Кондрашов Борис Михайлович
Рассмотрены способы преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды для получения мощности на силовом валу, высокопотенциальной теплоты, "холода" и реактивной тяги. В них используется процесс последовательного присоединения дополнительных масс, который реализуется в эжекторных сопловых аппаратах газотурбинных двигателей. В отличие от известных преобразователей этой даровой энергии (ветровых, солнечных), эффективность её преобразования в предлагаемых ГТД не зависит от географических, временных и погодных условий, а их удельная мощность значительно выше и сопоставима с удельной мощностью двигателей традиционных схем. Они могут работать, используя разомкнутый цикл и рабочее тело - атмосферный воздух, а также по замкнутому циклу в воздухонезависимых системах. Выработка необходимого вида энергии бестопливными системами на базе таких ГТД осуществляется непосредственно в местах её потребления. Отсутствие в них материалов и устройств, связанных с использованием топлива, повышает надёжность работы, упрощает конструкцию, технологию, снижает затраты и делает производство этих систем возможным на большинстве машиностроительных предприятий, а эксплуатацию экологичной и безопасной.
С каждым годом сокращаются запасы углеводородного сырья, растёт энергопотребление, ухудшается экология, а известные технологии использования возобновляемых экологически чистых источников энергии, в т. ч. атмосферы, не эффективны.
Неравномерный нагрев газов, сжатых под действием гравитации, вызывает изменения давления и нарушает равновесное состояние атмосферы, при восстановлении которого потенциальная и тепловая энергия воздушных масс преобразуются в кинетическую. В результате этого стохастического природного процесса энергия атмосферы становится доступной для использования в ветродвигателях, выполняющих механическую работу без потребления кислорода и выработки продуктов сгорания. Их недостатки - низкая плотность энергии на единицу рабочей площади и неуправляемость процесса. Однако нарушать равновесное состояние атмосферы для преобразования потенциальной энергии воздушных масс в кинетическую можно и за счёт управляемых локальных воздействий, например, в эжекторных устройствах. Восстанавливая равновесное состояние, нарушаемое в эжекторном насадке активной струей рабочего тела, атмосфера совершает механическую работу. Её объём зависит от величины, но в большей степени от способа воздействия, а также параметров эжекторных устройств и сферы их применения. В эжекционном процессе - параллельного присоединения к стационарной реактивной струе тяга увеличивается без дополнительных затрат энергии топлива за счёт «неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора, появление которой обусловлено понижением давления на стенках раструба при втекании в него эжектируемого воздуха» [1] (это утверждение Г.Н. Абрамовича констатирует факт управляемого использования энергии атмосферы для выполнения работы). Показатели эффективности процесса - КПД и коэффициент присоединения дополнительных масс m (равный отношению присоединяемой воздушной массы к массе активной струи) низкие из-за турбулентного смешения и трения, уменьшающих скорость активной струи Caj
. В результате тяга и кинетическая энергия реактивной массы увеличиваются незначительно.
В другом процессе - последовательного присоединения (имеющего иную физическую основу, которая не обязательно связана со смешением объединяемых масс) воздействие пульсирующей активной струи создаёт периодическое разрежение в эжекторном насадке, при котором за счёт неуравновешенной силы атмосферного давления, вслед за каждым импульсом активной струи ускоряется воздух. Процесс может происходить практически без смешения объединяемых масс и уменьшения скорости активной струи, но лишь в узком диапазоне величин и соотношений основных параметров: расчётной частоты, формы, длительности и скорости газовой массы импульсов активной струи, скорости набегающего потока, а также конструктивных параметров эжекторного устройства. Только при их оптимальном значении присоединение происходит за счёт последовательного втекания воздушных масс вслед за газовой массой импульсов, при котором практически отсутствует их выталкивание из эжекторного насадка газовой массой следующего импульса и турбулентное смешение разделённых газовых масс, уменьшающие эффективность управляемого преобразования энергии атмосферы.
О. И. Кудриным, одним из авторов открытия «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей» [2] проведены экспериментальные исследования, подтвердившие эффективность этого процесса [3]. К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно потому, что изначально исследования были направлены на получение реактивной тяги (дополнительной к тяге винтовых движителей поршневых авиационных двигателей). Следует отметить, что если процесс присоединения дополнительных масс, в котором происходит существенный прирост кинетической энергии реактивной струи, применяется для увеличения тяги реактивного движителя, то большая часть дополнительно полученной энергии не может быть использована для выполнения полезной работы и неизбежно рассеивается в атмосфере, создавая при этом иллюзию низкой эффективности и самого процесса присоединения. Это, наряду с недостатком информации об экспериментальных исследованиях, стало препятствием для его внедрения в других отраслях, где кинетическую энергию воздушной массы, получаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно использовать не для образования реактивной тяги, а более эффективно. Кроме того, открытие было сделано в тот период, когда проблема уменьшения запасов традиционных энергоносителей и ухудшения экологической ситуации, обусловленного их применением, не были столь актуальны, как сейчас. Однако и сегодня в энергетических и транспортных системах оно «не работает», вероятно, ещё и потому, что использование энергии атмосферы традиционно ограничено ветроэнергетикой.
Для описания предлагаемых способов преобразования энергии используем следующие показатели, характеризующие происходящие процессы.
В процессе присоединения получается объединённая реактивная масса:
TM = 1+m (1.1)
где 1 - масса активной струи; m - присоединённая масса, численно равная коэффициенту присоединения m.
Эффективность процесса последовательного присоединения характеризует также коэффициент скорости объединённой реактивной массы:
wtm
= Ctm
/ Cpj
(1.2)
где Ctm
– скорость объединённой реактивной массы (Ctm
равна Caj
, которая зависит от периодического изменения давления в эжекторном насадке); Cpj
- скорость пульсирующей реактивной струи, образованной рабочим телом с такими же параметрами как при образовании активной струи, но расширяющимся в объёме с неизменным давлением.
Рассмотрим четыре основных способа преобразования низкопотенциальной энергии в струйных двигателях с разными термодинамическими циклами.
Первый способ. Низкопотенциальная энергия преобразуется в струйном двигателе с эжекторным сопловым аппаратом и рабочим телом, получаемым при сгорании топлива в камере периодического сгорания [4]. В данном случае процесс присоединения состоит из повторяющейся с заданной периодичностью пары последовательных, но разных термодинамических циклов - в каждом цикле свой источник энергии и рабочее тело. В первом цикле после сгорания топлива (при V=const) энергия продуктов сгорания, истекающих из реактивного сопла, преобразуется в кинетическую энергию первой части реактивной массы, которая движется в эжекторном насадке как газовый поршень и создаёт вслед за собой разрежение, а при истечении воздействует на лопатки турбины, создавая момент на валу. За счёт полученного разрежения, источником энергии во втором цикле становится потенциальная и тепловая энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха, который под действием разности давлений втекает в насадок, расширяясь, охлаждаясь и ускоряясь как в стохастическом природном процессе, но в заданном направлении, образуя при истечении из эжекторного насадка вторую часть реактивной массы с расчётными термодинамическими параметрами, воздействующую на лопатки. При этом за счёт ускорения присоединяемой воздушной массы в насадке понижается давление, увеличивая разность потенциалов давлений перед истечением импульса активной струи следующего периода и, соответственно, его кинетическую энергию. Как следствие повышается степень разрежения в насадке во втором цикле этого периода и скорость присоединяемого воздуха. Тем самым, в результате преобразования энергии низкопотенциального источника в предыдущем периоде создаются условия для повышения эффективности преобразования энергии высокопотенциального источника в следующем периоде.
Таким образом, в отличие от процесса параллельного присоединения, в котором уменьшается кинетическая энергия эжектирующего потока за счёт перераспределения его первоначальной энергии на большую массу газа, периодическое нарушение равновесного состояния атмосферы в эжекторном насадке воздействием пульсирующей активной струи создаёт в нём с заданной частотой разность потенциалов давлений, обеспечивающую при восстановлении равновесного состояния ускорение присоединяемых воздушных масс, а также увеличение кинетической энергии активной струи. В результате этого дискретного процесса объединённая масса с возросшей кинетической энергией, воздействуя на лопатки турбины, увеличивает момент на её валу без дополнительных затрат топлива. При этом для получения одинаковой мощности топлива затрачивается меньше (пропорционально коэффициенту m, скорректированному на величину коэффициента wtm
), чем в газотурбинных двигателях (ГТД) традиционных схем.
После начала истечения продуктов сгорания уменьшается их давление в камере, а также перед критическим сечением сопла и, соответственно, степень расширения «хвостовой» части газовой массы импульса в первом цикле и её скорость. Как следствие, происходит снижение степени разрежения в насадке, уменьшение присоединяемой во втором цикле газовой массы и её скорости. При этом «головная» часть импульса продуктов сгорания следующего периода выталкивает из насадка «хвостовую» часть присоединяемой воздушной массы предыдущего периода, имеющую меньшую скорость. Это приводит к частичному смешению разделённых газовых масс, снижающему скорость объединённой реактивной массы.
Однако эксперименты [3] показали, что даже при наличии этих потерь кинетическая энергия объединённой реактивной массы
Etm
= 0.5 (1 + m) C2
tm
(2.1)
Значительно больше, чем кинетическая энергия активной струи
Eaj
= 0.5 C2
aj
(2.2)
При эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей струёй продуктов сгорания экспериментально получен прирост реактивной силы до 140% к исходной тяге [2,3]. Его величина зависит от параметров эжекторного устройства, изменения реактивной массы и скорости её истечения. Если коэффициент wtm
(1.2) больше 1, то прирост кинетической энергии в результате процесса присоединения больше прироста тяги. Чтобы получить такой же прирост тяги (в 2.4 раза) при wtm
меньше 1, присоединяемая воздушная масса должна быть равна 2.4 m n, где n – коэффициент, на который уменьшается Caj
и Ctm
. А для получения прироста кинетической энергии, равного приросту тяги, в процессе с wtm
меньше 1, необходим коэффициент m, увеличенный в n2
раз. Например, для получения прироста кинетической энергии в 2.4 раза, при условии, что Ctm
будет меньшее по сравнению с Cpj
в 2 раза (что маловероятно в этом процессе), m должен быть 2.4×22
, т.е. равен 9.6. А коэффициент m, полученный экспериментально [3], больше 10, поэтому прирост кинетической энергии и при таком гипотетическом предположении больше прироста тяги.
Таким образом, при максимально возможном уменьшении wtm
, экспериментально полученное значение кинетической энергии равное Etm
= 0.5 (1 + 2.4mn2
) (Ctm
/n)2
больше, чем в 2.4 раза кинетической энергии активной струи (2.2). Причём она не рассеивается в атмосфере, как при создании реактивной тяги движителя, а используется для выполнения механической работы. Следовательно, большая часть мощности данным способом получается за счёт преобразования потенциальной энергии и низкопотенциальной теплоты сжатых под действием гравитации газов в кинетическую энергию воздушной массы, воздействующей на лопатки турбины. Поэтому эффективность комбинированных струйных ГТД оценивается суммарным КПД, который равен КПД теплового двигателя, увеличенному на произведение коэффициентов m и wtm
.
Сегодня возможности повышения эффективности ГТД с циклом при P=const. практически исчерпаны, а значения коэффициента m, полученные экспериментально, в зависимости от параметров процесса присоединения изменяются от 10 до 50, т. е. эффективность комбинированных двигателей может быть более чем на порядок выше эффективности современных ГТД (с соответствующим уменьшением выброса в атмосферу продуктов сгорания).
Автором статьи разработан стендовый вариант комбинированного струйного ГТД (совместно с «НПО Машиностроение», г. Реутов подготовлена конструкторская документация), который позволяет варьировать и оптимизировать основные параметры процесса последовательного присоединения, в т.ч. с учетом скорости набегающего потока.
Второй способ. Проведенные эксперименты [3] показали, что оптимальное значение Caj
продуктов сгорания в процессе присоединения находится в диапазоне скоростей, которые можно получать при расширении сжатого рабочего тела, не используя для него дополнительный подогрев. Следовательно, продукты сгорания можно заменить сжатым воздухом, а камеру сгорания пневмоаккумулятором [5]. При истечении воздуха из пневмоаккумулятора давление перед критическим сечением сопла в течение цикла остаётся постоянным. Поэтому «хвостовая» часть газовой массы импульсов активной струи, снижающая эффективность процесса присоединения, отсутствует, что практически исключает смешение последовательно движущихся разделённых воздушных масс и, следовательно, потери на их трение. В результате коэффициент wtm
становится больше 1. Так как Ctm
равно Caj
, то кинетическая энергия объединённой массы (2.1) будет больше кинетической энергии активной струи (2.2), т. е. Etm
больше Eaj
, и, соответственно, больше потенциальной энергии рабочего тела – сжатого воздуха, образующего активную струю Eace
, не менее, чем в m раз. Величина m изменяется в зависимости от параметров процесса присоединения в диапазоне от 10 до 50 [3], поэтому Eace
, составляет лишь 0.1 – 0.02 Etm
. Причём для повышения давления воздуха в пневмоаккумуляторе перед его расширением в струйном устройстве можно использовать различные способы и источники энергии, а такой баланс энергии позволяет сжимать его в компрессоре за счёт мощности, полученной в результате процессов преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах.
Суммарные энергозатраты и потери в процессах преобразований
Eexp
= Eace
+ Ece
+ Ete
+ Eoe
(2.3)
где Ece
– потери энергии при сжатии воздуха в компрессоре; Ete
– потери энергии при преобразовании Etm
в турбине; Eoe
– прочие потери энергии.
Общий удельный вес технологических потерь (Ece
+ Ete
+ Eoe
), не превышает 25% Etm
, в том числе: Ece
20% Eace
; Ete
15% Etm
; Eoe
2% Eaj
. (потери означают, что данный способ преобразования энергии не противоречит второму началу термодинамики) В основном величина потерь зависит от КПД турбины, а удельный вес потерь в компрессоре и прочих потерь при больших величинах m незначителен и составляет, соответственно, 1% и 0.1% от Etm
, увеличиваясь с уменьшением m.
С учётом энергозатрат и потерь (2.3), энергия для использования потребителями
Eus
= Etm
– Eexp.
(2.4)
Если принять Etm
равной 100%, то, при m равном 20 и wtm
равном 1, Eus
= 100% – (5% + 1% + 15%+ 0.1%) = 78.9%, а Eexp
равна 21.1% Etm
. Если основные параметры процесса и/или их соотношения отклоняются от оптимальных величин, то значения m и wtm
уменьшаются. Для компенсации технологических энергозатрат и потерь (2.3) в процессах преобразования, достаточно увеличить кинетическую энергию в результате процесса присоединения дополнительных масс на 44%, т.е. для самоподдержания этого процесса Etm
должна быть больше Eaj
лишь в 1.44 раза. Полученная сверх этого энергия может быть использована внешними потребителями. Например, при m равном 1 удельный вес технологических затрат и потерь, за исключением Ete
, значительно увеличивается: Eace
до 50%, Ece
до 10%, Eoe
до 1%, а Eus
= 100% – (50% + 10% + 15% + 1%) = 24% Etm
. Это значит, что даже при такой малой величине m, равной 1 (достижимой при не самых оптимальных параметрах этого процесса присоединения), невысоких КПД турбины (0.85) и компрессора (0.8), для сжатия рабочего тела можно использовать энергию, полученную в предыдущих циклах, оставляя потребителям 24% располагаемой Etm
.
Результаты экспериментов также подтверждают возможность преобразований энергии атмосферы при сжатии рабочего тела за счёт мощности, полученной при её преобразовании в предыдущих периодах. Если экстраполировать увеличение кинетической энергии (в 2.4 раза), полученное экспериментально в процессе последовательного присоединения с активной струёй из продуктов сгорания [3], на аналогичный процесс с использованием сжатого воздуха для образования этой струи, то даже без учёта реального снижения потерь на смешение и трение объединяемых масс, повышающего эффективность этого процесса, Eus
= 100% – (41.7%+8.3%+15%+ 0.8%) = 34.2% Etm
.
Согласно второму началу термодинамики не вся энергия одного неисчерпаемого источника преобразуется в работу – часть превращается в теплоту. А при механическом сжатии рабочего тела - в высокопотенциальную теплоту, температуру которой можно регулировать в зависимости от степени сжатия и охлаждения рабочего тела перед расширением, для полезного использования, например, в системах отопления. При расширении сжатого и охлаждённого, например, до атмосферной температуры рабочего тела значения Caj
и Ctm
будут находиться в диапазоне величин коэффициента скорости _» до 2.45, вполне достаточном для получения окружных скоростей, обеспечивающих высокий КПД турбомашин.
Температура высокопотенциального рабочего тела, а также низкопотенциального - воздуха в процессах преобразований энергии понижается. Управляя количеством атмосферного и холодного отработавшего воздуха, возвращаемого в эжекторные насадки в качестве присоединяемых масс следующих периодов, можно получать температуру воздушной массы, необходимую, например, в системах кондиционирования. Если отработавший в одном устройстве присоединения или эжекторном сопловом аппарате воздух направлять в качестве присоединяемых масс в другое или следующий сопловой аппарат и т.д., то его можно охлаждать до сверхнизких температур, используемых в криогенной технике.
Процесс присоединения дополнительных масс воздуха в рассмотренном бестопливном способе преобразования энергии атмосферы также состоит из повторяющейся с заданной периодичностью пары последовательно связанных термодинамических циклов со своими источниками энергии и рабочими телами: из обратного цикла Карно (цикла воздушного теплового насоса – холодильной машины) и цикла - охлаждения атмосферного воздуха при его расширении и ускорении. Часть мощности, полученной в результате преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах, используется для сжатия атмосферного воздуха в обратном цикле Карно. За счёт работы расширения сжатого воздуха (высокопотенциального рабочего тела) создаются условия для начала второго цикла с использованием энергии низкопотенциального рабочего тела (также как в процессе с продуктами сгорания).
Таким образом, за счёт энергии атмосферы осуществляется привод воздушного теплового насоса, в результате работы которого создаются условия для преобразования в эжекторном насадке низкопотенциальной энергии внешней газовой массы, находящейся вне
С учётом результатов научных и экспериментальных исследований процесса последовательного присоединения эксперимент по получению мощности на валу атмосферного бестопливного струйного двигателя с открытым термодинамическим циклом можно провести без затрат на дополнительные научные исследования, разработку и производство оригинальной конструкции. Для создания стендового образца такого двигателя можно использовать уже готовые устройства, например, в качестве силового элемента - турбинный модуль маломощного турбовального ГТД, а для сжатия воздуха, образования активной струи - компрессор любого типа, ресивер с пневмоклапаном и реактивным соплом. Соотношения геометрических параметров эжекторного устройства и необходимые параметры процесса присоединения для получения расчётного количества и скорости объединенной воздушной массы, воздействующей на лопатки турбины, известны, а конструкция эжекторного насадка – единственного элемента, который необходимо изготовить, - предельно проста. Кроме того, возможность изменения параметров модульной конструкции позволяет использовать её для оптимизации параметров процесса последовательного присоединении с воздушной активной струёй и при разработке необходимых (в зависимости от сферы применения) оригинальных конструкций бестопливных струйных ГТД.
Эффективность атмосферных бестопливных струйных двигателей, по сравнению с известными ветровыми, солнечными и геотермальными преобразователями даровой и экологически чистой энергии, не зависит от географических, временных и погодных условий, а удельная мощность значительно выше и сопоставима с удельной мощностью тепловых двигателей традиционных схем. Отсутствие жаростойких материалов, и систем, связанных с использованием топлива, упрощает конструкцию, технологию, снижает себестоимость, повышает надёжность и, наряду с возможностью одновременной выработки трёх видов энергии, расширяет сферу применения бестопливных двигателей. Зависит эффективность, в основном, от значений m и wtm
, технологических потерь, а также видов используемой потребителями энергии и сферы применения (в энергетических стационарных и мобильных системах, для привода различных устройств и типов движителей с одновременным получением высокопотенциальной теплоты и/или «холода»). Её можно оценивать величиной удельной мощности или отношением Eus
/Etm
, числитель которого увеличивается на величину энергии, используемой дополнительно сверх получаемой мощности.
Из приведенного выше описания бестопливного способа преобразования энергии и принципа конструкции двигателя для его реализации видно, что, наряду с простотой, они достаточно эффективны. Однако за счёт некоторого усложнения конструкции можно дополнительно повысить эффективность и расширить сферы применения атмосферных бестопливных струйных двигателей (см. рисунок).
Принципиальная схема возможных вариантов бестопливного преобразования низкопотенциальной энергии в струйных двигателях.
В рассматриваемых вариантах эжекторный сопловой аппарат может состоять из сужающегося реактивного сопла 1 (или струйного устройства любого другого принципа действия, обеспечивающего расчётные параметры импульсов активной струи) и эжекторного насадка - устройства присоединения 2. Для уменьшения продольных размеров струйного двигателя проточная часть устройства присоединения и турбин 3 и 4, закреплённых на концах силового вала 5, находится внутри этого полого вала, а снаружи вала расположены роторы компрессоров 6,7. Выход ступеней компрессора 30, не закреплённого на валу 5, связан через обратный клапан 20 с пневмоаккумулятором 18 рабочего тела. Сжатый воздух в него подаётся через клапаны 19 или 20. Клапан 21 обеспечивает расчетную периодичность и длительность истечения сжатого воздуха из реактивного сопла 1. Вслед за воздушной массой импульса в устройстве 2 образуется разрежение. Под действием атмосферного давления присоединяемый воздух через клапаны 26,27, лопатки 22 турбины 29, лопатки 23 турбины 3, направляющий аппарат 24 ускоряется вслед за воздушной массой импульса. От геометрических параметров сопла 1, устройства 2, их соотношения и термодинамических параметров реактивной массы импульсов зависит степень получаемого в устройстве 2 разрежения, и период времени, в течение которого оно сохраняется. А от этого зависит количество присоединяемого воздуха, его скорость и суммарный напор, создающий момент на валу 5 за счёт воздействия втекающей воздушной массы на лопатки 23 турбины 3 и объединённой реактивной массы на лопатки 25 турбины 4, закреплённой на другом конце этого вала. Часть полученной суммарной мощности используется для привода компрессоров 6,7, а часть внешними потребителями.
В одном из вариантов (А) отработавшая объединённая масса направляется в центробежный диффузор 8, в котором её оставшаяся кинетическая энергия преобразуется в потенциальную перед выбросом во внешнюю среду по каналу а через клапан 9 для повышения эффективности процесса присоединения, и/или повторного использования через канал в в качестве присоединяемых масс.
Сжимая отработавшую массу в компрессоре 7 за счёт части Eus
, можно повысить эффективность процесса присоединения и стравливать её во внешнюю среду с повышенным давлением через клапан 9 и/или повторно использовать, подавая через клапан 10 по каналам в и с. При этом, за счёт разрежения, получаемого перед входом в компрессор 7, увеличивается разность потенциалов давлений при образовании импульсов, а в результате - скорость активной струи и кинетическая энергия объединённой реактивной массы с понижением температуры и увеличением момента на валу 5.
Получать разрежение для увеличения разности потенциалов давлений можно без дополнительных затрат энергии. Для этого струи, истекающие из лопаток 25 турбины 4 после создания момента, через направляющий аппарат 11 закручиваются по спирали (Б). В вихревой камере 12, в которую происходит истечение, за счёт оставшейся кинетической энергии создается вихревой эффект, образующий в центральной части разрежение, увеличивающее разность потенциалов давлений при расширении рабочего тела. Одновременно в периферийной части созданного вихря повышается давление объединённой массы, которая через направляющий аппарат 13 воздействует на лопатки 14 турбины 4, а затем (сразу или после сжатия в компрессоре 6) через клапан 16 выбрасывается и/или через клапан 17 направляется для повторного использования. В этом случае можно дополнительно увеличивать разность потенциалов давлений за счёт использования части Eus
, соединив центр объёма 12 через направляющий аппарат 15 со входом компрессора 6.
При сжатии низкотемпературной отработавшей массы уменьшаются затраты энергии на работу сжатия, по сравнению со сжатием воздуха с атмосферной температурой, поэтому двигатели с открытым циклом, наряду с получением мощности, можно использовать в качестве эффективных генераторов высокопотенциального рабочего тела для более мощных бестопливных систем, создания низкотемпературных реактивных струй (в соплах 28) и тяги. Эффективность сжатия можно повысить также, используя биротативные компрессоры 7 и 30 с вращающимися в противоположные стороны рабочими колёсами без неподвижных направляющих аппаратов.
Третий способ. Процесс последовательного присоединения можно использовать для получения мощности, высокопотенциальной теплоты и «холода» также и вне атмосферных условий, преобразуя тепловую энергию внешней среды в замкнутом термодинамическом цикле [5].
Представим, что атмосферный бестопливный струйный двигатель помещён в изолированный от внешней среды объём, заполненный газом - воздухом или гелием. При работе двигателя, за счёт охлаждения отработавшей массы, в нём понизятся температура и давление. Параметры процесса присоединения изменятся настолько, что в какой-то момент Etm
станет недостаточно для создания расчётной мощности компрессора, сжимающего рабочее тело для образования активной струи. В каждом цикле будет уменьшаться степень сжатия и Caj
. Процесс присоединения постепенно «затухнет» и двигатель, «заморозившись», остановится.
Этого не произойдёт, если изолированный объём используется в качестве низкотемпературного теплоприёмника для истечения отработавшей газовой массы и соединён с теплообменным устройством, а выход этого устройства соединён с входами устройства присоединения и компрессора, образуя замкнутый контур. Под действием неуравновешенной силы давления газов, возникающей при создании разрежения за газовой массой импульсов активной струи, часть отработавшей газовой массы из этого объёма направляется в теплообменное устройство. В нём, получая тепло и понижая температуру внешней среды, она нагревается до температуры, необходимой для выполнения функции присоединяемых масс следующих периодов. Другая часть газовой массы через теплообменное устройство (или минуя его) направляется в компрессор для сжатия и дальнейшего использования в качестве высокопотенциального рабочего тела.
В результате нагрева отработавшей газовой массы в теплообменном устройстве процесс последовательного присоединения в струйных двигателях с замкнутым циклом продолжается сколь угодно долго и независимо от давления внешней среды, которая при этом выполняет функции нагревателя - источника теплоты, преобразуемой в работу.
Отличие бестопливных двигателей с замкнутым от двигателей с разомкнутым циклом заключается в организации теплообмена с внешней средой и возможности варьировать давление и температуру в теплоприёмнике. Причём эффективность этих двигателей в значительной степени зависит от разности температур между источником теплоты внешней среды и теплоприёмником перед нагревом отработавшей газовой массы, используемой в следующих периодах. Варьируя параметры процесса присоединения, а также давление и температуру в теплоприёмнике и перед повторным использованием отработавшей массы, можно управлять мощностью двигателя и расширять диапазон температуры используемых источников теплоты внешней среды до отрицательных температур. На основе струйных двигателей с замкнутым циклом можно создавать воздухонезависимые бестопливные энергетические системы, способные работать за счёт низкопотенциальной теплоты в экстремальных условиях внешней среды.
Четвёртый способ. В двух предыдущих бестопливных способах преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды рабочее тело для получения активной струи сжимали в многоступенчатом механическом компрессоре.
Рассмотрим варианты использования рабочего тела без механического сжатия – при его ускорении в результате нагрева за счёт теплоты различных источников энергии. Например, низкопотенциальным теплом внешней среды в замкнутом объёме пневмоаккумулятора. В этом случае необходимое давление в пневмоаккумуляторе может быть получено за счёт его заполнения отработавшей в предыдущих периодах низкотемпературной массой, а расчётная разность температур перед нагревом сменяющейся массой внешнего теплоносителя достигается за счёт многократного использования отработавшей массы в процессе присоединения. Нагревать отработавшую массу нужно, по меньшей мере, в двух пневмоаккумуляторах, которые должны поочередно соединяться со струйным устройством после нагрева и отсоединяться для удаления остатков нагретого рабочего тела (при снижении давления ниже расчётного уровня) и очередного заполнения отработавшей массой. Причём в двигателях с открытым циклом при расширении удаляемых остатков можно выполнять полезную работу, например, привод устройств, ускоряющих нагнетание низкотемпературной массы в другой пневмоаккумулятор, а в двигателях с замкнутым циклом – выполнять работу и использовать в следующих периодах процесса присоединения в качестве присоединяемых масс. Для данного варианта нагрева необходимы большой объём пневмоаккумуляторов и площадь рабочей поверхности теплообменного устройства. Поэтому он может применяться в тех энергетических установках, в которых объём и масса не играют существенной роли и не может - в двигателях большинства транспортных средств.
Снизить массу бескомпрессорных двигателей можно, нагревая рабочее тело с использованием электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах за счёт части получаемой мощности, так как при нагреве низкотемпературного рабочего тела в пневмоаккумуляторе высокопотенциальной теплотой не нужно применять теплообменное устройство. При этом уменьшается время нагрева; масса электрогенератора меньше, конструкция проще и технологичней, а производство и эксплуатация по сравнению с компрессором менее затратны; потери энергии при получении расчётного уровня давления меньше, чем при механическом сжатии рабочего тела. Такой вариант эффективнее варианта нагрева рабочего за счёт низкопотенциальной теплоты и позволяет получить удельную мощность, даже большую чем при механическом сжатии газов.
В другом варианте - при использовании электрореактивного устройства для образования активной струи - низкотемпературную массу в пневмоаккумуляторе нужно нагревать лишь до минимального уровня давления или использовать иной способ, обеспечивающий поступление рабочего тела в это устройство, для последующего ускорения за счёт электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах. Для ускорения рабочего тела в импульсном электрореактивном устройстве можно применять различные методы (термоэлектрический, электромагнитный и т. д.), а при использовании этого устройства в процессе последовательного присоединения увеличивается скорость активной струи, повышается коэффициент m и удельная мощность бестопливного бескомпрессорного струйного двигателя.
Если за счёт мощности, полученной в результате преобразований низкопотенциальной энергии внешней среды генерировать электроэнергию для ускорения активной струи и одновременно для внешнего использования, то получается универсальный источник электроэнергии с не ограниченной сферой применения. Основное преимущество способа – простота конструкции, надёжность и высокая удельная мощность двигателей для его реализации - качества необходимые большинству двигателей транспортных средств, а особенно авиационным двигателям. Электрореактивному устройству для образования активной струи в процессе присоединения необходима лишь одна часть от полученной электроэнергии, а оставшуюся можно использовать, например, в электрореактивном движителе этого двигателя для создания реактивной тяги. Причём можно получать гиперзвуковую скорость истечения реактивной массы, которая ускоряется за счёт использования электроэнергии, получаемой также в результате бестопливных и бескомпрессорных преобразований низкопотенциальной энергии внешней среды. А при истечении реактивной струи из импульсного электрореактивного движителя в атмосфере её можно использовать в качестве активной в эжекторном устройстве этого движителя для увеличения реактивной тяги без дополнительных затрат электроэнергии.
В заключение, необходимо отметить, что не вся теплота внешних источников преобразуется в работу, часть её (согласно второму началу термодинамики) в разной степени, но во всех способах рассеивается во внешней среде в процессах преобразования энергии. Кроме того, важно подчеркнуть - реактивная тяга и кинетическая энергия объединённой массы, получаемые в результате процесса последовательного присоединения, больше тяги и кинетической энергии активной струи. На этом утверждении, подтвержденном экспериментально [2,3] и современными методами численного моделирования, основаны рассмотренные бестопливные способы преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды, которые отличаются лишь организацией теплообмена с этой средой, различными вариантами подготовки рабочего тела для образования активной струи и её ускорения. Принцип увеличения кинетической энергии одинаков во всех способах: прирост происходит при восстановлении газовыми массами низкопотенциального рабочего тела равновесного состояния, нарушаемого газовой массой импульсов активной струи в эжекторном насадке. Величина прироста кинетической энергии зависит от соотношений основных параметров процесса последовательного присоединения, а также соотношения конструктивных параметров и пропорций эжекторного устройства.
Таким образом, использование процесса последовательного присоединения дополнительных масс в энергетических системах позволяет без ущерба для экологии преобразовывать неисчерпаемую, даровую природную энергию в любом месте и независимо от условий внешней среды в необходимый вид энергии, доступный для потребления непосредственно в местах выработки.
Бестопливные струйные двигатели могут иметь широкий диапазон мощностей и сферы применения. В зависимости от используемых циклов и назначения они способны работать в любых условиях внешней среды: в атмосфере, космосе, под водой. Их производство проще, эффективнее аналогичных традиционных и возможно на большинстве машиностроительных предприятий.
Список литературы
1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М. Наука, 1969.
2. Открытие 314 СССР Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей / О. И. Кудрин, А. В. Квасников, В. Н. Челомей// Открытия и изобретения. 1951.
3. Кудрин О. И. Пульсирующее реактивное сопло с присоединением дополнительной массы. Труды МАИ. 1958. Выпуск 97.
4. Пат. 2188960 RU F 02 C 3/32, 5/12 Способ преобразования энергии в струйной установке (варианты), струйно-адаптивном двигателе и газогенераторе / Б. М. Кондрашов // Бюл. Изобретений. 2002. № 25.
5. Международная заявка PCT/RU2002/000338 F 02 C 3/32 Способ преобразования энергии в струйных двигателях / Б.М.Кондрашов//ВОИС PCT WO2004/008180A1
Список принятых обозначений:
· m - коэффициент присоединения дополнительных масс.
· Caj
- скорость активной струи.
· TM - объединённая реактивная масса.
· wtm
- коэффициент скорости объединённой реактивной массы.
· Ctm
- скорость объединённой реактивной массы.
· Cpj
- скорость пульсирующей реактивной струи.
· Etm
- кинетическая энергия объединённой реактивной массы.
· Eaj
- кинетическая энергия активной струи.
· Eexp
- затраты и потери энергии в процессах преобразования.
· Eace
- энергия для сжатия воздуха, образующего активную струю
· Ece
- потери энергии при сжатии воздуха в компрессоре.
· Ete
- потери энергии при преобразовании Etm
в турбине.
· Eoe
- прочие потери энергии.
· Eus
- энергия, используемая потребителями.
в т. ч. в схеме бестопливного струйного двигателя:
1 - сужающееся реактивное сопло; 2 - эжекторный насадок - устройство присоединения дополнительных масс эжекторного соплового аппарата; 3 - первая турбина силового вала; 4 - вторая турбина силового вала; 5 - силовой вал; 6 - центробежный компрессор силового вала; 7 - осевой компрессор силового вала; 8 - центробежный диффузор; 9 - выпускной пневмоклапан; 10 - пневмоклапан; 11 - направляющий аппарат; 12 - объём вихревой камеры – низкотемпературного теплоприёмника; 13 - направляющий аппарат на входе второй ступени турбины 4; 14 - лопатки второй ступени турбины 4; 15 - направляющий аппарат на входе компрессора 6; 16 - выпускной пневмоклапан; 17 - пневмоклапан; 18 - пневмоаккумулятор рабочего тела; 19 - обратный клапан для подачи рабочего тела, сжатого внешними устройствами; 20 - обратный клапан для подачи рабочего тела, сжатого в компрессоре двигателя; 21 - электромагнитный клапан для периодической подачи рабочего тела; 22 - турбинные лопатки - направляющий аппарат на входе в турбину 3; 23 - турбинные лопатки турбины 3; 24 - направляющий аппарат на выходе турбины 3; 25 - лопатки первой ступени турбины 4; 26, 27 - клапаны впускные; 28 - реактивное сопло; 29 – турбина, не закреплённая на силовом валу; 30 - компрессор, кинематически не связанный с силовым валом.