RU2034172C1

RU2034172C1 - Thermal-to-mechanical-rotation energy converter

Info

Publication number: RU2034172C1
Authority: RU
Inventors: Борис Федорович Кочетков
Original assignee: Борис Федорович Кочетков
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: rotor and stator are mounted in relatively eccentric position, their axes 0 and 01 are parallel, coolant, such as liquid, in bottom region of space has lower heating temperature T₁ than that of other coolant, such as gas, T₂, in top region of space. Bottom part of rotor is immersed in bottom region of space, cooled down to I₁, and in the action length of heating elements is reduced to L₁ and heating elements in top region of space are heated by gas to higher temperature T₂ due to which they have greater length L₂. Rollers of thermal elements having smaller length L₁ do not come in contact with annular surface of stator and those of thermal elements having greater length L₂ act on it with force F whose vector crosses stator axis 01 and has arm R relative to rotor axis 0 thereby building up torque which sets rotor in motion; thermal elements pass in succession through bottom and top regions of space at heating temperatures T₁and T₂ causing reversible change in their length between L₁-L₂ and providing for constant running of rotor. Converter is available in two options of rotary heat engines having above-mentioned components. Thermal elements of engine shown on Fig. 2 are bimetal strips whose rollers rest on inner and outer annular surfaces of stator. Thermal elements of engine illustrated on Fig. 3 are bimetal springs whose active and passive layers face one of spring ends, respectively. EFFECT: improved design. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения. The invention relates to devices for the direct conversion of thermal energy into mechanical energy of rotation.

Известны теплочувствительные 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. Heat-sensitive elements are known, consisting of two firmly connected strips of metals or alloys having different linear expansion coefficients, having the property of bending when the heating temperature changes and converting thermal energy into mechanical energy.

Известно также устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения, содержащее статорное кольцо с внутренней направляющей поверхностью, эксцентрично смещенное относительно оси вращения ротора, снабженного теплочувствительными рабочими элементами, выполненными в виде соединенных своими концами двух дуг из материала с термомеханической памятью формы, которые одними 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. It is also known a device for converting thermal energy into mechanical energy of rotation, containing a stator ring with an internal guide surface, eccentrically offset relative to the axis of rotation of the rotor, equipped with heat-sensitive working elements made in the form of two arcs connected by their ends from a material with thermomechanical shape memory, which are one ends evenly attached around the circumference to the outer surface of the rotor, and others to the inner ends of the pushers, on the outer ends of which the rollers in contact with the inner guide surface of the stator.

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 лишь с частью направляющей поверхности статора, неравномерному приложению связанных с этим нагрузок на ротор и уменьшению нагрузочной способности устройства. The disadvantage of this device is the incomplete use of energy of heat-sensitive elements when changing their shape, which is associated with the possibility of their force interaction only with the inner guide surface of the stator and only with an increase in radial dimensions. When reducing the size of the working elements, they do not interact with the guide surface. This leads to a decrease in efficiency in the conversion of thermal energy, one-way interaction of the working elements with only part of the guide surface of the stator, uneven application of the associated rotor loads and a decrease in the load capacity of the device.

Целью изобретения является 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. The aim of the invention is to increase the efficiency when converting thermal energy into mechanical energy of rotation, uniform application of loads on the stator and rotor and increase load capacity while ensuring simplicity of the device.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащем статор в виде статорного кольца с внутренней направляющей поверхностью, эксцентрично смещенного относительно оси вращения ротора с теплочувствительными рабочими элементами, равномерно закрепленными одними концами с его поверхностью по окружности вращения, а другими с роликами с возможностью взаимодействия с направляющей поверхностью статорного кольца, зоны нагрева и охлаждения, теплочувствительные рабочие элементы выполнены из термобиметаллического материала, а статорное кольцо с дополнительной внешней направляющей поверхностью, при этом ролики теплочувствительных рабочих элементов размещены вдоль обоих направляющих поверхностей статорного кольца с возможностью попеременного взаимодействия с каждой из поверхностей при прохождении этих роликов и рабочих элементов через зоны нагрева и охлаждения. This goal is achieved in that in a device for converting thermal energy into mechanical energy, containing a stator in the form of a stator ring with an internal guide surface eccentrically offset relative to the axis of rotation of the rotor with heat-sensitive working elements uniformly fixed at one end with its surface around the circumference of rotation, and others with rollers with the possibility of interaction with the guide surface of the stator ring, the heating and cooling zone, heat-sensitive working elements in termobimetallicheskogo full of material and the cam ring with an additional outer guide surface, wherein the rollers heat sensitive working elements arranged along both guide surfaces of the stator ring, with the variable interacting with each of these surfaces during passage of rollers and working elements through the heating and cooling zones.

Теплочувствительные рабочие элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин, плоскости которых расположены вдоль направляющих поверхностей статорного кольца, каждая из которых прикреплена одним концом к одному из установленных равномерно по окружности радиальных выступов ротора, а вторым свободным концом опирается через ролик на кольцевую поверхность статора, при этом активные и пассивные слои термобиметаллических пластин, размещенные вдоль внешней и внутренней опорных кольцевых поверхностей статора, обращены соответственно в одну сторону относительно оси ротора. Heat-sensitive working elements are made in the form of thermo-bimetallic plates, the planes of which are located along the guiding surfaces of the stator ring, each of which is attached at one end to one of the radial protrusions of the rotor evenly spaced around the circumference, and rests with the second free end through the roller on the annular surface of the stator, while and passive layers of thermobimetallic plates placed along the outer and inner supporting annular surfaces of the stator are inverted accordingly but in the same direction relative to the rotor axis.

Теплочувствительные элементы выполнены в виде радиально установленных относительно оси ротора термобиметаллических пружин, расположенных равномерно по окружности, один конец каждой из пружин прикреплен к валу, а активный и пассивный слои термобиметаллического материала обращены соответственно к одному из торцов пружины. The heat-sensitive elements are made in the form of thermobimetallic springs radially mounted relative to the rotor axis, spaced evenly around the circumference, one end of each of the springs is attached to the shaft, and the active and passive layers of thermobimetallic material are facing one of the ends of the spring, respectively.

Статор установлен с возможностью перемещения в радиальном направлении относительно оси ротора. The stator is mounted to move in the radial direction relative to the axis of the rotor.

На фиг. 1 показано принципиальное исполнение устройства для преобразования тепловой энергии в механическую; на фиг. 2 и 3 приведены конкретные схемы его конструкции; на фиг. 4 показано устройство теплочувствительного рабочего элемента в форме пружины. In FIG. 1 shows a principal embodiment of a device for converting thermal energy into mechanical energy; in FIG. 2 and 3 show specific schemes of its design; in FIG. 4 shows a device of a heat-sensitive working element in the form of a spring.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения содержит статор в виде статорного кольца 1 с внутренней и внешней направляющими поверхностями, эксцентрично смещенного относительно оси О вращения ротора 2 с теплочувствительными рабочими элементами 3, равномерно прикрепленными одними концами к ротору по его внешней окружности, а другими, связанными с роликами 4 с возможностью взаимодействия с направляющими поверхностями статорного кольца 1. Ротор и статорное кольцо размещены в зонах охлаждения и нагрева, первая из которых нижняя зона 5 в данном конкретном случае заполнена до уровня А-А проточной жидкостью с температурой нагрева Т₁, а вторая верхняя зона 6 содержит проходящий через нее газ, который нагрет до более высокой температуры Т₂ по сравнению с температурой нагрева жидкости. Теплочувствительные рабочие элементы 3 выполнены из термобиметаллического материала. Ролики 4 теплочувствительных рабочих элементов размещены вдоль внутренней и внешней относительно оси О ротора направляющих поверхностей статорного кольца 1 с возможностью попеременного взаимодействия с каждой из поверхностей при прохождении теплочувствительных рабочих элементов 3 через зоны нагрева 6 и охлаждения 5. Вал 7 ротора 2 установлен на опоре 8, а статорное кольцо 1 на основании 9.A device for converting thermal energy into mechanical energy of rotation contains a stator in the form of a stator ring 1 with internal and external guide surfaces eccentrically offset relative to the axis O of rotation of the rotor 2 with heat-sensitive working elements 3 uniformly attached at one end to the rotor along its outer circumference, and others associated with the rollers 4 with the possibility of interaction with the guide surfaces of the stator ring 1. The rotor and stator ring are located in the cooling and heating zones, p rvaya of which the bottom zone 5 in this case is filled to a level A-A running liquid to the heating temperature T ₁ and a second upper zone 6 has extending therethrough a gas which is heated to a higher temperature T ₂ compared to liquid heating temperature. Heat-sensitive working elements 3 are made of thermobimetallic material. The rollers 4 of the heat-sensitive working elements are placed along the inner and outer relative to the axis О of the rotor of the guiding surfaces of the stator ring 1 with the possibility of alternating interaction with each of the surfaces when the heat-sensitive working elements 3 pass through the heating and cooling zones 6. The shaft 7 of the rotor 2 is mounted on the support 8, and the stator ring 1 on the base 9.

Теплочувствительные рабочие элементы выполнены в виде термобиметаллических пластин (см. фиг. 2), плоскости которых расположены вдоль направляющих поверхностей статорного кольца 1. Каждая из пластин 10 прикреплена одним концом к одному из установленных равномерно по окружности радиальных выступов 11 ротора, а вторым свободным концом опирается через ролик 4 на кольцевую направляющую поверхность статорного кольца 1, при этом активные и пассивные слои внешних и внутренних термобиметаллических пластин 10, размещенных соответственно вдоль внешней и внутренней опорных кольцевых поверхностей статорного кольца, обращены в одну сторону относительно оси О ротора. Heat-sensitive working elements are made in the form of thermo-bimetallic plates (see Fig. 2), the planes of which are located along the guiding surfaces of the stator ring 1. Each of the plates 10 is attached at one end to one of the radial protrusions 11 of the rotor uniformly mounted around the circumference, and rests with the second free end through the roller 4 to the annular guide surface of the stator ring 1, while the active and passive layers of the outer and inner thermobimetal plates 10, respectively placed along the outer s and inner annular surfaces of the stator supporting rings facing in the same direction relative to axis O of the rotor.

Как вариант теплочувствительные элементы выполнены в виде радиально установленных относительно оси О ротора равномерно по его окружности термобиметаллических пружин 12 (см. фиг. 3 и 4). Один конец каждой из пружин прикреплен к валу ротора, а активный 13 и пассивный 14 слои термобиметаллического материала пружин обращены соответственно к одному из торцов пружины. На фиг. 3 приведен упрощенный вариант устройства, снабженный роликами 4, имеющими опору только на внутреннюю направляющую поверхность статорного кольца 1. Однако на каждой из пружин может быть установлен второй ролик, размещенный на внешней направляющей поверхности статорного кольца, при этом оси обоих роликов соединены установленной на конце пружины радиальной перемычкой. Величина теплового расширения и сжатия термобиметаллической пружины определяется общей длиной биметаллического прута (полосы), свернутого в форму пружины, поскольку активный и пассивный слои каждого витка пружины будут действовать в одном направлении относительно оси О ротора. Alternatively, the heat-sensitive elements are made in the form of a rotor radially mounted relative to the axis O of the rotor evenly around its circumference of the thermobimetal springs 12 (see Figs. 3 and 4). One end of each of the springs is attached to the rotor shaft, and the active 13 and passive 14 layers of the thermobimetallic material of the springs face one of the ends of the spring, respectively. In FIG. 3 shows a simplified version of the device, equipped with rollers 4, having support only on the inner guide surface of the stator ring 1. However, a second roller can be installed on each of the springs, placed on the outer guide surface of the stator ring, while the axes of both rollers are connected mounted on the end of the spring radial jumper. The magnitude of thermal expansion and contraction of the thermobimetallic spring is determined by the total length of the bimetallic rod (strip) rolled into the shape of the spring, since the active and passive layers of each coil of the spring will act in the same direction relative to the axis O of the rotor.

У любого из приведенных вариантов устройства (см. фиг. 2 и 3) может быть предусмотрена возможность перемещения статора 1 в радиальном направлении (в данном случае в горизонтальном направлении) относительно оси ротора О с закреплением в каждом из этих положений (на фиг. 3 эти положения обозначены индексами П₁ и П₂) при помощи фиксирующих устройств, которые в данном случае выполнены в виде размещенных на основании 9 гнезд 15, в одно из которых вставляется опора 16 статора.For any of the above device variants (see Figs. 2 and 3), it may be possible to move the stator 1 in the radial direction (in this case, in the horizontal direction) relative to the axis of the rotor O with fixing in each of these positions (in Fig. 3 these the positions are indicated by indices P ₁ and P ₂ ) using fixing devices, which in this case are made in the form of slots 15 located on the base 9, into one of which the stator support 16 is inserted.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работает следующим образом. A device for converting thermal energy into mechanical energy is as follows.

Нижнюю зону 5 заполняют до уровня А-А проточной охлаждающей жидкостью, например водой, и охлаждают находящиеся в воде теплочувствительные рабочие элементы, например пластины 10, до температуры Т₁ воды. Охлаждение пластин приводит к их искривлению в сторону активного слоя биметалла, в данном случае, к оси О ротора. При этом у охлажденных водой внутренних пластин, размещенных внутри статорного кольца 1, ролики 4 выводятся из контакта с внутренней направляющей поверхностью статорного кольца, а у охлажденных внешних пластин, размещенных с внешней стороны статорного кольца, ролики 4 прижимаются к внешней направляющей поверхности статорного кольца. Через верхнюю зону 6 пропускают нагретый до температуры Т₂ газ, например, отводимую из любой топки нагретую до высокой температуры газовоздушную смесь и другие и обеспечивают нагрев находящихся над уровнем А-А жидкости термобиметаллических пластин 10, обеспечивая их искривление по указанным выше причинам в сторону от оси О ротора. При этом у нагретых внешних пластин ролики выводятся из контакта с внешней направляющей поверхностью статорного кольца, а у нагретых внутренних пластин ролики прижимаются к внутренней направляющей поверхности кольца. Давление роликов на направляющие поверхности статорного кольца с силой F₁ вызывает по закону действия и противодействия тел возникновение силы F, воздействующей на ролик 4. Векторы этих сил направлены перпендикулярно к касательным в точке соприкосновения каждого ролика и этих поверхностей. Следовательно, направление векторов сил F определяется кривизной направляющих поверхностей кольца, имеющего форму окружности, а поэтому линии всех этих векторов пересекаются в центральной точке О₁ статора. Ось ротора О и центральная точка статора О₁ не совмещены друг с другом, а следовательно, воздействующая на каждый из роликов сила F имеет плечо R относительно оси О ротора, обеспечивая создание вращающего момента FR относительно этой оси. При этом, как было показано выше, ролики 4, установленные на внутренних термобиметаллических пластинах, оказывают давление на внутренние направляющие поверхности статорного кольца при нагреве пластин, т.е. взаимодействуют с верхней частью статорного кольца, расположенного в данный момент выше уровня А-А жидкости. По тем же причинам ролики, установленные на внешних термобиметаллических пластинах, взаимодействуют с нижней частью статора, расположенной в данный момент в охлаждающей жидкости. Под воздействием возникающего вращающего момента ротор приводится во вращение.The lower zone 5 is filled to level A-A with a flowing cooling liquid, for example water, and the heat-sensitive working elements in the water, for example plates 10, are cooled to a temperature T _{1 of} water. The cooling of the plates leads to their curvature towards the active layer of the bimetal, in this case, to the axis O of the rotor. In this case, for water-cooled inner plates placed inside the stator ring 1, the rollers 4 are brought out of contact with the inner guide surface of the stator ring, and for chilled external plates placed on the outer side of the stator ring, the rollers 4 are pressed against the outer guide surface of the stator ring. A gas heated to a temperature of T _{2 is} passed through the upper zone 6, for example, a gas-air mixture removed from any furnace and a high temperature, and others provide heating of the thermo-bimetallic plates 10 above the AA level, ensuring their curvature away from the above-mentioned reasons axis O of the rotor. In this case, for heated external plates, the rollers are brought out of contact with the outer guide surface of the stator ring, and for heated internal plates, the rollers are pressed against the inner guide surface of the ring. The pressure of the rollers on the guiding surfaces of the stator ring with a force of F ₁ causes, according to the law of action and reaction of the bodies, the appearance of a force F acting on the roller 4. The vectors of these forces are directed perpendicular to the tangents at the point of contact of each roller and these surfaces. Therefore, the direction of the force vectors F is determined by the curvature of the guiding surfaces of the circle-shaped ring, and therefore the lines of all these vectors intersect at the center point O _{1 of the} stator. The axis of the rotor O and the central point of the stator O _{1 are} not aligned with each other, and therefore, the force F acting on each of the rollers has a shoulder R relative to the axis O of the rotor, providing the creation of a torque FR relative to this axis. Moreover, as shown above, the rollers 4 mounted on the internal thermobimetallic plates exert pressure on the inner guide surfaces of the stator ring when the plates are heated, i.e. interact with the upper part of the stator ring, which is currently located above the level AA liquid. For the same reasons, rollers mounted on external thermobimetallic plates interact with the lower part of the stator, which is currently located in the coolant. Under the influence of the resulting torque, the rotor is driven into rotation.

Следовательно, при работе устройства обеспечивается использование энергии изменяющего форму теплочувствительного рабочего элемента как при увеличении его радиальных размеров, так и при их уменьшении, что повышает КПД преобразования энергии. При этом достигается равномерная нагрузка на все стороны статора и ротора. Therefore, when the device is operated, energy is used that changes the shape of the heat-sensitive working element both when its radial dimensions increase and when they decrease, which increases the energy conversion efficiency. This ensures a uniform load on all sides of the stator and rotor.

При работе устройства в условиях, когда температура нагрева жидкости выше, чем температура нагрева газа, создание вращающего момента происходит таким же образом, но в противоположном направлении. When the device is operating under conditions when the temperature of heating the liquid is higher than the temperature of heating the gas, the creation of torque occurs in the same way, but in the opposite direction.

Устройство для преобразования тепловой энергии с применением термобиметаллических пружин (см. фиг. 3) работает так же, как и приведенное выше, с тем лишь различием, что у этого устройства может быть достигнуто более значительное эксцентрическое положение ротора относительно статора, что обеспечивает повышение нагрузочной способности. A device for converting thermal energy using thermobimetallic springs (see Fig. 3) works in the same way as the above, with the only difference being that a more significant eccentric position of the rotor relative to the stator can be achieved, which increases the load capacity .

Для реверсирования вращательного движения ротора при неизменных температурных режимах в нижней 5 и верхней 6 зонах производится перестановка статора из одного фиксирующего гнезда 15 в другое. To reverse the rotational motion of the rotor at constant temperature conditions in the lower 5 and upper 6 zones, the stator is rearranged from one fixing socket 15 to another.

Claims

1. A device for converting thermal energy into mechanical energy of rotation, containing a stator made in the form of a stator ring with an internal guide surface eccentrically offset relative to the axis of rotation of the rotor with heat-sensitive working elements uniformly fixed at one end with its surface around the circumference of rotation, and others with rollers with the ability to interact with the guide surface of the stator ring, the heating and cooling zone, characterized in that the heat-sensitive working e termobimetallicheskogo elements are made of material, and the cam ring with an additional outer guide surface, roller heat sensitive working elements arranged along both guide surfaces of the stator ring, with the variable interacting with each of the surfaces when passing the rollers and the working elements through the heating and cooling zones.

2. The device according to claim 1, characterized in that the heat-sensitive working elements are made in the form of thermo-bimetallic plates, the planes of which are located along the guiding surfaces of the stator ring, with each plate attached at one end tangentially to one of the radial rotor protrusions evenly arranged around the circumference, the other the free end is pressed through the roller to the annular surface of the stator, and the active and passive layers of thermobimetal plates placed respectively along the external and internal the supporting annular surfaces of the stator are turned in one direction relative to the axis of the rotor.

3. The device according to claim 1, characterized in that the heat-sensitive elements are made in the form of thermally bimetallic springs radially mounted relative to the rotor axis, arranged uniformly around the circumference, with one end of each spring attached to the shaft, the other to the roller, and the active and passive layers thermobimetallic material respectively facing one of the ends of the spring.

4. The device according to claim 1, characterized in that the stator is mounted to move in a horizontal direction relative to the axis of the rotor.