4598-1 (Струйные энергетические технологии)

Струйные энергетические технологии

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 C_aj. 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:

w_tm = C_tm / C_pj (1.2)

где C_tm – скорость объединённой реактивной массы (C_tm равна C_aj, которая зависит от периодического изме­нения давления в эжекторном насадке); C_pj - 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 w_tm), 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

E_tm= 0.5 (1 + m) C²_tm (2.1)

Значительно больше, чем кинетическая энергия активной струи

E_aj = 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 w_tm (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 w_tm меньше 1, присоединяемая воздушная масса должна быть равна 2.4 m n, где n – коэффициент, на который уменьшается C_aj и C_tm. А для получения прироста кинетической энергии, равного приросту тяги, в процессе с w_tm меньше 1, необходим коэффициент m, увеличенный в n² раз. Например, для получения прироста кинетической энергии в 2.4 раза, при условии, что C_tm будет меньшее по сравнению с C_pj 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 w_tm, экспериментально полученное значение кинетической энергии равное E_tm = 0.5 (1 + 2.4mn²) (C_tm /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 w_tm.

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 C_aj 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 w_tm становится больше 1. Так как C_tm равно C_aj, то кинетическая энергия объединённой массы (2.1) будет больше кинетической энергии активной струи (2.2), т. е. E_tm больше E_aj, и, соответственно, больше потенциальной энергии рабочего тела – сжатого воздуха, образующего активную струю E_ace, не менее, чем в m раз. Величина m изменяется в зависимости от параметров процесса присоединения в диапазоне от 10 до 50 [3], поэтому E_ace, составляет лишь 0.1 – 0.02 E_tm. 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

E_exp = E_ace + E_ce + E_te + E_oe (2.3)

где E_ce – потери энергии при сжатии воздуха в компрессоре; E_te – потери энергии при преобразовании E_tm в турбине; E_oe – прочие потери энергии.