Тепловой двигатель

(51) 4 ТЕН ного РЭ дейст- а противопоающих момента,ки со ст не удл здающи вуют силы, ложно напра которые при дв енн щ кладываются в омощи МПопределМП оотношении мом ередаточе переым отношени ене ем , Изм нитношения МП изменяеотношение двигателяудлинение РЭ, чтоению скорости вращеощности, 1 з.п. Ф-л точногодаточное т пеотносительное дит к измен ла отбора м прив ния ваы, 3 ил. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Ленинградский кораблестроительный институт(57) Изобретение позволяет повыситьКПД двигателя при изменении нагрузоки условий нагрева-охлаждения, атакже обеспечить регулирование скорости вращения звена отбора мощностии осуществление реверса без изменения условий нагрева-охлаждения, атакже повысить надежность и улучшитьмассогабаритные х-ки. Ролики 4 и 5,установленные с возможностью вращения на основании 1 по разные стороныот нагревателя 2 и охладителя 3, связаны механической передачей (МП) 7со звеном отбора мощности. 1"П выполнека 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 стермомеханической памятью Формы,Среднее значение передаточного отношения МП равно отношению радиусовроликов, расположеннь)х по разные стороны от нагревателя. Ролики снабжены ободами 9 из упругого материала,а РЭ выполнен в виде цилиндрическойвинтовой пружины, обернутой вокругободов. При таком выполнении на ро- Я(2) Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям с твердыми рабочими элементами из материала, обладающего термомеханической памятью Йормы, и может быть использовано для привода различных механизмов за счет низкотемператур,ной тепловой энергии. 10Целью изобретения является повышение КПД при изменении нагрузок и условий нагрева-охлаждения, а также обеспечение регулирования скорости вращения звена отбора мощности и осуществления реверса без изменения условийнагрева-охлаждения, а также повьппение надежности и улучшение массогабаритных характеристик,На Фиг,1 представлена конструктивная схема описываемого двигателя -вид вдоль осей роликов; на Фиг.2вид А на фиг.1, на Фиг.З - узел 1 нафиг. 1.Двигатель содержит основание 1 25с нагревателем 2 и охладителем 3. Наосновании 1 по разные стороны отнагревателя 2 и охладителя 3 установлены с возможностью вращения ролики4 и 5, вокруг которых обернут гибкий 30кольцевой рабочий элемент 6 из материала с термомеханической памятью(Рормы, С роликами 4 и 5 механическойпередачей 7 связано звено отбора мощности в ниде вала 8. Механическая передача 7 выполнена с переменным пере"даточным отношением, например, какпоказано на Аиг.1 и 2, в виде клиноременного вариатора, Передача 7 можетбыть выполнена также в виде коробкипередач, дискретно изменяющей передаточное отношение в заданном диапазоне (не показано). Диапазон относительного изменения передаточного отношения передачи 7 равен удвоенномузначению предельной относительнойтепловой продольной деформации рабочего элемента 6, а среднее значениепередаточного отношения передачи 7равно отношению радиусов роликов 4 и505, расположенных по разные стороныот нагревателя 2. Ролики 4 и 5 снабжены ободами 9 из упругого материала,например из резины, а рабочий элемент 6 выполнен в виде цилиндрическойвинт(вой пружины (см. сЪиг,З), обернутой вокруг ободов 9,Двигатель работает следующим образом. В нагревателеранее удлинившийся в охладителе 3 рабочий элемент 6 претерпевает обратное мартенситное превращение, восстанавливая свою первоначальную длину и развивая при этом усилие Р(, 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 Р реакции, по величине всегда меньшие РнСилы Рн и Р 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 Ь 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,скорость рабочего элемента 6 на входе н наг"реватель 2, м/сскорость рабочего элемента б на выходе изнагревателя 2, м/срадиусы роликов 4 и 5соответственно,угловые скорости вращения роликов 4 и 5соответственно- 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:3 1430586где М - момент, приложенный механической передачей 7 к ролику4, Нм,М - момент нагрузки, приложенныйнк ролику 5 и равный моментучдвигателя М Нм,кИз (2) получим 1 1 - Ъ(4)15 Если Кд = 1,(Р -Р)(КК -К) =Мн. (3) 10Когда К, = К,М =М = (Р - Р )К (К). ДЬ 11 Н 0 1 П М 4 ь М 11 (Р 11 Ро ) (К 1 Ка)Момент М двигателя равен нулю, если Ке= КГКп = 11При этом К= К/КРПри изменении К от значений КсК /К, к значениям КК К, или 25 наоборот происходит непрерывное изменение момента двигателя от максимального до нуля и после реверса при К = К/К 1 снова до максимального. Указанное свойство предлагаемого двигателя позволяет за счет изменения передаточного отношения К передачи 7 поддерживать нагрузку Р рабочего элемента 6 близкой к максимальной на всех .режимах работы,КПД процесса преобразования энергии практически прямо пропорционален нагрузке Р на рабочий элемент 6 в зоне нагрева и достигает максимального значения при нагрузке Р, прибли жающейся к пределу текучести материала рабочего элемента 6 в данных условиях.Поэтому обеспечениена всех режимах работы двигателя нагрузки Р на 45 элемент 6, близкой к предельной, поз-воляет достигнуть максимального сред" него 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 Ь 1 рабочего элемента 6 и передаточным отношением К двигателя существует жесткая связь, определяемая его кинематикой 1 Кроме того, известно, что колиество теплоты, требуемой для протеания обратного мартенситного превращения, тем больше, чем больше относительное удлинение Ь 1. Следовательно, при изменении передаточного отношения Кп передачи 7 изменяются передаточное отношение К двигателя и относительное удлинение Ь 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 Кп 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 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, 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, повышает надежность запуска и работы двигателя.Формула изобретения1. 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 5формы и звено отбора мощности свя 9занное с роликами механической передачей, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения КПД при изменении нагрузок и условий нагреваохлаждения, а также для обеспечениярегулирования скорости вращения звенаотбора мощности и осуществления ре-верса без изменений условий нагреваохлаждения, механическая передачавыполнена с переменным передаточнымотношением, причем диапазон относительного изменения ее передаточногоотношения равен удвоенному значениюпредельной относительной тепловойпродольной деформации рабочего элемента, а среднее значение передаточного отношения передачи равно отношению радиусов роликов, расположенныхпо разные стороны от нагревателя.2. Двигатель по п,1, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения надежности и улучшения массогабаритных характеристик, роликидополнительно снабжены ободами из уп"ругого материала, а рабочий элементвыполнен в виде цилиндрической винтовой пружины, обернутой вокруг обо-.дов.1430586 Составитель Л.ТугаревТехред Л.олийнык Редактор Л.Веселовская Корректор М. Пожо Заказ 5317/32 Тираж 431 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5