Струйные энергетические технологии

Кондрашов Б.М.
Москва, Россия

Содержание

Введение

Описание

Способ 1

Способ 2

Способ 3

Способ 4

Заключение

Литература и используемые обозначения

Первый способ

Кинетическую энергию газовой массы для получения мощности на валу можно использовать только в двигателях динамического принципа действия. В данном случае низкопотенциальная энергия преобразуется в струйном ГТД с эжекторным сопловым аппаратом и рабочим телом, получаемым при сгорании топлива в камере периодического сгорания [4]. Процесс последовательного присоединения воздушных масс 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 в насадке 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, которая тоже воздействует на лопатки. При ускорении присоединяемого воздуха в насадке понижается давление, увеличивая разность потенциалов давлений перед истечением в него газовой массы импульса активной струи следующего периода и, соответственно, кинетическую энергию данной массы. Как следствие ускорения повышается степень разрежения в насадке во втором цикле этого периода и скорость присоединяемого в нём воздуха. Тем самым, в результате преобразования энергии низкопотенциального источника - атмосферы 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 не только ускорение присоединяемых воздушных масс, но и увеличение кинетической энергии активной струи. А в результате этого дискретного процесса объединённая масса воздействует на лопатки турбины с возросшей (по сравнению с активной струёй) кинетической энергией, увеличивая 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 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 воздушной массы и её скорости. В результате "головная" часть импульса продуктов сгорания следующего периода (имеющая скорость больше, чем C_pj) выталкивает из насадка "хвостовую" часть присоединяемой воздушной массы предыдущего периода, имеющую меньшую скорость. Это приводит к частичному смешению разделённых газовых масс и уменьшению коэффициента w_tm.

В экспериментах, проведенных О.И. Кудриным при эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей струёй продуктов сгорания, был получен прирост реактивной силы до 140% к исходной тяге, т.е. тяга увеличилась в 2.4 раза. Известно, что величина прироста тяги, получаемая в результате эжекционного процесса, зависит от геометрических параметров эжекторного устройства, изменения реактивной массы и скорости её истечения. Этот прирост тяги мог быть получен при различных значениях параметров процесса присоединения. При этом прирост кинетической энергии может значительно отличаться от прироста тяги, так как в большей степени зависит от изменения скорости объединённой массы. В данном случае, если коэффициент w_tm равен 1, а m равен 2.4, то оба прироста одинаковы, и кинетическая энергия объединённой реактивной массы

E_tm= 0.5 (1 + m) C²_tm,     (2.1)

будет больше, чем кинетическая энергия активной струи

E_aj = 0.5 C²_aj,     (2.2)

также в 2.4 раза. Если коэффициент w_tm больше 1, то прирост кинетической энергии больше прироста тяги. Чтобы получить такой же прирост тяги (в 2.4 раза) при w_tm меньше 1, присоединяемая воздушная масса должна быть равна 2.4mn, 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. Тогда для получения прироста кинетической энергии в 2.4 раза, при предположении, что C_tm будет меньшее, по сравнению с C_pj, например, в 2 раза (что маловероятно в этом процессе), m должен быть 2.4 x 2² т.е. равен 9.6. А коэффициент m, полученный экспериментально, больше 10, поэтому прирост кинетической энергии и при таком гипотетическом предположении больше прироста тяги.

Таким образом, значение кинетической энергии, полученное в результате процесса последовательного присоединения (при увеличении тяги в 2.4 раза и максимально возможном уменьшении w_tm), равное E_tm = 0.5 (1 + 2.4mn²) (C_tm/n)², может быть больше, чем в 2.4 раза кинетической энергии активной струи E_aj = 0.5 C²_aj. Причём полученная кинетическая энергия объединённой реактивной массы не рассеивается в атмосфере, как при создании 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.

Далее >>