ПРИВОДНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к тепловым двигателям, в которых для получения работы используются тепловые деформации твердых рабочих элементов из материала с термомеханической памятью формы, и может быть реализована в качестве двигательной установки для привода различных механизмов, например, генератора электрического тока. Такая установка может рассматриваться в качестве автономного энергетического модуля, который можно устанавливать на отдельной площадке в местах, к которым затруднен централизованный подвод энергоносителя.
В настоящее время автономные источники энергии строятся либо на использовании ДВС с присоединенным к нему генератором электрического тока, либо на использовании ветровых установок, обеспечивающих привод вращения ротора генератора электрического тока. В первом случае, установка не обладает достаточной мощностью и не является экономичной, так как ДВС в постоянном режиме работы расходует чрезвычайно большое количество светлых нефтепродуктов. Во втором случае, получение электрической энергии полностью зависит от погодных условий, что не позволяет рассматривать такой способ получения энергии как стабильный. Таким образом, существенным становится разработка такой приводной установки, которая могла бы функционировать с использованием естественных природных ресурсов, широко вошедших в жизнь человека и определяющих его существование в данном регионе, как бы далеко он не был удален от реионов с централизованными инфраструктурами.
С обнаружением эффекта запоминания формы - физического явления, наблюдаемого в особых сплавах, например, нитинол, стало возможным организовать альтернативный подход к реализации механизмов осуществления перемещений. Например, детали из нитинола восстанавливают после деформации свою начальную форму при тепловом воздействии. Если пластинку из сплава нитинол согнуть в холодном состоянии в дугу, то она будет сохранять эту форму сколь угодно долго. Но достаточно согнутую пластинку немного подогреть - она тут же выпрямится, как хорошая пружина. При нагревании пластина из нитинола возвращается к своей первоначальной форме, которая была ей придана при изготовлении, точнее - при закалке (отжиге).
Эффект памяти формы заключается в способности особых сплавов накапливать под воздействием внешнего механического напряжения довольно значительную деформацию, обратимую при нагреве. В зависимости от типа сплава деформация может достигать 10-15% и выше. Парадокс заключается в том, что при восстановлении первоначальной формы может совершаться работа, значительно превосходящая ту, которая была затрачена на деформацию в холодном состоянии. Однако парадокс этот кажущийся. Противоречия закону сохранения энергии здесь нет. Для восстановления первоначальной формы деталь необходимо подогреть, т.е. затратить некоторое количество тепловой энергии. И оно всегда будет больше произведенной работы. Если создать тепловую машину, где в качестве рабочего тела будет применяться сплав, обладающий эффектом запоминания формы, то КПД такой машины, как и всякой другой, будет меньше единицы. Физика эффекта запоминания формы основана на фазовых превращениях в нитиноле. Он представляет собой соединение никеля с титаном, известное также под названием мононикелида титана. Кристаллическая решетка нитинола может находиться в одной из двух форм: либо в виде объемно-центрированного куба (ОЦК), такое состояние решетки называется аустенитной формой; либо в виде ромбовидной структуры с центрированными гранями (РГЦ) - мартенситная форма. Переход объемно-центрированного куба в гранецентрированный ромб называется прямым мартенситным превращением, а переход структуры РГЦ в структуру ОЦК - обратным мартенситным превращением. На превращениях этих двух различных кристаллических структур и основано явление эффекта запоминания формы. Его называют также термоупругим мартенситным превращением, или переходом мартенсит-аустенит и обратно.
На основе данного эффекта создано несколько тепловых двигателей, работоспособность которых подтверждена испытаниями.
Например, известны мартенситные двигатели, содержащие систему шкивов, обернутые вокруг шкивов силовые элементы из материала с термомеханической памятью формы, емкости с охлаждающей и нагревающей жидкостями (SU №1257277, F03G 7/06, 1986).
Недостатками известных технических решений являются невозможность создания значительных и стабильных по величине крутящих моментов на валу, низкая мощность и неуправляемость их параметрами в процессе работы. Кроме того, мартенситные приводы двигателя имеют значительные размеры. Уменьшение
габаритов приводов приводят к уменьшению величины их хода, снижению скорости вращения вала и снимаемой мощности.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для преобразования тепла в механическую энергию, содержащее основание с зонами нагрева и охлаждения и установленный на основании посредством опор с возможностью переменного перемещения через зоны нагрева и охлаждения корпус, на котором посредством шарниров установлены группы термочувствительных рабочих секций, причем все секции каждой группы последовательно связаны между собой, а крайние секции каждой группы с одной стороны закреплены на корпусе, а с другой связаны посредством передачи со звеном отбора мощности путем компактного размещения в ограничительном объеме большого числа термочувствительных секций, корпус выполнен в виде двух параллельных обойм, закрепленных на общем центральном стержне перпендикулярно последнему, шарнирно размещенных на обоймах, а секции каждой группы расположены параллельно стержням в плоскостях, проходящих через ось стержня (SU №1449702, F03G 7/06, опубл. 1987).
Недостатком прототипа является сложность регулирования параметров (скорости вращения, крутящего момента и т.д.) двигателя из-за того, что в зонах нагрева и охлаждения не предусмотрена возможность быстрой смены режима нагрева или охлаждения. Кроме того, неэффективна система охлаждения приводов, что также снижает мощность двигателя. Попытки увеличить длину силовых элементов путем использования в рабочих секциях термочувствительных элементов значительной длины и количества самих секций с целью получения значительной величины хода и, следовательно, скорости вращения вала, а также генерируемого усилия приводят к увеличению габаритов привода, а также усложняют решение проблемы охлаждения, так как рабочие секции расположены радиально.
Известен мартенситный двигатель, содержащий корпус с размещенными в нем по меньшей мере двумя термомеханическими приводами, соединенными с валом отбора мощности посредством механической связи, средства подвода тепла и охлаждения приводов, термомеханические приводы выполнены мартенситными, средства подвода тепла выполнены в виде источника тока с элементами программируемой коммутации, средство охлаждения выполнено в виде магистрали с насосом, заполненной охладителем и подключенной к приводам, а механическая связь в виде гибкой ленты, охватывающей передающие и направляющие шкивы и закрепленной концами на двух приводах, размещенных с возможностью работы в
противофазе, передающие шкивы установлены соосно с валом и связаны с последним через муфты обгона, направляющие шкивы установлены в корпусе с возможностью вращения, причем оси направляющих шкивов перпендикулярны оси вала (RU №2041389, F03G 7/06, опубл. 1995.08.09).
Недостатком данной конструкции привода является использование электрической схемы с источником тока и с элементами программируемой коммутации, что усложняет конструкцию двигателя и ограничивает срок его службы в условиях отсутствия возобновления источника тока. При этом такой двигатель не обладает достаточной мощностью и не может использоваться в качестве привода генератора электрического тока (невозможность организации высоких оборотов на выходе).
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по применению нитиноловых деталей для цикличного управления механизмом возвратного перемещения и обеспечению последовательного наращивания давления для управления выходным механизмом формирования вращения. При этом задача так же решается тем, что энергетическая установка представляет собой модульный вариант исполнения, который можно транспортировать в собранном виде и который представляет собой энергетическую единицу, наращиванием количества которых можно сформировать энергетический блок требуемой мощности.
Достигаемый при этом результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик, упрощении при создании модульных вариантов наращиваемой мощности, а так же повышении экологичности. Так же технический результат заключается в повышении экономичности путем низкозатратного получения низкопотенциальной тепловой энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что приводная установка, содержащая выходной вал для передачи вращения потребителю, по крайней мере одно устройство создания давления, включающее в себя два термомеханических мартенситных привода, установленных с возможностью работы в противофазе, средства подвода тепла и охлаждения термомеханических мартенситных приводов, выполненные в виде напорных магистралей, заполненных охладителем и нагревателем, соответственно, и подключенных к термомеханическим мартенситным приводам для охлаждения или подогрева элементов из материала с эффектом запоминания формы в указанных приводах, снабжена шестеренчатым насосом, одна из шестерен которого является выходным валом для передачи вращения
потребителю, и силовым цилиндром двустороннего действия, штоки поршня которого выедены наружу, а поршневые полости, с одной стороны, сообщены с накопительной емкостью для жидкого рабочего агента, а с другой стороны сообщены с буферной емкостью для накопления жидкого рабочего агента под давлением, при этом в магистралях сообщения поршневых полостей силового цилиндра двустороннего действия с накопительной емкостью и буферной емкостью установлены обратные клапана для обеспечения однонаправленного перетекания жидкого рабочего агента из накопительной емкости и буферную емкость, каждый термомеханический мартенситный привод представляет собой стержневой элемент из материала с эффектом запоминания формы, один конец которого закреплен неподвижно, а другой шарнирно связан с соответствующим штоком силового цилиндра двустороннего действия или связан с соответствующим штоком через рычажную систему, стержневой элемент из материала с эффектом запоминания формы размещен в оболочке, охватывающей этот элемент с формированием между этим элементом и оболочкой по крайней мере одной полости для поочередного пропускания охладителя и нагревателя или две полости для перетекания через одну из их охладителя с температурой не менее 15°С в момент прекращения перетекания через другую полость нагревателя с температурой выше температуры охладителя на 45-50°С, а буферная емкость сообщена с входом шестеренчатого насоса, выход которого сообщен с накопительной емкостью.
Причем вход и выход шестеренчатого насоса сообщены между собой перепускным управляемым клапаном.
В качестве потребителя может быть использован генератор постоянного тока, параллельно которому подключена аккумуляторная батарея с устройством ее зарядки и подключен преобразователь тока для регулирования параметров выходного электрического напряжения.
Средства подвода тепла и охлаждения термомеханических мартенситных приводов снабжены блоком управления клапанами открытия и закрытия напорных магистралей средств подвода тепла и охлаждения термомеханических мартенситных приводов.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 изображена общая схема тепловой приводной установки для привода генератора постоянного тока.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция модульной энергетической установки, относящейся к категории повышенной экономичности при получении и преобразовании электрической, тепловой и других видов энергии в энергетических установках путем низкозатратного получения низкопотенциальной тепловой энергии.
Приводная установка (фиг.1) содержит по крайней мере одно устройство 1 создания давления, буферную емкость 2 для накопления жидкостного рабочего агента под давлением, сообщенную с входом 3 шестеренчатого насоса 4, одна из шестерен 5 которого является выходным валом 6 для передачи вращения потребителю, а выход 7 которого сообщен с накопительной емкостью 8 для жидкостного рабочего агента, в качестве которого может использоваться, например, масло или гидравлическая жидкость, применяемые для гидравлических систем. Из буферной емкости 2 жидкость поступает на вход шестеренчатого насоса, оказывает давление в области зубчатого зацепления и проворачивает шестерни относительно друг друга, выдавливаясь в сливную магистраль 9, откуда поступает в накопительную емкость 8. Вход и выход шестеренчатого насоса сообщены между собой перепускным управляемым клапаном 10. Так как давление жидкости проворачивает шестерни, то вращение шестерни передается выходному валу, который может быть связан, например, с генератором постоянного тока 11, параллельно которому ожжет быть подключена аккумуляторная батарея 12 с устройством ее зарядки и подключен преобразователь тока 13 для регулирования параметров выходного электрического напряжения.
Устройство 1 создания давления включает в себя два термомеханических мартенситных привода, установленных с возможностью работы в противофазе, и средства 14 подвода тепла и охлаждения термомеханических мартенситных приводов, выполненные в виде напорных магистралей 15 и 16, заполненных охладителем и нагревателем, соответственно, и подключенных к термомеханическим мартенситным приводам для охлаждения или подогрева элементов из материала с эффектом запоминания формы в указанных приводах.
Устройство 1 создания давления также включает в себя силовой цилиндр 17 двустороннего действия, штоки поршня которого выедены наружу, а поршневые полости 18, с одной стороны, сообщены с накопительной емкостью 8 для жидкого рабочего агента, а с другой стороны сообщены с буферной емкостью 2 для накопления жидкого рабочего агента под давлением.
В магистралях сообщения поршневых полостей 18 силового цилиндра 17 двустороннего действия с накопительной емкостью и буферной емкостью установлены обратные клапана для обеспечения однонаправленного перетекания жидкого рабочего агента из накопительной емкости и буферную емкость.
2
Каждый термомеханический мартенситный привод представляет собой стержневой элемент 19 из материала с эффектом запоминания формы, один конец 20 которого закреплен неподвижно, а другой 21 шарнирно связан с соответствующим штоком силового цилиндра двустороннего действия или связан с соответствующим штоком через рычажную систему 22, как это показано на фиг.1. В данном конкретном решении, продемонстрированном на фиг.1, стержневой элемент из материала с эффектом запоминания формы выполнен в виде пластины (полосы) или штыря примерно длиной около 20-30 см и площадью поперечного сечения около 2 см. Исходная форма в одном из состояний - дугообразная, при изменении формы кривизна дуги уменьшается при остаточной деформации не более 8-10%, предпочтительно - 7% (при такой деформации штырь из нитинола может менять свою форму миллионы раз). Ко всему прочему, усилие на свободном конце стержневого элемента таких размеров достигает примерно около 800 кг*см, что более чем достаточно для перемещения поршня в силовом цилиндре.
В качестве материала с эффектом запоминания формы может использоваться нитинол (WO 8910421, RU 2201470), как наиболее эффективный, но могут быть применены и другие сплавы, так же обладающие памятью формы, например, могут применяться монокристаллы сплава на основе меди с термомеханической памятью в качестве силовых элементов (SU №412397, F03G 7/06, 1972), сплав на железной основе следующего состава, мас.%: марганец 20-40, кремний 3,5-8,0, углерод 0,05-0,1, железо - остальное или сплав на основе железа с запоминанием формы (RU №2009256), содержащий марганец, кремний и углерод, азот, а также один или несколько элементов из группы, содержащей ванадий, ниобий и титан, при следующем соотношении компонентов, мас.%: марганец 27,00-32,00, кремний 3,00-6,00, углерод 0,05-0,10, азот 0,05-0,10, один или несколько элементов из группы,
содержащей ванадий 0,05-0,15, ниобий 0,05-0,20, титан 0,05-0,10 и железо - остальное.
Стержневой элемент может быть выполнен в виде пружины, как это имеет место, например, в RU 2013659. В данном патенте описан тепловой привод, содержащий корпус, приводной элемент, выполненный в виде спирали из материала, обладающего обратимым эффектом термомеханической памяти изменения кривизны спирали и угла ее закрутки.
Стержневой элемент из материала с эффектом запоминания формы размещен в оболочке 23, охватывающей этот элемент с формированием между этим элементом и оболочкой по крайней мере одной полости для поочередного пропускания охладителя и нагревателя или две полости для перетекания через одну из их охладителя с температурой не менее 15°С в момент прекращения перетекания через другую полость нагревателя с температурой выше температуры охладителя на 45-50°С. Средства 14 подвода тепла и охлаждения термомеханических мартенситных приводов снабжены блоком управления клапанами открытия и закрытия напорных магистралей средств подвода тепла и охлаждения термомеханических мартенситных приводов (конструкция данного блока не показана).
Реализация двухканальной системы (отдельный канал для подвода тепла и отдельный канал для подвода охладителя для одного элемента из материала с эффектом запоминания формы) может основываться на решении, описанном в RU 2013659.
Приводная установка функционирует следующим образом.
Активизируются средства 14 подвода тепла и охлаждения термомеханических мартенситных приводов снабжены блоком управления клапанами открытия и закрытия напорных магистралей средств подвода тепла и охлаждения термомеханических мартенситных приводов. Так как в качестве охладителя и нагревателя используется природная вода или вода из напорной системы централизованной подачи, то средства 14 подвода тепла и охлаждения могут иметь различное исполнение в зависимости от природы источника воды. В любом случае в данном блоке формируется два управляемых по дозированной выдаче потока: один, используемый в качестве охладителя, с температурой не менее 15°С и другой, используемый в качестве нагревателя охладителя на 45-50°С. Дозировано и противофазно порции нагревателя и охладителя подаются в полость оболочки,
охватывающей нитиноловый штырь или пластину из итинола, что приводит к тому, что на одном штоке элемент из нитинола уменьшает расстояие между своими концами, а на другом штоке того же поршня элемент из нитинола увеличивает расстояние между своими концами. В результате таких деформаций происходит перемещение поршня в корпусе силового цилиндра, работающего по типу поршневого насоса двустороннего действия.
При увеличении объема поршневой камеры в силовом цилиндре происходит открытие обратного клапана, сообщающего полость этой камеры с накопительной емкостью, происходит заполнение поршневой камеры. При этом обратный клапан, сообщающий эту камеру с буферной емкостью, закрыт. При уменьшении объема поршневой камеры происходит закрытие обратного клапана, сообщающего полость этой камеры с накопительной емкостью, и открытие другого обратного клапана для сообщения полости поршневой камеры с буферной емкостью. Быстродействие такой системы определяется скоростью формированием разницы температуры между потоками нагревателя и охладителя и скоростью реакции нитинолового элемента в части изменения своей формы. При использовании одной пары устройств создания давления изменение состояния элемента из нитинола равно примерно 0,7-1с. При увеличении количества устройств создания давления (например, при использовании двух таких устройств, сообщенных с общей буферной емкостью) возможно снижение скорости реакции элемента из нитинола на изменение температуры воды при условии, что в буферной емкости от работы двух силовых поршневых насосов двустороннего действия будет поддерживаться давление рабочей жидкости, достаточное для обеспечения вращения выходного вала с минимальным уровнем пульсаций давления.
Рабочая жидкость под давлением из буферной емкости поступает на вход шестеренчатого насоса и проворачивает шестерни этого насоса, осуществляя вращение выходного вала, который может быть нагружен генератором постоянного тока, подключенного к аккумуляторной батарее и потребителю тока. При такой схеме аккумуляторная батарея может использоваться в качестве компенсатора падения напряжения или накопителя напряжения (резервный источник тока) и выдачи его для систем управления или для первичного подогрева воды и т.д.
Перепускной управляемый клапан 10 регулирует верхнее значение постоянного давления на входе в шестеренчатый насос, снимая пики давления открытием канала сообщения входа этого насоса с его выходом.
Настоящая полезная модель промышленно применима, основана на использовании хорошо освоенных в машиностроении узлов и новых материалов (нитинол), связанных между собой с образованием нового решения.