Способ работы мартенситного двигателя
Изобретение позволяет повысить КПД мартенситных двигателей, работающих за счет тепловых деформаций твердых термочувствительных элементов (ТЭ) при проявлении их термомеханической памяти, и может быть использовано для оптимизации циклов работы различных мартенситных двигателей исполнительных механизмов, насосов, компрессоров и других механических систем. При реализации способа предварительно проводят предварительные испытания двигателя с присоединенной к нему нагрузкой, изменяя подводимую к ТЭ мощность N<SB POS="POST">п</SB> и определяя уровень мощности, соответствующий резонансу системы двигатель-нагрузка, а при работе двигателя мощность N<SB POS="POST">п</SB> устанавливают на этот уровень. Резонансный пик 3 КПД *98N определяется при предварительных испытаниях по уровню мощности N<SB POS="POST">п</SB>, при котором время &Tgr; формовосстановления ТЭ кратно периоду собственных колебаний системы двигатель-нагрузка. Резонансный пик 4 КПД определяется при предварительных испытаниях по уровню мощности N<SB POS="POST">п</SB>, соответствующему минимальной теплоте Q<SB POS="POST">р</SB> формовосстановления ТЭ. 5 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСГ1УБ ЛИК
С51)5 F 03 С 7/06 фзfp
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ Г1РИ ГКНТ СССР
1 (21) 4377724/25-06 (22) 15.02.88 (46) 30.04.90. Бюл. К 16 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (72) А.В. Остапенко (53) 621.486(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
Н 1333824, w. F 03 с 7/06. 1986.
Авторское свидетельство CCCP
Г 1484982, кл. F 03 G 7/06, 1986, (54) СПОСОБ РАБОТЫ ИАРТЕНСИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ (57) Изобретение позволяет повысить
КПД мартенситных двигателей, работающих за счет тепловых деформаций твердых термочувствительных элементов (ТЭ) при проявлении их термомеханической памяти, и может быть использовано для оптимизации циклов работы различных иартенсит2 ных двигателей исполнительных механизмов, насосов, компрессоров и других механических систем. При реализации способа предварительно проводят предварительные испытания двигателя с присоединенной к нему нагрузкой, изменяя подводимую к ТЭ мощность и„ и определяя уровень мощности, соответствующий резонансу системы двигатель-нагрузка, а при работе двигателя мэщность и„ устанавливают на этот уровень. Резонансный пик 3 КПД определяется при предварительных испытаниях по уровню мощности
n „, при котором время формовосстановления ТЭ кратно периоду собственных колебаний системы двигатель - нагрузка.g
Резонансный пик 4 КПД определяется при а предварительных испытаниях по уровню мощности и<, соответствующему минимальной теплоте ц формовосстановления С
ТЭ. 5 ил.
156078) подводимой мощности п,„; на фиг. 5 зависимость теплоты q формовосстанов-30
40
Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам работы тепловых двигателей, работающих за счет тепловых деформаций твердых термочувствительных элементов при проявлении их термомеханической памяти, и может быть использовано при оптимизации циклов работы различных мартенситных двигателей исполнительных механизмов, насосов, компрессоров и других меха ических систем.
Целью изобретения является повышение 1(ПД.
На Фиг. 1 представлена схема мартенситного двигателя в различных Фазах нагрева его термочувствительного элемента; на фиг. 2 — диаграмма рабочего цикла термочувствительного элемента из никелида титана;.на Фиг. 3 — зависимость времени с " формовосстановления, теплоты г1, Формовосстановления термочувствительного элемента с большой тепловой инерционностью и КПД ) мартенситного двигателя от подводимой к нему мощности n„; на фиг. ) - осцилограммы перемещения звена нагрузки мартенситного двигателя при различной пения термочувствительного элемента и КПД ) мартенситного двигателя от подводимой к нему мощности при реализации предлагаемого способа.
Иартенситный двигатель содержит термочувствительный элемент 1 и закрепленное на его нижнем конце звено нагрузки в виде груза 2 (фиг. 1). При осуществлении периодических термоциклов нагрева и охлаждения элемента 1 проявляется эффект обратимой термомеханической памяти и реализуется его рабочий цикл в соответствии с диаг- раммой, представленной на фиг. 2. При отсутствии нагрузки на элемент 1 его
Формоизменение происходит в диапазоне
Я, относительных деформаций Я . Под нагрузкой формоизменение происходит между пограничными линиями A и И, соответствующими аустенитному и мартенситному состояниям материала элемента l. Например, если нагрузка создает в элементе 1 постоянные по величине напряжения, то при термоциклировании его Формоизменение происходит между точками В и С. Упругий недовозврат деформаций в аустенитном состоянии исчезает сразу при разгрузке зле3 мента l. Реализация неупругой деформа5
1О
l5 ции f > приводит к совершению постоянной по величине для данных условий механической работы
C„G а = ---, (1)
1 где а - удельная механическая работа на единицу массы элемента 1;
6 - напряжения, создаваемые нагрузкой в элементе 1;
- плотность материала элемента 1.
На Формовосстановление расходуется тепловая энергия, равная теплоте q формовосстановления, которая определяется разностью энтальпий материала элемента 1 в аустенитном и мартенситном состояниях. При этом КПЛ p определяется соотношением
1= (2)
qp т.е. теоретически является величиной, постоянной для данного элемента 1 и данных условий, так как Г и q> являются свойствами материала злемейта
1. Теплоотдача с поверхности элемента 1 вносит коррективы в, эту теоретическую модель. Влияние теплоотдачи становится заметным при использовании элементов 1 с малой тепловой инерционностью (в виде тонкой проволоки, ленты, фольги). которые ввиду высоких частотных характеристик находят широкое применение в технике. Это влияние обусловливает различную температуру нагрева элемента l в зависимости от подводимой к нему мощности и„; Элемент
1 нагревается до некоторой установив" шейся температуры Т . при которой под-. водимая на его нагрев мощность и > равна мощности теплоотдачи с поверхности элемента 1. При этом, если установившаяся температура Т ниже температуры
A „ начала обратного превращения при данной нагрузке, то формовосстановления элемента 1 вообще не происходит (положение левого элемента 1 на фиг.l)
Бсли установившаяся температура Т лежит внутри диапазона температур
A„, Л„ обратного превращения под наб G грузкой, то и формовосстановление будет. лишь частичным (положение среднего элемента 1 на Фиг. 1), При уста" новившейся температуре Т элемента 1 выше температуры A окончания обратного превращения при данной нагрузке, происходит полное формовосстановление элемента 1 с сокращением его длины на величину Р = с „ Ео, где L - ис5 156 ходная длина элемента l (положение правого элемента 1 на фиг. 1). При более высоких уровнях подводимой мощности n„ время формовосстановления определяют из выражения л 6 1
Ь (3)
nrl где h h = q - разность энтальпий в
1 аустенитном и мартенситном состоянии материала элемента 1, т.е. по гиперболической зависимости. По мере увеличения подводимой мощности n n время формовосстановления элемента 1, теплота q формовосстановления и КПД g изменяются в соответствии с графиками, представленными на фиг. 3. На первом участке Т + И „ формовосстановG ления не происходит и КПД .равен нулю.
На втором участке КПД резко увеличивается за счет роста величины формоизменения и за счет уменьшения теплоотдачи. На третьем участке происходит рост КПД за счет уменьшения теплоотдачи при уменьшении времени формовосстановления (соответственно времени теплоотдачи) и на четвертом участке КПД выходит на стационарный фоновый уровень, которь|й обусловлен свойствами материала элемента 1 и величиной нагрузки. Приведенные результаты получены на мертенситном двигателе с элементом 1 из фольги никелида титана, легированного 173 меди, при напряжении 104 ИПа. Точки в диапазоне п„= 75-!05 кВт/кг опущены, поскольку они находятся в обнаруженной резонансной области. Приведенные на фиг. 3 зависимости совпадают с теоретическими. С повышениЬм тепловой инерционности элемента 1 указанные на фиг. 3 особенности становятся менее заметны. Например, для проволоки диаметром,0,5 мм третий участок заканчивается при n „ = 35 кВт/кг, а при диаметре 1,0 мм - при пп = 9 кВт/кг.
/ ность п> установить на уровена соответствующий
В процессе испытаний мартенситного двигателя обнаружено, что при повышении подводимой.мощности n„ начинаются резонансные явления. На фиг. 4 показаны осцилограммы перемещения груза
2 при различной подводимой мощности
n „. С йовышением подводимой мощности и> после формовосстановления элемента
1 и его перехода в аустенитное состояние система элемент 1 - груз 2 прихо" дит в автоколебательный режим с периодом Т„. При этом, если подводимую мощП
gh (4) то скорость формовосстановления будет соответствовать собственной частоте системы с элементом 1 в аустенитном состоянии, наступит механическии резо-!
0 нанс и перемещение о резко возрастает. При этом уровень потребляемой энергии и не изменится, т.е. повысится КПД. Таким образом, удалось получить величину перемещения, в 2-3 раза превышающую фОновый уровень. При этом повышение КПД соответствует ре" зонансному пику 3 на фиг. 5.
Это явление использовано в предлагаемом способе работы мартенситного
20 двигателя, в котором перемещение нагрузки осуществляют термочувствительным элементом 1 в процессе проявления термомеханической памяти последнего при его нагреве после предварительной
25 деформации °
При Осуществлении предлагаемого способа дополнительно проводят предварительные испытания двигателя с присоединенной к нему нагрузкой, изменяя
З0 подводимую к элементу 1 мощность n„ и Определяя уровень мощности и„, соответствующий резонансу системы двигатель-нагрузка, а при работе двигателя мощность устанавливают на этот уровень. В одном из вариантов осуществления предлагаемого способа при предварительных испытаниях определяют период
ТА собственных колебаний системы двигатель - нагрузка при аустенитном
40 сОстОянии элемента 1 и время фОрл мовосстановления элемента 1 в зависимости от подводимой к нему мощности
n B дальнейшем устанавливаемую при .работе двигателя мощность n„, соот45 ветствующую Резонансу, определяют по уровню мощности и, при котором время ( формовосстановления элемента 1 кратно периоду Т собственных колебаний системы двигатель - нагрузка. Та50 кой способ может быть использован для работы мартенситных двигателей, поднимающих грузы или служащих приводами насосов.
Кроме того, испытания показали, что при сравнительно низких уровнях подводимой мощности n< = 33-90 кВт/кг наблюдается резкое повышение КПД двигателя (резонансный пик 4 на фиг. 5) за счет снижения теплоты д формовос-.
7 15á становления элемента 1 (линия 5 на
Фиг. 5}. Одним из возможных механиз" мов, обусловливающих данное резонансное явление, может быть совпадение скорости движения межФазной границы при проявлении термомеханической памяти материала элемента i со скорос.тью колебаний зерен кристаллов этого материала. В эксперименте с проволочным элементом 1 из никелида титана диаметром 0,3 мм получено максимальное значение КПД 123 (при Фоновом уровне 1,83), соответствующее пику 4 на фиг. 5. Кроме повышения КПД в данном варианте реализации предлагаемого способа резко уменьшается время Ф
Формовосстановления элемента 1. Это явление использовано в другом варианте осуществления спосбба, в котором при предварительных испытаниях определяют теплоту Формовосстановления термочувствителького элемента I в зависимости от подводимой к нему мощности и>, а устанавливаемую при работе двигателя мощность и< соответствующую резонансу, определяют по
0785 уровню мощности и, при котором теплота q формовосстановления элемен9 та 1 минимальна. Такой .способ работы может быть использован для любых мартенситных двигателей.
Повышение KUJl при использовании предлагаемого способа работы обеспечит расширение области применения мартенситных двигателей.
Формула изобретения Способ работы мартенситного двигателя путем предварительного деформирования, нагрева термочувствительного элемента и перемещения нагрузки элементом в процессе рабочего хода при проявлении термомеханической памяти, отличающийся тем что с целью повышекия КПД, мощность нагрева выбирают из условия кратности времени рабочего хода пе25 риоду собственных колебаний системы двигатель - кагрузка или частей этой системы. га 560785
Фиг. 2
1р, 8т(7р с
1560785
Составитель Л. Тугарев
Техред Л.Сердокова
Редактор Ю. Середа
Корректор Т. Малец
Заказ 9б3 Тираж 357 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101
