4598-1 (Струйные энергетические технологии), страница 3

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 E_tm станет недостаточно для создания расчётной мощности компрессора, сжимающего рабочее тело для образования активной струи. В каждом цикле будет уменьшаться степень сжатия и C_aj. 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.

· C_aj - скорость активной струи.

· TM - объединённая реактивная масса.

· w_tm - коэффициент скорости объединённой реактивной массы.

· C_tm - скорость объединённой реактивной массы.

· C_pj - скорость пульсирующей реактивной струи.

· E_tm - кинетическая энергия объединённой реактивной массы.

· E_aj - кинетическая энергия активной струи.

· E_exp - затраты и потери энергии в процессах преобразования.

· E_ace - энергия для сжатия воздуха, образующего активную струю

· E_ce - потери энергии при сжатии воздуха в компрессоре.

· E_te - потери энергии при преобразовании E_tm в турбине.

· E_oe - прочие потери энергии.

· E_us - 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.