Тепловой двигатель

 

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, связан ы механической передачей (МП) 7 со звеном отбора мощности. МП выпол 4i нена с переменным передаточным отношением , причем диапазон относительного изменения ее передаточного отнощения 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si> 4 F 03 С 7/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4183648/25-06 (22) 19.01.87 (46) 15.10.88. Бюл. 38 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (7?) Н.А.Рыльцов, В.Г.Филиппов и Н.П.Шаманов (53) 621.486 (088.8) (56) Патент CItlA II 4075846, кл. 60/527, опублик. 1978, Авторское свидетельство СССР

Ф 1244374, кл. F 03 0 7/06, 1985. (54) ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (57) 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, связаны механической передачей (MII? 7 со звеном отбора мощности. 1"П выпол7

ÄÄSUÄÄ 1430586 А1 нека с переменным передаточным отношением, причем диапазон относительного изменения ее передаточного отношения равен удвоенному значению 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 ро- ф лики со стороны удлиненного РЭ действуют силы, создающие два противоположно направленных вращающих момента, которые при помощи МП складываются в соотношении, определяемом передаточным отношением MII. Изменение передаточного отношения МП изменяет пе- ® редаточное отношение двигателя и от- рффи носительное удлинение РЭ, что приводит к изменению скорости вращения ва- ( ла отбора мощности. 1 з.п. A-лы, 3 ил. ф

1430586

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям с твердыми 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 повышение КПД при изменении нагрузок и условий нагрева-охлаждения, а также обеспечение регулирования скорости вращения звена отбора мощности и осуществ- 1g ления реверса без изменения условий нагрева-охлаждения, а также повьппение надежности и улучшение массогабаритных характеристик.

На фиг.1 представлена конструктив- 20 ная схема описываемого двигателя— вид вдоль осей роликов; на фиг.2 вид А на фиг.1, на фиг.3 — узел Х на фиг. 1.

Двигатель содержит основание 1 25 с нагревателем 2 и охладителем 3. На основании 1 по разные стороны от нагревателя 2 и охладителя 3 установлены с возможностью вращения ролики

4 и 5, вокруг которых обернут гибкий 30 кольцевой рабочий элемент 6 из материала с термомеханической памятью формы. C роликами 4 и 5 механической передачей 7 связано звено отбора мощности в ниде вала 8. Механическая пе- >> редача 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 винт вой пружины (см. фиг,3), обернутой вокруг ободов 9.

Двигатель работает следующим об.разом.

К = - - = - — - = К К„, (1)

Аь у1 R2Я, Р " скорость рабочего элемента 6 на входе н нагреватель ?, м/с, скорость рабочего элемента 6 на выходе из нагревателя ?, м/с радиусы роликов 4 и 5 соответственно, угловые скорости вращения роликов 4 и 5 соответственно где

RL% В

И,,ы

R(К

R — передаточное отношение роликов 4 и 5, передаточное отношение механической передачи 7.

Приняв за положительное направление вращение роликов по часовой стрелке, момент двигателя можно подсчитать следующим образом: (F„— F)R, = М„

М„- (FH — F,) В2 = М„ (2) В нагревателе ? 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 прикладываются силы F реакции, по величине всегда меньшие

F °

Силы F> и F воздействия рабочего элемента 6 на ролики 4 и 5 создают два противоположно направленных вращающих момента, которые при помощи механической передачи 7 складываются 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 К 1 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. з 1430586 где М„ - момент, приложенный механической передачей 7 к ролику

4, Нм, М вЂ” момент нагрузки, приложенный н к ролику 5 и равный моменту ч двигателя И „, Нм. к

Из (2) получим (6) Кроме того, известно, что колиество теплоты, требуемой для протеания обратного мартенситного превращения, тем больше, чем больше относительное удлинение Ь1. Следовательно, при изменении передаточного отношения Кп передачи 7 изменяются передаточное отношение К» двигателя и относительное удлинение 1. 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 целом, независимо от условий нагрева и охлаждения при изменении нагрузки регулировать частоту вращения вала Я двигателя, что является важным при использовании его для привода электрогенераторов или движителей транспортных средств осуществлять реверс без изменения условий подвода и отвода теплоты.

Правильный выбор диапазона изменения передаточного отношения К п 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. (4)

Если Кд = 1, N Ин= („- F>) (Rq

Выбор среднего значения передаточного отношения К„ передачи 7, равного отношению диаметров роликов 4 и 5, которые она связывает, позволяет осуществлять реверс и обеспечивает симметрию характеристик двигателя при прямом и обратном вращении вала 8. (Рн — Ео) ®,К„- Ва) = 11н (З) 10

Когда Rq

М =11 = (Е-F)R(K-1) °

-Д -H H o 1

1 момент М двигателя равен нулю, если К е= К К» = 1 °

При эт м К = R /Ri

Р

При изменении К„ от значений

К„сК /R к значениям К„К /В, или 25 наоборот происходит непрерывное изменение момента двигателя от максимального до нуля и после реверса при К„ = R /R< снова до максимального. Указанное свойство предлагаемого двигателя позволяет за счет изменения передаточного отношения К„ передачи 7 поддерживать нагрузку F„ рабочего элемента 6 близкой к максимальной на всех .режимах работы, КПД процесса преобразования энергии практически прямо пропорционален нагрузке Fq на рабочий элемент 6 в зоне нагрева и достигает максимального значения при нагрузке Р„, прибли- 4р жающейся к пределу текучести материала рабочего элемента 6 в данных условиях.

Поэтому обеспечение на всех режимах работы двигателя нагрузки Р„ на 45 элемент 6, близкой к предельной, поз- воляет достигнуть максимального среднего значения КПД.

Частота вращения роликов 4 и 5 и вала 8 двигателя при прочих равных условиях определяется степенью обратимой деформациирабочего элемен— та 6 и тепловым потоком в зонах его нагрева и охлаждения, так как между относительным удлинением а1 рабочего элемента 6 и передаточным отношением

К двигателя существует жесткая связь, определяемая его кинематикой

w w

Ь1 = -- -- — — = К вЂ” 1.

w т

За счет выполнения элемента 6 в виде цилиндрической винтовой пружины обратимое удлинение рабочего элемента 6 увеличивается примерно в 1015 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, повышает надежность запуска и работы двигателя.

Формула изобретения

1. Тепловой двигатель, содержащий основание с нагревателем и охладителем, установленные с возможностью вращения на основании по разные стороны от нагревателя и охладителя ролики, обернутый вокруг роликов гибкий кольцевой рабочий элемент из материала с термомеханической памятью

5 формы и звено отбора мощности свяУ занное с роликами механической передачей, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД при изменении нагрузок и условий нагреваохлаждения, а также для обеспечения регулирования скорости вращения звена отбора мощности и осуществления ре- верса без изменений условий нагреваохлаждения, механическая передача выполнена с переменным передаточным отношением, 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, расположенных по разные стороны от нагревателя.

2. Двигатель по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности и улучшения массогабаритных характеристик, ролики дополнительно снабжены ободами из упругого материала, а рабочий элемент выполнен в виде цилиндрической винтовой пружины, обернутой вокруг обо-. дов.

1430586

Составитель Л.Тугарев

Техред Л.олийнык

Редактор Л.Веселовская

Корректор М. Пожо

Заказ 5317/3?

Тираж 431

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r Ужгород, ул. Проектная, 4