Нитиноловый двигатель — двигатель, основанный на способности сплава с эффектом «памяти» нитинола (сплава титана и никеля) восстанавливать свою форму, которую он получил при температуре красного каления. В общенаучной литературе такой вид двигателя известен как мартенситный двигатель или martensite rotorheat engine(MRHE).

Физическая суть

Возникновение движущих сил основано на структурных превращениях сплава. 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. Температура гистерезиса нитинола^[1] равна разности конечных температуры аустенитно-мартенситного (прямого мартенситного) и мартенситно-аустенитного (обратного мартенситного) превращений, соответственно. Учитывая, что температура гистерезиса 30 C, в качестве «движущих» сред можно использовать горячую и холодную воды, или горячую воду и окружающую среду, как показано на рис.1. Также существуют сплавы с температурами гистерезиса 4,6,8 °С, но их использование по определенным причинам невозможно.

На рис.1 приведен пример подобного двигателя(Thermobile). Двигатель состоит из нитиноловой пружины, которая при тепловом воздействии выпрямляется, двух шкивов, ведра с горячей водой. Принцип работы двигателя основан на том, что попадая в горячую воду, нижняя часть пружины подвергается мартенситно-аустенитному превращению, пружина расширяется, а верхняя часть пружины, охлаждаясь, испытывает аустенитно-мартенситное превращению, следовательно, верхняя часть пружины сокращается. За счет расширения-сокращения пружина движется по шкивам проходя участки нагрева и охлаждения, приводя в движение шкивы. Стоит отметить, что КПД данных двигателей-небольшой По оценке некоторых ученых, КПД нитиноловых двигателей может составлять 5—6 % (А. А. Гольштейн), теоретический же расчет по формуле, приведенной в работе С. М. Веймана, дает КПД в интервале от 5 до 21 % в зависимости от свойств используемого материала.

История

Одним из первых двигателей подобного рода был тепловой двигатель Р. Бэнкса. Его отличие от Thermobile заключается лишь в использовании охлаждающей среды( холодная вода). Построенный Бэнксом маломощный тепловой двигатель на нитиноле непрерывно устойчиво работал, сделав более 1,7-107 оборотов, и развивал мощность не менее 0,2 Вт, приводя во вращение генератор электрической энергии — от него горела электрическая лампочка.

1 — неподвижный вал

2 — вращающийся вал

3 — неподвижный кривошип

4 — нитиноловая проволочная петля

5 — движущий стержень

6 — начало рабочего хода

7—горячая сторона

8—холодная сторона

9—движущееся колесо

10 — конец рабочего хода

11 — стопор движущего стержня

12 — направление силы от действия проволочной петли из нитинола

13 — компонента сплы, вызывающая вращение

14 — ступица движущегося колеса

Под действием энергии нитиноловых проволок в горизонтальной плоскости вращается колесо 9, являющееся маховиком и одновременно шкивом привода электрического генератора. Колесо-маховик диаметром 350 мм имеет 20 стержней-спиц 5, на которых подвешены петли из нитиноловой проволоки диаметром 1,2 мм, длиной по 152 мм. Число нитиноловых петель равно числу стержней-спиц, т. е. их также 20 штук, на рисунке они все обозначены цифрой 4.

Нитиноловые проволочные петли висят между ободом колеса 9 и втулками 11 на стержнях 5. Втулки могут перемещаться вдоль стержней под действием усилий, развиваемых нитиноловыми петлями. При вращении колеса вокруг неподвижного коленчатого вала 3 происходит увеличение или уменьшение расстояния между втулками и ободом колеса. Одновременно при вращении колеса изменяется положение нитиноловых петель относительно двух неподвижных полукруглых ванн с холодной и теплой водой, расположенных непосредственно под колесом 9. Температура воды в холодной ванне 24 °С, в горячей 48 °С, т. е. используемая разность температур составляет 24 °С.

Нитиноловая проволока для петель при закалке была прямой, поэтому при нагреве в горячей ванне петли стремятся распрямиться. Когда очередная петля погружается в ванну с горячей водой, она стремится разогнуться, при этом часть энергии каждой петли расходуется на раскручивание колеса 9. В «горячем» полупериоде расстояние между ободом колеса и втулками увеличивается в результате действия силы, распрямляющей петли. Поэтому на ободе колеса возникает вращающий момент относительно неподвижного вала 1. Он возникает благодаря тому, что центры вращения стержней- спиц 5 и колеса 9 разнесены между собой на 25 мм. Цифра эта соответствует расстоянию между осями неподвижного вала 1 и осью его кривошипа 3, т. е. высоте колена кривошипа. Стержни-спицы своими центральными концами связаны с шейкой кривошипа, поэтому, когда колесо вращается, они совершают возвратно-поступательные движения.

Стержни 5 действительно похожи на спицы, но их назначение не имеет ничего общего с обычным назначением спиц в колесе. Скорее, они выполняют роль шатунов в своеобразном кривошипно-шатунном механизме этого двигателя. Обод колеса 9 со всеми деталями поддерживается ступицей 14, сидящей на вращающемся пустотелом валу 2. Этот вал вращается вместе с колесом 9 вокруг неподвижного главного вала 1.

Длительные испытания этого двигателя не выявили никаких следов усталостного разрушения у нитиноловых петель, более того, после нескольких сотен тысяч оборотов колесо стало вращаться быстрее. Восстановление формы повторялось десятки миллионов раз. Такие результаты объясняются достаточно малой деформацией — порядка 0,5 %.

После работы двигателя в течение нескольких часов наблюдается развитие запоминания «холодной формы». Когда проволочные петли из нитинола при вращении колеса погружались очередной раз в ванну с холодной водой, они сгибались самопроизвольно, без приложения усилия. Этот новый эффект назван двойной тренировкой, или двойной памятью. Эффект двойной памяти пока не получил достаточно удовлетворительного теоретического объяснения, но ясно, что он должен привести к увеличению чистой выходной мощности нитинолового двигателя.

Первый опыт по превращению солнечной энергии в электрическую с помощью нитинолового двигателя Бэнкс произвел в ноябре 1973 г.: вода для горячей ванны подогревалась солнечными лучами. С тех пор работы по исследованию нитинола и его применению сильно расширились и ведутся в лабораториях Великобритании, Швейцарии, Бельгии, ФРГ, Японии. В США создан Нитиноловый технологический центр. Проведена Международная конференция по нитиноловым тепловым двигателям, к 1981 г. было опубликовано 400 научных сообщений на эту тему, выданы патенты на более чем 100 нитиноловых установок, в том числе на 12 тепловых двигателей^[2].

Некоторые исследователи считают, что нитиноловые двигатели смогут преобразовывать энергию более экономично, чем фотоэлектрические элементы. Д. Гольштейн, возглавляющий Нитиноловый технологический центр, полагает, что при работе нитинолового двигателя круглые сутки он сможет окупить себя за 18 — 24 месяца, после чего вырабатываемая им энергия будет « в некотором смысле бесплатной ».

В 1982 г. компания International Innovative Technologies создала двигатель ( большой прототип Thermobile), содержащий 30 нитиноловых петель. Диаметр сечения одной петли был 22 миллиметра. «Движущими» средами двигателя были горячая вода с температурой 55 С и воздух температуры 25 °С. Двигатель достигал скорости 270 оборотов в минуту и работал на протяжении до 1.5 лет без сбоев^[3].

В Калифорнии на данный момент работает нитиноловая электростанция, разработанная компанией McDonnell Douglas и группой ученых, состоящая из 5 нитиноловых модулей, которая производит 5 мегаватт электроэнергии, которые работают по подобию двигателя Р. Бэнкса. Вопрос о эффективности получения энергии и экономических аспектах остается открытым. Но известно (по данным доклада по итогам конференции 1978 года), что данная технология получения энергии, дешевле, чем получение энергии атомными электростанциями^[4]. Западными учеными также рассматривается возможность использовать промышленные воды.^{[источник не указан 71 день]}

Примечания