СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ГРАВИТАЦИОННОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ ВРАЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к способам преобразования энергии, в частности комплексного совместного преобразования тепловой и гравитационной энергии в механическую энергию вращения и к устройствам по осуществлению этого способа, а более конкретно к гравитационно-тепловым двигателям. Изобретение может быть использовано в качестве автономного источника механической энергии.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, заключающийся в том, что применяют полые термочувствительные элементы с термомеханической памятью их размеров, через которые поочередно пропускают жидкость с разной температурой нагрева с возможностью изменения их длины, при этом элементы связывают с коленчатым валом, который приводят во вращение при изменении размеров этих элементов.

Этот способ преобразования тепловой энергии реализован в двигателе, содержащем термочувствительные элементы в виде пружин, выполненных из материала с термомеханической памятью размеров, имеющих внутренние каналы, которые сообщаются с устройством для поочередного пропуска горячей и холодной жидкости, концы пружин связаны с корпусом двигателя и коленчатым валом (1).

Известен также способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, при котором для механического перемещения используют тепловое расширение тела, размещая его в двух смежных раздельных областях пространства, которые заполняют газом или жидкостью с разными температурами нагрева, на границе этих смежных областей устанавливают с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси ротор, состоящий из совмещенной с осью ступицы и обода, эксцентрического относительно оси, которые соединяют радиальными связями, выполненными в виде термочувствительных элементов из материала с термомеханической памятью их укороченной формы, обладающих свойством теплового расширения и сжатия, при этом связи, размещенные с двух противоположных сторон от ступицы ротора, располагают в разных областях пространства с возможностью последовательного перемещения из одной области пространства в другую область при вращении ротора и обеспечивают при этом создание вращающего момента на валу за счет сил натяжения указанных связей.

Этот способ преобразования тепловой энергии осуществлен в тепловом двигателе, содержащем ротор, который состоит из установленных на горизонтальном валу ступицы и эксцентрического валу обода, соединенных между собой радиальными связями в виде термочувствительных элементов из материала с термомеханической памятью их укороченной формы, выполненных с возможностью изменения линейных размеров в радиальном направлении при изменении температуры нагрева, а также две смежных раздельных емкости, заполненные газом или жидкостью с разной температурой нагрева в разных емкостях, при этом связи ротора, размещенные с двух противоположных сторон от ступицы, расположены в разных смежных емкостях с возможностью последовательного перемещения из одной емкости в другую смежную емкость при вращении ротора, связи ротора шарнирно соединены со ступицей и ободом, с последним из которых соединено средство создания эксцентриситета относительно вала, выполненное в виде прижатых снаружи к ободу и установленных на корпусе роликов (2).

Недостатком этого способа и реализующего его устройства является малая нагрузочная способность в связи с незначительным изменением длины термочувствительных элементов, выполненных из прямых стержней, большие растягивающие нагрузки на эти элементы, в том числе и при неработающем двигателе в условиях неизменной температуры нагрева, поскольку обод ротора постоянно находится в эксцентрическом положении относительно оси за счет одностороннего воздействия на него установленных на корпусе роликов, сложность изготовления одинаковых по размеру термочувствительных элементов в виде прямых стержней из материала и термомеханической памятью их укороченной формы, а также их соединение со ступицей и ободом при сборке двигателя, что возможно сделать только при определенной и постоянной температуре нагрева в ходе производства.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата (цели изобретения), заключающегося в повышении нагрузочной способности, уменьшении напряженно-деформированного состояния термочувствительных элементов, упрощении устройства и изготовления.

Указанный технический результат по способу преобразования тепловой и гравитационной энергии в механическую энергию вращения достигается тем, что для механических перемещений используют тепловое расширение тела, размещая его в двух смежных раздельных областях пространства, которые заполняют газом или жидкостью с разными температурами нагрева, на границе этих смежных областей устанавливают с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси ротор, состоящий из совмещенной с осью ступицы и обода, которые соединяют равными по размеру радиальными связями, обладающими свойством теплового расширения и сжатия, при этом связи, размещенные с двух противоположных сторон от ступицы ротора, располагают в разных областях пространства с возможностью последовательного перемещения из одной области пространства в другую смежную область при вращении ротора, раздельные области пространства размещают одну над другой, в качестве радиальных связей используют термобиметаллические элементы, у которых активные и пассивные слои обращают соответственно в одну сторону относительно ступицы и обода, и обеспечивают этим при изменениях температуры нагрева связей эксцентрическое положение обода относительно ступицы в горизонтальном направлении, а обод выполняют массивным.

Заданный технический результат по устройству для осуществления указанного способа преобразования энергии достигается тем, что применяют ротор, который состоит из установленной на горизонтальном валу ступицы и обода, соединенных между собой радиальными связями, выполненными с возможностью изменения линейных размеров в радиальном направлении при изменении температуры нагрева, а также две смежных раздельных емкости, заполненные газом или жидкостью с разной температурой нагрева в разных емкостях, при этом связи ротора, размещенные с двух противоположных сторон от ступицы, расположены в разных смежных емкостях с возможностью последовательного перемещения из одной емкости в другую смежную емкость при вращении ротора, связи ротора шарнирно соединены со ступицей и ободом, раздельные емкости размещены одна над другой, радиальные связи выполнены в виде термобиметаллических элементов, активные и пассивные слои у которых обращены соответственно в одинаковые стороны относительно ступицы и обода, при этом обод выполнен массивным.

Радиальные связи выполнены в виде термобиметаллических пластин.

Радиальные связи выполнены из термобиметаллических пружин, у которых активные и пассивные слои обращены в противоположных направлениях вдоль оси формы пружины.

Массивный обод выполнен с теплоизоляционным покрытием и/или изготовлен из материала с малой теплоемкостью и теплопроводностью.

На фиг. 1 показана общая схема осуществления способа прямого преобразования тепловой и гравитационной энергии в механическую энергию вращения; на фиг. 2 и 3 устройство двух вариантов гравитационно-теплового двигателя, предназначенного для реализации указанного способа.

Способ преобразования тепловой и гравитационной энергии в механическую энергию вращения (фиг. 1) заключается в том, что используют разность энергетического содержания двух смежных разделенных границей плоскостью А-А, областей пространства, заполненных газом или жидкостью с разными температурами нагрева. В данном случае область пространства, расположенная ниже границы А-А, имеет температуру Т₁ заполняющей ее среды (газа или жидкости) более низкую, чем температура Т₂ среды в смежной области пространства, расположенной раздельно выше границы А-А. Между смежными раздельными областями пространства устанавливают ротор, имеющий возможность свободного вращения вокруг горизонтальной оси О. Ротор состоит из совмещенной с осью О ступицы 1 и массивного обода 2, которые соединяют при помощи равных по размеру радиальных связей 3, способных совершать тепловые расширения и сжатия в зависимости от температуры нагрева. Связи 3, размещенные с двух противоположных сторон от ступицы 1 ротора, располагают в разных смежных областях пространства по разную сторону от границы А-А с соответственно разными температурами нагрева Т₁ и Т₂ заполняющей эти области среды, и с возможностью последовательного перемещения из одной области пространства в другую смежную область при вращении ротора. Связи 3, располагающиеся в разных областях пространства с разными температурами нагрева заполняющей эти области среды, благодаря тепловому расширению имеют разную длину R, зависящую от температуры их нагрева. При вращении ротора и прохождении связей 3 через область пространства с более высокой температурой Т₂, они удлиняются за счет нагрева, а при прохождении среды с более низкой температурой Т₁ длина связей соответственно уменьшается. Нагревание и охлаждение связей происходит постепенно, поэтому при вращении ротора наименьшая длина связей R₁ будет при пересечении ими границы А-А при выходе из менее нагретой области пространства с температурой среды Т₁ в область пространства с более высокой температурой Т₂ нагрева среды. По этим же причинам максимальная длина связей R₂ будет на границе А-А при вхождении связей из области с высокой температурой Т₂ среды в область пространства, заполненную средой с меньшей температурой нагрева Т₁. Разная длина связей R₁ и R₂ приведет к неравновесному положению массивного обода 2 относительно оси О. Силы тяжести F, воздействующие на противоположные стороны обода 2, отстоящие от оси О вращения на разные расстояния R₁ и R₂ создадут разные по величине и противоположно направленные вращающие моменты F₁R₁ и F₂R₂. Величина разности вращающих моментов F₂R₂ и F₁R₁ зависит не только от расстояний R₂ и R₁, но и входящих в эти выражения сил тежести F₂ и F₁, которые также различны в связи с эксцентрическим положением обода 2 относительно оси вращения О и смещением его центра тяжести относительно этой оси. За счет этого разность в величинах F₂R₂ и F₁R₁ еще более возрастает. Под действием разности этих вращающих моментов ротор будет совершать вращение в сторону большего по величине момента F₂R₂, т.е. в данном случае против часовой стрелки. При этом тепловая энергия только создает условия для проявления гравитационного взаимодействия, создающего вращающий момент. В связи с этим при малой теплоемкости связей 3 и большой их длине, большом температурном коэффициенте линейного расширения связей и массивном ободе 2 ротора преобразование тепловой энергии в механическую энергию будет происходить с высокими показателями коэффициента полезного действия, поскольку использование гравитационного взаимодействия (сил тяжести) не связано с какими-либо дополнительными затратами энергии.

Применение в качестве груза массивного обода 2 устраняет неравномерности в передаче вращающего момента. Возможность сосредоточить в малом объеме обода большую массу повышает нагрузочную способность системы преобразования энергии. Изготовление груза в виде единой детали обода 2 упрощает устройство и повышает компактность двигателя. Теплозащитное покрытие обода и/или изготовление его из материала с малой теплопроводностью и теплоемкостью уменьшает потери тепловой энергии при вращении обода попеременно в областях пространства с разной температурой нагрева среды, что способствует уменьшению потерь энергии. Высокий коэффициент полезного действия в данном способе обеспечивается также тем, что здесь полностью отсутствуют потери гравитационной энергии при ее преобразовании в механическую энергию, поскольку гравитационная энергия расходуется только в объеме ее потребления для вращения ротора.

Указанный способ преобразования тепловой и гравитационной энергии в механическую энергию вращения может быть осуществлен в устройстве в виде гравитационно-теплового двигателя, два варианта конструктивного оформления которых приведены на схемах фиг. 2 и 3.

Гравитационно-тепловой двигатель, приведенный на фиг. 2, содержит ротор, состоящий из ступицы 1, массивного обода 2 и соединяющих их связей 3 в виде изогнутых термобиметаллических пластин, равномерно расположенных по окружности. Ступица 1 при помощи вала 4 установлена на опоре 5 ротора, которая расположена внутри емкости 6, заполненной жидкостью 7 (например, водой) температура которой Т₁ ниже температуры Т₂ окружающего газа (воздуха). Ступица 1 и обод 2 в приведенном на схеме примере наполовину погружена в жидкость 7 и часть связей 3 также расположена в жидкости 7, а другая часть связей находится выше уровня А-А жидкости в смежной раздельной емкости в среде газа. Связи 3 присоединены при помощи шарниров 8 своими противоположными концами соответственно к ступице 1 и ободу 2 ротора. Применение указанных шарниров 8 уменьшает изгибающие нагрузки на пластины связей 3 при их тепловых расширениях и связанным с этим переменным по величине эксцентрическим положением ступицы 1 относительно обода 2.

Гравитационно-тепловой двигатель, приведенный на фиг. 3, отличается от приведенного выше тем, что радиальные связи в виде пружин выполнены из термобиметалла с расположением активного и пассивного слоев в радиальном направлении относительно ступицы 1 и оси О. Связи в виде термобиметаллических пружин обеспечивают наибольшее линейное расширение и сжатие в радиальном направлении при изменении температуры их нагрева и в то же время обладают достаточной жесткостью для удержания массивного обода 2 в определенном эксцентрическом положении относительно ступицы 1 и оси О при вращении ротора. Каждая из пружин 3 одним концом через шарнир 8 соединена со ступицей 1, а другим концом также через шарнир с ободом 2.

Гравитационно-тепловой двигатель работает следующим образом.

При неподвижном роторе находящиеся в жидкости связи, выполненные в данном примере в виде термобиметаллических пластин 3 (фиг. 2), под влиянием низкой температуры Т₁ изогнуты и их концы сближены. Термобиметаллические пластины 3, расположенные над уровнем А-А жидкости в смежной емкости с газовой средой с более высокой температурой Т₂ нагрева, под влиянием теплового расширения изогнуты в меньшей степени и концы их разведены. При этом имеется в виду, что в данном случае активный слой термобиметаллической пластины 3 с более высоким температурным коэффициентом линейного расширения расположен с внутренней стороны изогнутой пластины. В связи с разной степенью изгиба пластин 3, находящихся в смежных раздельных емкостях в среде жидкости 7 или газа, имеющих разную температуру нагрева, ступица 1 ротора и его ось О размещаются эксцентрически относительно обода 2. Для начала работы двигателя обод 2 со ступицей 1 и связями 3 поворачивают примерно на четверть оборота в сторону, в которую он должен вращаться во время работы двигателя. В данном случае (фиг. 2) поворот ротора совершен против часовой стрелки. При этом массивный обод 2 приводится в неравновесное положение относительно ступицы 1, вала 4 и их оси О, поскольку большая часть массы обода 2 будет располагаться в данном случае левее вертикали В-В, проходящей через ось О ротора. В связи с этим на часть обода 2, расположенную правее вертикальной плоскости В-В и составляющую меньшую часть от общей массы обода, будет действовать меньшая сила тяжести F₁ по сравнению с силой тяжести F₂, действующей на большую часть массы обода 2, расположенную левее вертикальной плоскости В-В. Вместе с тем, в связи с поворотом обода 2 вместе со ступицей 1 и связями 3 примерно на четверть оборота против часовой стрелки, более изогнутые термобиметаллические пластины, находившиеся в жидкости 7 с меньшей температурой нагрева Т₁, разместятся в данном случае правее вертикальной плоскости В-В и расстояние между осью О и ободом 2 составит R₁. Менее изогнутые термобиметаллические пластины, находившиеся до поворота обода в емкости над уровнем А-А жидкости в среде газа с большей температурой нагрева Т_2, расположатся слева от вертикальной плоскости В-В и расстояние между осью О и данной частью обода составит R₂. Из сказанного следует, что R₂ больше, чем R₁. Вместе с тем, эти расстояния R₁ и R₂ являются плечами действия соответствующих сил тяжести F₁ и F₂ относительно вала 4 оси О. Исходя из указанного выше соотношения величин F₁, F₂ и R₁ и R₂, вращающий момент F₂R₂ будет больше величины вращающего момента F₁R₁. Под воздействием разности в величинах этих вращающих моментов ротор будет вращаться в данном случае против часовой стрелки, т.е. в сторону большего по величине вращающего момента F₂R₂. При этом, нагрев термобиметаллических пластин 2 в газовой среде и охлаждение их в жидкости происходит постепенно с соответствующим их постепенным изгибом и выпрямлением, поэтому, в данном случае, при вращении ротора против часовой стрелки изгиб пластин 2, находящихся на выходе из жидкости справа от вертикальной плоскости В-В будет всегда больше изгиба пластин, находящихся слева от плоскости В-В у уровня А-А жидкости перед их вхождением из нагретой газовой среды и эту менее нагретую жидкость 7. Этим обеспечивается постоянное эксцентрическое положение обода 2 относительно оси О, разность в величинах вращающих моментов F₂R₂ и F₁R₁, а следовательно, и постоянное вращение ротора в данном случае против часовой стрелки.

Если перед началом работы двигателя обод 2 будет повернут на четверть оборота по часовой стрелке, то таким же образом будет обеспечено вращение ротора по часовой стрелке. Этим обеспечивается простота реверсирования вращения ротора.

Гравитационно-тепловой двигатель (фиг. 3) работает также как и описанный выше двигатель по фиг. 2 с тем лишь различием, что при выполнении связей 3 в форме термобиметаллических пружин амплитуда изменения их длины в радиальном направлении может быть увеличена, что повышает нагрузочную способность и коэффициент полезного действия двигателя.

Для осуществления способа преобразования энергии и обеспечения работы гравитационно-тепловых двигателей могут использоваться любые виды тепловой энергии с теплоносителями в виде газа или жидкости, отводимых, в частности, от действующих энергетических установок, любых видов топок и др. Не исключено также использование горячего воздуха или прямого солнечного нагрева вместе с охлаждающей водой в жарких районах и др. Отсутствие у гравитационно-тепловых двигателей каких-либо вспомогательных или сопутствующих устройств и сооружений упрощает их изготовление и снижает стоимость. Двигатель имеет единственный подвижный элемент ротор, что снимает необходимость постоянного надзора за ним и предельно упрощает эксплуатацию.

Использование: энергетика. Сущность: ротор, выполненный в виде ступицы 1, массивного обода 2 и радиальных связей 3, соединяющих их, устанавливают с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси О на границе а-а между смежными раздельными емкостями, которые заполняют газом или жидкостью с разными температурами нагрева T₁ и T₂, при этом ступица 1 соединена с ободом 2 при помощи равномерно размещенных по окружности радиальных связей 3, которые способны изменять линейные размеры в радиальном направлении при изменении температуры нагрева. Для преобразования энергии обод 2 поворачивают примерно на четверть оборота в сторону, в которую он должен вращаться при работе двигателя, и тем самым приводят его в неравновесное положение, поскольку связи 3, находящиеся в областях пространства с разными температурами нагрева находящихся в них газа или жидкости, имеют разную длину в радиальном направлении вследствие разного их теплого расширения. При этом массы обода 2, расположенные с двух сторон от вертикальной плоскости в-в, проходящей через ось ротора, различны по величине и на них действуют разные по величине силы тяготения F₁ и F₂, а центры масс противоположных сторон обода находятся на разном расстоянии R₁ и R₂ от этой вертикальной плоскости. В связи с этим на стороны обода 2, расположенные с противоположных сторон от вертикальной плоскости В-В, постоянно действуют разные по величине вращающие моменты F₂R₂ и F₁R₁ и ротор приводится во вращение в направлении большего по величине вращающего момента F₂R₂ 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ преобразования тепловой и гравитационной энергии в механическую энергию вращения, при котором для механических перемещений используют тепловое расширение тела, размещая его в двух смежных раздельных емкостях, которые заполняют газом или жидкостью с разными температурами нагрева, на границе смежных областей устанавливают с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси ротор, состоящий из совмещенной с осью ступицы и обода, которые соединяют равными по размеру радиальными связями, обладающими свойством теплового расширения и сжатия, при этом связи, размещенные в двух противоположных сторон от ступицы ротора, располагают в соответствующих разных областях емкости с возможностью последовательного перемещения из одной области пространства в другую смежную область при вращении ротора, отличающийся тем, что раздельные емкости размещают одну над другой, в качестве радиальных связей используют термобиметаллические элементы, у которых активные и пассивные слои обращают соответственно в одну сторону относительно ступицы и обода, с последующим обеспечением эксцентрического положения обода относительно ступицы в горизонтальном направлении при изменении температуры нагрева связей, а обод выполняют массивным. 2. Устройство для преобразования тепловой и гравитационной энергии в механическую энергию вращения, содержащее ротор, который состоит из установленной на горизонтальном валу ступицы и обода, соединенных между собой радиальными связями, выполненными с возможностью изменения линейных размеров в радиальном направлении при изменении температуры нагрева, две смежные раздельные емкости, заполненные газом или жидкостью с разной температурой нагрева в разных емкостях, при этом связи ротора, размещенные с двух противоположных сторон от ступицы, расположенные в разных смежных емкостях, выполнены с возможностью последовательного перемещения из одной емкости в другую смежную емкость при вращении ротора, а связи ротора шарнирно соединены со ступицей и ободом, отличающееся тем, что раздельные емкости размещены одна над другой, радиальные связи выполнены в виде термобиметаллических элементов, активные и пассивные слои у которых обращены соответственно в одинаковые стороны относительно ступицы и обода, при этом обод выполнен массивным. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что радиальные связи выполнены в виде термобиметаллических пластин. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что радиальные связи выполнены из термобиметаллических пружин, у которых активные и пассивные слои обращены в противоположных направлениях вдоль оси формы пружины. 5. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что массивный обод выполнен с теплоизоляционным покрытием и/или изготовлен из материала с малой теплоемкостью и теплопроводностью.