, жестко закрепленную на неподвижной оси 8, и подвижную катушку 3, жестко соединенную с сателлитом 4, ролики, вокруг которых обернут замкнутый рабочий элемент; неподвижную ось 8 колеса 5 с внутренним зубчатым зацеплением, неподвижно установленного на основании; сателлит 4, соединенный жестко с катушкой 3, имеющей ось 9, закрепленную на водиле 10; устройство, нагревающее рабочее тело (нагреватель) 6, устройство 7 охлаждающее рабочее тело (охладитель), установленные на боковых сторонах водила 10; кроме того дополнительные катушки, оси которых закреплены на водиле 10 сателлита 4. Дополнительные катушки предназначены для продления срока службы рабочего элемента, уменьшая частоту смены циклов нагрева и охлаждения по сравнению с частотой вращения сателлита, кроме того они могут одновременно являться дополнительными теплообменными элементами нагревателя и охладителя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий основание, установленный на нем комплект из двух роликов, один из которых является элементом узла механизма отбора мощности, соединенного со звеном нагрузки, и связанных между собой механической передачей, обернутой вокруг роликов, замкнутый рабочий элемент, выполненный из термочувствительного материала, средства нагрева и охлаждения, отличающийся тем, что рабочий элемент выполнен предварительно термически напряженным, механическая передача - в виде колеса с внутренним зубчатым зацеплением, неподвижно установленного на основании и связанного с сателлитом, жестко соединенным на своей оси с роликом узла механизма отбора мощности, другой ролик жестко закреплен на неподвижной оси колеса с внутренним зубчатым зацеплением, при этом на противоположных боковых сторонах водила сателлита установлены средства нагрева и охлаждения. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным комплектом из нескольких пар роликов, оси которых закреплены на водиле сателлита. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочий элемент выполнен в виде замкнутой ленты. 4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочий элемент выполнен в виде проволоки, намотанной в несколько витков на ролики. 5. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочий элемент выполнен в виде троса, сплетенного из проволоки.