Способ работы мартенситного двигателя Советский патент 1990 года по МПК F03G7/06 

1

(21)4377724/25-06

(22)15.02.88

(46) 30.. Бюл. № 16 (1) Ленинградский кораблестроительный институт,

(72) А.В. Остапенко

(53)621.486(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 1333824, кл. F 03 G 7/06. 1986.

Авторское свидетельство СССР If 1484982, кл. F 03 G 7/06, 1986,

(54)СПОСОБ РАБОТЫ МАРТЕНСИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57)Изобретение позволяет повысить КПД мартенситных двигателей, работающих за счет тепловых деформаций твердых термочувствительных элементов (ТЭ) при проявлении их термомеханическон 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 пп и определяя уровень мощности, соответствующий резонансу системы двигатель-нагрузка, а при работе двигателя мощность п„ устанавливают на этот уровень. Резонансный пик 3 КПД Ј определяется при предварительных испытаниях по уровню мощности пп, при котором время Ј формовосста- новления ТЭ кратно периоду собственных колебаний системы двигатель - нагрузка.) Резонансный пик 4 КПД определяется при предварительных испытаниях по уровню мощности п, соответствующему мини Р

мальной теплоте qD формовосстановления

ТЭ. 5 ил.

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_п и определяя уровень мощности, соответствующий резонансу системы двигатель-нагрузка, а при работе двигателя мощность N_п устанавливают на этот уровень. Резонансный пик 3 КПД *98N определяется при предварительных испытаниях по уровню мощности N_п, при котором время Τ формовосстановления ТЭ кратно периоду собственных колебаний системы двигатель-нагрузка. Резонансный пик 4 КПД определяется при предварительных испытаниях по уровню мощности N_п, соответствующему минимальной теплоте Q_р формовосстановления ТЭ. 5 ил.

/ г

О1

Од

1

4

00 СП

31560785

Изобретение относится к машиностро- ции

янн мех

ению, а именно к способам работы тепловых двигателей, работающих за счет тепловых деформаций твердых термочувствительных элементов при проявлении их термомеханической памяти, и может бить использовано при оптимизации циклов работы различных мартенситных двигателей исполнительных механизмов, jg насосов, компрессоров и других механических систем

Целью изобретения является повышение КПД.

На фиг. 1 представлена схема мар- тенситного двигателя в различных фазах нагрева его термочувствительного элемента; на фиг„ 2 - диаграмма рабочего цикла термочувствительного элемента из никелида титана; на фиг. 3 - зави- 20 симость времени Ј формовосстановле- иия, теплоты qo формовосстановления термочувствительного элемента с большой тепловой инерционностью и КПД мартенситного двигателя от подводимой 25 к нему мощности пп; Hd фиг. А - осци- лограммы перемещения звена нагрузки мартенситного двигателя при различной подводимой мощности пп; на фиг. 5 Јн приводит к совершению постоянной по величине для данных условий механической работы

а - §Ј m

а - -у, (D

где а - удельная механическая работа на единицу массы элемента 1; С - напряжения, создаваемые нагрузкой в элементе 1; плотность материала элемента 1.

На формовосстановление расходуется тепловая энергия, равная теплоте qp формовосстановления, которая определяется разностью энтальпий материала элемента 1 в аустенитном и мартенсит- ном состояниях. При этом КПЛ to определяется соотношением

Р

й 2 У

теоретически является

(2)

т.е. теоретически является величиной, постоянной для данного элемента 1 и данных условий, так как 6Н и q являются свойствами материала элемента 1. Теплоотдача с поверхности элемента 1 вносит коррективы в эту теоретическую модель. Влияние теплоотдачи становится заметным при использовании

35

зависимость теплоты q формовосстанов-зо 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 1 в зависимости от подводимой к нему мощности п,,. Элемент 1 нагревается до некоторой установившейся температуры Ти. при которой подводимая на его нагрев мощность п„ равна мощности теплоотдачи с поверхности элемента 1. При этом, если установившаяся температура Ти ниже температуры Л начала обратного превращения при 45 данной нагрузке, то формовосстановле- нил элемента 1 вообще не происходит (положение левого элемента 1 на фиг.1)

ления термочувствительного элемента и КПД { мартенситного двигателя от подводимой к нему мощности при реализации предлагаемого способа.

Мартенситный 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 Ј относительных деформаций 5 Под

40

нагрузкой формоизменение происходит между пограничными линиями Л и Н, соЕсли установившаяся температура TN лежит внутри диапазона температур

ответствующими аустенитному и мартен- JQ Лн, Лк обратного превращения под на- ситному состояниям материала элемента 1. Например, если нагрузка создает в элементе 1 постоянные по величине напряжения, то при термоциклироаании его формоизменение происходит между точками В и С. Упругий недовозврат деформаций Ј „ в аустенитном состоянии исчезает сразу при разгрузке элемента 1. Реализация неупругой деформа55

грузкой, то и формовосстановление будет лишь частичным (положение среднего элемента 1 на фиг. 1), При установившейся температуре Ти элемента 1 выше температуры Лк окончания обратного превращения при данной нагрузке, происходит полное формовосстановление элемента 1 с сокращением его длины на величину S1 Ц,, где L - исции

Јн приводит к совершению постоянной по величине для данных условий механической работы

а - §Ј m

а - -у, (D

где а - удельная механическая работа на единицу массы элемента 1; С - напряжения, создаваемые нагрузкой в элементе 1; плотность материала элемента 1.

На формовосстановление расходуетс тепловая энергия, равная теплоте qp формовосстановления, которая определяется разностью энтальпий материала элемента 1 в аустенитном и мартенсит ном состояниях. При этом КПЛ to определяется соотношением

Р

й 2 У

теоретически является

(2)

т.е. теоретически является величиной, постоянной для данного элемента 1 и данных условий, так как 6Н и q являются свойствами материала элемента 1. Теплоотдача с поверхности элемента 1 вносит коррективы в эту теоретическую модель. Влияние теплоотдачи становится заметным при использовании

Лн, Лк обратного превращения под на-

грузкой, то и формовосстановление будет лишь частичным (положение среднего элемента 1 на фиг. 1), При установившейся температуре Ти элемента 1 выше температуры Лк окончания обратного превращения при данной нагрузке, происходит полное формовосстановление элемента 1 с сокращением его длины на величину S1 Ц,, где L - исходная длина элемента 1 (положение правого элемента 1 на фиг. 1). При более высоких уровнях, подводимой мощности пп время t формовосстановления определяют из выражения

156

uh

is -

nn

(3)

где ih я - разность энтальпий в аустенитном и мартенситном состоянии материала элемента 1, т.е. по гиперболической зависимости. По мере увеличения подводимой мощности n n время Ј формовосстановления элемента 1, теплота q. формовосстановления и КПД 2 изменяются в соответствии с графиками

, представленными на фиг. 3.

На

первом участке Т Ам формовосстановления 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, который обусловлен свойствами материала элемента 1 и величиной нагрузки. Приведенные результаты получены на мертенситном двигателе с элементом 1 из фольги ни- келида титана, легированного М% меди, при напряжении 10 МПа. Точки в диапазоне пп 75-105 кВт/кг опущены, поскольку они находятся в обнаруженной резонансной области„ Приведенные на фиг. 3 зависимости совпадают с теоретическими. С повышением тепловой инерционности элемента 1 указанные на фиг. 3 особенности становятся менее заметны. Например, для проволоки диаметром 0.5 мм третий участок заканчи15 раза превышающую фоновый уровень. При этом повышение КПД соответствует резонансному 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

Зо подводимую к элементу 1 мощность пп и определяя уровень мощности пп, 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 Тд собственных колебаний системы двигатель - нагрузка при аустенитном состоянии элемента 1 и время Ј формовосстановления элемента 1 в зависимости от подводимой к нему мощности пп. В дальнейшем устанавливаемую при работе двигателя мощность пп, соот35

40

вается при пп 35 кВт/кг, а при диа- ., ветствующую резонансу, определяют по метре 1,0 мм - при пп 9 кВт/кг,

уровню мощности п, при котором время Ј формовосстановления элемента 1 кратно периоду Тд собственных колебаний системы двигатель - нагрузка. Та- 5Q кой способ может быть использован для работы мартенситных двигателей, поднимающих грузы или служащих приводами насосов.

Кроме того, испытания показали, что пп после формовосстановления элемента при сравнительно низких уровнях подво- 1 и его перехода в аустенитное состоя- димой мощности пч 33-90 кВт/кг на- ние система элемент 1 - груз 2 прихо- блюдается резкое повышение КПД двига- дит в автоколебательный режим с перио- теля (резонансный пик А на фиг. 5) дом Тл. При этом, если подводимую мощ- за счет снижения теплоты дрформовост

В процессе испытаний мартенситного двигателя обнаружено, что при повышении подводимой мощности п„ начинаются резонансные явления. На фиг. 4 показаны осцилограммы перемещения груза 2 при различной подводимой мощности п.. С повышением подводимой мощности

щия

1560785

ность пп установить на уровень, соответствующий

fih

V

(4)

0

то скорость формовосстановления будет соответствовать собственной частоте системы с элементом 1 в аустенитном состоянии, наступит механический резонанс и перемещение о резко возрастает. При этом уровень потребляемой энергии Пд, не изменится, т.е. повысится КПД. Таким образом, удалось получить величину перемещения, в 2-3

5 раза превышающую фоновый уровень. При этом повышение КПД соответствует резонансному пику 3 на фиг. 5.

Это явление использовано в предлагаемом способе работы мартенситного

0 двигателя, в котором перемещение нагрузки осуществляют термочувствительным элементом 1 в процессе проявления термомеханической памяти последнего при его нагреве после предварительной

5 деформации.

При осуществлении предлагаемого способа дополнительно проводят предварительные испытания двигателя с присоединенной к нему нагрузкой, изменяя

о подводимую к элементу 1 мощность пп и определяя уровень мощности пп, 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 Тд собственных колебаний системы двигатель - нагрузка при аустенитном состоянии элемента 1 и время Ј формовосстановления элемента 1 в зависимости от подводимой к нему мощности пп. В дальнейшем устанавливаемую при работе двигателя мощность пп, соот5

0

, ветствующую резонансу, определяют по

становления элемента 1 (линия 5 на фиг. 5). Одним из возможных механизмов, обусловливающих данное резонансное явление, может быть совпадение скорости движения межфазной границы при проявлении термомеханической памяти материала элемента 1 со скоростью колебаний зерен кристаллов этого материала. В эксперименте с проволочным элементом 1 из никелида титана диаметром 0,3 мм получено максимальное значение КПД 12% (при фоновом уровне 1,8%}, соответствующее пику Ц на фиг. 5. Кроме повышения КПД в дан ном варианте реализации предлагаемог способа резко уменьшается время Ј формовосстановления элемента 1. Это явление использовано в другом варианте осуществления способа, в котором при предварительных испытаниях определяют теплоту формовосстановления термочувствительного элемента 1 в зависимости от подводимой к нему мощности nh, а устанавливаемую при работе двигателя мощность п() соответствующую резонансу, определяют по

/////// ////////////

0

5

уровню мощности п, при котором теплота q формовосстановления элемента 1 минимальна. Такой способ работы может быть использован для любых мартенситных двигателей.

Повышение КПД 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 TeMj что с целью повышения КПД, мощность нагрева выбирают из условия кратности времени рабочего хода периоду собственных колебаний системы двигатель - нагрузка или частей этой системы.

п

1

°-т,

г

.,

50

М

Фиг. 2

Ъ,

к&т/к

t t

/

К

/И) Пп,К&7/Ю

0-1 OJ

Фиг.З

3&

I

bo

-3