ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
THERMAL ENGINE

Изобретение относится к теплоэнергетике, использующей, в частности, источники тепла окружающей среды, и может быть применено для привода различных машин и механизмов.
Известна гелиоустановка, содержащая концентратор, контротражатель и тепловой двигатель, выполненный в виде двух цилиндров (а.с. СССР 868111, кл. F03G 7/02, опубл. 30.09.81).
Недостатком этой гелиоустановки является то, что она может работать тогда, когда Солнце находится на оптическое оси концентратора и его лучи направлены параллельно этой оси. Если же Солнце будет смещено в сторону от этой оси (по причине вращения Земли), то работа гелиоустановки будет малоэффективной или даже невозможной.
Известен преобразователь тепловой энергии в механическую, содержащий вращающийся ротор, расположенные по окружности ротора теплообменные камеры, заполненные рабочим веществом, и силовые цилиндры, поршни которых связаны с кривошипно-шатунным механизмом преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение ротора (а.с. СССР 1180551, кл. F03G 7/08, опубл. 23.09.85).
Недостатками этого преобразователя являются пониженная эффективность его работы, что связано с потерями энергии в сочленениях кривошипно-шатунного механизма, а также недостаточная надежность, что обусловлено возможными утечками рабочего вещества из теплообменных камер в окружающую среду сквозь подвижное соединение поршнем с цилиндрами. Кроме того, преобразователь не может работать при подводе тепловой энергии сверху, например от лучистой энергии Солнца.
Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее теплопреобразователь энергии, выполненный в виде двуплечего рычага, цилиндра, разделенного посередине герметичной перегородкой на две равные по объему герметичные полости, заполненные легкорасширяющейся жидкостью, поршни-грузы, установленные в полостях и связанные между собой штоком, средства нагрева и охлаждения, преобразователь энергии, использующий выталкивающую силу Архимеда, выполненный в виде сильфонов, установленных соосно с цилиндром в камерах с боковыми отверстиями для связи со средствами нагрева и охлаждения, закрепленных на торцах полостей цилиндра, при этом сильфоны, заполненные газовой средой, одними торцами прикреплены к стенкам камер, другими посредством полого штока соединены между собой, а средства нагрева и охлаждения выполнены в виде водоема с зонами нагрева и охлаждения, являющимися соответственно верхними и нижними слоями (см. патент RU 2045685, кл. F03G 7/06, опубл. 10.10.1995).
Недостатком известного устройства является малая его эффективность, поскольку для работы устройства используется разность температур верхних и нижних слоев воды какого-либо водоема, которая практически представляет собой небольшую величину, к тому же при работе устройства не исключено перемешивание слоев воды и выравнивание их температур. Кроме того, это устройство ненадежно в работе и это объясняется следующим.
В исходном положении (в состоянии покоя) общий центр тяжести поршней устройства под действием их веса расположен ниже оси вращения устройства и находится, как и центры тяжести самих поршней, на вертикали, проходящей через ось вращения устройства (подобно маятнику в состоянии покоя). По этой же вертикали направлены и выталкивающие силы, действующие на сильфоны от воды водоема, в который погружено устройство. При разности температур верхних и нижних слоев воды поршни и их центра тяжести будут перемещаться по указанной вертикали и по этой же вертикали будут направлены изменяющиеся по величине выталкивающие силы, действующие на сильфоны, в связи с чем никакого вращающего момента от гравитационных сил поршней и выталкивающих сил сильфонов не будет ввиду отсутствия плеча действия этих сил относительно оси вращения устройства, и следовательно, устройство будет оставаться в покое и не начнет вращаться.
Целью заявленного изобретения является повышение эффективности и надежности работы и расширение эксплуатационных возможностей теплового двигателя.
Сущность изобретения заключается в том, что в тепловом двигателе, содержащем ротор с расположенными по окружности теплообменными камерами, заполненными рабочим веществом, и с рабочими камерами, в которых размещены рабочие элементы, взаимодействующие с рабочим веществом и имеющие возможность поступательного движения, рабочие камеры содержат подвижные упоры, имеющие возможность взаимодействия с рабочими элементами и с установленными неподвижно кулачками.
Это позволяет повысить эффективность и надежность работы и расширить эксплуатационные возможности теплового двигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлен тепловой двигатель - общий вид; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.2; на фиг.5 - разрез Г-Г на фиг.1; на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.1.
Тепловой двигатель содержит ротор 1 с расположенными по окружности теплообменными камерами 2, заполненными рабочим веществом (например, воздухом), и с тремя рабочими камерами 3 (количество рабочих камер может отличаться от трех), которые размещены на оси вращения ротора 1 и скреплены между собой, причем рабочие камеры 3 повернуты относительно друг друга в пределах окружности. В рабочих камерах 3 размещены рабочие элементы, взаимодействующие с рабочим веществом и имеющие возможность поступательного движения, - мембрана 4 со штоком 5. Мембрана 4 герметично закреплена по периметру в середине рабочей камеры 3 и разделяет ее полость на два отсека 6, а шток 5 своей средней частью герметично соединен с мембраной 4 по ее центру и его концы свободно размещены в направляющих стаканах рабочей камеры 3, причем в свободном состоянии мембраны 4 центр тяжести штока 5 совпадает с осью вращения ротора 1 и при движении штока 5 имеет возможность пересекать ось. В стенке рабочей камеры 3 выполнены стаканы 7, в которых размещены подвижные упоры 8 с пружинами 9. Упоры 8 своей средней частью герметично соединены с центром мембран 10, герметично закрепленных по периметру в стаканах 7, и имеют возможность одним концом входить в полость рабочей камеры 3 и взаимодействовать с торцом штока 5, а другим концом взаимодействовать с торцовым кулачком 11 дугообразной формы, установленным неподвижно относительно ротора 1 у рабочей камеры 3 сбоку и выше оси вращения ротора 1. Теплообменные камеры 2, расположенные по разные стороны от оси вращения ротора 1, подсоединены трубопроводами 12, на которых установлены краны (вентили) 13, 14, 15, 16, к отсекам 6 рабочей камеры 3 и совместно с ней представляют собой герметичный блок рабочих органов (далее - блок). Таким образом, ротор 1 содержит три (по числу рабочих камер) соединенных между собой блока 17, 18, 19. На крайних рабочих камерах 3 по оси вращения ротора 1 закреплены валы 20, которые размещены в опорных подшипниках 21 и к которым могут подсоединяться приводимые в движение различные машины и механизмы.
Тепловой двигатель работает следующим образом.
В состоянии покоя (в равновесном состоянии) теплового двигателя центры тяжести штоков 5 в блоках 17, 18, 19 находятся в исходном положении несколько ниже оси вращения ротора 1 и мембраны 4 выгнуты вниз, что обусловлено действием веса штоков 5 (ввиду незначительности веса мембраны 4 его действием можно пренебречь).
Для работы теплового двигателя в условиях, когда на ротор 1 воздействует снизу источник тепла, например, сточные воды и охлаждение его происходит сверху от источника низкой температуры, например окружающего воздуха, краны 14, 16 в блоках 17, 18, 19 должны быть открыты, а краны 13, 15 закрыты (фиг.2, 5, 6). В этих условиях при нагреве в блоках 17, 18, 19 теплообменных камер 2, находящихся внизу, давление рабочего вещества в них повышается и, передаваясь по трубопроводам 12 через краны 14 в нижние отсеки 6 рабочих камер 3, действует снизу на мембраны 4. В охлаждаемых теплообменных камерах 2, находящихся вверху, давление рабочего вещества в них понижается и, передаваясь по трубопроводам 12 через краны 16 в верхние отсеки 6 рабочих камер 3, действует сверху на мембраны 4. Изменение давлений, действующих на мембраны 4, приводит к тому, что мембраны 4, преодолевая силу тяжести (или составляющую силы тяжести) штоков 5, вместе со штоками 5 движутся из исходного положения вверх, при этом упоры 8, расположенные выше оси вращения ротора 1 в рабочих камерах 3 блоков 17, 18 (фиг.2, 5) находятся под действием пружин 9 в контакте с соответствующими кулачками 11 и вдвинуты в полость рабочих камер 3. При движении вверх штоков 5 в рабочих камерах 3 блоков 17, 18 торцы штоков 5 встречаются с соответствующими упорами 8, вдвинутыми в полость рабочих камер 3, и штоки 5 с мембранами 4 останавливаются, при этом центры тяжести штоков 5 располагаются на оси вращения ротора 1. В рабочей камере 3 блока 19 нижний и верхний упоры 8, не находясь в контакте с кулачками 11, выведены пружинами 9 из полости рабочей камеры 3, поэтому мембрана 4 и шток 5 беспрепятственно движутся из исходного положения вверх, и центр тяжести штока 5 пересекает ось вращения ротора 1, после чего по мере движения вверх центра тяжести штока 5 появляется возрастающее плечо действия силы тяжести штока 5 относительно оси вращения ротора 1 и в блоке 19 возникает возрастающий крутящий момент, действующий на ротор 1 по часовой стрелке (по фиг.6), вследствие чего ротор 1 с блоками 17, 18, 19 начинает вращаться. Как только верхние упоры 8 в блоках 17, 18 при вращении ротора 1 прекращают контактировать с кулачками 11 и выводятся под действием пружин 9 из полости рабочих камер 3, мембраны 4 со штоками 5 в этих рабочих камерах 3 движутся вверх под действием разности давлений рабочего вещества в нижних и верхних отсеках 6 и центры тяжести штоков 5 пересекают ось вращения ротора 1, в результате чего возникают возрастающие крутящие моменты от сил тяжести штоков 5, которые складываются с крутящим моментом, возникшим ранее от силы тяжести штока 5 в блоке 19. После начала вращения ротора 1 в момент, когда рабочая камера 3 блока 19 займет горизонтальное (или близкое к нему) положение, ее упор 8, находящийся слева (по фиг.6) от оси вращения ротора 1, вступает в контакт с кулачком 11 и вводится в полость рабочей камеры 3, сжимая пружину 9. При дальнейшем вращении ротора 1 рабочая камера 3 блока 19 занимает наклонное положение, а его теплообменная камера 2, находившаяся внизу, перемещается вверх, где охлаждается, в результате чего давление рабочего вещества в ней снижается и, передаваясь по трубопроводу 12 через край 14 в отсек 6, оказавшийся вверху, действует сверху на мембрану 4. Охлажденная же теплообменная камера 2, находившаяся вверху, перемещается вниз, где нагревается, в результате чего давление рабочего вещества в ней повышается и, передаваясь по трубопроводу 12 через кран 16 в отсек 6, оказавшийся внизу, действует снизу на мембрану 4. В результате этих изменений давлений мембрана 4 и шток 5 в рабочей камере 3 блока 19 начинают двигаться в обратном направлении вверх, при этом от силы тяжести штока 5 продолжает создаваться крутящий момент, но уменьшающийся по величине в связи с уменьшением плеча действия силы тяжести штока 5 относительно оси вращения ротора 1. При встрече торца штока 5 с упором 8, находящимся в контакте с кулачком 11 и вдвинутым в полость рабочей камеры 3, шток 5 с мембраной 4 останавливаются и центр тяжести штока 5 располагается на оси вращения ротора 1 до момента, когда в вертикальном (или близком к нему) положении рабочей камеры 3 упор 8 прекратит контактировать с кулачком 11 и выйдет под действием пружины 9 из полости рабочей камеры 3, давая возможность мембране 4 и штоку 5 двигаться вверх и создавать крутящий момент по часовой стрелке после пересечения центром тяжести штока 5 оси врашения ротора 1. Такой же процесс, как в блоке 19, происходит и в блоках 17, 18, при этом обеспечивается непрерывное вращение ротора 1.
Для работы теплового двигателя в условиях, когда на ротор 1 воздействует сверху источник тепла, например лучи Солнца, и охлаждение его происходит снизу от источника низкой температуры, например окружающего воздуха или воды какого-либо водоема, краны 14, 16 должны быть закрыты, а краны 13, 15 открыты. В этих условиях работа теплового двигателя отличается от описанной выше тем, что в отсеки 6 рабочих камер 3 давление рабочего вещества передается из теплообменных камер 2, расположенных на противоположной стороне от этих отсеков по отношению к оси вращения ротора 1, при этом процессы, происходящие в блоках 17, 18, 19, такие же, как и описанные выше.
В тепловом двигателе ротор 1 может вращаться против часовой стрелки. Для этого кулачки 11 должны находиться не слева (по фиг.2, 5, 6), а справа от оси вращения ротора 1.
Если тепловой двигатель предназначен для работы только в условиях нагрева ротора 1 снизу и охлаждения сверху или только в условиях нагрева его сверху и охлаждения снизу, то краны 13, 14, 15, 16 могут отсутствовать, при этом в первом случае в тепловом двигателе соединены теплообменные камеры 2 и отсеки 6 рабочих камер 3, расположенные по одну сторону от оси вращения ротора 1, а во втором случае - расположенные по разные стороны от оси вращения ротора 1.
В тепловом двигателе в качестве рабочей камеры с рабочим элементом может быть использован, например, силовой цилиндр с расположенным в нем поршнем.