Тепловой двигатель Советский патент 1988 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям с ткердыми рабочими элементами из материала,, обладающего термомеханической памятью формы, и может быть использовано для привода различных механизмов за счет низкотемператур- .ной тепловой энергии.

Целью изобретения является повьше- ние КПД при изменении нагрузок и условий нагрева-охлаждения, а также обеспечение регулирования скорости вращения звена отбора мощности и осуществ- Ленин реверса без изменения условий нагрева-охлаждения, а также повьше- ние надежности и улучшение массогаба- ритных характеристик,

На фиг.1 представлена конструктивная схема описываемого двигателя - вид вдоль осей роликовj на фиг.2 - вид А на фиг,1 на фиг.З - узел I на фиг.1,

Двигатель содержит основание 1 с нагревателем 2 и охладителем 3, На основании 1 по разные стороны от нагревателя 2 и охладителя 3 установ- пены с возможностью вращения ролики 4 и 5, вокруг которых обернут гибкий кольцевой рабочий элемент 6 из материала с термомеханической памятью формы, С роликами 4 и 5 механической передачей 7 связано звено отбора мощности в виде вала 8, Механическая передача 7 выполнена с переменным передаточным отношением, например, как показано на фиг,1 и 2, в виде клино- ременного вариатора. Передача 7 может быть выполнена также в виде коробки передач, дискретно изменяющей передаточное отношение в заданном диапазоне (не показано). Диапазон относительного изменения передаточного отношения передачи 7 равен удвоенному значению предельной относительной тепловой продольной деформации рабочего элемента 6, а среднее значение передаточного отношения передачи 7 равно отношению радиусов роликов 4 и 5, расположенных по разные стороны от нагревателя 2. Ролики 4 и 5 снабжены ободами 9 из упругого материала например из резины, а рабочий элемент 6 выполнен в виде цилиндрической винтовой пружины (см, фиг.З), обернутой вокруг ободов 9.

Двигатель работает следующим об- разом.

В нагревателе 2 ранее удлинившийся в охладителе 3 рабочий элемент 6 претерпевает обратное мартенситное

превращение, восстанавливая свою первоначальную длину и развивая при этом усилие F, , которое прикладывается к роликам 4 и 5, создавая соответствующие моменты относительно их

осей, В охладителе 3 ролики 4 и 5 растягивают рабочий элемент 6, при этом к ним прикладьшаются силы F реакции, по величине всегда меньшие

FU,

Силы Fj и F воздействия рабочего элемента 6 на ролики 4 и 5 создают два противоположно направленных вращающих момента, которые при помощи механической передачи 7 складьгеают- ся в соотношении, определяемом передаточным отношением передачи 7. Разность этих моментов представляет собой полезный момент двигателя, снимаемый с вала 8 отбора мощности.

Величина относительного обратимого удлинения l рабочего элемента 6 в цикле определяется передаточным отношением К. двигателя, которое может быть определено как отношение скоростей рабочего элемента 6 на входе и выходе нагревателя 2, т,е.

5 0 c

0

5

К

Аб

L

Щ

где

W,

W,

R,j Rj

W. iCO, к

Б

f R

BjWi. к к (1)

Р

скорость рабочего элемента 6 на входе в нагреватель 2, M/ci скорость рабочего элемента 6 на выходе из нагревателя 2, м/с радиусы роликов 4 и 5 соответственно j угловые скорости вращения роликов 4 и 5 соответственноi

передаточное отношение роликов 4 и 5i

Кп

О,

W,

передаточное отношение механической передачи 7 ,

Приняв за положительное направление вращение роликов по часовой стрелке, момент двигателя можно подсчитать следующим образом:

F« - FO)R, Мп

Мп - (FH - Ро)г .

(2)

, 31430586

ле М - момент, приложенный механической передачей 7 к ролику 4, Нм;

М - момент нагрузки, приложенный к ролику 5 и равный моменту двигателя Нд Нм,

Из (2) получим

(FH - FO)(R,K - R,) М

Когда R R

Ч

Mu

(3)

10

ч

(ТРц- Ро)/К„-1). (4) Если К. 1,

«5

че ка ще но те от пе и 6, ке не мо

WA.

Мц (FH,)(R,- R)

Момент Мде двигателя равен нулю, если При этом К п-

При изменении Кр от значений , к значениям , или наоборот происходит непрерывное из- менение момента двигателя от максимального до нуля и после реверса при К(, , снова до максимального. Указанное свойство предлагаемого двигателя позволяет за счет изменения передаточного отношения Кп передачи 7 поддерживать нагрузку Р„ рабочего элемента 6 близкой к максимальной на всех режимах работы,

КПД процесса преобразования энергии практически прямо пропорционален нагрузке FM на рабочий элемент 6 в зоне нагрева и достигает максимального значения при нагрузке F, приближающейся к пределу текучести материала рабочего элемента 6 в данных условиях.

Поэтому обеспечение на всех режимах работы двигателя нагрузки „ на элемент 6, близкой к предельной, поз воляет достигнуть максимального среднего значения КЦП.

Частота вращения роликов 4 и 5 и вала 8 двигателя при прочих равных условиях определяется степенью обратимой деформации рабочего элемента 6 и тепловым потоком в зонах его нагрева и охлаждения, Так как между относительным удлинением Л1 рабочего элемента 6 и передаточным отношением двигателя существует жесткая связь, определяемая его кинематикой

1 Wi

wf А«

1.

(6)

й

10

«5

20

25

30

дс-

35

40

50

55

Кроме того, известно, что количество теплотыf требуемой для протекания обратного мартенситного превращения, тем больше, чем больше относительное удлинение ul. Следовательно, при изменении передаточного отношения Кп передачи 7 изменяются передаточное отношение Кд двигателя и относительное удлинение ul элемента 6, что при неизменном тепловом потоке приводит к соответствующему изменению скорости вращения вала 8 отбора мощности.

Использование механической передачи 7 с переменным передаточным отношением (вариатора) позволяет на ходу регулировать предельный вращающий момент двигателя, сохраняя неизменным и близким к оптимальному натяжение рабочего элемента 6, что обеспечивает работу с высоким (таким же, как на номинальной мощности) КПД при частичных нагрузках и, следовательно, повышает экономичность двигателя в целому независимо от условий нагрева и охлаждения при изменении нагрузки регулировать частоту вращения вала 8 двигателя, что является важным при использовании его для привода электрогенераторов или движителей транспортных средств , ocyD ecтвлять реверс без изменения условий подвода и отвода теплоты.

Правильньй выбор диапазона изменения передаточного отношения К передачи 7 в соответствии со свойствами материала рабочего элемента 6 (т.е. равного удвоенному значению предельной относительной тепловой продольной деформации материала в рабочем цикле) обеспечивает оптимизацию характеристик двигателя во всем возможном диапазоне параметров при прямом и обратном направлении вращения вала 8.

Выбор среднего значения передаточного отношения Kf, передачи 7, равного отношению диаметров роликов 4 и 5, которые она связывает, позволяет осзтцествлять реверс и обеспечивает симметрию характеристик двигателя при прямом и обратном вращении вала В.

За счет выполнения элемента 6 в виде цилиндрической винтовой пружины обратимое удлинение рабочего элемента 6 увеличивается примерно в 10- 15 раз при соответствующем снижении условий натяжения элемента 6, Это позволяет при тех же мощности и моменте двигателя снизить нагрузку на опорные элементы роликов 4 и 5 в 10-15 раз и одновременно обеспечить увеличение поверхности теплообмена при сохранении компактности двигателя.

Установка на роликах 4 и 5 ободов 9.из упругого материала, которые под действием давления со стороны витков рабочего элемента 6 упруго деформируются, повторяя форму выступов рабочего элемента 6 и образуя подобие выступающих зубьев, препятствующих проскальзыванию рабочего элемента 6 по поверхности .роликов 4 и 5, повьшает надежность запуска и работы двигателя.

Формула, изобрете.ния

1, Тепловой двигатель, содержащий основание с нагревателем и охладителем, установленные с возможностью вращения на основании по разные стороны от нагревателя и охладителя ро

5

0

5

0

лики, обернутьш вокруг роликов гибкий кольцевой рабочий элемент из материала с термомеханической памятью формы и звено отбора мощности, связанное с роликами механической передачей, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД при изменении нагрузок и условий нагрева- охлаждения, а также для обеспечения регулирования скорости вращения звена отбора мощности и осуществления ре- верса без изменений условий нагрева- охлаждения, механическая передача выполнена с переменным передаточным отнощением, причем диапазон относительного изменения ее передаточного отношения равен удвоенному значению предельной относительной тепловой продольной деформации рабочего элемента, а среднее значение передаточного отношения передачи равно отношению радиусов роликов, расположенньйс по разные стороны от нагревателя, 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения надежности и улучшения мас- согабаритных характеристик, ролики дополнительно снабжены ободами из упругого материала, а рабочий элемент выполнен в виде цилиндрической винтовой пружины, обернутой вокруг обо-, дов.

Изобретение позволяет повысить КПД двигателя при изменении нагрузок и условий нагрева-охлаждения, а также обеспечить регулирование скорости вращения звена отбора мощности и осуществление реверса без изменения условий нагрева-охлаждения, а также повысить надежность и улучшить массогабаритные х-ки. Ролики 4 и 5, установленные с возможностью вращения на основании 1 по разные стороны от нагревателя 2 и охладителя 3, свя- зан ы механической передачей (МП) 7 со звеном отбора мощности. МП выпол 4i нена с переменным передаточным отношением, причем диапазон относительного изменения ее передаточного отно- щения равен удвоенному значен11ю предельной относительной тепловой продольной деформации рабочего элемента (РЭ) 6, выполненного из материала с термомеханической памятью формы. Среднее значение передаточного отношения МП равно отношению радиусов роликов, расположенных по разные стороны от нагревателя. Ролики снабжены ободами 9 из упругого материала, а РЭ выполнен в виде цилиндрической винтовой пружины, обернутой вокруг ободов. При таком выполнении на ролики со стороны удлиненного РЭ действуют силы, создающие два противоположно направленных вращающих момента, которые при помощи МП складываются в соотношении, определяемом передаточным отношением МП. Изменение передаточного отношения МП изменяет передаточное отношение двигателя и относительное удлинение РЭ, что приводит к изменению скорости вращения вала отбора мощности. 1 з.п. ф-лы. Зил. 2 / ffi (Л 4;: со о СП оо 05

дид

фаз.2

фие.5