МАРТЕНСИТНАЯ ТУРБИННАЯ МАШИНА
MARTENSITE TURBINE MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к турбинным энергетическим машинам, для преобразования видов энергии, в которых используются термочувствительные элементы из сплава, обладающего эффектами памяти формы и сверхупругости. При этом машина может быть использована для охлаждения или нагрева материальных объектов.
Известна мартенситная турбинная машина Хомма (Оцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. и др. Сплавы с эффектом памяти формы. Перевод с японского под редакцией A.M.Глезера. М.: Металлургия, 1990 г., стр.177-178 [1]). Машина содержит термочувствительный элемент в виде кольца из цилиндрической спирали, изготовленной из сплава, обладающего эффектом памяти формы. Память формы спирали выражается в сжатии при нагреве. Элемент словно ремень ременной передачи огибает два шарнирно установленных шкива различного диаметра без возможности проворачивания относительно них. При этом количество витков на одном из равных по длине прямолинейных участков элемента превышает число витков на другом прямолинейном участке элемента, что достигается путем предварительного растяжения последнего из указанных прямолинейных участков элемента. Предварительно растянутый прямолинейный участок кольцевого элемента расположен в зоне орошения холодной водой, а предварительно сжатый - горячей водой.
Машина работает следующим образом. Расположенный в зоне орошения холодной водой прямолинейный участок элемента охлаждается, в нем реализуется мартенситное превращение, при котором он выделяет скрытую теплоту превращения и становится пластичным. Расположенный в зоне орошения горячей водой прямолинейный участок элемента нагревается, в процессе реализации аустенитного превращения поглощает скрытую теплоту фазового превращения, и эта часть элемента, не встречая адекватного сопротивления со стороны противодействующего ему охлаждаемого прямолинейного участка элемента, стремится уменьшить свою длину. А поскольку один из шкивов имеет больший диаметр, чем другой, и плечи действия на него сил со стороны противоположных прямолинейных участков элементов больше, то возникает компонента вращения и шкивы начинают самопроизвольно вращаться, перемещая при этом различные участки элемента относительно соответствующих зон водяного нагрева и охлаждения.
Недостатком этой машины является низкая эффективность энергопреобразования.
Известна выбранная в качестве прототипа мартенситная турбинная машина Джонсона [1]. Машина содержит кольцевой термочувствительный элемент в виде закольцованной цилиндрической спирали из сплава с эффектом памяти формы. Память формы спирали выражается в сжатии при нагреве. Элемент огибает четыре шарнирно установленных шкива без возможности проворачивания относительно них. При этом два шкива расположены внизу машины, имеют одинаковые диаметры и вместе с огибающими их участками элемента погружены соответственно в резервуары с холодной водой и горячей водой. Два других шкива имеют разные диаметры, установлены в верхней части двигателя без возможности взаимного перемещения на общем валу. Причем количество витков спирали на той ветви кольцевидного элемента, что огибает шкив, погруженный в резервуар с горячей водой, превышает количество витков спирали на ветви, огибающей шкив, погруженный в резервуар с холодной водой.
Машина работает следующим образом. Расположенный в резервуаре с холодной водой огибающий соответствующий шкив участок элемента охлаждается и в нем реализуется мартенситное превращение, при котором он выделяет скрытую теплоту превращения и становится пластичным. При этом примыкающие к этому изогнутому участку прямолинейные участки элемента подвергаются одинаковому силовому воздействию со стороны закрепленных на одном валу шкивов разного диаметра и отличающихся друг от друга плечах, а следовательно, и моментах действия этих сил. Расположенный в резервуаре с горячей водой, огибающий соответствующий шкив участок элемента нагревается и в нем реализуется аустенитное превращение, при котором он поглощает скрытую теплоту фазового превращения и стремится уменьшить свою длину. При этом примыкающие к этому изогнутому участку прямолинейные участки элемента воздействуют на закрепленные на одном валу шкивы разного диаметра с одинаковой силой при отличных друг от друга плечах, а следовательно, и моментах действия этих сил. Поскольку разность моментов сил, действующих на закрепленные на одном валу шкивы со стороны нагретой части элемента, больше разности моментов действующих на них же сил со стороны охлажденной части элемента, возникает компонента вращения и все шкивы начинают самопроизвольно вращаться, перемещая при этом различные участки элемента относительно резервуаров с холодной и горячей водой.
Недостатком известной машины является низкая эффективность энергопреобразования.
В тепловых машинах, в которых требуется максимальный выход полезной работы при минимальных затратах на это тепловой энергии, термочувствительные элементы из сплавов с эффектом памяти формы используются в виде прямолинейных тонких проволок, лент или нитей, противодействующих растяжению. Это позволяет использовать в наиболее полной мере ресурсы силовых металлических элементов. В случае применения в машине «работающих» на кручение и изгиб спиралевидных термочувствительных элементов происходит снижение кпд.
При перемещении кольцевого термочувствительного элемента относительно указанных температурных зон он нагревается до температуры начала аустенитного превращения, в процессе аустенитного превращения поглощает скрытую теплоту превращения, охлаждается холодной водой и при мартенситном превращении выделяет скрытую теплоту превращения. То есть только часть полученной от горячей воды тепловой энергии используется для преобразования в механическую работу. При нагреве и охлаждении элемента соответственно перед аустенитным и мартенситным превращением он выполняет в цикле роль теплового регенератора, что означает нерациональное использование затрачиваемой в цикле тепловой энергии и ведет к снижению кпд машины.
Целью изобретения является повышение энергетической эффективности мартенситной турбинной машины.
Указанная цель достигается тем, что мартенситная турбинная машина, содержащая несколько шкивов и огибающий их кольцевой термочувствительный элемент в виде цилиндрической проволочной спирали, изготовленной из сплава с эффектом памяти формы, один шкив вместе с огибающим его участком термочувствительного элемента расположен в зоне реализации в термочувствительном элементе аустенитного превращения, другой шкив вместе с огибающим его участком термочувствительного элемента расположен в зоне реализации в термочувствительном элементе мартенситного превращения, зоны реализации аустенитного и мартенситного превращений выполнены в виде резервуаров, которые, по меньшей мере, частично заполнены соответственно горячей и холодной жидкостью. При этом машина дополнительно содержит зону тепловой регенерации в виде резервуара, по меньшей мере, частично заполненного жидкостью, и эта зона расположена по направлению перемещения термочувствительного элемента между зонами реализации аустенитного и мартенситного превращений, мартенситная машина дополнительно содержит привод, соединенный, по меньшей мере, с частью шкивов, а термочувствительный элемент изготовлен из сплава, обладающего эффектом сверхупругости, например из никелида титана, температура завершения аустенитного превращения у которого ниже температуры в любой из указанных зон. На валу каждого из соединенных с указанным приводом шкивов закреплена шестерня общей для них механической, например, цепной передачи.
На фиг.1 схематично показан вид сверху на предлагаемую машину. На фиг.2 схематично изображен вид сбоку на предлагаемую машину. На фиг.3 схематично представлен боковой разрез предлагаемой машины.
На фиг.1-3: корпус - 1; перегородки - 2; отверстия - 3; эластичный теплогидроизоляционный мат - 4; валы - 5; шкивы - 6; шестерни (звездочки) цепной передачи - 7; цепная передача - 8; цепь - 9; кольцевой спиралевидный термочувствительный элемент из сплава, обладающего эффектами памяти формы - 10; зона реализации в элементе 10 аустенитного превращения - 11; зона тепловой регенерации - 12; зона реализации в элементе 10 мартенситного превращения - 13; теплоизолированные трубопроводы - 14.
Мартенситная турбинная машина содержит корпус 1 в виде резервуара с размещенными внутри двумя перегородками 2, над которыми установлен снабженный отверстиями 3 мат 4 (фиг.1-3). Корпус 1 и перегородки 2 изготовлены из тепло- и гидроизоляционного материала. Мат 4 изготовлен из эластичного тепло- и гидроизоляционного материала, например из резиновой микропоры. На боковых стенках корпуса 1 внутри него посредством соответствующих валов 5 шарнирно установлены шкивы 6. По меньшей мере, часть шкивов 6 соединена соответствующими валами 5 с расположенными снаружи корпуса 1 шестернями 7 цепной передачи 8 и эти шкивы 6 соединены между собой ее цепью 9. По меньшей мере, один из валов 5 является приводным. Шкивы 6, словно ремень ременной передачи, огибает кольцевой термочувствительный элемент 10. Последний имеет вид соединенной противоположными концами в кольцо цилиндрической спирали из проволоки, которая изготовлена из сплава, обладающего эффектами памяти формы и сверхупругости, например из никелида титана. И «память» элемента 10 выражается в уменьшении длины при нагреве до аустенитного состояния. Внутри корпус 1 частично заполнен жидкостью, например водой. Внутреннее пространство корпуса 1 разделено перегородками 2 и матом 4 на зону реализации в элементе 10 аустенитного превращения 11, зону тепловой регенерации 12 и зону реализации в элементе 10 мартенситного превращения 13. При этом температура в любой из указанных зон выше температуры завершения аустенитного превращения в сплаве, из которого изготовлен элемент 10. Зона 11 связана соответствующими трубопроводами 14 с потребителем охлажденной машиной жидкости и последняя циркулирует через эту зону 11, а зона 13 связана соответствующими трубопроводами 14 с потребителем нагретой машиной жидкости и последняя циркулирует через эту зону 13.
Мартенситная турбинная машина работает следующим образом. Перед сборкой машины элемент 10 нагрет до аустенитного состояния, спираль, из которой он изготовлен, максимально сжата. Во время установки элемента 10 на соответствующих шкивах 6, те его участки, которые расположены в зонах 12, 13 принудительно растягивают так, как это показано на фиг.3. После этого в корпус 1 заливают жидкость.
Машина приводится в действие путем принудительного вращения одной из шестерен 7 цепной передачи 8. В результате происходит согласованное вращение всех шестерен 7 и соединенных с ними соответствующих шкивов 6, которые обеспечивают перемещение кольцевидного элемента 10 относительно зон 11-13.
В процессе работы машины ее термодинамический цикл реализуется при температурах в каждой из зон 11-13, превышающих температуру окончания аустенитного превращения в сплаве, из которого изготовлен элемент 10. Процессы, происходящие при перемещении кольцевого элемента 10, можно проследить на примере перемещения выделенного участка элемента 10 относительно зон 11-13.
Первоначально выделенный участок элемента 10 расположен в зоне 11, где за счет нагрева его жидкостью претерпевает аустенитное превращение и поглощает при этом скрытую теплоту превращения. В результате спираль в данной части элемента 10 сжимается и происходит понижение температуры в зоне 11. Для холодильника это является полезным эффектом его работы.
При попадании данного сжатого участка элемента 10 через соответствующее отверстие 3 мата 4 в зону 12 происходит его нагрев жидкостью, в результате чего жидкость зоны 12 охлаждается. При дальнейшем продвижении данный сжатый участок элемента 10 через соответствующее отверстие 3 мата 4 проникает в зону 13, где вследствие его принудительного растяжения при температуре, превышающей температуру завершения аустенитного превращения, в нем реализуется мартенситное превращение и выделяется скрытая теплота превращения. В результате, омывающая эту часть элемента 10 жидкость нагревается, и температура внутри зоны 13 повышается. Для теплового насоса это является полезным эффектом его работы.
При дальнейшем перемещении данного растянутого участка элемента 10 через соответствующее отверстие 3 мата 4 он попадает в зону 12 и вступает в теплообмен с охлажденной перед тем им же жидкостью данной зоны 12. В результате происходит предварительное охлаждение данного растянутого участка элемента 10 и нагрев им жидкости этой зоны 12. Далее через соответствующее отверстие 3 в мате 4 этот растянутый участок элемента 10 попадает в жидкость зоны 11, и далее данный цикл мартенситной турбинной машины повторяется.
Полезный эффект от использования зоны тепловой регенерации 12 заключается в повышении энергетической эффективности того устройства (холодильник или тепловой насос), в качестве которого применяется предлагаемая мартенситная машина. И этот эффект аналогичен тому, что достигается за счет применения теплового регенератора в холодильнике или тепловом насосе Стирлинга. В холодильнике в зоне тепловой регенерации 12 происходит предварительное охлаждение нагретого перед этим в зоне 13 элемента 10 и адекватное снижение поступления тепловой энергии в зону 11, где происходит охлаждение жидкости. В тепловом насосе в зоне тепловой регенерации 12 обеспечивается предварительное повышение температуры охлажденного перед этим в зоне 11 элемента 10 и адекватное повышение поступления тепловой энергии в зону 13, где происходит нагрев жидкости.
Для поддержания работоспособности машины необходимо предотвратить проскальзывание элемента 10 относительно всех контактирующих с ним шкивов 6. С этой целью можно, например, выполнить контактирующую с элементом 10 периферийную область каждого шкива 6 зубчатой или изготавливать шкивы 6 из износостойкого эластичного материала, например из резины.
При работе машины соответствующие шкивы 6 должны вращаться со скоростью, обеспечивающей равенство скорости линейного перемещения относительно них различных частей элемента 10. Такое согласование линейных скоростей вращения шкивов 6 достигается тогда, когда соблюдается адекватное соотношение между количеством зубьев на соответствующих шестернях 7 и диаметрами соединенных с каждой из них шкивов 6.
Ускорению перемещения элемента 10 относительно зон 11-13 и снижению, таким образом, удельного расхода сплава с эффектом памяти формы отвечает уменьшение диаметра проволоки, из которой изготовлен элемент 10.
Снижению затрат механической энергии на принудительное растягивание различных участков термочувствительного элемента 10 и уменьшению износа трущихся поверхностей шкивов 6 и элемента 10, а значит, и повышению энергетической эффективности предлагаемой машины соответствует деформация спиралевидного элемента 10 на кручение и изгиб. Очевидно, дополнительному снижению затрат механической энергии на принудительное растягивание различных участков термочувствительного элемента 10 и уменьшению износа трущихся поверхностей шкивов 6 и элемента 10 соответствует переход к энергетически менее затратной деформации элемента 10, по возможности, только путем изгиба. С этой целью элемент 10 может быть изготовлен, например, в виде закольцованной плоской змеевидной спирали с эффектом памяти формы. При этом для увеличения производительности машины путем повышения массы элемента последний целесообразно изготавливать в виде сотканного из проволок с эффектами памяти формы и сверхупругости сетчатого плоского ремня. В данном случае шкивы 6 должны быть заменены на вальцы, выполняющие те же функции вращающихся опор, а круглые или овальные в плане отверстия 3 мата 4 должны приобрести вид продольных прорезей, которые расположены параллельно по отношению к осям этих вальцов.