Перспектива применения тепломеханического преобразователя при организации активного аэродинамического эксперимента



В статье приведены результаты патентных исследований по схемам конструкций различных тепломеханических преобразователей. Проведен сравнительный анализ удельного изгиба термобиметаллов при изменении температуры от 20 до 200ᵒС.

Ключевые слова: тепломеханический преобразователь, активный аэродинамический эксперимент, термобиметаллы.

Эксперимент в ходе развития науки выступал мощным средством исследования явлений природы и технических объектов. Экспериментальные исследования ведутся во всех областях науки и техники, в частности, в области аэродинамических изысканий. Их цель — либо установить новые факты об исследуемом явлении, либо сравнить влияния различных условий на рассматриваемый процесс.

Традиционная аэродинамика сегодня находится на этапе так называемого насыщения, когда каждый новый шаг требует все более и более возрастающих усилий и затрат. Наступает время, когда необходимо начать разрабатывать и внедрять на практике новые прогрессивные методы и способы организации аэродинамического эксперимента.

Самым эффективным и удобным из всевозможных методов наземного исследования аэродинамических характеристик (сил, моментов и т. п.), пограничного слоя, характера обтекания тела воздушным потоком и т. д. являются аэродинамические трубы, дающие не только возможность для отработки уже имеющихся объектов исследования, но и богатый информационный материал для проектирования и разработки новых перспективных образцов как самих летательных аппаратов, так и их отдельных элементов, тем самым существенно уменьшив риск и стоимость проведения натурных испытаний.

Важным является организация такого эксперимента, при котором манипуляция объектом исследования (отклонение на заданный угол атаки, угол скольжения, поступательное движение и т. д.) происходит прямо во время самой продувки аэродинамической трубы (с высокими показателями быстродействия и точности), что расширяет диапазон возможностей проведения опытов и ситуаций, максимально приближенных к реальным. Перспективным является разработка конструкции на основе тепломеханического преобразователя, отвечающего требованиям по жесткости, устойчивости к физическим (статическим и динамическим) перегрузкам и пригодности к практическому использованию.

Тепломеханические преобразователи (ТП) относятся к области теплоэнергетики, в частности, к нетрадиционным преобразователям тепловой энергии в механическую работу. В большей мере ТП являются конструкциями громоздкими и массивными, поэтому в дальнейшем целью является разработка простой и универсальной конструкции.

С целью определения современного состояния развития преобразователей тепловой энергии в механическую было проведено патентное исследование и выявлено более 30 релевантных патента. В таблице 1 приведены патенты, имеющие большой интерес для данного исследования.

Таблица 1

№	Страна выдачи, вид и номер документа.	Заявитель (патентообладатель), номер заявки, дата подачи заявки, дата публикации	Название изобретения (полной модели, образца)
1	RU 2 442 906 C1	Автор и патентообладатель: Ясаков Николай Васильевич (RU) Заявка: 2010137961/06, 13.09.2010 Опубликовано: 20.02.2012	Тепломеханический преобразователь
2	RU 2 728 009 C1	Автор и патентообладатель: Ясаков Николай Васильевич (RU) Заявка: 2019125319, 08.08.2019 Опубликовано: 28.07.2020	Тепломеханический преобразователь
3	RU 2 636 956 C1	Автор и патентообладатель: Ясаков Николай Васильевич (RU) Заявка: 2016127051, 05.07.2016 Опубликовано: 29.11.2017	Безроторный тепломеханический преобразователь
4	SU 709830 A1	Автор и патентообладатель: И. В. Чериятчик Заявка: 259200/25–06, 20.03.1978 Опубликовано: 15.01.1980	Тепловой двигатель
5	SU 1000590 A1	Автор и патентообладатель: В. А. Нахалов Заявка: 3346968/25–06, 12.10.1981 Опубликовано: 28.02.1983	Тепловой двигатель
6	RU 2 623 728 C1	Автор и патентообладатель: Ясаков Николай Васильевич (RU) Заявка: 2016107548, 01.03.2016 Опубликовано: 30.06.2017	Тепломеханический преобразователь («Русский двигатель»)
7	RU 2 694 568 C1	Автор и патентообладатель: Ясаков Николай Васильевич (RU) Заявка: 2018139358, 08.11.2018 Опубликовано: 16.07.2019	Тепловой твердотельный двигатель

Анализ патентной документации позволяет сделать вывод, что тепломеханические преобразователи востребованы в различных областях техники и является перспективным для организации активного аэродинамического эксперимента.

Источником полезного перемещения (рабочим телом) большинства преобразователей является термобиметаллический чувствительный элемент твердого типа, выбор которого является важной задачей. В таблице 2 представлены часто применяемые марки термобиметаллов. Определяющими при выборе являются следующие параметры: термочувствительность, диапазон рабочих температур, предельная температура использования, габариты изделия и термоэлемнета, величина перемещения, развиваемые усилия, электросопротивление, коррозийная стойкость, температурно-временная стабильность в диапазоне рабочих температур.

Таблица 2

Марка термобиметалла	Сплав-составляющий слоя		Марка термобиметалла	Сплав-составляющий слоя
	активного	пассивного		активного	пассивного
ТБ2013	75ГНД	36Н	ТБ1243	24НХ	36Н
ТБ1821	75ГНД	30НК	ТБ1253	24НХ	36Н
ТБ1613	75ГНД	45НХ	ТБ1132	24НХ	42Н
ТБ1624	70ДГНХ	36Н	ТБ1032	19НХ	42Н
ТБ1621	20НГ	33НКГД	ТБ0921	28НХТЮ	45НТЮ
ТБ1523	20НГ	36Н	ТБ0953	НП3	36Н
ТБ1423	24НХ	36Н	ТБ0831	24НХ	50Н
ТБ1323	19НХ	36Н	ТБ54	19НХ	50Н
ТБ1353	Л62	36Н	ТБ0621	28НХТЮ	52НТЮ
Б1254	Л90	36Н

На рис.1 приведены графики зависимости удельного изгиба от температуры.

Рис.1. Зависимость удельного изгиба термобиметаллов от изменения температуры

Внимание стоит уделить термобиметаллам с повышенной термочувствительностью (ТБ1523, ТБ1423, ТБ1323, ТБ1224), так как они имеют повышенное электросопротивление (вследствие чего их целесообразно использовать в случае прямого нагрева электрическим током), высокие предельную температуру и механические свойства.

Литература:

1. Башнин Ю. А., Улановский Ф. Б., Перепелица И. В., Мосалов А. Н. Термобиметаллы: Композиции, обработка, свойства — М.: Машиностроение, 1986. — 136 с., ил.
2. ГОСТ 10533–86 Лента холоднопрокатная из термобиметаллов. Технические условия/ М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. — 12 с.
3. Материалы в машиностроении . Выбор и применение: справочник в 5-и т. Т.1. Цветные металлы и сплавы/ Под ред. И. В. Кудрявцева. — М.: Машиностроение, 1967. — 304с.: ил.
4. Нахалов В. А. Тепловой двигатель: патент SU 1000590 A1.
5. Чериятчик И. В. Тепловой двигатель: патент SU 709830 A1.
6. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов: справочное руководство — М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1959. — 356 с.
7. Ясаков Н. В. Тепломеханический преобразователь: патент RU 2442906 C1.
8. Ясаков Н. В. Тепломеханический преобразователь: патент RU 2728009 C1.
9. Ясаков Н. В. Безроторный тепломеханический преобразователь: патент RU 2636956 C1.
10. Ясаков Н. В. Тепломеханический преобразователь («Русский двигатель»): патент RU 2623728 C1.
11. Ясаков Н. В. Тепловой твердотельный двигатель: патент RU 2694568 C1.