Тепловой двигатель Советский патент 1986 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, а именно к преобразователям тепло вой энергии в механическую путем использования раси:ирения и сокращения тел, вызываемых изменением температуры, и может быть использовано для привода различных механизмов и машин за счет энергии солнечного излучения, а также за счет энергии газообразных или жидких теплоносителей различного происхождения.

Цель изобретения - повышение экономичности преобразования тепловой энергии в механическую.

На фиг. 1 изображен двигатель, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 2 (зона взаимодействия элементов ротора и статора двигателя).

Двигатель содержит полый статор 1 с пористыми стенками 2 и ребрами 3 на их наружной поверхности для обеспечения неравномерности температурного перепада и пропускания теплового потока в теле статора 1 по секторам поперечного сечения его стенок 2. В стенки 2 статора 1 впрессованы оптические концентраторы теплового излучения в виде круглых в поперечном сечении отрезков 4 волокон прозрачной оптической резины, во многих местах сплюш,ен- ных при прессовании до овальной в поперечном сечении формы, смешанных с отрезками 5 проволоки из сплава с термомеханической память формы, например из спла- зо ва Мп - (по массе). Исходным материалом для прессования оптических концентраторов стенок 2 статора 1 могут служить также отрезки волокон прозрачной пластмассы, стекла, керамики. В процессе

внутренней поверхностью 6 статора 1 нри их удлинении и сжатии. Двигатель имеет нагреватель, выг олненный, например, в виде источника излучения (не показан), и- охладитель, образованный пора.ми стенок 2 ста тора 1, открытыми для доступа воздуха из окружающей среды. При использовании для нагрева газообразного или жидкого теплоносителя этими же норами стенок 2 статора 1 могут быть образованы кана;и:;1

О для подачи теплоносителя внутрь статора. При этом статор 1 может быть спрессован при изготовлении с пористостью, например, от 30 до 60%. Статор 1 снабжен крышками 9 выполненны.ми в виде Г10ди ипников скольжения, а также фланцем 10 для закрепления на месте нрименения. Ротор 7 содержит .металлический или пласт.массовый корпус 1 i который закреплен при по.мощи шпонки 2 на выходном валу 13, установленном п крьпп- ках 9 статора 1 с возможностью вращения и 20 предназначенном для соединения с устройством- потребителе.м механической энерг ии вращения.

При изготовлении тепловых двигателей большой мощности, когда целесообразно использовать в качестве нагревателя выхло - ные газы двигателей внутреннего сгора1 ия или горячую воду отходов производства, но не солнечное излучение (как .маломопанос). следует пористые стенки 2 статора 1 прессовать только из .массы отрезков 5 металлической проволоки (с термомеханической памятью формы или без памяти фор.мы) с пористостью статора 1 в пределах 20-40%. При этом проволока для отрезков 5 статора может быть диаметром 0,5-2 мм, а проволоки 8 в зависимости от необходимой частоты

25

прессования стенок 2 ребрам 3 нридапа па- 35 вращения ротора 7 --- диаметром 1-3 мм.

причем больший диаметр проволок 8 соответствует меньшей частоте вращения ротора 7.

.мять формы, которая выражена в изменении их высоты. Папример, при температуре ниже +110°С высота ребер 3 номинальная, при температуре их высота больше номинальной на 5-10%, а при температуре +130°С высота ребер 3 снова равна номинальной. Статор 1 имеет шероховатую цилиндрическую внутреннюю поверхность 6, образованную в результате прессовапия отрезков 4 волокон оптической резины и отрезков 5 проволоки. Внутри статора 1 размещен ротор 7 с множеством установлен ных по всей его наружной поверхности с односторонним тангенциальным относительно ротора 7 направлением проволок 8 из материала с термомеханической памятью знакопеременного изменения их длины, например из сплава Мп - 15% Ni (по массе). При этом длина проволок 8 при температуре ниже +110°С номинальная, при температуре + 120°С их длина на 5-10% боль- ще номинальной, а при температуре выше -t 130°C длина нроволок 8 снова равна номинальной. Ротор 7 установлен с возможностью взаимодействия его проволок 8 с

о

внутренней поверхностью 6 статора 1 нри их удлинении и сжатии. Двигатель имеет нагреватель, выг олненный, например, в виде источника излучения (не показан), и- охладитель, образованный пора.ми стенок 2 статора 1, открытыми для доступа воздуха из окружающей среды. При использовании для нагрева газообразного или жидкого теплоносителя этими же норами стенок 2 статора 1 могут быть образованы кана;и:;1

для подачи теплоносителя внутрь статора. При этом статор 1 может быть спрессован при изготовлении с пористостью, например, от 30 до 60%. Статор 1 снабжен крышками 9 выполненны.ми в виде Г10ди ипников скольжения, а также фланцем 10 для закрепления на месте нрименения. Ротор 7 содержит .металлический или пласт.массовый корпус 1 i который закреплен при по.мощи шпонки 2 на выходном валу 13, установленном п крьпп- ках 9 статора 1 с возможностью вращения и предназначенном для соединения с устройством- потребителе.м механической энерг ии вращения.

При изготовлении тепловых двигателей большой мощности, когда целесообразно использовать в качестве нагревателя выхло - ные газы двигателей внутреннего сгора1 ия или горячую воду отходов производства, но не солнечное излучение (как .маломопанос). следует пористые стенки 2 статора 1 прессовать только из .массы отрезков 5 металлической проволоки (с термомеханической памятью формы или без памяти фор.мы) с пористостью статора 1 в пределах 20-40%. При этом проволока для отрезков 5 статора может быть диаметром 0,5-2 мм, а проволоки 8 в зависимости от необходимой частоты

5

вращения ротора 7 --- диаметром 1-3 мм.

причем больший диаметр проволок 8 соответствует меньшей частоте вращения ротора 7.

Тепловой двигатель работает следующим образом.

При воздействии на статор 1 теплового излуче}1ия Q, например солнечной радиации (на фиг. 2 показано параллельными стрелками), которое свободно (или с мини- .ма:1ьнь.м поглощением) проходит через ирозрачную для него массу спрессованных отрезков 4 волокон оптической синтетической резины, многократно перефокусируясь в разных местах тела статора 1, где имеются липзонодобные овальные с.мятия отрезков 4, тер.мочувствительные проволоки 8

нагреваются. При это.м часть излучения Q. которая не сфокусирована, нагревает от- ./тельные участки проволок 8 до температуры ниже , а сфокусированная часть излучения нагревает другие участки проволок 8 до температуры вьппе +130°С. Это приводит к проявлению эффекта тер.мо.ме- ханической па.мяти формы обрати.мого знакопеременного из.менения длины проволок 8.

Нагрев до +120°С приводит к удлинению проволок 8 на 5-10%, и последние упираются своими торцами в шероховатую поверхность 6 с усилием до 30 кгс/мм, отталкивая ротор 7 от статора 1 и вызывая этим поворот ротора 7 и соединенного с ним выходного вала 13. ДaльнeйнJee повышение температуры (выше +130°С) проволок 8 приводит к их укорочению до первоначальной длины. Вследствие поворота ротора 7 нагретые ранее участки проволок 8 выходят из зоны фокальных пятен в местах расположения линзоподобных участков стенок 2 статора 1 и охлаждаются до температуры ниже -f-110°C, а на их место приходят другие участки проволок 8, которые также претерпевают трансформацию при их нагреве выше + 130°С, ранее описанную. Охлаждае- .мые участки проволок 8, проходя диапазон температур от +130°С до -Ь110°С ввиду проявления эффекта обратимого знакопеременного формоизменения при температуре +120°С вновь удлиняются и, упираясь в шероховатую поверхность б статора 1, сообщают ротору 7 дополнительный крутяший момент, после чего при температуре ниже +110°С возвращаются к первоначальной длине.

Вследствие того, что в местах расположения ребер 3 толшина стенок 2 статора 1 больше, чем между ребрами 3, и сопротивление тепловому потоку соответственно боль ше, в зоне ребер 3 статор 1 поглощает боль ше тепла, а проволоки 8 ротора 7 - меньше. В местах между ребрами 3 наоборот статор 1 нагревается меньше, и большая часть тепла уходит на нагрев проволок 8 ротора 7. Интенсивному и быстрому нагреву различных участков проволок 8 также способствует периодическое изменение высоты ребер 3 на наружной поверхности стенок 2 статора 1 вследствие проявления термомеханической памяти формы материала отрезков 5 проволоки с термомеханической памятью формы в составе спрессованной массы стенок 2 статора 1, нагреваемой тепловым излучением Q до диапазона температур + llo°Chl3G°C. Это изменение

высоты ребер 3 приводит к изменению направлений и мест перефокусировки теплового потока, проходящего через тело статора I. Интенсивному охлаждению участков проволок 8 способствует интенсивный подсос воздуха из окружающей среды через поры статора 1, который возникает при вращении ротора 7. Повыщение частоты вращения ротора 7, а следовательно, и вала 13 обеспеччвается высокой скоростью формоизменения «запоминающего сплава .со знакопеременным эффектом памяти формы, который проявляется в виде изменения длины

0 проволок 8 из сплава марганец-медь. При этом динамизация наружной поверхности стенок 2 статора 1 путем изменения высоты ребер 3 активно способствует динамизации нагрева и охлаждения различных участков проволок 8 ротора 7.

Таким образом, практически вся .масса проволок 8 одновременно участвует в сообщении крутящего момента ротору 7, а следовательно, и выходному валу 13, что позволяет получить значительную выходную

0 мощность, превышающую 1 кВт на 1 кг массы проволок 8 из сплава марганец-медь.

При использовании в качестве источника тепловой энергии для работы двигателя газообразного или жидкого теплоносителя тепловой поток Q создается (на фиг. 2 показано параллельными стрелками) путем направления на наружную поверхность стенок 2 статора 1 струй горячего газа или горячей жидкости через сопло или насадку (не по0 казаны) под небольшим давлением (до 1-2 кгс/ см) для обеспечения его неравномерного проникновения через пористые стенки 2 статора 1 в зону размещения проволок 8 ротора 7. Тепловой двигатель в этом случае работает аналогично описанному, причем неравномерность нагрева проволок 8 в

диапазоне температур 4-110°Сhl30°C

обеспечивается за счет трансформации высоты ребер 3 статора 1, при которой резко изменяется сопротивление потоку теплоносителя через пористое тело статора 1, и за счет периодического изменения при этом скорости обтекания потоком наружной поверхности стенок 2 статора 1, что приводит к частому изменению интенсивности подсоса воздуха из окружающей среды для ох5 лаждения проволок 8 до температуры ниже + 110°С.

0

АJ 2

Фиг. 2

5

5

.д