Тепловой двигатель

Тепловой двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU» 1254196 А1 (5ц 4 F 03 G 7/05

« -=«»»

МГ» г ., ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ.«. я .6",. «»»««

ГО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3847258/25-06 (22) 28.01.85 (46) 30.08.86. Бюл. № 32 (71) Ленинградский ордена Ленина кораблестроительный институт (72) Н. А. Кобылкин, В. Ф. Канер и 1О. Г. Ермаков (53) 621.486 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 969956, кл. F 03 G 7/02, 1982.

Авторское свидетельство СССР № 1134775, кл. F 03 G 7/02, 1983. (54) (57) 1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЪ, содержащий полый статор с оптическими концентраторами теплового излучения и шероховатой цилиндрической внутренней поверхностью и ротор с множеством установленных по всей его наружной цилиндрической поверхности с односторонним тангенциальным относительно ротора направлением проволок из материала с термомеханической памятью знакопеременного изменения их длины, размещенный внутри статора с возможностью взаимодействия проволок с внутренней поверхностью статора и ри их удлинении и сжатии. а также нагреватель и охладитель, отличающийся тем, что, с целью повышения эконом и ч ности п реобразования тепловой энергии в механическую, стенки статора выполнены пористыми с ребристой наружной поверхностью.

2. Двигатель по и. 1, отличающийся тем, что оптические концентраторы теплового излучения выполнены в виде круглых в поперечном сечении волокон, впрессованных в стенки статора.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем. что волокна выполнены из прозрачной оптической резины.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что стенки статора выполнены из спрессованной массы отрезков длинномерного материала, обладающих термомеханической памятью формы.

5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, С что термомеханическая память формы отрезков длинномерного материала выражена в ф изменении высоты наружHüë ребер стенок ста тора.

К) 1254196

Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, а именно к преобразователям тепловой энергии в механическую путем использования расширения 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 эконо- 1О мичности 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 1 на фиг. 2 (зона

15 взаимодействия элементов ротора и статора двигателя) .

Двигатель содержит полый статор 1 с поpHcTblMH стенками 2 и ребрами 3 на их наружной поверхности для обеспечения неравномерности температурного перепада и рр 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 се25 чении отрезков 4 волокон прозрачной оптической резины, Во многих местах сплющенных при прессовании до овальной в поперечном сечении формы, смешанных с отрезками 5 проволоки из сплава с термомеханической память1о формы, например из сплава Мп — 15О/О Ni (по массе). Исходным материалом для прессования оптических концентраторов стенок 2 статора 1 могут служить также отрезки волокон прозрачной пластмассы, стекла, керамики. В процессе прессования стенок 2 ребрам 3 придана па- 35 мять формы, которая выражена в изменении их высоты. Например, при температуре ниже +1!0 С высота ребер 3 номинальная, при температуре +!20 С их высота больше номинальной на 5- — 10О/р, а при .температуре +130 С высота ребер 3 снова равна но40 минальной. Статор 1 имеет шероховатую цилиндрическую внутреннюю поверхность 6, образованную в результате прессования 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 /p Ni (по массе).

При этом длина проволок 8 при температуре ниже +110 С номинальная, при температуре +120 С их длина на 5 — -10 /о больше номинальной, а при температуре выше

+130 C длина проволок 8 снова равна номинальной. Ротор 7 установлен с возможностью взаимодействия его проволок 8 с внутренней поверхностью 6 статора 1 при их удлинении и сжатии. Двигатель имеет нагреватель, выполненный, например, в виде источника излучения (не показан), и охладитель, образованный порами стенок 2 статора 1, открытыми для доступа воздуха из окружающей среды. При использовании для нагрева газообразного или жидкого теплоносителя этими же порами стенок 2 статора 1 могут быть образованы каналы для подачи теплоносителя внутрь статора.

При этом статор 1 может быть спрессован при изготовлении с пористостью, например, от 30 до 60 /О. Статор 1 снабжен крышками 9 выполненными в виде подшипников скольжения, а также фланцем 10 для закрепления на месте применения. Ротор 7 содержит металлический или пласгмассовый корпус 11 который закрепле11 при помощи шпонки !2 на выходном валу 13, установленном в крыш— ках 9 статора 1 с возможностью вращения и предназначенном для соединения с устройством-потребителем меха нич ской энергии вращения.

При изготовлении тепловых двигателей большой мощности, когда целесообразно использовать в качестве нагревателя выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания или горячую воду отходов производства, п не солнечное излучение (как маломогцное). следует пористые стенки 2 статора 1 прессовать только из массы отрезков 5 металлической проволоки (с термомеханической памятью формы или без памяти формы) с пористостью статора в пределах 20 40",,.

При этом проволока для отрезков 5 статора может быть диаметром 0,5 — 2 мм, а прово 10ки 8 в зависимости от необходимой частоты вращения ротора 7 — диаметром 1 — -3 мм, причем больший диаметр проволок 8 соответствует меньшей частоте вра1цения ротора 7.

Тепловой двигатель работает следу !lan i образом.

При воздействии на статор 1 теплового излучения Q, наприм"-р солнечной радиации (на фиг, " показано параллельными стрелками), которое свободно (или с минимальным поглощением) проходит через прозрачную для него массу спрессованных о-.— резков 4 волокон оптической cHHTETHHer:кой резиньн многократно перефокусируясь в разных местах тела статора 1, где имеются линзоподооные овальные смятия отрезков 4, термо чувствительные проволоки 8 нагреваются. При этом часть излу1ения (1. которая не сфокусирована, нагревает отдельные участки проволок 8 до температурь: ниже + 1 0 (., а сфокусированная часть излучения нагревает другие участки Ipoволок 8 до температуры выше --130 С. Это приводит к проявлению эффекта термомеханической памяти формы обратимого знакопеременного изменения длины проволок 8.

1254196

Нагрев до +120 С приводит к удлинению проволок 8 на 5 в 10О/q, 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. Дальнейшее 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

+110 С, а на их место приходят другие участки проволок 8, которые также претерпевают трансформацию при их нагреве выше +130 С, ранее описанную. Охлаждаемые участки проволок 8, проходя диапазон температур от + 130 C до + 110 С ввиду проявления эффекта обратимого знакоперс— менного формоизменения при температуре

+120 С вновь удлиняются и, упираясь в шероховатую поверхность 6 статора 1, сообщают ротору 7 дополнительный крутящий момент, после чего при температуре ниже

+110 С возвращаются к первоначальной длине.

Вследствие того, что в местах расположения ребер 3 толщина 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. Вместах,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 + 110 С вЂ” + 130 С. Это изменение высоты ребер 3 приводит к изменению направлений и мест перефокусировки теплового потока, проходящего через тело статора 1. Интенсивному охлаждению участков проволок 8 способствует интенсивный подсос воздуха из окружающей среды через поры статора I, который возникает при вра5 щении ротора 7. Повышение частоты вращения ротора 7, а следовательно, и вала 13 обеспечивается высокой скоростью формоизменения «запоминающего» сплава со знакопеременным эффектом памяти формы, который проявляется в виде изменения длины !

r! 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

20 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 теп25 ловой 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 corno илп насадку (не показаны) 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 - -110 С вЂ” — + 130 С 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 ох4 лаждения проволок 8 до температуры ниже + 110 С.

1254196

C.îñTàâHTb .Ib Л. Тугарев

Редактор E. Копна

Заказ 4700!38 Тираж 447 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий! 13035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патен », г. Ужгород, ул. Проектная, 4