Роторний тепловий двигун з зовнішнім нагрівом

Реферат: UA 78272 U UA 78272 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до роторних теплових двигунів із зовнішнім нагрівом та найбільш ефективно може бути використана у приладах підвищеної надійності з невисокою температурою нагріву. Основною перевагою теплових двигунів із зовнішнім нагрівом (у яких джерело тепла відділено від робочого тіла) є їх "всеїдність", тобто можливість використовування будь-яких джерел тепла. Відрізняють поршневі та роторні двигуни з зовнішнім нагрівом. Більш розробленими та надійними є поршневі двигуни (перш за все, поршнева парова машина і двигун Стірлінга). Недоліком поршневих двигунів є їх складність, яка пов'язана з необхідністю застосування у них кривошипно-шатунного механізму, перетворюючого зворотно-поступальний рух поршнів у обертовий рух колінчатого вала. Цей недолік усувається в роторних двигунах, у яких головним рухомим елементом є ротор [1]. Між тим, недоліком роторних двигунів також є їх складність, яка пов'язана зі складністю конструкції ротора (наприклад, колеса з лопатками у парової турбіни чи ротора складної форми у роторно-поршневих двигунах) або зі складністю механізмів ущільнення робочого простору між ротором і статором в роторно-поршневих двигунах [1, гл. "Схемы двигателей внешнего сгорания", с. 49-51; гл. "Сравнение совершенства различных роторно-поршневых двигателей", с. 51-54.], Так, є відомим двигун з зовнішнім нагрівом, який має статор з рухомою заслінкою та ротор, а також зовнішню камеру згорання як джерело робочого тіла у вигляді газу високого тиску [1, с. 50, рис. 19]. Під дією тиску газу ротор обертається і періодично переміщує заслінку, чим забезпечується періодична зміна вмісту робочих відсіків і, як наслідок, - робота двигуна як вмісної розширювальної турбіни. Цій пристрій вибраний як прототип. Недоліком такого пристрою є його складність, яка пов'язана з присутністю у ньому кількох взаємодіючих деталей складної форми (статор, рухома заслінка, ротор), і, як наслідок, його ненадійність. В основу корисної моделі поставлена задача створення простого і надійного роторного двигуна з зовнішнім нагрівом. Поставлена задача вирішується тим, що в роторному тепловому двигуні з зовнішнім нагрівом, який має ротор, робоче тіло і зовнішній нагрівач, ротор розміщений горизонтально і має кільцеву камеру, яка є коаксіальною з ротором та частково заповнена робочим тілом у вигляді твердого матеріалу, а нагрівач розміщено біля ротора у секторі з кутом > навколо осі ротора, де  - кут сектора, у якому кільцева камера незаповнена. У пропонованому двигуні відсутній статор. Кільцева камера у середині ротора дозволяє розмістити у роторі робоче тіло. Часткове заповнення камери робочим тілом і більший кутовий розмір нагрівача у порівнянні з кутовим розміром незаповненої частини камери (>) дозволяє переганяти робоче тіло усередині кільцевої камери і тим самим створювати крутильний момент при порушенні рівноваги ротора, коли камера в роторі виконана коаксіально з ротором. Використання як робочого тіла твердого матеріалу забезпечує зчеплення робочого тіла з ротором при прагненні робочого тіла до рівноваги під дією гравітації. Усе це забезпечує працездатність пропонованого двигуна при його простоті і, як наслідок, надійності. Схема пропонованого пристрою представлена на фіг. 1 та у розрізі по А-А - на фіг. 2, 3 і 4. Ротор 1 закреплений на горизонтальном валу 2. Для нагріву ротора 1 пристрій містить двосекційний нагрівач 3, розміщений біля верхньої частини ротора 1. Усередині ротора 1 є кільцева камера С, яка частково заповнена твердим робочим тілом 4, яке щільно уставлено у ротор 1. Двигун працює наступним чином. Перед включенням нагрівача 3 ротор 1 з робочим тілом 4 встановлюється так, як показано на фіг. 2 (вільні поверхні робочого тіла 4 знаходяться на одному рівні, і ліва та права частини ротора 1 зрівноважені). Включений нагрівач 3 нагріває верхню частину ротора 1 і частину робочого тіла 4, створюючи у ньому розплав 5 (фіг. 3). Речовина робочого тіла 4, яка випаровувається з поверхні розплаву 5, переходить з лівої частини робочого тіла 4 на його праву частину, де виходить із зони нагріву і конденсується у тверду фазу (фіг. 4). Внаслідок цього под під дією гравітації рівновага ротора 1 порушується, на роторі 1 з'являється обертаючий момент, і ротор 1 провертається. При цьому розплав 5 поповнюється новим матеріалом робочого тіла 4, що ввійшло в область дії нагрівача 3. В подальшому ротор 1 підтримується у обертанні внаслідок того, что продовжується випарування робочого тіла 4 із розплаву 5. Нагріта незаповнена частина камери С виконує роль паропроводу. Як робоче тіло можуть бути використані легколеткі речовини, наприклад прості речовини магній (з температурою плавлення 651 °C і тиском пари 2,8 мм рт. ст., і швидкістю випарування 2 95 г/(см год.) при температурі плавлення), миш'як (з високою швидкістю сублімації), - а також 1 UA 78272 U 5 10 15 20 25 30 легколеткі органічні сполуки, наприклад нафталін С 10Н8 (з температурою плавлення 80 °C і тиском пари біля 1 мм рт. ст. при температурі 50 °C). Камера С може бути вакуумована. Основні характеристики двигуна (потужність, крутильний момент та інші) визначаються, поперше, властивостями робочого тіла (швидкістю випарування при заданій температурі нагріву і густиною) і розмірами ротора (поверхнею випарування робочого тіла, діаметрами ротора і робочої камери), і, по-друге, зовнішніми умовами (робочою температурою і значенням гравітаційної константи). Так, швидкість обертання ротора визначається швидкістю v зниження рівня розплаву в роторі, яка зв'язана зі швидкістю w випарування і густиною  робочого тіла у роторі рівністю: v=w/ (w залежить від температури). Швидкість v зразково рівна лінійній швидкості обертання поверхні тонкостінного ротора з неширокою кільцевою камерою. Наприклад, для магнію при температурі плавлення розрахункове значення v=55 мм/год. (розрахунок виконаний із використовуванням зрівняння Ленгмюра і довідкових даних про тиск пари речовин [2]). Таким чином, у порівнянні із прототипом розглянутий двигун містить меншу кількість більш простих деталей, в ньому не потрібне ущільнення ротора в статорі (оскільки статор відсутній зовсім, а робоча камера в роторі герметична). В результаті, розглянутий двигун є більш простим та надійним, ніж прототип. При відповідному виборі речовини робочого тіла можливо створення двигуна, який працює при невеликій температурі нагріву ( навколо осі ротора, де  - кут сектора, у якому кільцева камера незаповнена. 2 UA 78272 U 3 UA 78272 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 4