Преобразователь тепловой энергии в механическую работу

 

Использование: в машиностроении, для преобразования химической энергии топлива, а также солнечной энергии в механическую энергию вращения вала. Сущность изобретения: преобразователь тепловой энергии в механическую работу содержит герметичный корпус 1 в форме усеченного конуса, частично заполненный теплоносителем. Корпус содержит испарительную 2 и конденсационную 3 зоны, а также адиабатный участок. В корпусе содержится теплоизоляционное кольцо 4, являющееся элементом корпуса и жестко скрепленное как с испарительным участком 5, так и с конденсационным участком 6 корпуса. К теплоизоляционному кольцу жестко крепится рабочее колесо 7 турбины с рабочими лопатками 8, охваченными ободом 9, с образованием кольцевого зазора 10 между теплоизоляционным кольцом и ободом рабочего колеса. Рабочее колесо турбины снабжено цапфой 11, на которой установлено второе колесо 12 турбины с направляющими лопатками 13, охваченными ободом 14 с образованием кольцевого зазора 15. Обод второго колеса турбины представляет собой внутренний кольцевой магнит. Над внутренним кольцевым магнитом установлен внешний кольцевой магнит 16, жестко связанный с фундаментом 17. В ободах рабочего и второго колес турбины содержатся кольцевые канавки. Обод рабочего колеса турбины со стороны зоны испарения снабжен дополнительными лопатками. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано, например, в качестве двигателя летательного аппарата.

Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работу двигатель Стирлинга.

К недостаткам известного устройства следует отнести сложную конструкцию, обусловленную наличием ромбического механизма, передающего движение от двух поршней со сложной кинематикой взаимного движения валу отбора мощности.

В качестве прототипа выбрана тепловая труба, преобразующая тепловую энергию в электрическую.

К недостаткам устройства-прототипа следует отнести сложность конструкции, обусловленную наличием насоса для перекачивания теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения.

Вторым недостатком известного устройства является длинная цепочка преобразований одного вида энергии в другой, в конце которой находится термо-ЭДС. Указанное обстоятельство характеризует крайне низкий эффективный КПД установки в целом.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД преобразователя тепловой энергии.

Это достигается тем, что преобразователь тепловой энергии в механическую работу, работающий по циклу Ренкина, содержит испаритель, конденсатор, тепловую машину, расположенную между конденсатором и испарителем, и насос для перекачивания конденсата в жидкой фазе из конденсатора в испаритель.

Согласно изобретению преобразователь тепловой энергии в механическую работу содержит герметичный корпус заполненный теплоносителем с зоной испарения, транспорта и конденсации, многоступенчатую турбину с рабочими лопатками, закрепленными на диске, жестко связанную с зоной транспорта, и направляющий аппарат, обод, два кольцевых магнита, цапфу турбины, фундамент и дополнительные лопатки, причем обод жестко скреплен с рабочими лопатками, между наружной поверхностью обода и внутренней поверхностью корпуса образован зазор, лопатки направляющего аппарата установлены на диске, насаженном на цапфу турбины с возможностью вращения, один из кольцевых магнитов охватывает лопатки направляющего аппарата и установлен с зазором относительно корпуса, а второй кольцевой магнит установлен соосно с первым с зазором относительно внешней поверхности корпуса и закреплен на фундаменте, при этом корпус выполнен в форме усеченного конуса, у основания которого расположена зона испарения, и установлен с возможностью вращения.

Для предотвращения перетечек тепла из зоны испарения в зону конденсации по корпусу преобразователя вследствие явления теплопроводности часть зоны транспорта, в которой установлена турбина, выполнена из теплоизоляционного материала.

При работе преобразователя теплоноситель в зоне испарения под действием непрерывно подводимой тепловой энергии испаряется и поступает на рабочие лопатки турбины, вследствие чего корпус преобразователя получает вращательное движение. Проходя через лопатки направляющего аппарата, теплоноситель охлаждается в зоне конденсации, переходит в жидкую фазу и осаждается на стенках корпуса преобразователя тепловой энергии.

Благодаря вращению корпуса преобразователя, а также с учетом того обстоятельства, что корпус преобразователя выполнен в форме усеченного конуса, на частицу жидкости массой m действует осевая сила F₂, направленная в сторону зоны испарения, которую можно определить по формуле F₂ m ω² r ˙ sin α где F осевая сила; m масса частицы теплоносителя в жидкой фазе, ω угловая скорость вращения корпуса преобразователя; r радиус корпуса преобразователя в зоне транспорта; α угол конусности корпуса пребразователя.

В зоне транспорта в зазор между корпусом преобразователя и ободом рабочего колеса турбины, а также ободом направляющего аппарата возникают встречные потоки теплоносителя теплоносителя в парообразном состоянии из зоны испарения в зону конденсации, и теплоносителя в жидкой фазе из зоны конденсации в зону испарения. При этом жидкий теплоноситель в виде пленки прилегает к корпусу преобразователя, а теплоноситель в парообразном состоянии расположен между пленкой и ободом рабочего колеса и ободом направляющего аппарата.

Для создания газодинамического сопротивления потоку теплоносителя в парообразном состоянии из зоны испарения в зону конденсации согласно изобретению на ободах рабочего колеса турбины и ободах направляющего аппарата выполнены кольцевые канавки, выполняющие функции лабиринтного уплотнения.

Для создания местного разрежения в зоне поступления жидкого теплоносителя в испаритель согласно изобретению на ободе рабочих лопаток со стороны основания выполнены дополнительные лопатки.

Назначение двух кольцевых магнитов передавать противомомент от вращения рабочих колес турбины и корпуса преобразователя фундаменту или корпусу летательного аппарата.

На фиг.1 представлен преобразователь тепловой энергии в механическую работу, общий вид; на фиг.2 теплоизоляционное кольцо, являющееся частью корпуса преобразователя, фрагменты лопаток турбины и направляющего аппарата, ободы с лабиринтными уплотнениями, а также дополнительные лопатки рабочих колес турбины; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1 (рабочее колесо турбины с лопатками, цапфа и теплоизоляционное кольцо); на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 вид по стрелке В на фиг.1; на фиг.6 векторы сил, действующих на частицу жидкости, переносимой из зоны конденсации в зону испарения.

В качестве примера представлен преобразователь тепловой энергии в механическую работу с одноступенчатой турбиной.

Преобразователь тепловой энергии в механическую работу содержит герметичный корпус 1 в форме усеченного конуса, частично заполненного теплоносителем, установленный с возможностью вращения вокруг продольной оси. Корпус преобразователя содержит испарительную 2 и конденсационную 3 зоны. В корпусе содержится теплоизоляционное кольцо 4, являющееся элементом корпуса и жестко закрепленное как с испарительным участком 5, так и с конденсационным участком 6 корпуса.

К теплоизоляционному кольцу жестко крепится рабочее колесо 7 турбины с рабочими лопатками 8, охваченными ободом 9, с образованием кольцевого зазора 10 между теплоизоляционным кольцом и ободом рабочего колеса. Рабочее колесо турбины снабжено цапфой 11, на которой установлено второе колесо 12 турбины с направляющими лопатками 13, охваченными ободом 14 с образованием кольцевого зазора 15. При этом обод второго колеса турбины представляет собой внутренний кольцевой магнит. Над внутренним кольцевым магнитом установлен внешний кольцевой магнит 16, жестко связанный с фундаментом 17. В ободах рабочего колеса и дополнительного колеса турбины содержатся кольцевые канавки 18. Обод рабочего колеса турбины со стороны зоны испарения снабжен дополнительными лопатками 19.

Преобразователь тепловой энергии в механическую работу работает следующим образом.

При подводе тепла к испарительному участку 5 и отводе тепла от конденсационного участка 6 корпуса 1 теплоноситель в зоне испарения 2 переходит из жидкого в парообразное состояние и под давлением поступает на рабочие лопатки 8 рабочего колеса 7 турбины. После этого теплоноситель проходит через направляющие лопатки 13 второго колеса 12 турбины и поступает в конденсационную зону 3 преобразователя. Отдав часть тепла в конденсаторе 6, теплоноситель переходит в жидкую фазу и осаждается на стенках корпуса 1 преобразователя. Поскольку второе колесо 12 турбины посредством двух кольцевых магнитов 14 и 16 зафиксировано от вращения по отношению к фундаменту 17, вращение получает рабочее колесо 7 совместно с корпусом 1 преобразователя.

Теплоноситель в жидкой фазе, осевший на стенках конденсационного участка 6, под действием осевой составляющей F₂ силы направляется в сторону зоны испарения 2, проходит кольцевые зазоры 15 и 10 и попадает в испарительную зону 2 преобразователя, где вновь испаряется.

Во избежание срыва потока теплоносителя в жидкой фазе на транспортном участке кольцевые канавки 18 ободов 9 и 14 колес 7 и 12 создают дополнительное газодинамическое сопротивление движению встречного потока теплоносителя в парообразном состоянии через кольцевые зазоры 10 и 15, а дополнительные лопатки 19 создают разрежение на участке входа теплоносителя в зону испарения 2.

В предложенном техническом решении все четыре элемента тепловой машины, т. е. испаритель, конденсатор, преобразователь энергии (турбина) и насос заключены в одном герметичном корпусе, что и обусловливает простоту конструкции и надежность работы предложенного преобразователя.

Преобразователь тепловой энергии может работать при любой ориентации в пространстве.

Источником энергии преобразователя может служить практически любое топливо, в том числе и солнечная энергия.

Области применения преобразователя: бортовой источник питания в космических аппаратах; двигатель летательных аппаратов; стационарные двигатели большой мощности.

В реальных условиях турбина преобразователя должны быть выполнена многоступенчатой 3-5 ступеней.

Формула изобретения

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ, содержащий герметичный корпус, частично заполненный теплоносителем, с зонами испарения, транспорта и конденсации, паровую турбину с рабочими лопатками, закрепленными на диске, жестко связанную с зоной транспорта, и направляющий аппарат, отличающийся тем, что он дополнительно содержит обод, два кольцевых магнита, цапфу турбины, фундамент, причем обод жестко скреплен с рабочими лопатками, между наружной поверхностью обода и внутренней поверхностью корпуса образован зазор, лопатки направляющего аппарата установлены на диске, насаженном на цапфу турбины с возможностью вращения, один из кольцевых магнитов охватывает лопатки направляющего аппарата и установлен с зазором относительно корпуса, а второй кольцевой магнит установлен соосно с первым с зазором относительно внешней поверхности корпуса и закреплен на фундаменте, при этом корпус выполнен в форме усеченного конуса, у основания которого расположена зона испарения, и установлен с возможностью вращения, часть зоны транспорта, в которой установлена турбина, выполнена из теплоизоляционного материала.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на ободе рабочих лопаток турбины со стороны зоны испарения установлены дополнительные лопатки.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на наружных поверхностях обода и кольцевого магнита, охватывающего лопатки направляющего аппарата, выполнены кольцевые канавки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6