Тепловой роторный двигатель б.ф.кочеткова

 

Использование: энергетика. Сущность изобретения: устройство содержит две емкости 1 и 2, заполненные циркулирующими теплоносителями в виде газа или жидкости с разными температурами нагрева T₁ и T₂. В нижней емкости 1 на опоре 4 установлен вал 3 ротора, несущий на ступице тепловые элементы 7, способные к обратимому тепловому расширению в радиальном направлении, на концах которых установлены ролики 8, размещенные в пространстве между концентрическими внутренним кольцом 9 статора и наружным кольцом 10 статора, которые прикреплены к диску 11, жестко соединенному с основанием 5 двигателя. Ротор и статор установлены эксцентрически и их оси О и O₁ параллельны Нижняя и верхняя половина расположены соответственно в нижней 1 и верхней 2 емкостях, что приводит к разному нагреву находящихся в них ТЭ и различному их тепловому расширению. При этом ролики 8 опираются о поверхности или наружного или внутреннего колец статора, оказывая на них давление с силой F, вектор которой направлен через ось O₁ статора, воздействует на ролик и передает на ротор вращающий момент FF при плече R относительно оси О ротора в связи с эксцентрической установкой ротора и статора. Вариант устройства двигателя с ТЭ в виде термобиметаллических пластин обеспечивает при их изгибе более значительное перемещение роликов в радиальном направлении. 3 ил.

Изобретение относится к двигателям, в частности к стационарным двигателям, преобразующим тепловую энергию в механическую.

Известны термочувствительные элементы, состоящие из двух прочно соединенных полосок металлов или сплавов, обладающих разными коэффициентами линейного расширения, имеющих свойство изгибаться при изменении температуры нагрева и преобразующих при этом тепловую энергию в механическую.

Известен также тепловой двигатель, содержащий статор в виде статорного кольца с внутренней направляющей поверхностью, эксцентрично смещенного относительно оси вращения ротора, снабженного теплочувствительными рабочими элементами, выполненными в виде соединенных своими концами двух дуг из материала с термомеханической памятью формы, которые своими концами прикреплены равномерно по окружности к внешней поверхности ротора, а другими к внутренним концам толкателей, на внешних концах которых установлены ролики, контактирующие с внутренней направляющей поверхностью статора.

Недостатком этого устройства является неполное использование энергии теплочувствительных элементов при изменении их формы, что связано с возможностью их силового взаимодействия только с внутренней направляющей поверхностью статора и только при увеличении радиальных размеров. При уменьшении размеров рабочих элементов они с направляющей поверхностью не взаимодействуют. Это приводит к уменьшению КПД при преобразовании тепловой энергии, одностороннему взаимодействию рабочих элементов с частью направляющей поверхности статора, неравномерному приложению связанных с этим нагрузок на ротор и уменьшению нагрузочной способности.

Изобретение обеспечивает повышение КПД при преобразовании тепловой энергии в механическую энергию вращения, равномерное приложение нагрузок на статор и ротор и увеличение нагрузочной способности с одновременным обеспечением простоты устройства.

Сущность изобретения состоит в том, что тепловой роторный двигатель, содержащий статор, выполненный из внешнего кольца с неподвижной внутренней направляющей поверхностью, смещенной относительно оси вращения ротора вдоль плоскости раздела зон нагрева и охлаждения, внутреннее кольцо, термочувствительные элементы, закрепленные одним концом на роторе, а другими концами взаимодействующие с внутренней направляющей поверхностью внешнего кольца посредством опорных роликов, снабжен корпусом-резервуаром, в котором верхняя и нижняя части являются зонами нагрева и охлаждения, внутреннее кольцо жестко концентрически соединено с внешним кольцом статора и выполнено с внешней направляющей поверхностью, термочувствительные элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин, закрепленных одним концом на радиальных выступах ротора и размещенных в пространстве между внешним и внутренним кольцами статора, на других свободных концах термобиметаллических пластин установлены опорные ролики с возможностью попеременного взаимодействия с направляющими поверхностями внешнего и внутреннего колен статора при прохождении пластин через зоны нагрева и охлаждения.

На фиг. 1 и 2 дано устройство теплового роторного двигателя с показом его работы; на фиг. 3 приведен конкретный вариант устройства.

Тепловой роторный двигатель содержит корпус-резервуар, нижняя часть 1 которого является зоной охлаждения, а верхняя часть 2 зоной нагрева, которые заполнены теплоносителями в виде газа или жидкости. В описываемом конкретном случае нижняя зона 1 заполнена жидкостью, а верхняя зона 2 газом, в данном примере жидкость имеет более низкую температуру нагрева Т₁ по сравнению с более высокой температурой нагрева Т₂ газа. На уровне плоскости А-А раздела зон нагрева и охлаждения установлен с возможностью свободного вращения вокруг оси 0 вал 3 ротора, расположенный на опоре 4, которая установлена на основании 5 двигателя. К ротору 6 равномерно по окружности прикреплены термочувствительные элементы 7, способные к обратимому тепловому расширению в радиальном направлении оси 0 ротора. На концах термочувствительных элементов 7 установлены на осях с возможностью свободного вращения опорные ролики 8, которые размещены в кольцевом пространстве между внутренним кольцом 9 статора с внешней неподвижной направляющей поверхностью и внешним кольцом 10 статора с внутренней неподвижной направляющей поверхностью. Кольца статора прикреплены к диску 11, который жестко соединен с основанием 5 двигателя. Кольца 9 и 10 статора и ротор 6 установлены эксцентрически относительно друг друга, при этом ось 0 ротора и осевая линия статора, проходящая через его центральную точку 0₁, расположены параллельно между собой и плоскости А-А раздела зон. Нижняя и верхняя половины ротора расположены соответственно в пределах нижней 1 и верхней 2 зон, при этом одни термочувствительные элементы 7 погружены в жидкость, а другие находятся в среде газа в пределах верхней зоны. Термочувствительные элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин 12 (см.фиг.3), которые одними своими концами закреплены на радиальных выступах 13 ротора, а на других внешних относительно ротора концах установлены на осях ролики 8. При этом термобиметаллические пластины 12 размещены в пространстве между внутренним 9 и наружным 10 кольцами статора. В данном конкретном случае у термобиметаллических пластин активный слой, т. е. слой биметалла, имеющий больший температурный коэффициент линейного расширения по сравнению с другим пассивным слоем, обращен в сторону оси 0 ротора.

Двигатель работает следующим образом.

Нижнюю зону 1 заполняют до уровня А-А проточной охлаждающей жидкостью, например водой, а верхнюю зону 2 проходящим через нее нагретым газом. При этом расположенные в нижней части ротора термобиметаллические пластины 12 охлаждаются до температуры Т₁ жидкости, а термобиметаллические пластины, находящиеся в среде газа, нагреваются до более высокой температуры, соответствующей температуре нагрева газа. При указанном выше расположении активного и пассивного слоев биметалла термобиметаллических пластин 12 они будут изгибаться в сторону оси 0 ротора при их охлаждении в жидкости, и во внешнюю сторону от оси ротора при их нагревании в среде газа в верхней зоне 2. Соответственно опорные ролики 8 охлажденных в жидкости пластин будут прижиматься к внешней направляющей поверхности внутреннего кольца 9 статора, а ролики, установленные на нагретых в среде газа термобиметаллических пластинах, будут контактировать с обращенной в сторону оси направляющей поверхностью внешнего кольца 10 статора. Давление опорных роликов 8 на направляющие поверхности колец статора с силой F₁ вызовет по закону действия и противодействия тел равную по величине и противоположно направленную силу F, воздействующую на каждый ролик 8 ротора. Векторы этих сил направлены перпендикулярно к касательным относительно направляющих поверхностей в точке соприкосновения каждого опорного ролика и этих поверхностей. Следовательно, направление векторов сил F определяется кривизной направляющих поверхностей статора, имеющих форму окружности, в связи с этим линии всех этих векторов пересекаются в центральной точке 0₁ статора. Ось ротора О и осевая линия статора, проходящая через его центральную точку О₁, расположены параллельно друг другу, а поэтому воздействующая на каждый из опорных роликов сила F имеет плечо R относительно оси О ротора, обеспечивая создание вращающего момента FR относительно этой оси. Указанный вращающий момент создается за счет опоры роликов 8 об эксцентрически расположенные относительно ротора направляющие поверхности статора (9, 10), который неподвижно закреплен на основании 5 двигателя. Под воздействием этого вращающего момента ротор 6 и его вал 3 приводятся во вращение.

При работе двигателя в условиях, когда температура нагрева жидкости выше, чем температура нагрева газа в верхней зоне 2, создание вращающего момента происходит таким же образом, но в противоположном направлении.

Следовательно, при работе двигателя обеспечивается использование энергии изменяющего форму термочувствительного элемента как при увеличении его радиальных размеров, так и при их уменьшении, что повышает КПД преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения. Вместе с тем, при этом повышается нагрузочная способность двигателя и достигается равномерная нагрузка на все стороны статора и ротора.

Формула изобретения

Тепловой роторный двигатель, содержащий статор, выполненный из внешнего кольца с неподвижной внутренней направляющей поверхностью, смещенной относительно оси вращения ротора вдоль плоскости раздела зон нагрева и охлаждения, внутреннее кольцо, термочувствительные элементы, закрепленные одними концами на роторе, а другими концами взаимодействующие с внутренней направляющей поверхностью внешнего кольца посредством опорных роликов, отличающийся тем, что он снабжен корпусом-резервуаром, в котором верхняя и нижняя части являются зонами нагрева и охлаждения, внутреннее кольцо жестко концентрически соединено с внешним кольцом статора и выполнена с внешней направляющей поверхностью, термочувствительные элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин, закрепленных одними концами на радиальных выступах ротора и размещенных в пространстве между внешним и внутренним кольцами статора, на других свободных концах термобиметаллических пластин установлены опорные ролики с возможностью попеременного взаимодействия с направляющими поверхностями внешнего и внутреннего колец статора при прохождении пластин через зоны нагрева и охлаждения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3