RU2056606C1

RU2056606C1 - Heat energy-to-mechanical work converter

Info

Publication number: RU2056606C1
Application number: RU93003495A
Authority: RU
Inventors: Виктор Альбертович Пилюш
Original assignee: Виктор Альбертович Пилюш
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1993-01-21
Publication date: 1996-03-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: heat energy-to- mechanical work converter uses hermetically sealed casing 1 in the form of truncated cone partially filled with heat-transfer agent. The casing has evaporation (2) and condensation (3) regions, and an adiabatic section. The casing accommodates heat-insulating ring 4, being a component of the casing and rigidly fastened both to evaporation section 5 and condensation section 6 of the casing. Rigidly attached to the heat-insulating ring is turbine- wheel 7 with vanes 8 enclosed with rim 9, forming annular gap 10 between the heat-insulating rim and turbine-wheel rim. The turbine-wheel is provided with journal 11 that carries another turbine-wheel 12 with guide vanes 13 enclosed with rim 14, forming annular gap 15. The rim of the second turbine-wheel represents an internal annular magnet. Intsalled above the internal annular magnet is external annular magnet 16 rigidly coupled to foundation 17. The rims of both turbine-wheels have annular grooves. On the side of the evaporation region the turbine-wheel rim is furnished with additional vanes. EFFECT: improved design. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано, например, в качестве двигателя летательного аппарата. The invention relates to mechanical engineering and can be used, for example, as an engine of an aircraft.

Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую работу двигатель Стирлинга. A device is known for converting thermal energy into mechanical operation of a Stirling engine.

К недостаткам известного устройства следует отнести сложную конструкцию, обусловленную наличием ромбического механизма, передающего движение от двух поршней со сложной кинематикой взаимного движения валу отбора мощности. The disadvantages of the known device include a complex structure due to the presence of a rhombic mechanism that transmits movement from two pistons with complex kinematics of mutual motion to the power take-off shaft.

В качестве прототипа выбрана тепловая труба, преобразующая тепловую энергию в электрическую. As a prototype, a heat pipe was selected that converts thermal energy into electrical energy.

К недостаткам устройства-прототипа следует отнести сложность конструкции, обусловленную наличием насоса для перекачивания теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения. The disadvantages of the prototype device include the design complexity due to the presence of a pump for pumping the coolant from the condensation zone to the evaporation zone.

Вторым недостатком известного устройства является длинная цепочка преобразований одного вида энергии в другой, в конце которой находится термо-ЭДС. Указанное обстоятельство характеризует крайне низкий эффективный КПД установки в целом. The second disadvantage of the known device is the long chain of transformations of one type of energy into another, at the end of which is a thermo-emf. This circumstance characterizes the extremely low effective efficiency of the installation as a whole.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД преобразователя тепловой энергии. The aim of the invention is to simplify the design and increase the efficiency of the thermal energy Converter.

Это достигается тем, что преобразователь тепловой энергии в механическую работу, работающий по циклу Ренкина, содержит испаритель, конденсатор, тепловую машину, расположенную между конденсатором и испарителем, и насос для перекачивания конденсата в жидкой фазе из конденсатора в испаритель. This is achieved by the fact that the converter of thermal energy into mechanical work, working according to the Rankine cycle, contains an evaporator, a condenser, a heat engine located between the condenser and the evaporator, and a pump for pumping condensate in the liquid phase from the condenser to the evaporator.

Согласно изобретению преобразователь тепловой энергии в механическую работу содержит герметичный корпус заполненный теплоносителем с зоной испарения, транспорта и конденсации, многоступенчатую турбину с рабочими лопатками, закрепленными на диске, жестко связанную с зоной транспорта, и направляющий аппарат, обод, два кольцевых магнита, цапфу турбины, фундамент и дополнительные лопатки, причем обод жестко скреплен с рабочими лопатками, между наружной поверхностью обода и внутренней поверхностью корпуса образован зазор, лопатки направляющего аппарата установлены на диске, насаженном на цапфу турбины с возможностью вращения, один из кольцевых магнитов охватывает лопатки направляющего аппарата и установлен с зазором относительно корпуса, а второй кольцевой магнит установлен соосно с первым с зазором относительно внешней поверхности корпуса и закреплен на фундаменте, при этом корпус выполнен в форме усеченного конуса, у основания которого расположена зона испарения, и установлен с возможностью вращения. According to the invention, the converter of thermal energy into mechanical work comprises a sealed housing filled with a coolant with an evaporation, transport and condensation zone, a multi-stage turbine with rotor blades mounted on a disk rigidly connected to the transport zone, and a guide apparatus, rim, two ring magnets, a turbine axle, foundation and additional blades, the rim being rigidly fixed to the working blades, a gap is formed between the outer surface of the rim and the inner surface of the body, the blades are directed the washing apparatus is mounted on a disk mounted on the turbine axle with the possibility of rotation, one of the ring magnets covers the vanes of the guide apparatus and is installed with a gap relative to the casing, and the second ring magnet is mounted coaxially with the first with a gap relative to the outer surface of the casing and is fixed to the foundation, while the housing is made in the form of a truncated cone, at the base of which an evaporation zone is located, and is mounted for rotation.

Для предотвращения перетечек тепла из зоны испарения в зону конденсации по корпусу преобразователя вследствие явления теплопроводности часть зоны транспорта, в которой установлена турбина, выполнена из теплоизоляционного материала. To prevent heat from flowing from the evaporation zone to the condensation zone along the converter housing due to the phenomenon of thermal conductivity, part of the transport zone in which the turbine is installed is made of heat-insulating material.

При работе преобразователя теплоноситель в зоне испарения под действием непрерывно подводимой тепловой энергии испаряется и поступает на рабочие лопатки турбины, вследствие чего корпус преобразователя получает вращательное движение. Проходя через лопатки направляющего аппарата, теплоноситель охлаждается в зоне конденсации, переходит в жидкую фазу и осаждается на стенках корпуса преобразователя тепловой энергии. During operation of the converter, the coolant in the evaporation zone, under the action of continuously supplied heat energy, evaporates and enters the working blades of the turbine, as a result of which the converter housing receives rotational motion. Passing through the vanes of the guide vane, the coolant is cooled in the condensation zone, goes into the liquid phase and is deposited on the walls of the housing of the thermal energy converter.

Благодаря вращению корпуса преобразователя, а также с учетом того обстоятельства, что корпус преобразователя выполнен в форме усеченного конуса, на частицу жидкости массой m действует осевая сила F₂, направленная в сторону зоны испарения, которую можно определить по формуле
F₂ m ω² r · sin α где F осевая сила;
m масса частицы теплоносителя в жидкой фазе, ω угловая скорость вращения корпуса преобразователя;
r радиус корпуса преобразователя в зоне транспорта;
α угол конусности корпуса пребразователя.Due to the rotation of the transducer housing, and also taking into account the fact that the transducer housing is made in the form of a truncated cone, an axial force F ₂ directed towards the evaporation zone, which can be determined by the formula
F ₂ m ω ² r · sin α where F is the axial force;
m is the mass of the coolant particle in the liquid phase, ω is the angular velocity of rotation of the converter housing;
r radius of the transducer housing in the transport zone;
α angle of taper of the transmitter housing.

В зоне транспорта в зазор между корпусом преобразователя и ободом рабочего колеса турбины, а также ободом направляющего аппарата возникают встречные потоки теплоносителя теплоносителя в парообразном состоянии из зоны испарения в зону конденсации, и теплоносителя в жидкой фазе из зоны конденсации в зону испарения. При этом жидкий теплоноситель в виде пленки прилегает к корпусу преобразователя, а теплоноситель в парообразном состоянии расположен между пленкой и ободом рабочего колеса и ободом направляющего аппарата. In the transport zone, in the gap between the converter housing and the rim of the turbine impeller, as well as the rim of the guide vane, countercurrent flows of the coolant in the vapor state from the evaporation zone to the condensation zone and the coolant in the liquid phase from the condensation zone to the evaporation zone arise. In this case, the heat transfer fluid in the form of a film is adjacent to the transducer housing, and the heat transfer fluid in the vapor state is located between the film and the impeller rim and the guide rim.

Для создания газодинамического сопротивления потоку теплоносителя в парообразном состоянии из зоны испарения в зону конденсации согласно изобретению на ободах рабочего колеса турбины и ободах направляющего аппарата выполнены кольцевые канавки, выполняющие функции лабиринтного уплотнения. To create gas-dynamic resistance to the coolant flow in the vapor state from the evaporation zone to the condensation zone according to the invention, annular grooves are provided on the rims of the turbine impeller and the rims of the guide apparatus, which perform the functions of a labyrinth seal.

Для создания местного разрежения в зоне поступления жидкого теплоносителя в испаритель согласно изобретению на ободе рабочих лопаток со стороны основания выполнены дополнительные лопатки. To create local rarefaction in the zone of liquid coolant entering the evaporator according to the invention, additional blades are made on the rim of the working blades from the base side.

Назначение двух кольцевых магнитов передавать противомомент от вращения рабочих колес турбины и корпуса преобразователя фундаменту или корпусу летательного аппарата. The purpose of the two ring magnets is to transmit the momentum from the rotation of the turbine impellers and the converter housing to the foundation or body of the aircraft.

На фиг.1 представлен преобразователь тепловой энергии в механическую работу, общий вид; на фиг.2 теплоизоляционное кольцо, являющееся частью корпуса преобразователя, фрагменты лопаток турбины и направляющего аппарата, ободы с лабиринтными уплотнениями, а также дополнительные лопатки рабочих колес турбины; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1 (рабочее колесо турбины с лопатками, цапфа и теплоизоляционное кольцо); на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 вид по стрелке В на фиг.1; на фиг.6 векторы сил, действующих на частицу жидкости, переносимой из зоны конденсации в зону испарения. Figure 1 presents the Converter of thermal energy into mechanical work, a General view; figure 2 heat-insulating ring, which is part of the transducer housing, fragments of the turbine blades and the guide apparatus, rims with labyrinth seals, as well as additional blades of the turbine impellers; in Fig.3 a section aa in Fig.1 (impeller of a turbine with vanes, a trunnion and a heat-insulating ring); figure 4 section BB in figure 1; figure 5 is a view along arrow B in figure 1; Fig.6 vectors of forces acting on a particle of liquid transferred from the condensation zone to the evaporation zone.

В качестве примера представлен преобразователь тепловой энергии в механическую работу с одноступенчатой турбиной. As an example, a converter of thermal energy into mechanical work with a single-stage turbine is presented.

Преобразователь тепловой энергии в механическую работу содержит герметичный корпус 1 в форме усеченного конуса, частично заполненного теплоносителем, установленный с возможностью вращения вокруг продольной оси. Корпус преобразователя содержит испарительную 2 и конденсационную 3 зоны. В корпусе содержится теплоизоляционное кольцо 4, являющееся элементом корпуса и жестко закрепленное как с испарительным участком 5, так и с конденсационным участком 6 корпуса. The converter of thermal energy into mechanical work comprises a sealed housing 1 in the form of a truncated cone, partially filled with coolant, mounted for rotation around a longitudinal axis. The converter housing contains an evaporative 2 and a condensation 3 zone. The casing contains a heat-insulating ring 4, which is an element of the casing and is rigidly fixed both with the evaporation section 5 and with the condensation section 6 of the casing.

К теплоизоляционному кольцу жестко крепится рабочее колесо 7 турбины с рабочими лопатками 8, охваченными ободом 9, с образованием кольцевого зазора 10 между теплоизоляционным кольцом и ободом рабочего колеса. Рабочее колесо турбины снабжено цапфой 11, на которой установлено второе колесо 12 турбины с направляющими лопатками 13, охваченными ободом 14 с образованием кольцевого зазора 15. При этом обод второго колеса турбины представляет собой внутренний кольцевой магнит. Над внутренним кольцевым магнитом установлен внешний кольцевой магнит 16, жестко связанный с фундаментом 17. В ободах рабочего колеса и дополнительного колеса турбины содержатся кольцевые канавки 18. Обод рабочего колеса турбины со стороны зоны испарения снабжен дополнительными лопатками 19. A turbine impeller 7 with impellers 8 covered by a rim 9 is rigidly attached to the heat-insulating ring with the formation of an annular gap 10 between the heat-insulating ring and the impeller rim. The turbine impeller is equipped with a pin 11 on which a second turbine wheel 12 is mounted with guide vanes 13 enclosed by the rim 14 to form an annular gap 15. The rim of the second turbine wheel is an internal ring magnet. An outer ring magnet 16 is mounted above the inner ring magnet and is rigidly connected to the foundation 17. The rims of the impeller and the turbine’s additional wheel contain annular grooves 18. The rim of the turbine’s impeller on the evaporation zone side is provided with additional vanes 19.

Преобразователь тепловой энергии в механическую работу работает следующим образом. The Converter of thermal energy into mechanical work is as follows.

При подводе тепла к испарительному участку 5 и отводе тепла от конденсационного участка 6 корпуса 1 теплоноситель в зоне испарения 2 переходит из жидкого в парообразное состояние и под давлением поступает на рабочие лопатки 8 рабочего колеса 7 турбины. После этого теплоноситель проходит через направляющие лопатки 13 второго колеса 12 турбины и поступает в конденсационную зону 3 преобразователя. Отдав часть тепла в конденсаторе 6, теплоноситель переходит в жидкую фазу и осаждается на стенках корпуса 1 преобразователя. Поскольку второе колесо 12 турбины посредством двух кольцевых магнитов 14 и 16 зафиксировано от вращения по отношению к фундаменту 17, вращение получает рабочее колесо 7 совместно с корпусом 1 преобразователя. When heat is supplied to the evaporation section 5 and heat is removed from the condensation section 6 of the housing 1, the coolant in the evaporation zone 2 passes from a liquid to a vapor state and, under pressure, enters the working blades 8 of the impeller 7 of the turbine. After that, the coolant passes through the guide vanes 13 of the second turbine wheel 12 and enters the condensation zone 3 of the converter. Having given part of the heat in the condenser 6, the coolant goes into the liquid phase and is deposited on the walls of the housing 1 of the Converter. Since the second turbine wheel 12 through two ring magnets 14 and 16 is fixed from rotation with respect to the foundation 17, the impeller 7 receives rotation together with the converter housing 1.

Теплоноситель в жидкой фазе, осевший на стенках конденсационного участка 6, под действием осевой составляющей F₂ силы направляется в сторону зоны испарения 2, проходит кольцевые зазоры 15 и 10 и попадает в испарительную зону 2 преобразователя, где вновь испаряется.The coolant in the liquid phase deposited on the walls of the condensing section 6, under the action of the axial component of the force F ₂ directed toward the evaporation zone 2 passes the annular gaps 15 and 10 and into the vaporization zone converter 2, where it is evaporated again.

Во избежание срыва потока теплоносителя в жидкой фазе на транспортном участке кольцевые канавки 18 ободов 9 и 14 колес 7 и 12 создают дополнительное газодинамическое сопротивление движению встречного потока теплоносителя в парообразном состоянии через кольцевые зазоры 10 и 15, а дополнительные лопатки 19 создают разрежение на участке входа теплоносителя в зону испарения 2. In order to avoid disruption of the coolant flow in the liquid phase in the transport section, the annular grooves 18 of the rims 9 and 14 of the wheels 7 and 12 create additional gas-dynamic resistance to the movement of the oncoming coolant flow in the vapor state through the ring gaps 10 and 15, and the additional blades 19 create a vacuum at the coolant inlet section to the evaporation zone 2.

В предложенном техническом решении все четыре элемента тепловой машины, т. е. испаритель, конденсатор, преобразователь энергии (турбина) и насос заключены в одном герметичном корпусе, что и обусловливает простоту конструкции и надежность работы предложенного преобразователя. In the proposed technical solution, all four elements of the heat engine, i.e., an evaporator, a condenser, an energy converter (turbine) and a pump, are enclosed in one sealed enclosure, which determines the simplicity of the design and the reliability of the proposed converter.

Преобразователь тепловой энергии может работать при любой ориентации в пространстве. The thermal energy converter can operate in any orientation in space.

Источником энергии преобразователя может служить практически любое топливо, в том числе и солнечная энергия. Almost any fuel, including solar energy, can serve as a source of converter energy.

Области применения преобразователя: бортовой источник питания в космических аппаратах; двигатель летательных аппаратов; стационарные двигатели большой мощности. Scopes of the converter: on-board power supply in spacecraft; aircraft engine; stationary engines of high power.

В реальных условиях турбина преобразователя должны быть выполнена многоступенчатой 3-5 ступеней. In real conditions, the converter turbine should be multi-stage 3-5 steps.

Claims

1. A HEAT ENERGY CONVERTER IN MECHANICAL WORK, comprising a sealed enclosure partially filled with coolant, with evaporation, transport and condensation zones, a steam turbine with rotor blades mounted on a disk, rigidly connected to the transport zone, and a guiding apparatus, characterized in that it additionally contains a rim, two ring magnets, a pin of the turbine, a foundation, the rim being rigidly attached to the working blades, a gap is formed between the outer surface of the rim and the inner surface of the housing, the blades the guide apparatus is mounted on a disk mounted on the turbine axle with the possibility of rotation, one of the ring magnets covers the vanes of the guide apparatus and is installed with a gap relative to the casing, and the second ring magnet is mounted coaxially with the first with a gap relative to the outer surface of the casing and is fixed to the foundation, while the casing is made in the form of a truncated cone, at the base of which there is an evaporation zone, and mounted for rotation, part of the transport zone in which the turbine is installed, ying of thermally insulating material.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that on the rim of the working blades of the turbine from the side of the evaporation zone, additional blades are installed.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that on the outer surfaces of the rim and the annular magnet covering the vanes of the guide apparatus, annular grooves are made.