Пристрій перетворення теплової енергії в механічну

Реферат: UA 80536 U UA 80536 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетичного машинобудування, а саме до пристроїв для перетворення теплової енергії в механічну з використанням різниці температур двох середовищ. Відомо про спосіб перетворення теплової енергії в механічну за допомогою занурювання у рідину камер з термочутким робочим тілом, нагріву камер для розширення робочого тіла і збільшення їх плавучості, охолодження камер і стиснення робочого тіла із зменшенням їх плавучості, вертикального переміщення камер під дією сил їх плавучості, (А.С. СРСР SU 1404681 А1 F03G7/04). Недоліком цього способу є поганий контакт робочого тіла з теплоносієм. Це приводить до повільного руху двигуна, малої його потужності, а також до великих габаритів двигуна. Відомо про тепловий двигун з термочуткими елементами у вигляді архімедових спіралей із сплаву з термомеханічною пам'яттю, (А.С. СРСР SU 1126714 A F 03 G 7/06). Недоліками цього двигуна є мале зусилля, яке розвивають спіралі через їх малу жорсткість, а також великі габарити двигуна. Найбільш близьким аналогом є тепловий двигун, де робочим тілом є біметалічні пластини, які з'єднують ведуче колесо з шатунним підшипником колінчатого вала (Патент України UA 37573 U F03G7/06). Недоліком цього двигуна є мала потужність, а також те, що довжина біметалічних пластин залежить від міри їх нагрівання та одночасно (геометрично) від положення колінчатого валу, що приводе до нерівномірного руху двигуна. Задачею корисної моделі є збільшення потужності, спрощення конструкції теплового двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що як робоче тіло, застосовується набір прямолінійних робочих стержнів з однорідного матеріалу, з'єднаних між собою прямолінійними штовхачами, виготовленими з матеріалу, коефіцієнт лінійного розширення якого менший ніж у матеріалу для робочих стержнів, при цьому початковий робочий стержень одним кінцем з'єднано з ведучим колесом двигуна, а початки наступних робочих стержнів з'єднані з кінцями попередніх робочих стержнів. Таке з'єднання дозволяє підсумовувати температурні деформації окремих робочих стержнів. Для кращого контакту з теплоносієм робочі стержні виготовлені з перфорованих труб. Штовхачі виготовлені із звичайних труб, або із штабового матеріалу, в залежності від конструкції двигуна. Двигун може працювати з однаковим ефектом як при подовженні робочих стержнів, так при їх скороченні при контакті з відповідним теплоносієм. На фіг. 1 показано прямолінійний робочий стержень у вигляді перфорованої труби, на фіг. 2 - штовхач у вигляді труби. На фіг. 3; 5 показані схеми наборів робочих стержнів 1 і штовхачів 2 (вихідні позиції). Тут, і надалі на схемах, робочі стержні 1 позначені прямолінійними круглими стержнями, а штовхачі 2 - гнутими штабами. На Фіг. 4 показана схем набору при нагріванні. На фіг. 6 показана схема набору робочих стержнів 1 і штовхачів 2, раніше позначених на фіг. 5, при їх охолодженні. У вихідній позиції довжина робочого стержня дорівнює L, при нагріванні кожний стержень довшає на L, підсумкове подовження (робочий хід) дорівнює 3L. При охолодженні кожний стержень скорочується на L, підсумкове скорочення (робочий хід) також дорівнює 3L. В обох випадках деформація штовхачів 2 не врахована. На фіг. 7 показаний конструктивний варіант з'єднання робочого стержня із штовхачем. В стержнях 1 і штовхачах 2 за допомогою різьбового з'єднання закріплені хвостовики 3, які з'єднані планкою 4 і закріплені гайками 5. Робочі стержні 1 і штовхачі 2 під час температурної деформації мають змогу переміщуватися по напрямним плитам 6 з отворами під робочі стержні і штовхачі. Напрямні плити 6 також стоять на перешкоді поздовжньому згину стержнів і штовхачів (при потребі). На фіг. 8 показана схема теплового двигуна, де робочі стержні розміщені уздовж поздовжньої осі двигуна; на фіг. 9 - розріз по А-А; на фіг. 10 - розріз по Б-Б; на фіг. 11 - розріз по В-В. Тепловий двигун складається з вала 7, жорстко закріпленого на ємності 8. На валу 7 обертається барабан 20 на радіальному підшипнику 21 і радіально-упорному підшипнику 19. На барабані 20 жорстко закріпні напрямні плити 18, по яким переміщуються робочі стержні 1 і штовхачі 2 при температурній деформації стержнів 1. На барабані 20 жорстко закріплене ведуче зубчасте колесо 14, яке передає обертання від барабана 20 до веденого колеса 15, жорстко з'єднаного з вихідним валом 16. Зусилля від робочих стержнів при їх температурній деформації передається на зубчасті рейки 9 і 24, рейкові шестерні 10 і 25, обгонні муфти 11 і 22, конічні зубчасті колеса 12 і23, на конічну шестерню 13, жорстко закріплену на валу 7. Зубчасті рейки 9 і 24, рейкові шестерні 10 і 25, обгонні муфти 11 і 22 та конічні зубчасті колеса 12 і 23 закріплені на барабані 20. Для роботи тепловий двигун повинен мати нагрівальне і охолодне 1 UA 80536 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 середовище. На схемі (фіг. 8) нагрівальне середовище у вигляді рідини 17 перебуває в ємності 8. Як охолодне середовище, використовується повітря. Робочі стержні 1 і штовхачі 2 для найбільш повного використання простору теплового двигуна, згруповані в дві незалежні групи, які розділені віссю нерухомого вала 7. Це підвищує потужність і сприяє більш рівномірному руху двигуна. На фіг. 9 показана схема групи робочих стержнів і штовхачів, які знаходяться в охолодному середовищі, на фіг. 10 - група в нагрівальному середовищі. Робочі стержні 1 і штовхачі 2 розміщені у трьох горизонтальних секціях. Пристрій працює таким чином. При попаданні робочих стержнів 1 в ємність 8 з нагрівальним середовищем, стержні подовжуються при взаємодії з теплоносієм 17. Подовження робочих стержнів 1 передається так: від закріпленого одним кінцем на барабані 20 початкового робочого стержня 1 через вільний кінець цього стержня за допомогою штовхачів 2 - на початок лежачого поблизу робочого стержня, з кінця якого подовження передається на початок наступного робочого стержня і т. д. Напрямок передачі подовження робочих стержнів показаний стрілками на фіг. 10. З останнього робочого стержня підсумкове подовження усіх стержнів передасться на зубчасту рейку 9, яка, рухаючись праворуч (на фіг. 11), обертає рейкову шестерню 10. Обертання рейкової шестерні 10 передається через обгонну муфту 11 на конічне зубчасте колесо 12, яке, взаємодіючи з конічною шестернею 13, жорстко закріпленою на валу 7, обертає установлений на підшипниках 21 і 19 барабан 20 навколо вала 7. В той час колесо 23 вільно перекочується по шестерні 13, тому що обгонна муфта 22 в цьому напрямку виконує холостий хід і не перешкоджав також скороченню рoбoчих стержнів при переході їх в охолодне середовище (повітря). Робочі стержні вільної переходять у вихідну позицію. На фіг. 9 стрілками показаний напрямок передачі скорочення робочих стержнів при взаємодії їх з охолодним середовищем. Робочі стержні, які були до початку робочого ходу в охолодному середовищі (фіг. 9), потрапивши внаслідок обертання барабана 20 в нагрівальне середовище, подовжуються. Підсумкове подовження робочих стержнів передається через зубчасту рейку 24, рейкову шестерню 25, обгонну муфту 22 на конічне зубчасте колесо 23, яке взаємодіючи з конічною шестернею 13, жорстко закріпленою на валу 7, обертає барабан 20 у тому ж напрямку, що він обертався і раніше. Потім цикл повторюється. На фіг. 8 показані зв'язки між горизонтальними секціями робочих стержнів 1 за допомогою штовхачів 2; на фіг. 11 - зв'язки між окремими стержнями 1 за допомогою штовхачів 2 в одній горизонтальній секції. З'єднання зубчастих рейок 9 і 24 з робочими стержнями 1 або з штовхачами 2 може бути виконане, наприклад, за допомогою різьбового з'єднання, аналогічного показаному на фіг. 7, що забезпечує складання та розбирання конструкції. На фіг. 12 (розріз по Д-Д) показана схема теплового двигуна, де робочі стержні розміщені поперек поздовжньої осі двигуна; на фіг. 13 - вигляд Е; на фіг. 14 - розріз по Г-Г; на фіг. 15 вигляд К; на фіг. 16 - вигляд Ж. Такий тепловий двигун складається з вала 7, жорстко закріпленого на ємності 8. На валу 7 обертається барабан 20 на радіальних підшипниках 21. На барабані жорстко закріплені напрямні плити 18, по яким переміщуються робочі стержні 1 і штовхачі 2 при температурній деформації стержнів 1. На барабані 20 жорстко закріплене ведуче зубчасте колесо 14, яке передає обертання від барабану 20 до веденого колеса 15, жорстко з'єднаного з вихідним валом 16. Зусилля від робочих стержнів при їх температурній деформації передається на зубчасті рейки 9 і 24, рейкові шестерні 10 і 25, обгонні муфти 11 і 22, циліндричні зубчасті колеса 26 і 28, на циліндричну шестерню 27, жорстко закріплену на валу 7. Зубчасті рейки 9 і 24, рейкові шестерні 10 і 25, обгонні муфти 11 і 22, циліндричні зубчасті колеса 26 і 28 закріплені на барабані 20. Для роботи тепловий двигун повинен мати нагрівальне і охолодне середовища. На схемах фіг. 12 і 13 нагрівальне середовище у вигляді рідини 17 перебуває в ємності 8. Як охолодне середовище використовується повітря. Робочі стержні 1 і штовхачі 2, для найбільш повного використання простору теплового двигуна, згруповані в дві незалежні групи, які розділені віссю нерухомого вала 7. Це підвищує потужність і сприяє більш рівномірному руху двигуна. На фіг. 12 показана схема незалежних груп, одна з яких знаходиться в ємності з нагрівальним середовищем 17, інша - в охолодному середовищі (повітрі). Робочі стержні 1 і штовхачі 2 розміщені утрьох горизонтальних секціях. Тепловий двигун з розміщенням робочих стержнів поперек поздовжньої осі двигуна працює таким чином. При попаданні робочих стержнів 1 в ємність 8 з нагрівальним середовищем стержні подовжуються при взаємодії з теплоносієм 17. Подовження стержнів 1 передається так: від закріпленого одним кінцем на барабані 20 початкового робочого стержня 1 через вільний кінець цього стержня за допомогою штовхача 2 - на початок лежачого поблизу робочого 2 UA 80536 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стержня, з кінця якого подовження передається на початок наступного робочого стержня і т. д. Напрямок передач подовжень стержнів показаний стрілками на фіг. 12 (нижній пакет стержнів). З останнього робочого стержня підсумкове подовження усіх стержнів передається на зубчасту рейку 9 (фіг. 14), яка рухаючись праворуч, обертає рейкову шестерню 10. Обертання рейкової шестерні 10 передається через обгонну муфту 11 на циліндричне зубчасте колесо 26, яке взаємодіючи з шестернею 27, жорстко закріпленою на валу 7, обертає установлений на підшипниках 21 барабан 20 навколо вала 7. В той час колесо 28 вільно перекочується по шестерні 27, тому що обгонна муфта 22 в цьому напрямку виконує холостий хід і не перешкоджає також скороченню робочих стержнів при переході їх в охолодне середовище (повітря), і стержні вільно переходять у вихідну позицію. На фіг. 12 (вгорі) стрілками показаний напрямок передачі скорочення робочих стержнів при взаємодії їх з охолодним середовищем. Робочі стержні, які були до початку робочого хода в охолодному середовищі (фіг. 12), потрапивши внаслідок обертання барабана 20 в нагрівальне середовище, подовжуються. Підсумкове подовження робочих стержнів передається через зубчасту рейку 24, рейкову шестерню 25, обгонну муфту 22 на циліндричне зубчасте колесо 28, яке взаємодіючи з циліндричною шестернею 27, жорстко закріпленою на валу 7, обертає барабан 20 у тому ж напрямку, що він обертався і раніше. Потім цикл повторюється. На фіг. 13 показані зв'язки між горизонтальними секціями робочих стержнів 1 за допомогою штовхачів 2; на фіг. 14 - зв'язки між окремими робочими стержнями 1 за допомогою штовхачів 2 в одній горизонтальній секції. З'єднання зубчастих рейок 9 і 24 з робочими стержнями 1 або із штовхачами 2 може бути виконане, наприклад, за допомогою різьбового з'єднання, аналогічного показаному на фіг. 7, це забезпечує складання та разбирання конструкції. Для ілюстрації можливостей теплового двигуна з використанням запропонованого пристрою можна привести параметри двигуна, барабан якого має габарити 2000×1000×1000 мм, (половина квадратного у перерізі барабана). При використанні робочих стержнів і штовхачів у вигляді труб діаметром 20 мм та відстанню між ними 25 мм (див. фіг. 7) можна розташувати на барабані 1600 м робочих стержнів. Якщо робочі стержні виготовлені з дюралюмінію, а штовхачі - із сталі, то при їх нагріванні на 10 °C робочий хід буде 160 мм. Зусилля, яке розвиває дюралюмінієва труба (при температурній деформації) діаметром 20 мм з товщиною стінки 2 мм, 2 при допущенній напрузі 40 кгс/мм ; становитиме 4522 кгс (тертя не враховане). При виготовленні робочих стержнів з пластмаси (наприклад з капрону) робочий хід збільшиться, приблизно, в десять разів, але робоче зусилля зменшиться. При розташуванні в одній групі робочих стержнів, які працюють як на подовження при контакті з теплоносієм, так і на скорочення (див. фіг. 4 і 6), є можливість розширити діапазон температур, при яких двигун може працювати. Це особливо важливо для двигунів які працюють в природних середовищах (вода повітря), де мають місце значні коливання температури. Для збільшення потужності двигуна можливе одночасне використання груп робочих стержнів, які розташовані як вздовж, так і поперек осі двигуна, що дає найбільш повне використання простору двигуна. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Пристрій перетворення теплової енергії в механічну, при якому тепловий двигун має нагрівальне та охолодне середовища, розділені віссю нерухомого вала, підшипники якого з'єднані з ведучим колесом, яке знаходиться в зачепленні з веденою шестернею, на осі якої перебуває вихідний вал, який відрізняється тим, що, для збільшення потужності і поліпшення компактності двигуна, робочим тілом є набір прямолінійних робочих стержнів з однорідного матеріалу, з'єднаних між собою проміжними штовхачами, виготовленими з матеріалу, коефіцієнт лінійного розширення якого менший, ніж у матеріалу для робочих стержнів, при цьому початковий робочий стержень одним кінцем з'єднаний нерухомо з ведучим колесом двигуна, а початки наступних робочих стержнів з'єднані з кінцями попередніх робочих стержнів, кінець останнього робочого стержня через рейкову зубчасту передачу, обгінну муфту, зубчасте колесо взаємодіє з шестернею, нерухомо закріпленою на нерухомому валу двигуна, а робочі стержні і штовхачі мають змогу переміщуватися при температурній деформації по напрямних плитах, з'єднаних з ведучим колесом. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для підвищення потужності теплового двигуна, робочим тілом є набір порожнистих прямолінійних перфорованих робочих стержнів. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для збільшення робочого ходу при температурній деформації робочих стержнів, вони виготовлені з пластмаси. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для підвищення потужності теплового двигуна, робочі стержні розміщені одночасно уздовж і поперек осі двигуна. 3 UA 80536 U 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що, для розширення діапазону робочих температур теплового двигуна, на ньому розміщені різні групи робочих стержнів, які здійснюють робочий хід від подовження і від скорочення стержнів одночасно. 4 UA 80536 U 5 UA 80536 U 6 UA 80536 U 7 UA 80536 U 8 UA 80536 U 9 UA 80536 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10