Рассмотрены способы преобразования низкопотенциальной энергии внешней сре-ды в газотурбинных двигателях для получения мощности на валу, высокопотенциальной теплоты, «холода" и реактивной тяги. В них используется процесс последовательного присоединения дополнительных масс, который реализуется в эжекторных сопловых ап-паратах ГТД. В отличие от известных преобразователей этой даровой энергии (ветро-вых, 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 ис-пользованием топлива, повышает надёжность работы, упрощает конструкцию, техно-логию, снижает затраты и делает производство этих систем возможным на большин-стве машиностроительных предприятий, а эксплуатацию экологичной и безопасной. С каждым годом обостряются проблемы удовлетворения энергетических потребно-стей общества. Сокращаются запасы углеводородного сырья, растёт энергопотребление, ухудшается экология, а экологически чистые технологии использования возобновляемых источников энергии, в т. ч. атмосферы, не эффективны. Неравномерный нагрев газов, сжатых под действием гравитации, вызывает измене-ния давления, нарушая равновесное состояние атмосферы. При его восстановлении по-тенциальная и тепловая энергия воздушных масс преобразуются в кинетическую. В ре-зультате этого стохастического природного процесса энергия атмосферы стано-вится доступной для использования в ветродвигателях, выполняющих механическую работу без потребления кислорода и выработки продуктов сгорания. Их недостатки - низ-кая 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, нарушае-мое в них активной струей рабочего тела, атмосфера совершает механическую работу. Её объём зависит от величины, но в большей степени от способа воздействия, а также пара метров эжекторных устройств и сферы их применения. В эжекционном процессе - парал-лельного присоединения к стационарной реактивной струе тяга увеличивается без допол-нительных затрат энергии топлива за счёт «неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора, появление которой обусловлено понижени-ем давления на стенках раструба при втекании в него эжектируемого воздуха» [1] (это утверждение Абрамовича Г.Н. констатирует факт управляемого использования энергии атмосферы для выполнения работы). Показатели эффективности процесса - КПД и коэффициент присоединения дополнительных масс m (равный отношению присое-диняемой воздушной массы к массе активной струи) низкие из-за турбулентного смеше-ния и трения, уменьшающих скорость активной струи Caj. В результате тяга и кинетиче-ская энергия реактивной массы увеличиваются незначительно. В другом процессе - последовательного присоединения (имеющего иную физиче-скую основу, которая не обязательно связана со смешением объединяемых масс) воздей-ствие пульсирующей активной струи создаёт периодическое разрежение в эжекторном на-садке, 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: расчёт-ной частоты, формы, длительности и скорости газовой массы импульсов активной струи, скорости набегающего потока, а также конструктивных параметров эжекторного устрой-ства. Только при их оптимальном значении присоединение происходит за счёт после-довательного втекания воздушных масс вслед за газовой массой импульсов, при котором практически отсутствует их выталкивание из эжекторного насадка газовой массой сле-дующего импульса и турбулентное смешение разделённых газовых масс, уменьшающие эффективность управляемого преобразования энергии атмосферы. Одним из авторов открытия «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей» [2] О. И. Кудриным проведе-ны экспериментальные исследования, подтвердившие эффективность этого процесса [3]. К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно потому, что изна-чально исследования были сконцентрированы в оборонной отрасли и направлены на по-лучение реактивной тяги (дополнительной к тяге винтовых движителей поршневых авиа-ционных двигателей). А если процесс присоединения дополнительных масс (обеспечи-вающий существенный прирост кинетической энергии реактивной струи) применяется для увеличения тяги реактивного движителя, то большая часть дополнительно получен-ной энергии не может быть использована для выполнения полезной работы и неизбежно рассеивается в атмосфере, создавая иллюзию низкой эффективности и самого процесса присоединения. Специфика данной сферы применения и начавшееся в то же время освое-ние турбореактивных двигателей (со стационарно истекающей реактивной струёй) вместо поршневых не способствовали его внедрению в авиации. А эти факторы и недостаток ин-формации об экспериментальных исследованиях процесса стали препятствием для его внедрения также и в других отраслях, где кинетическую энергию воздушной массы, по-лучаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно ис-пользовать не для образования реактивной тяги, а более эффективно. Кроме того, откры-тие было сделано в тот период, когда проблема уменьшения запасов традиционных энер-гоносителей 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 атмосфе-ры традиционно ограничено ветроэнергетикой. При описании предлагаемых способов преобразования низкопотенциальной энергии введём показатели и их зависимости, 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 образо-вании активной струи, но расширяющимся в объёме с неизменным давлением. Рассмотрим четыре основных способа преобразования низкопотенциальной энергии в струйных двигателях с разными термодинамическими циклами. Первый - в струйном двигателе с эжекторным сопловым аппаратом и рабочим те-лом, получаемым при сгорании топлива в камере периодического сгорания [4]. Процесс присоединения в нём состоит из повторяющейся с заданной периодичностью пары после-довательных, но разных термодинамических циклов - в каждом цикле свой источник энергии и рабочее тело. В первом: после сгорания топлива (при V=const) энергия продук-тов 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 её 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, расширяется, охлаждается и ускоряеся (также, как в стохасти-ческом природном процессе, но в заданном направлении и с расчётными термодина-мическими параметрами), образуя при истечении из эжекторного насадка вторую часть реактивной массы, воздействующую на лопатки. При ускорении присоединяемой воздуш-ной 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 вто-ром цикле этого периода и скорость присоединяемого в нём воздуха. Тем самым, в ре-зультате преобразования энергии низкопотенциального источника в предыдущем пе-риоде создаются условия для повышения эффективности преобразования энергии дру-гого - 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, обеспечи-вающую при восстановлении равновесного состояния ускорение присоединяемых воз-душных масс, а также увеличение кинетической энергии активной струи. А в резуль-тате этого дискретного процесса объединённая масса (1.1) воздействует на лопатки с ки-нетической энергией, возросшей в процессе присоединения за счёт преобразования и ис-пользования энергии атмосферы, увеличивая момент на валу турбины без дополнитель-ных затрат топлива. При этом для получения одинаковой мощности топлива затрачивает-ся меньше, чем в ГТД традиционных схем, как минимум, в количество раз, пропорцио-нальное коэффициенту m, скорректированному на величину коэффициента wtm (1.2). Необходимо отметить, что после начала истечения продуктов сгорания уменьшается их давление в камере, а также перед критическим сечением сопла и, соответственно, сте-пень расширения «хвостовой» части газовой массы импульса в первом цикле и её ско-рость. 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 ско-рость. Результат - частичное смешение разделённых газовых масс, снижающее Ctm. Однако эксперимент [3] показал, что даже при наличии этих потерь объединённая реактивная масса может иметь кинетическую энергию: Etm= 0.5 (1 + m) C2tm (2.1) на много большую, чем кинетическая энергия активной струи: Eaj = 0.5 C2aj (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 та-кой 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. Так, для прироста в 2.4 раза, если даже предположить, что уменьшение Ctm по сравнению с Cpj возможно, например, в 2 раза (что маловероятно в этом процессе), m должен быть равен 2.4 × 22 т.е. 9.6. А коэф-фициент 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 (1.2), эксперимен-тально полученная Etm = 0.5 (1 + 2.4mn2) (Ctm /n)2 больше, чем в 2.4 раза кинетической энергии активной струи (2.2). Причём она, не рассеиваясь в атмосфере, как при создании реактивной тяги движителя, используется для выполнения механической работы. Следо-вательно, 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 для его реализации оценива-ется суммарным КПД, который равен КПД теплового двигателя, увеличенному на произ-ведение коэффициентов m и wtm. Причём сегодня возможности повышения эффективно-сти ГТД с циклом при P=const. практически исчерпаны, а значения коэффициента m про-цесса присоединения, полученные экспериментально [2] - от 10 до 50, т. е. эффективность комбинированных двигателей более чем на порядок выше эффективности современных ГТД с соответствующим уменьшением выброса в атмосферу продуктов сгорания. Автором статьи разработан стендовый вариант комбинированного струйного ГТД (а совместно с «НПО Машиностроение», г. Реутов - конструкторская документация), кото-рый, наряду с численным моделированием, позволяет варьировать и оптимизировать ос-новные 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, кото-рые можно получать при расширении сжатого рабочего тела, не используя для него до-полнительный подогрев. Следовательно, продукты сгорания можно заменить сжатым воз-духом, а камеру сгорания пневмоаккумулятором [5]. При истечении воздуха из пневмоак-кумулятора давление перед критическим сечением сопла в течение цикла остаётся посто-янным. Поэтому «хвостовая» часть газовой массы импульсов активной струи, снижающая эффективность процесса присоединения, отсутствует, что практически исключает смеше-ние последовательно движущихся разделённых воздушных масс и, следовательно, потери на их трение. Коэффициент wtm становится больше 1. Так как Ctm равно Caj, то в результате кинетическая энергия объединённой массы (2.1) будет больше кинетической энергии ак-тивной струи (2.2), т. е. Etm больше Eaj, и, соответственно, больше потенциальной энергии рабочего тела для образования активной струи Eace, не менее, чем в m раз. Причём вели-чина m (которая будет больше, чем в процессе с активной струёй продуктов сгорания, при прочих равных параметрах) изменяется в зависимости от параметров процесса присоеди-нения в диапазоне от 10 до 50 [3], поэтому Eace, составляет лишь от 1/10 до 1/50 от Etm. Для повышения давления воздуха в пневмоаккумуляторе перед его расширением в струй-ном устройстве можно использовать различные способы и источники энергии. Например, такой баланс энергии позволяет использовать мощность, полученную в результате процессов преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах, для механиче-ского сжатия рабочего тела, образующего активную струю. Суммарные энергозатраты и потери в процессах преобразований будут: 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. При этом общий удельный вес технологических потерь (Ece + Ete + Eoe), будет не выше 25% от Etm, в том числе: Ece 20% от Eace; Ete 15% от Etm; Eoe 2% от Eaj. (выделение слова потери подчеркивает, что данный способ преобразования энергии не противоречит второму началу термодинамики) В основном их величина зависит от потерь в турбине, а удельный вес потерь в компрессоре и прочих потерь при больших величинах m незначи-телен и составляет, соответственно, 1% и 0.1% от Etm, увеличиваясь с уменьшением m. С учётом энергозатрат и потерь (2.3), энергия для потребителей будет: Eus = Etm – Eexp. (2.4) Если принять Etm равной 100%, то, при средних значениях коэффициентов m рав-ного 20 и wtm равного 1, Eus = 100% – (5% + 1% + 15%+ 0.1%) = 78.9%, а Eexp равна 21.1% от Etm. Если основные параметры процесса и/или их соотношения отклоняются от опти- мальных величин, то значения m и wtm уменьшаются. Для компенсации технологических энергозатрат и потерь (2.3) в процессах преобразования, достаточно увеличить кинетиче-скую энергию (2.1), по сравнению с (2.2), на 44%, т.е. для самоподдержания этого процес-са Etm должна быть больше Eaj лишь в 1.44 раза. Полученная сверх этого энергия исполь-зуется внешними потребителями. Например, при m равном 1 удельный вес технологиче-ских 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% от Etm. Это значит, что да-же при такой малой величине m, равной 1 (достижимой при не самых оптимальных па-раметрах этого процесса присоединения), невысоких КПД турбины 0.85 и компрессора 0.8, для сжатия рабочего тела можно использовать энергию, полученную в предыду-щих циклах, оставляя потребителям 24% располагаемой Etm. Результаты эксперимента также подтверждают возможность преобразова-ний энергии атмосферы при сжатии рабочего тела за счёт мощности, полученной в результате её преобразований в предыдущих циклах. Если экстраполировать увеличе-ние кинетической энергии (в 2.4 раза), полученное экспериментально в процессе последо-вательного присоединения с активной струёй из продуктов сгорания [3], на аналогичный процесс с использованием сжатого воздуха для образования этой струи (без учёта реаль-ного снижения потерь на смешение и трение объединяемых масс, повышающего эффек-тивность этого процесса), то Eus = 100% – (41.7%+8.3%+15%+ 0.8%) = 34.2% от Etm. Согласно второму началу термодинамики не вся энергия одного неисчерпаемого источника в предлагаемом способе преобразуется в работу - часть в теплоту упомянутых выше потерь. А при механическом сжатии рабочего тела - в высокопотенциальную теп-лоту, температуру которой можно регулировать в зависимости от степени сжатия и охла-ждения рабочего тела перед расширением, для полезного использования, например, в сис-темах отопления. При расширении сжатого и охлаждённого, например, до атмосферной температуры рабочего тела значения Caj и Ctm будут находиться в диапазоне величин ко-эффициента скорости λ 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 атмо-сферного и отработавшего – холодного воздуха, возвращаемого в эжекторные насадки в качестве присоединяемых масс, можно получать температуру воздушной массы, необхо-димую, например, в системах кондиционирования. Если отработавший в одном устройст-ве присоединения или эжекторном сопловом аппарате воздух направлять в качестве при-соединяемых масс в другое или следующий сопловой аппарат и т.д., то его можно охлаж-дать до расчётных сверхнизких температур, используемых в криогенной технике. Процесс последовательного присоединения дополнительных масс воздуха в рас-смотренном бестопливном способе преобразования энергии атмосферы также состоит из повторяющейся с заданной периодичностью пары последовательно связанных термоди-намических циклов со своими источниками энергии и рабочими телами: из обратного цикла Карно (цикла воздушного теплового насоса – холодильной машины) и второго цик-ла - 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 высокопотенциального рабочего тела – сжатого воздуха в нём создаются ус-ловия для начала второго цикла с использованием энергии атмосферы. Таким образом, за счёт энергии атмосферы, преобразованной в процессе после-довательного присоединения предыдущих периодов, осуществляется привод воздуш-ного теплового насоса, при работе которого создаются условия для преобразования в следующих периодах низкопотенциальной энергии внешней газовой массы, находя-щейся в равновесном состоянии, в доступную для использования кинетическую энер-гию, высокопотенциальную теплоту и «холод» расчётной температуры. В этом способе отработавшая газовая масса холодная и не содержит продуктов сго-рания. Источники энергии - низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха и грави-тация, создающая атмосферное давление (также как в природном стохастическом процес-се). А условия для преобразования энергии атмосферы создаются при расширении сжато-го воздуха, сжимаемого за счёт части мощности, полученной в предыдущих периодах. Поэтому устройства, осуществляющие этот способ с использованием открытых термоди-намических циклов - атмосферные бестопливные струйные двигатели. Эффективность преобразования энергии в них, по сравнению с известными преобразователями даровой энергии - ветровыми, солнечными, геотермальными, 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. Их эффективность зависит, 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. Её можно оценивать величиной удельной мощности или отношением Eus/Etm, числитель которого увеличивается на величину энергии, используемой дополнительно сверх получаемой мощности. Рассмотрим некоторые дополнительные возможности повышения эффективности и расширения сферы применения бестопливных двигателей с использованием схемы: Принципиальная схема бестопливного струйного двигателя
Она содержит эжекторный сопловой аппарат, состоящий из сужающегося реактив-ного сопла 1 и эжекторного насадка - устройства присоединения 2. Проточная часть уст-ройства присоединения, а также турбин 3 и 4, закреплённых на концах силового вала 5, находится внутри этого полого вала. 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 ис-течения сжатого воздуха из реактивного сопла 1. Вслед за воздушной массой импульса в устройстве 2 образуется разрежение. Под действием атмосферного давления присоеди-няемый воздух через клапаны 26,27, лопатки 22 турбины 29, лопатки 23 турбины 3, на-правляющий аппарат 24 ускоряется вслед за воздушной массой импульса. От геометриче-ских 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 при-соединяемого 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. Полученная суммарная мощность используется для привода компрессоров 6,7 и внешни-ми потребителями. В варианте, выделенном пунктирной линией и обозначенном А, отработавшая объе-динённая масса направляется в центробежный диффузор 8, в котором её оставшаяся кине-тическая 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 повышен-ным 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 (2.1) с понижением температуры и увеличением момента на валу 5. Получать разрежение для увеличения разности потенциалов давлений можно без до-полнительных затрат энергии. Для этого струи, истекающие из лопаток 25 турбины 4 по-сле создания момента, через направляющий аппарат 11 закручиваются по спирали (вари-ант Б). В объёме 12, в который происходит истечение, за счёт их оставшейся кинетиче-ской энергии создается вихревой эффект, образующий в центральной части разрежение, увеличивающее разность потенциалов давлений при расширении рабочего тела. Одновре-менно в периферийной части созданного вихря повышается давление объединённой мас-сы, которая через направляющий аппарат 13 воздействует на лопатки 14 турбины 4, а за-тем (сразу или после сжатия в компрессоре 6) через клапан 16 выбрасывается и/или через клапан 17 направляется для повторного использования. В варианте Б можно дополнитель-но 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 энер-гии на работу сжатия, по сравнению со сжатием воздуха с атмосферной температурой, по-этому двигатели с открытым циклом, наряду с получением мощности, можно использо-вать 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 ком-прессоры 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 термодинамиче-ском цикле [5]. Представим, что атмосферный бестопливный струйный двигатель помещён в изоли-рованный от внешней среды объём, заполненный газом - воздухом или гелием. При рабо-те двигателя, за счёт охлаждения отработавшей массы, в нём понизятся температура и давление. Параметры процесса присоединения изменятся настолько, что в какой-то мо-мент Etm станет недостаточно для создания расчётной мощности компрессора, сжимаю-щего рабочее тело для образования активной струи. В каждом цикле будет уменьшаться степень сжатия и Caj. Процесс присоединения постепенно «затухнет» и двигатель, «замо-розившись», остановится. Этого не произойдёт, если изолированный объём используется в качестве низкотем-пературного теплоприёмника для истечения отработавшей газовой массы и соединён с те-плообменным устройством. А выход этого устройства соединён с входами устройства присоединения и компрессора, образуя замкнутый контур. Под действием неуравнове-шенной силы давления газов, возникающей при создании разрежения за газовой массой импульсов активной струи, часть отработавшей газовой массы из этого объёма направля-ется в теплообменное устройство. В нём, получая тепло и понижая температуру внешней среды, она нагревается до расчётной температуры перед выполнением функций присое-диняемых масс следующих периодов. Другая часть отработавшей газовой массы через те-плообменное устройство (или минуя его) направляется в компрессор для сжатия и даль-нейшего использования в качестве высокопотенциального рабочего тела. В результате - нагрев отработавшей газовой массы в теплообменном устройст-ве, позволяет осуществлять процесс последовательного присоединения в струйных двигателях с замкнутым циклом сколь угодно долго и независимо от давления внеш-ней среды, которая при этом выполняет функции нагревателя - источника теплоты, преобразуемой в работу. Отличие бестопливных двигателей с замкнутым от двигателей с разомкнутым цик-лом заключается в организации теплообмена с внешней средой и возможности варьиро-вать давление и температуру в теплоприёмнике. Причём эффективность этих двигателей в значительной степени зависит от разности температур между источником теплоты внеш-ней среды и теплоприёмником перед нагревом отработавшей газовой массы, используе-мой в следующих периодах. Варьируя параметры процесса присоединения, а также давле-ние и температуру в теплоприёмнике и перед повторным использованием отработавшей массы, можно управлять мощностью двигателя и расширять диапазон используемых ис-точников 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. На-пример, низкопотенциальным теплом внешней среды в замкнутом объёме пневмоаккуму-лятора. В этом случае необходимое давление в пневмоаккумуляторе может быть получено за счёт его заполнения отработавшей в предыдущих периодах низкотемпературной мас-сой, а расчётная разность температур перед нагревом сменяющейся массой внешнего теп-лоносителя достигается за счёт многократного использования отработавшей массы в про-цессе присоединения. Нагревается она, по меньшей мере, в двух пневмоаккумуляторах, которые должны поочередно соединяться со струйным устройством после нагрева и отсо-единяться 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 ра-боту, например, привод устройств, ускоряющих нагнетание низкотемпературной массы в другой пневмоаккумулятор, а в двигателях с замкнутым циклом – выполнять работу и ис-пользовать 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 применять-ся в тех энергетических установках, в которых объём и масса не играют существенной ро-ли и не может - в двигателях большинства транспортных средств. Снизить массу бескомпрессорных двигателей можно, нагревая рабочее тело с ис-пользованием электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах за счёт части полу-чаемой мощности. При нагреве низкотемпературного рабочего тела в пневмоаккумуляторе высокопо-тенциальным теплом до температуры внешней среды: не нужно теплообменное устройст-во; уменьшается время нагрева; масса электрогенератора меньше, конструкция проще и технологичней, а производство и эксплуатация по сравнению с компрессором менее за-тратны; потери энергии при получении расчётного уровня давления меньше, чем при ме-ханическом 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 образо-вания активной струи - низкотемпературную массу в пневмоаккумуляторе нужно нагре-вать лишь до минимального уровня давления или использовать иной способ, обеспечи-вающий поступление рабочего тела в это устройство, для последующего ускорения за счёт электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах. Принципы ускорения рабо-чего тела в импульсном электрореактивном устройстве могут применяться различные (термоэлектрический, электромагнитный и т. д.), а использование этого устройства в про-цессе последовательного присоединения увеличивает скорость активной струи, коэффи-циент m и удельную мощность бестопливного бескомпрессорного струйного двигателя. Если за счёт мощности, полученной в результате преобразований низкопотенциаль-ной 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 ак-тивной струи в процессе присоединения необходима лишь одна часть от полученной элек-троэнергии, а оставшуюся (численно равную коэффициенту m), можно использовать, на-пример, в электрореактивном движителе этого двигателя для создания реактивной тя-ги, с возможностью получения гиперзвуковой скорости истечения реактивной массы, ко-торая будет ускоряться за счёт электроэнергии, полученной также в результате бестоп-ливных и бескомпрессорных преобразований низкопотенциальной энергии внешней сре-ды. А при истечении реактивной струи из импульсного электрореактивного движителя в атмосфере её можно использовать в качестве активной для увеличения тяги этого движи-теля без дополнительных затрат электроэнергии. В заключение, принципиально важно отметить, что не вся теплота внешних ис-точников преобразуется в работу, часть её (согласно второму началу термодинамики) в разной степени, но во всех способах рассеивается во внешнюю среду в процессах преоб-разования энергии. Кроме того, важно подчеркнуть - реактивная тяга и кинетическая энергия объединённой массы, получаемые в результате процесса последовательного при-соединения, больше тяги и кинетической энергии активной струи. На этом утверждении, подтвержденном экспериментально [2,3] и современными методами численного моде-лирования, основаны предлагаемые бестопливные способы преобразования энергии, ко-торые отличаются лишь организацией теплообмена с окружающей средой, различными вариантами подготовки рабочего тела для образования активной струи и её ускорения. А принцип увеличения кинетической энергии одинаков во всех способах: прирост про-исходит при восстановлении газовыми массами низкопотенциального рабочего тела равновесного состояния, нарушаемого газовой массой импульсов активной струи в эжекторном насадке. Причём присоединяемые массы могут ускоряться практически без потерь на трение, а вследствие их ускорения - увеличивается скорость активной струи. Величина прироста кинетической энергии объединённой массы зависит от соотношений основных параметров процесса последовательного присоединения, а также соотношения конструктивных параметров и пропорций эжекторного устройства. Только в узком диапа-зоне их оптимальных значений отсутствует смешение и трение газовых масс в процессе присоединения и возможен значительный прирост кинетической энергии. Таким образом, использование процесса последовательного присоединения допол-нительных масс в энергетических системах позволяет без ущерба для экологии преобра-зовывать неисчерпаемую, даровую природную энергию в любом месте и независимо от условий внешней среды в необходимый вид энергии, доступный для потребления непо-средственно в местах выработки. При использовании источников теплоты, можно управ-лять их агрегатным состоянием, а при масштабном применении этих систем - локально изменять климатические условия. 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 произ-водство проще, эффективнее аналогичных традиционных и возможно на большинстве машиностроительных предприятий. Б. М. Кондрашов Литература: 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 дополнитель-ной 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 15 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 ка-меры – низкотемпературного теплоприёмника; 13 - направляющий аппарат на входе вто-рой ступени турбины 4; 14 - лопатки второй ступени турбины 4; 15 - направляющий аппа-рат на входе компрессора 6; 16 - выпускной пневмоклапан; 17 - пневмоклапан; 18 - пнев-моаккумулятор рабочего тела; 19 - обратный клапан для подачи рабочего тела, сжатого внешними устройствами; 20 - обратный клапан для подачи рабочего тела, сжатого в ком-прессоре двигателя; 21 - электромагнитный клапан для периодической подачи рабочего тела; 22 - турбинные лопатки - направляющий аппарат на входе в турбину 3; 23 - турбин-ные лопатки турбины 3; 24 - направляющий аппарат на выходе турбины 3; 25 - лопатки первой ступени турбины 4; 26, 27 - клапаны впускные; 28 - реактивное сопло; 29 – турби-на, не закреплённая на силовом валу; 30 - компрессор, кинематически не связанный с си-ловым валом. Кондрашов Борис Михайлович, Тел/факс (095) 1403306, E-mail kbm@mail.ru
http://www.apxu.ru/article/izmalkov/german.htm http://www.inventure.com.ua/main/projects/innovacionnye-razrabotki-izmalkova geizmalkov@yandex.ru Мои изобретения "Электродвигатель-генератор тока", "Электромагнитная машина" и "Генератор электроэнергии" основаны на аксиоме электротехнике - чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше ЭДС самоиндукции. Не факт, что энергия, затраченная на это изменение магнитного, поля будет равна или меньше энергии ЭДС самоиндукции, и если это уравнивание будет в пользу последнего из этих вариантов, то бестопливная энергия будет иметь место и вопрос только в том, чтобы сделать правильно опытный образец и завести это изделие на поток. Сделать опытный образец для меня очень проблематично. Резко изменить магнитное поле в моих этих изобретениях получается четырьмя способами: 1. Поменять переключателями ток на обратный в момент совпадения при вращении постоянного магнита с магнитопроводом электромагнита: момент когда сила втягивания реверсируется на силу невыпускания - изменение направления тока переключением тока на обратный силу невыпускания заменяет на силу выталкивания, то есть магнитный поток постоянно работает на создание крутящего момиента и все время в одну сторону. Тут не понятна роль ЭДС самоиндукции, она в принципе совпадается по направлению с током, так как ток именно в этот момент переключен на обратный. Это были мои первые заявки их заблокировала компания "Технопром" которые я с ней http://ic-technoprom.ru обманом заставила подписать меня 4 документа на передачу им патентных прав на мое изобретение "Электродвигатель-генератор тока", я эти документы вышлю следующим письмом, но свои пункты этого договора они не выполняют - деньги на выполнение опытного образца не шлют, так что многие считают, что этот договор не может считаться действующим. 2. Просто сделать по п.1, но на пол-периода - время действия ЭДС - выключить ток. Это мои изобретения "Электромагнитная машина. 3. Преобразовать ток в импульсный прямоуголный ток и через диод сделать его пульсирующий однонаправленным. В этом случает для устройств по изобретению "Электромагнитная машина" максимум напряжения электрического тока и максимум силы магниного поля должны совпасть в момент, описанный по п.1, и резкие импульсное изменения электрического и магнитного поля должны произойти тоже в этот момент, так как там задействованы большие силы на создание крутящего момента. Если этот ток пропускать не через "Электромагнитную машину", а через "Генератор электроэнергии", то мы получим также бестопливное устройство без вращающихся частей, которое долговечно и не имеет потерь на трение, работает долговечно и в условиях жаркого и влажного тропического климата. 4. Все что сказано по п.3, но в магнитопроводе по обмоткой находится не магнитомягкий материал, магнитотвердый материал - постоянный магнит - подробности читайте в этом письме-заготовке. Мне нужны магнитопласты с осевым намагничиванием цилиндрической формы диаметром 20 мм, длина 40 мм, но можно и меньше - эту длину я могу составить, установив магниты друг за другом. Мне нужные магнитопласты с большой намагниченностью с осевым намагничивание в виде колец с внутренним диаметром от 20 мм до 200 мм с толщиной стенки от 5 мм до 30 мм и высотой от 15 мм и до 60 мм. Магнитопласты должны быть литые или прессованные или то и другое - я буду делать эксперементы над обоими видами, после чего закажу по заинтесовавшему варианту большое количество экзепляров. Если есть возможность от вас получить, то мне более точно нужно: Мне нужны магнитопласты одной формы КОЛЬЦО С ВНЕШНИМ ДИАМЕТРОМ 60 мм, ВНУТРЕННИМ ДИАМЕТРОМ 41 мм и ВЫСОТОЙ 20 мм, все размерные допуски +/- 0,5 мм и с ОСЕВЫМ намагничиванием, выполненными прессованными по марке NP10.5 и литыми по марке SZ-10 .
