Тепловой двигатель Советский патент 1984 года по МПК F03G7/06 

1 Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к тепловым дви гателям, потребляющим тепловую энер гию низкотемпературных источников тепла, и может быть использовано для привода различных потребителей механической энергии. Известен тепловой двигатель, содержащий источник тепловой энергии и ротор с выходным валом, соединенный со статором посредством храповых муфт и термочувствительного элемента в виде спирали из сплава с термомсханической памятьюСи. Однако данный двигатель характеризуется недостаточной экономичностью из-за необходимости совмещения в пространстве зон нагрева и охлаждения термочувствительного элемента и вв.едения дополнительного аккумулирующего элемента в виде пружины для обеспечения равномерности вращения ротора и возврата формы термо чувствительного элемента при охлаж дении. Наиболее близким .к изобретению является тепловой двигатель, содержащий источник тепловой энергии и ротор с установленными на его периферии термочувствительными элемента ми, прикрепленными одними концами к ротору, а другими соединенными с осями, проходящими параллельно выходному валу и связанными с ним и статором при помощи планетарной передачи и обгонных муфт 23. Экономичность этого двигателя повышена за счет использования для его работы источника тепловой энергии со стационарными зонами нагрева и охлаждения, не совпадающими в про странстве. Однако удельная мощность двигателя-прототипа уменьшена вслед ствие малой величины тепловых дефор маций его биметаллических термочувствительных элементов и недостаточной .компактности из-за выполнения их в виде, винтовых спиралей. Целью изобретения является увеличение удельной м щности. Указанная цель достигается тем, что в тепловом двигателе, содержащем источник тепловой энергии и ротор с установленными на его периферии термочувствительными элементами, прикрепленными одними концами к ротору а другими соединенными с осями, проходящими параллельно выходному валу л связанными с ним и статором при помощи планетарной передачи и обгонных муфт, термочувствительные элементы выполнены.в виде архимедовых спиралей из сплава с термомеханической памятью, на каждой оси жестко закреплена шестерня передачи, при этом шестерни каждой пары диаметраль но противоположных термочувствительных элементов введены в зацепление друг с другом. 14 Источник тепловой энергии выполнен в виде прикрепленного к статору резервуара с жидкостью. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый тепловой .двигатель, продольный разрез на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг, 3 - разрез Б-Б на фиг. 1. Двигатель содержит статор 1 с размещенными в нем ротором 2 и выходным валом 3 и источником тепловой энергии в виде прикрепленного к статору резервуара 4 с нагретой жидкостью. Ротор 2 выполнен .в виде полого цилиндра со сплошной несущей перегородкой 5, делящей его на правую и левую (см, фиг. 1) части и препятствующей попаданию жидкости в левую часть. Левая часть ротора 2 имеет крестообразную несущую перегородку 6. На периферии ротора 2 в левой его части установлены термочувствительные элементы 7, выполненные в виде архимедовых спиралей из сплава с термомеханической памятью, например из нитинола. Термочувствительные элементы 7 установлены попарно диаметрально противоположно, при этом пары элементбв 7 расположены по разные стороны от перегородки 6 со смещением друг относительно друга по окружности на угол 90. В левой части ротора 2 на его боковой поверхности выполнены прорези для свободного доступа жидкости к термочувствительным элементам 7, В перегородках 5 и 6 ротора 2 с возможностью вращения установлены оси 8, проходящие параллельно выходному валу 3. Термочувствительные элементы 7 прикреплены одними концами к ротору 2, а другими - к осям 8, Оси 8 связаны с выходным валом 3 и со статором 1 при помощи обгонных муфт 9 и планетарной передачи, состоящей из жестко закрепленных на каждой оси 8 в левой части ротора 2 шестерен 10, а в правой части ротора 2 - зубчатых колес 11, находящегося с последним во внутреннем зацеплении зубчатого колеса 12, неподвижно закрепленного на статоре 1, и находящегося во внешнем зацеплении с зубчатыми колесами 11 зубчатого колеса 13, закрепленного на выходном валу 3, Шестерни 10 каждой пары диаметрально противоположных термочувствительных элементов 7 введены в зацепление друг с другом. Температура жидкости в резервуаре 4 поддерживается выше температуры структурного превращения сплава с термомеханической памятью формы, из которого изготовлены термочувствительные элементы 7, Форма термочувствительным элементам 7 задается при их обработке выше температуры структурного превращения и имеет в-ид раскрученной архимедовой спирали. Ниже температуры структурного

превращения элементы 7 относительно легко деформируемы, т.е. способны терять свою форму и принять скрученное состояние. Тепловые элементы 7 способны восстанавливать свою форму многократно при их нагреве выше указанного предела и при этом развиват значительный крутящий момент. Кинематическая связь при помощи шестере 10 между противоположными элементами 7 обеспечивает такое их взаимное расположение, что, если один из термочувствительных элементов 7 переходит в раскрученное состояние (восстанавливает свою форму), то противположный переходит в скрученное состояние .

Тепловой двигатель работает следующим образом.

При вращении ротора 2 прикрепленные к нему тепловые элементы 7 вращаются вместе с ним, периодически погружаясь в нагретую жидкость и нагреваясь в ней, а находясь на воздухе они охлаждаются за счет собственного теплоизлучения. После погружения одного из тепловых элементов 7 в скрученном состоянии в жидкость он нагревается до температуры структурного превращения, после чего проявляется эффект термомеханИ ческой памяти, т.е. термочувствительный элемент 7 вспоминает свою первонач.альную форму в виде раскрученной спирали и стремится ее принять. Возникающие при этом восстанавливающие направления создают вращательный момент, который через ось 8 и закрепленное на ней зубчатое колесо 11 с обгонной муфтой 9 передается зубчатому колесу 13, закрепленному на выходном валу 3. Одновременно зубчатое колесо 11 с обгонной муфтой 9 катится по неподвижно закрепленному на статоре 1 зубчатому колесу 12 внутреннего зацепления и тем самым ведет за собой ротор 2. Параллельно вращательный момент от раскручивающегося теплового элемента 7 посредством шестерен 10 передается диаметрально противоположно тепловому элементу 7, который нахрдится в воздухе и имеет температуру ниже температуры структурного превращения. Под действием скручивающего момента противоположный термочувствительный элемент 7 теряет свою форму -и принимает скрученное состояние, а в это время закрепленная на его оси 8 обгонная муфта 9 совершает свободный ход. В результате вращения ротора 2 раскручивающийся элемент 7 выходит из жидкости и охлаждается за Счет собственного теплоизлучения, а в жидкость погружается следующий элемент 7 в скрученном виде, который аналогично предыдущему нагревается, восстанавливает свою форму (раскручивается) , и созданный им вращающий мо0мент способствует дальнейшему вращению выходного вала 3, повороту ротора 2 на определенный угол, а также скручиванию противоположного термочувствительного элемента 7.

5 Процесс циклически повторяется, и таким образом устанавливается непрерывная работа двигателя.

Применение сплава с термомеханической памятью значительно повышает

0 быстродействие термочувствительных элементов по сравнению с биметаллическими,, имеющими повышенную инерционность. Деформируемые слои термочувствительных элементов из сплава

5 с термомеханической памятью могут претерпевать значительные относительные деформации (до 8% для сплава титана и никеля - нитинола) , что на порядок больше предельных де0формаций биметаллического теплового элемента. Это свойство позволяет получить значительно больший угол скручивания термочувствительного элемента.

Соединение диаметрально противо5положных термочувствительных элементов 7 при помощи шестерен 10 обеспечивает полный возврат формы охлаждаемых элементов 7 за счет использования части энергии тепловой

0 деформации нагреваемых элементов 7, что позволяет более полно использовать тепловые деформации при реализации эффекта термомеханической памяти. 5

I

Выполнение термочувствительных элементов 7 в виде компактных архимедовых спиралей позволяет уменьшить осевой габарит двигателя. Применение

0 жидкого теплоносителя для нагрева термочувствительных элементов ускоряет их нагрев и позволяет сократить их теплообменную площадь. Все эти факторы-В конечном счете обеспечива5ют повышение удельной мощности теплового двигателя.

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий источник тепловой энергии И ротор с установленными на его периферии термочувствительными элементами, прикрепленными одними концами к ротору, а другими соединенными с осями, проходящими параллельно выходному валу и связанными с ним и статором при ПСФ4ОЩИ планетарной передачи и обгонных муфт, отличающийс я тем, что, с целью увеличения удельной мощности, термочувствительные элементы выполнены в виде архимедовых спиралей из сплава с термомеханической памятью, на каждой оси жестко закреплена шестерня передачи, при этом шестерни каждой пасял диаметрально противоположных термочувствительных элементов введены в зацепление друг с другом. 2. Двигатель по п.1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что источник тепi ловой энергии выполнен в виде прикрепленного к статору резервуара с СП жидкостью. ю Ф

п

13