УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ ВРАЩЕНИЯ Б.Ф.КОЧЕТКОВА Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения.

Известны теплочувствительные элементы, состоящие из двух прочно соединенных полосок металлов или сплавов, обладающих разными коэффициентами линейного расширения, имеющих свойство изгибаться при изменении температуры нагрева и преобразующих при этом тепловую энергию в механическую.

Известно также устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, содержащее статорное кольцо с внутренней направляющей поверхностью, эксцентрично смещенное относительно оси вращения ротора, снабженного теплочувствительными рабочими элементами, выполненными в виде соединенных своими концами двух дуг из материала с термомеханической памятью формы, которые одними концами прикреплены равномерно по окружности к внешней поверхности ротора, а другими к внутренним концам толкателей, на внешних концах которых установлены ролики, контактирующие с внутренней направляющей поверхностью статора.

Недостатком этого устройства является неполное использование энергии теплочувствительных элементов при изменении их формы, что связано с возможностью их силового взаимодействия только с внутренней направляющей поверхностью статора и только при увеличении радиальных размеров. При уменьшении размеров рабочих элементов они с направляющей поверхностью не взаимодействуют. Это приводит к уменьшению КПД при преобразовании тепловой энергии, одностороннему взаимодействию рабочих элементов лишь с частью направляющей поверхности статора, неравномерному приложению связанных с этим нагрузок на ротор и уменьшению нагрузочной способности устройства.

Целью изобретения является повышение КПД при преобразовании тепловой энергии в механическую энергию вращения, равномерное приложение нагрузок на статор и ротор и увеличение нагрузочной способности с одновременным обеспечением простоты устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащем статор в виде статорного кольца с внутренней направляющей поверхностью, эксцентрично смещенного относительно оси вращения ротора с теплочувствительными рабочими элементами, равномерно закрепленными одними концами с его поверхностью по окружности вращения, а другими с роликами с возможностью взаимодействия с направляющей поверхностью статорного кольца, зоны нагрева и охлаждения, теплочувствительные рабочие элементы выполнены из термобиметаллического материала, а статорное кольцо с дополнительной внешней направляющей поверхностью, при этом ролики теплочувствительных рабочих элементов размещены вдоль обоих направляющих поверхностей статорного кольца с возможностью попеременного взаимодействия с каждой из поверхностей при прохождении этих роликов и рабочих элементов через зоны нагрева и охлаждения.

Теплочувствительные рабочие элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин, плоскости которых расположены вдоль направляющих поверхностей статорного кольца, каждая из которых прикреплена одним концом к одному из установленных равномерно по окружности радиальных выступов ротора, а вторым свободным концом опирается через ролик на кольцевую поверхность статора, при этом активные и пассивные слои термобиметаллических пластин, размещенные вдоль внешней и внутренней опорных кольцевых поверхностей статора, обращены соответственно в одну сторону относительно оси ротора.

Теплочувствительные элементы выполнены в виде радиально установленных относительно оси ротора термобиметаллических пружин, расположенных равномерно по окружности, один конец каждой из пружин прикреплен к валу, а активный и пассивный слои термобиметаллического материала обращены соответственно к одному из торцов пружины.

Статор установлен с возможностью перемещения в радиальном направлении относительно оси ротора.

На фиг. 1 показано принципиальное исполнение устройства для преобразования тепловой энергии в механическую; на фиг. 2 и 3 приведены конкретные схемы его конструкции; на фиг. 4 показано устройство теплочувствительного рабочего элемента в форме пружины.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения содержит статор в виде статорного кольца 1 с внутренней и внешней направляющими поверхностями, эксцентрично смещенного относительно оси О вращения ротора 2 с теплочувствительными рабочими элементами 3, равномерно прикрепленными одними концами к ротору по его внешней окружности, а другими, связанными с роликами 4 с возможностью взаимодействия с направляющими поверхностями статорного кольца 1. Ротор и статорное кольцо размещены в зонах охлаждения и нагрева, первая из которых нижняя зона 5 в данном конкретном случае заполнена до уровня А-А проточной жидкостью с температурой нагрева Т₁, а вторая верхняя зона 6 содержит проходящий через нее газ, который нагрет до более высокой температуры Т₂ по сравнению с температурой нагрева жидкости. Теплочувствительные рабочие элементы 3 выполнены из термобиметаллического материала. Ролики 4 теплочувствительных рабочих элементов размещены вдоль внутренней и внешней относительно оси О ротора направляющих поверхностей статорного кольца 1 с возможностью попеременного взаимодействия с каждой из поверхностей при прохождении теплочувствительных рабочих элементов 3 через зоны нагрева 6 и охлаждения 5. Вал 7 ротора 2 установлен на опоре 8, а статорное кольцо 1 на основании 9.

Теплочувствительные рабочие элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин (см. фиг. 2), плоскости которых расположены вдоль направляющих поверхностей статорного кольца 1. Каждая из пластин 10 прикреплена одним концом к одному из установленных равномерно по окружности радиальных выступов 11 ротора, а вторым свободным концом опирается через ролик 4 на кольцевую направляющую поверхность статорного кольца 1, при этом активные и пассивные слои внешних и внутренних термобиметаллических пластин 10, размещенных соответственно вдоль внешней и внутренней опорных кольцевых поверхностей статорного кольца, обращены в одну сторону относительно оси О ротора.

Как вариант теплочувствительные элементы выполнены в виде радиально установленных относительно оси О ротора равномерно по его окружности термобиметаллических пружин 12 (см. фиг. 3 и 4). Один конец каждой из пружин прикреплен к валу ротора, а активный 13 и пассивный 14 слои термобиметаллического материала пружин обращены соответственно к одному из торцов пружины. На фиг. 3 приведен упрощенный вариант устройства, снабженный роликами 4, имеющими опору только на внутреннюю направляющую поверхность статорного кольца 1. Однако на каждой из пружин может быть установлен второй ролик, размещенный на внешней направляющей поверхности статорного кольца, при этом оси обоих роликов соединены установленной на конце пружины радиальной перемычкой. Величина теплового расширения и сжатия термобиметаллической пружины определяется общей длиной биметаллического прута (полосы), свернутого в форму пружины, поскольку активный и пассивный слои каждого витка пружины будут действовать в одном направлении относительно оси О ротора.

У любого из приведенных вариантов устройства (см. фиг. 2 и 3) может быть предусмотрена возможность перемещения статора 1 в радиальном направлении (в данном случае в горизонтальном направлении) относительно оси ротора О с закреплением в каждом из этих положений (на фиг. 3 эти положения обозначены индексами П₁ и П₂) при помощи фиксирующих устройств, которые в данном случае выполнены в виде размещенных на основании 9 гнезд 15, в одно из которых вставляется опора 16 статора.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работает следующим образом.

Нижнюю зону 5 заполняют до уровня А-А проточной охлаждающей жидкостью, например водой, и охлаждают находящиеся в воде теплочувствительные рабочие элементы, например пластины 10, до температуры Т₁ воды. Охлаждение пластин приводит к их искривлению в сторону активного слоя биметалла, в данном случае, к оси О ротора. При этом у охлажденных водой внутренних пластин, размещенных внутри статорного кольца 1, ролики 4 выводятся из контакта с внутренней направляющей поверхностью статорного кольца, а у охлажденных внешних пластин, размещенных с внешней стороны статорного кольца, ролики 4 прижимаются к внешней направляющей поверхности статорного кольца. Через верхнюю зону 6 пропускают нагретый до температуры Т₂ газ, например, отводимую из любой топки нагретую до высокой температуры газовоздушную смесь и другие и обеспечивают нагрев находящихся над уровнем А-А жидкости термобиметаллических пластин 10, обеспечивая их искривление по указанным выше причинам в сторону от оси О ротора. При этом у нагретых внешних пластин ролики выводятся из контакта с внешней направляющей поверхностью статорного кольца, а у нагретых внутренних пластин ролики прижимаются к внутренней направляющей поверхности кольца. Давление роликов на направляющие поверхности статорного кольца с силой F₁ вызывает по закону действия и противодействия тел возникновение силы F, воздействующей на ролик 4. Векторы этих сил направлены перпендикулярно к касательным в точке соприкосновения каждого ролика и этих поверхностей. Следовательно, направление векторов сил F определяется кривизной направляющих поверхностей кольца, имеющего форму окружности, а поэтому линии всех этих векторов пересекаются в центральной точке О₁ статора. Ось ротора О и центральная точка статора О₁ не совмещены друг с другом, а следовательно, воздействующая на каждый из роликов сила F имеет плечо R относительно оси О ротора, обеспечивая создание вращающего момента FR относительно этой оси. При этом, как было показано выше, ролики 4, установленные на внутренних термобиметаллических пластинах, оказывают давление на внутренние направляющие поверхности статорного кольца при нагреве пластин, т.е. взаимодействуют с верхней частью статорного кольца, расположенного в данный момент выше уровня А-А жидкости. По тем же причинам ролики, установленные на внешних термобиметаллических пластинах, взаимодействуют с нижней частью статора, расположенной в данный момент в охлаждающей жидкости. Под воздействием возникающего вращающего момента ротор приводится во вращение.

Следовательно, при работе устройства обеспечивается использование энергии изменяющего форму теплочувствительного рабочего элемента как при увеличении его радиальных размеров, так и при их уменьшении, что повышает КПД преобразования энергии. При этом достигается равномерная нагрузка на все стороны статора и ротора.

При работе устройства в условиях, когда температура нагрева жидкости выше, чем температура нагрева газа, создание вращающего момента происходит таким же образом, но в противоположном направлении.

Устройство для преобразования тепловой энергии с применением термобиметаллических пружин (см. фиг. 3) работает так же, как и приведенное выше, с тем лишь различием, что у этого устройства может быть достигнуто более значительное эксцентрическое положение ротора относительно статора, что обеспечивает повышение нагрузочной способности.

Для реверсирования вращательного движения ротора при неизменных температурных режимах в нижней 5 и верхней 6 зонах производится перестановка статора из одного фиксирующего гнезда 15 в другое.

Использование: энергетика. Сущность изобретения: ротор и статор устанавливают эксцентрически между собой, их оси 0 и 01 параллельны, теплоноситель в нижней области пространства, например жидкости, имеет температуру нагрева T₁ меньшую, чем температура нагрева T₂ теплоносителя, например газа, в верхней области пространства. Нижнюю часть ротора погружают в нижнюю ОП, охлаждают до температуры I₁ и уменьшают при этом длину тепловых элементов до L₁ а находящиеся в верхней области пространства тепловые элементы нагреты газом до более высокой температуры T₂ и имеют за счет этого большую длину L₂. Ролики тепловых элементов с меньшей длиной L₁ не контактируют кольцевой поверхностью статора, а ролики тепловых элементов с большей длиной L₂ опираются с силой F, направление вектора которой проходит через ось 01 статора и имеет плечо R относительно оси 0 ротора, создает вращающий момент, приводящий ротор во вращение, при этом тепловые элементы проходят последовательно через нижнюю и верхнюю области пространства с температурами нагрева T₁ и T₂ что приводит к обратимому изменению их длины в интервале L₁-L₂ и обеспечивает постоянное вращение ротора. Устройство выполнено в виде двух вариантов тепловых роторных двигателей, содержащих приведенные выше основные элементы. Устройство двигателя на фиг. 2 тепловые элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин, ролики которых опираются на внутреннюю и наружную КПС. У двигателя на фиг. 3 тепловые элементы имеют форму пружин, выполненных из биметаллического материала, активный и пассивный слои которого направлены в сторону одного из торцов пружины соответственно. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, содержащее статор, выполненный в виде статорного кольца с внутренней направляющей поверхностью, эксцентрично смещенного относительно оси вращения ротора с теплочувствительными рабочими элементами, равномерно закрепленными одними концами с его поверхностью по окружности вращения, а другими с роликами с возможностью взаимодействия с направляющей поверхностью статорного кольца, зоны нагрева и охлаждения, отличающееся тем, что теплочувствительные рабочие элементы выполнены из термобиметаллического материала, а статорное кольцо с дополнительной внешней направляющей поверхностью, ролики теплочувствительных рабочих элементов размещены вдоль обеих направляющих поверхностей статорного кольца с возможностью попеременного взаимодействия с каждой из поверхностей при прохождении роликов и рабочих элементов через зоны нагрева и охлаждения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплочувствительные рабочие элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин, плоскости которых расположены вдоль направляющих поверхностей статорного кольца, при этом каждая пластина прикреплена одним концом касательно к одному из установленных равномерно по окружности радиальных выступов ротора, другим свободным концом поджата через ролик к кольцевой поверхности статора, а активные и пассивные слои термобиметаллических пластин, размещенные соответственно вдоль внешней и внутренней опорных кольцевых поверхностей статора, обращены в одну сторону относительно оси ротора. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплочувствительные элементы выполнены в виде радиально установленных относительно оси ротора термобиметаллических пружин, расположенных равномерно по окружности, при этом один конец каждой из пружин прикреплен к валу, другой к ролику, а активный и пассивный слои термобиметаллического материала соответственно обращены к одному из торцов пружины. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что статор установлен с возможностью перемещения в горизонтальном направлении относительно оси ротора.