16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/teploenergetika/35/3832560.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 02 (35) апрель 2018 года

Тепловые двигатели обретут память

Оборудование и технологии Владимир ДУБИНИН, Иван ТРОХИН, Сергей ШКАРУПА
Тепловые двигатели обретут память

В XIX столетии механический паровой «компьютер» (счетная машина) английского математика Чарльза Бэббиджа уже обладал памятью. А тяговое устройство – тепловой двигатель – может стать «памятливым» в наше время.

Изобретатели из студенческого конструкторского бюро (СКБ) по направлению «Промтеплоэнергетика» при Колледже космического машиностроения и технологий (ККМТ) Московского государственного областного технологического университета (МГОТУ), что находится в подмосковном наукограде Королеве, разрабатывают уникальные поршневые двигатели с эффектом памяти формы. Данное научное направление возглавляют российские ученые Владимир Дубинин и Сергей Шкарупа. Что же сулит таким востребованным в современной энергетике тяговым устройствам, как тепловые двигатели, появление у них памяти?



Эффективность от эффекта

Предлагаемые изобретателями тепловые двигатели, в работе которых используется эффект памяти формы материала, при малых частотах вращения вала, составляющих всего сотни оборотов в минуту, могут иметь малую удельную массу, величина которой, согласно предварительным проработкам, должна будет составлять менее 0,1 кг / кВт.

Этот полезный эффект можно объяснить более высокими механическими напряжениями (по предварительным оценкам разработчиков – на несколько порядков) в своеобразном рабочем твердом теле, если сравнивать эти напряжения с давлениями, создаваемыми газообразными рабочими телами в конструкциях известных тепловых двигателей, работающих по газовому термодинамическому циклу. Кроме всего этого, преимуществом тепловых двигателей с эффектом памяти формы может быть высокий коэффициент полезного действия (КПД), который предположительно возможно достигнуть за счет специального подбора материалов рабочего тела.



Широта применения: в космосе и на Земле

В тепловых двигателях с эффектом памяти формы принципиально представляется возможным использовать для их работы низкопотенциальные источники теплоты. Сферы применения таких двигателей могут охватывать самые различные отрасли промышленности и технические области деятельности человека: от транспортных космических систем выведения до механических приводов, используемых в робототехнических конструкциях и для вспомогательного оборудования котельных (В. С. Дубинин, К. М. Лаврухин, С. О. Шкарупа, П. А. Хромченко, Д. П. Титов, И. С. Трохин. Котельные России должны работать без использования сетевой электроэнергии// Промышленная энергетика. – 2008. – № 7. – С. 2‑8).



Теплотехника и материаловедение

Основная идея по реализации принципа действия рассматриваемых здесь тепловых двигателей заключается в использовании для изготовления их конструкций специального материала – нитинола. Последний представляет собой сплав на основе титана с добавлением никеля. Он обладает эффектом запоминания формы, а также – высокой коррозионной стойкостью. В металловедении эффект памяти формы подразумевает восстановление в результате нагрева исходной формы пластически деформированных металлических изделий.

Сам обобщенный принцип действия тепловых двигателей с эффектом памяти формы базируется на том конструктивном обстоятельстве, что из нитинола изготавливается лента в виде ременной передачи со шкивами, которые должны иметь одинаковые диаметры. Таким образом, как известно из механики, передаточное отношение полученной механической передачи будет равно единице. Эти шкивы через синхронизирующую передачу, которую конструктивно можно выполнить цепной или зубчато-ременной, дополнительно связываются друг с другом таким образом, что передаточное отношение данной механической передачи будет отличаться от единицы, вероятно, менее чем на 8 %. Если начать подводить тепло к расположенной снизу ветви нитиноловой механической передачи, то в конструкции начнется ослабление нитинола на этой ветви. В рассматриваемом случае допустим, что нитинол будет расширяться, а верхняя ветвь этой передачи, откуда отводится тепло, будет сжиматься, поскольку нитинол будет охлаждаться. Таким образом, в результате возникнет крутящий момент и вся данная двигательная система будет приводиться в движение, вращая, к примеру, ротор электрического генератора.



Конструктивное многообразие

Рассматриваемые тепловые двигатели могут иметь и поршневые конструкции. Они, в отличие от классического исполнения, описанного выше, будут обладать свойством самостабилизации частоты вращения вала, что принципиально позволит создать привод с высокостабильной частотой вращения вала для синхронного электрического генератора, в том числе при глубоком ступенчатом изменении электрической нагрузки (С. О. Шкарупа, Э. К. Аракелян. Экспериментальное исследование явления самостабилизации частоты вращения одноцилиндрового пневматического поршневого двигателя// Вестник МЭИ. – 2017. – № 1. – С. 84‑91).



Подробности для совершенства

Применение нитинола либо другого конструкционного материала с памятью формы необходимо и для получения высокого КПД. Его величина будет определяться температурным перепадом между двумя состояниями рабочего твердого тела. К примеру, при приближении этой величины к нулю значение КПД будет стремиться к 100 %. Здесь следует отметить важное обстоятельство. В данном случае КПД не определяется циклом Карно, как это происходит у различных тепловых двигателей, рабочим телом в которых является газ или пар.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что важным достоинством предлагаемых изобретателями из СКБ ККМТ МГОТУ тепловых двигателей является то, что они могут при малой частоте вращения иметь весьма большой крутящий момент на валу и при малой массе, следовательно, развивать большую удельную мощность. Это возможно достигнуть за счет того, что механическое напряжение в нитиноле оказывается на порядок больше давления в цилиндрах обычных тепловых поршневых двигателей. В первом случае речь идет о десятках килограмм-сил на квадратный сантиметр, а во втором – о десятках килограмм-сил на квадратный миллиметр. Поэтому принципиально появляется возможность сделать тепловой двигатель весьма легкой конструкции, что особенно важно для тяговых устройств, используемых в транспортной энергетике.



Всегда есть минус

Как всякая конструкция, рассмотренные выше тепловые двигатели, разумеется, имеют свои минусы. По меньшей мере, один недостаток – точно. На основании данных, которыми располагают изобретатели, пока можно говорить о достигнутом допустимом числе рабочих циклов теплового двигателя нитинольной конструкции – 10 тысяч. Это означает, что при частоте вращения вала, равной 200 оборотов в минуту, такой двигатель будет функционировать около 50 минут. Однако даже такой результат может уже оказаться полезным на практике, например, для решения задач бортового энергообеспечения в конструкциях ракетно-космической техники.

К примеру, из физики известно, что ракета космического назначения летит на околоземную орбиту в течение 10 минут, поэтому для одноразовых транспортных систем предлагаемый изобретателями из студенческого конструкторского бюро тепловой двигатель может оказаться вполне перспективным. И не только для космоса…

Похожие Свежие Популярные