Укрощение огня
Суперсовершенные тепловые двигатели ХХI века
Докладчик: Романов В.А.
Возникшие перед человечеством проблемы глобального потепления и истощения запасов углеводородного топлива на Земле, требуют принятия срочных мер по снижению отрицательного влияния современных тепловых двигателей на окружающую среду и повышения их эффективности и экономичности. Однако, производителей современных двигателей это мало волнует.
В условиях рыночной экономики прекратить малоэффективную дорогостоящую реанимацию морально устаревших и, не отвечающих возросшим требованиям по эффективности, экономичности и экологической чистоте традиционных тепловых двигателей (ТД), может только появление тепловых двигателей с технико-экономическими и экологическими показателями, значительно, в разы превышающими показатели существующих.
1. Введение
Термодинамика возникла в 1-й половине 19 века в связи с развитием теории тепловых машин. В качестве рабочих тел были приняты газы и водяной пар. Появились газовые законы, появились не реальный и, при этом, идеальный цикл Карно и газовые и паровые реальные рабочие циклы тепловых двигателей, ставшие классикой и которые до настоящего времени находят широкое применение в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. По прежнему цикл Карно считается максимально эффективным и уважаемым среди специалистов. "... Цикл Карно имеет только максимальную работоспособность за цикл среди всех мыслимых циклов…» утверждает инженер-теплоэнергетик Косарев А.В., см. ruslabor.narod.ru/index3.htm.
Таким образом, техническая термодинамика, зомбированная "эталонностью" нереальных термодинамического цикла и формулы определения термического КПД Карно относительно нереального нижнего предела температуры по Кельвину, до настоящего времени твердо стоит на прежних позициях, не предпринимая попыток что либо существенно изменить.
Теория тепловых машин и двигателей так же остаётся без каких либо принципиальных изменений. Основой первых тепловых машин стал цилиндр с поршнем для совершения механической работы прямолинейного перемещения. За тем, появился гибрид поршня с кривошипно-шатунным механизмом позаимствованным с появившейся ещё в 15 веке в Европе самопрялки с ножным приводом, которая давно является музейным экспонатом.
Даже первобытному человеку на заре технического прогресса вряд ли пришла в голову мысль, что приводить во вращение ворот или блок рациональнее периодическими толчками в плоскости, совпадающей с осью вращения, чем приводить во вращение, создавая усилие перпендикулярно рычагу, соединенному с вращаемым валом. Однако, кривошипно-шатунный механизм, реализующий этот, явно не логичный принцип, почти 250 лет используется в машинах и двигателях.
По прежнему, зажатая рамками поршневого цилиндра со степенью расширения равной степени сжатия, теория тепловых двигателей не может выйти за их пределы, продолжает реанимацию поршневых ДВС неполного расширения введением систем турбонаддува, распределённого впрыска, многократного впрыска (Common-Rail), изменения фаз газораспределения, увлажнения воздуха (НАМ), впрыск топлива в состоянии пара (Steam Injected), регулирования подъёма впускных клапанов (Valvetronic), рециркуляции отработавших газов (EGR), регенерационных систем, высокого давления впрыска, нейтрализации выхлопных газов. К давно появившимся циклам Карно, Ленуара, Отто, Дизеля, Тринклера, Хамфри, Эрикссона, Стирлинга, Брайтона-Джоуля, Гирна, Калины, добавились новые циклы Аткинсона и Миллера, но, каких либо существенных изменений показателей двигателей, они не обеспечили.
2. Современные двигатели неполного объёмного расширения.
Поршневые ДВС неполного объёмного расширения (степень сжатия = степени расширения) характеризуются высокими начальными параметрами рабочих газов (давление, температура), но не обеспечивают их полного срабатывания из-за низкой степени расширения, обусловленной несовершенством кривошипно-шатунного кинематического механизма (КШМ), используемого для преобразования потенциальной энергии в механическую энергию вращения вала. Степени сжатия и расширения равны, но после воспламенения сжатой топливовоздушной смеси давление продуктов сгорания повышается ещё в несколько (4-5) раз, при этом, не обеспечивается их расширение до атмосферного давления и они, имея высокое давление и температуру, выпускаются в атмосферу и при этом наносят вред окружающей среде.
2.1. Поршневые ДВС с кривошипно-шатунным механизмом.
К поршневым ДВС с кривошипно-шатунным механизмом относятся поршневые двигатели Отто и Дизеля, роторно-поршневой Ванкеля, и поршневой Стирлинга. Активная площадь S, воспринимающая давление газов, постоянна. Произведение силы F = РхS, создающей вращающий момент на не постоянный и изменяющий свою величину от 0 до максимума и за тем до 0, приведённый радиус R, имеет в итоге не большую величину, что указывает на не эффективное преобразование давления рабочего тела в механическую энергию вращения вала.
2.2 Поршневые ДВС с кольцевыми цилиндрами и механизмами относительного движения поршней.
Роторно-поршневые и роторно-лопастные ДВС с кольцевыми цилиндрами прямоугольного и тороидального сечения так же являются двигателями неполного объёмного расширения. В отличие от двигателей с КШМ в них обеспечивается постоянство S и R , но с использованием более сложного механизма, габариты которого всегда больше чем габариты цилиндропоршневой части. Характеризуются повышенными по сравнению с кривошипными ДВС крутящим моментом и мощностью. КПД не высокий, соответственно, повышенный расход горючего. Эмиссия по токсичности и потерям теплоты высокая.
а) Роторно-лопастной двигатель внешнего сгорания с более сложным, чем кривошипно-шатунный, рычажно-кулачковым механизмом взаимного движения поршней и передачи усилия давления газов с поршней на вал, габариты которого в 2 раза больше, чем габариты цилиндропоршневой части. К недостаткам можно отнести низкую степень расширения и высокую тепловую напряженность ротора, особенно его лопастей, высокую токсичность выхлопных газов, высокий расход топлива.
б) Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания. Особенность двигателя – применение вращающегося сложносоставного ротора размещённого внутри кольцевого цилиндра и состоящего из четырех лопастей. На паре соосных валов установлены по две лопасти, разделяющие цилиндр на четыре рабочие камеры. Каждая камера за один оборот совершает четыре рабочих такта. В данной конструкции возможно реализовать только четырехтактный цикл. К недостаткам можно отнести низкую степень расширения и высокую тепловую напряженность ротора, особенно его лопастей.

в) Роторный двигатель внутреннего сгорания с тороидальным кольцевым цилиндром. Его идея не нова. Впервые она была запатентована еще в 1968 году, но в настоящее время последняя версия дополнена оригинальным механизмом, регулирующим взаимное перемещение четырёх поршней. Впрочем, конструкция его настолько сложна, что с трудом поддается описанию. К недостаткам можно отнести низкую степень расширения, высокую токсичность выхлопных газов и высокий расход топлива.
2.3 Роторно-поршневой двигатель Ванкеля.

Главное его отличие от поршневых двигателей состоит в замене возвратно-поступательного движения поршней вращательным одного ротора треугольной формы. На рисунке слева приведена конструкция роторно-поршневого двигателя. Его основными частями являются корпус, эксцентриковый вал (эквивалент кривошипа) и ротор. В корпусе вращается эксцентриковый вал отбора мощности, на котором установлен ротор. К недостаткам можно отнести низкую степень расширения, и, соответственно, высокий удельный расход горючего, высокую токсичность выхлопных газов, невысокий ресурс работы, а так же высокую теплонапряженность ротора.
2.4. Роторно-лопастной ДВС с кольцевым цилиндром и с эксцентричным расположением ротора с лопастями.
Роторно-лопастной двигатель неполного объёмного расширения с эксцентрично установленным в цилиндрическом корпусе сплошным ротором в диаметральных пазах которого установлены 4 лопасти. В отличие от предыдущих обеспечивается некоторый рост R и изменение S в процессе расширения от минимальной до максимальной, и в процессе сжатия от максимальной до минимальной.
К недостаткам можно отнести низкую степень расширения равную степени сжатия и, соответственно, высокий удельный расход горючего, токсичность газов и потери тепла, невысокий ресурс работы, а так же высокую тепловую напряженность ротора. Диаграмма Р-V, отображающая рабочий цикл, не соответствует действительности. Вода подаётся в камеру сгорания постоянного объёма, следовательно участок впрыска воды 3-2 вертикаль. Выхлоп начинается и, следовательно, работа газопаровой смеси заканчивается на линии 4-6-8, справа от неё не работа, а потери давления.
Все вышеупомянутые двигатели объёмного неполного расширения, характеризуются большими потерями давления и тепла, повышенным расходом горючего и, соответственно, повышенной токсичностью выхлопных газов и низким КПД.
2.5. Газотурбинные двигатели полного необъёмного расширения.
Газотурбинные двигатели (ГТД) полного необъёмного расширения, используемые для преобразования кинетической энергии газов в механическую энергию вращения вала, имеют невысокие начальные параметры, но обеспечивают полное расширение газов до атмосферного давления. Эффективность преобразования кинетической энергии осевого потока газов в перпендикулярный осевому М кр. не более 20% от располагаемой, соответственно, удельный расход горючего высокий. Температура выхлопных газов так же достаточно высокая. Имеют самую большую удельную мощность среди ДВС.
3. Что возможно и невозможно в тепловых двигателях.
Известно, что залогом достижения максимальных термического и эффективного КПД, выражаемых через количество тепла, являются как можно более высокие начальные параметры рабочего тела (давление и температура) перед расширением и минимальные, близкие к окружающей среде, после расширения. Кроме того, для достижения максимальных КПД так же необходимо обеспечить и максимально эффективное преобразовании давления, для чего необходим и максимально эффективный механизм преобразования давления рабочего тела во вращение вала.
Из определения термического КПД следует, что он тем выше, чем большая доля подведённой к рабочему телу теплоты превращается в работу. Естественным желанием является полное превращение теплоты в работу. Однако, в соответствии со вторым законом термодинамики невозможно всю теплоту превратить в работу. Часть теплоты должна быть отдана окружающей среде.
Из термодинамики следует, что теплота, подведённая к рабочему телу, идёт на появление у рабочего тела двух видов энергии – внутренней энергии, мерой которой является температура, и потенциальной энергии давления, которая аналогична потенциальной энергии сжатой пружины. Механическую работу во всех тепловых двигателях совершает только потенциальная энергия давления.
А так как часть теплоты по второму закону должна быть отдана окружающей среде, а она является носителем двух видов энергии, то окружающей среде фактически отдаётся и часть потенциальной энергии давления. Таким образом, для тепловых двигателей второй закон необходимо дополнить следующим важным дополнением – часть потенциальной энергии давления рабочего тела должна быть отдана окружающей среде.
Невозможно всё давление рабочего тела использовать для совершения механической работы. Часть давления должна быть отдана окружающей среде.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях не обеспечивая более полного использования потенциальной энергии давления рабочего тела.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях преобразующих давление в механическую энергию вращения не обеспечивая постепенное увеличение площади, воспринимающей давление, и одновременное удаление её от центра вращения.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях используя в качестве рабочего тела только газообразное.
Достижение максимального КПД возможно только при использовании в цикле расширения дополнительного рабочего тела обладающего иными физическими свойствами чем газ.
Достижение максимального КПД возможно только при максимальном использовании двух видов энергии которой обладает рабочее тело перед расширением.
Невозможно обеспечить максимального КПД термодинамическими и рабочими циклами не обеспечивающими полного использования энергии которой обладает рабочее тело перед расширением.
Возможно для достижения максимально КПД использование не только потенциальной энергии давления газообразного рабочего тела но, и его внутренней энергии, используя её для генерации потенциальной энергии давления рабочего тела с иными свойствами чем у газообразного, а именно, парообразующей жидкости.
Возможно генерация дополнительного рабочего тела непосредственно в процессе расширения газообразного.
4. Залог максимального КПД максимальный крутящий момент.
Рабочее тело в тепловом двигателе перед расширением обладает запасом потенциальной и внутренней тепловой энергии, но только потенциальная энергия (давление) рабочего тела преобразуется в механическую работу, а не температура. Температура лишь необходимая причина появления следствия – давления, которое и совершает работу. Об этом свидетельствует и формула М кр. Даже после расширения до атмосферного давления рабочее тело имеет высокую температуру.
Для определения основных критериев оценки идеального теплового двигателя логичнее и достаточно обратиться к формуле крутящего момента (М кр), оценивающей конечный результат работы ТД и проанализировать как достичь максимальной величины М кр.
Из формулы крутящего момента Мкр = Р.S.R, где: Р – давление, S – активная площадь, R – радиус действия силы, следует, что для осуществления максимально эффективной работы при расширении рабочего тела необходимо обеспечить, по меньшей мере, его постоянство и максимальную величину, что возможно, поддерживая в процессе расширения максимальными площадь S и радиус R, или их произведение, то есть увеличивая сомножители входящие в формулу Мкр.
Идеальный механизм преобразования силы давления рабочего тела во вращательное вала должен обеспечивать увеличение объёма за счёт постепенного роста активной площади S, через которую передаётся усилие на вал, и при постоянном или растущем радиусе R приложения силы, что и обеспечит максимально возможный М кр и, соответственно, мощность, которая уже зависит только от оборотов вала.
5. Использование парообразующей жидкости в рабочих циклах тепловых двигателей.
Повысить степень использования тепловой энергии газов можно парообразующей жидкостью, учитывая её свойство при подводе одного и того же количества тепла запасать больше потенциальной энергии чем газ. Это реализуется в настоящее время в парогазотурбинных установках, рассчитанных на совместное использование в двух тепловых циклах двух рабочих тел – газообразных продуктов сгорания топлива и водяного пара.
Для более глубокого использования тепла отработавших газов ГТД известны раздельные тепловые схемы установок с использованием газа и пара в контурах с отдельными газовыми и паровыми турбинами. К ГТД в "хвост" пристраиваются через дополнительное устройство парогенератор, паровые турбины, так же преобразующие кинетическую энергию пара в механическую энергию вращения с такой же низкой эффективностью, не более 20% , преобразования кинетической энергии осевого потока пара в механическую вращения вала.
Известны контактные схемы, в которых газ и пар смешиваются в общий поток, поступающий в одну турбину. Пар так же генерируется в отдельном контактном парогенераторе. Однако, в газовых турбинах необъёмного расширения, работающих по циклу Брайтона (подвод тепла к газу при Р=const), из-за опасности появления помпажа или разрушения лопаток турбины, можно подать только водяной пар и только в ограниченном количестве.
Таким образом, теорией и практикой доказано, что использование в рабочих циклах ТД водяного пара не только позволяет более полно использовать теплоту газообразных продуктов сгорания, трансформируя тепловую энергию газов в энергию давления пара, но и обеспечивает снижение удельного расхода горючего и, соответственно, воздуха и выхлопных газов, обеспечивая так же повышение их удельной экологической чистоты.
Использование парообразующей жидкости для повышения КПД газовых циклов возможно во всех типах тепловых двигателей осуществляющих преобразование теплоты в механическую работу.
6. Решение задачи достижения максимального КПД теплового двигателя.
В настоящее время в тепловых двигателях реализуются или только газовые или только паровые ТД циклы.
Среди используемых газовых ТДЦ, как уже указывалось выше, максимальные начальные параметры рабочих газов Р и Т имеют циклы реализуемые в тепловых двигателях объёмного расширения, а невысокие начальные параметры, но обеспечивающие полное использование давления газов, циклы в двигателях необъёмного расширения ГТД.
Первой стояла задача создать двигатель объёмного расширения в котором бы непрерывно реализовывался процесс создания газообразного рабочего тела с максимальными начальными Р и Т характерными для двигателей объёмного расширения и расширения их до минимальных Р и Т, характерных для газотурбинных двигателей необъёмного расширения.
Однако, обеспечивая максимально полное расширение, необходимо было так же решить задачу и максимально эффективного преобразования давления, обеспечив максимальный крутящий момент М кр. А максимальный, как следует из формулы, М кр., может быть достигнут при одновременном росте активной площади S и радиуса R. В большей степени это может обеспечить кинематический механизм в котором процесс расширения будет происходить по траектории подобной плоской спирали Архимеда.
7. Турбина объёмного расширения (ТОР).
В современных осевых газовых и паровых турбинах необъёмного расширения один поток рабочего тела движется в направлении оси вала турбины, при этом, крутящий момент создаёт окружная сила, возникающая на лопатках ротора турбины и действующая перпендикулярно осевому потоку. Известна однопоточная радиальная турбина необъёмного расширения, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем. Рабочее тело в ней движется при расширении от центра к периферии в плоскости, перпендикулярной оси турбины. В ней нет неподвижных сопловых лопаток, два ротора вращаются в противоположных направлениях и мощность, развиваемая турбиной, передаётся двум валам. Как и осевые турбины она использует кинетическую энергию одного потока и является чисто реактивной.
Турбина объёмного расширения является радиальной двухпоточной. В ней два потока рабочего тела движутся при расширении в плоскостях перпендикулярных оси турбины, но, в отличие от известной, в ней используется не кинетическая энергия, а потенциальная энергия давления.
Она содержит два зеркальноидентичных блока кольцевых цилиндров, между которыми эксцентрично установлен общий для двух проточных частей ротор. При использовании в составе ДВС, он является общим рабочим колесом и для компрессоров, и для предварительного расширения газов и для дорасширения газов или газопаровой смеси.
На планшайбе ротора с двух торцевых сторон для компрессорных полостей цилиндров и полостей предварительного бесступенчатого расширения газов каждого блока выполнены цилиндрические выступы, взаимодействующие через кинематические механизмы (шарниры) с лопастями или с лопатками рабочего колеса (вариант), а для цилиндров ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси выполнены лопатки. Один шарнир, проходящий сквозь планшайбу ротора, может одновременно использоваться для лопастей левого и правого цилиндров.
Изменением размеров поперечного сечения и количеством кольцевых цилиндров обеспечивается любая требуемая степень расширения газа или газопаровой смеси.
По второму варианту радиальная турбина содержит ступени необъёмного расширения. На боковых поверхностях ротора кольцами постепенно возрастающего диаметра, располагаются лопатки рабочих ступеней, а на внутренних боковых поверхностях блоков цилиндров, так же кольцами, располагаются неподвижные сопловые лопатки. После сборки турбины подвижные лопатки ротора чередуются с неподвижными лопатками цилиндров образуя ступени расширения. Подвод рабочего тела осуществляется не парциально, как в турбине объёмного расширения, а по всей окружности.
Оба варианта турбин могут использоваться как дорасширительные в ДВС, и в качестве расширительных с внешним подводом пара вместо традиционных паровых турбин. При использовании обоих вариантов турбин в составе двигателя внутреннего сгорания полости цилиндров в каждом блоке последовательно от центра к периферии – от впускного окна до выпускного, сообщаются между собой с образованием проточной части, содержащей одну (впрыск, карбюратор) или две (дизель) кольцевые полости сжатия, перепускной канал, полость дожатия, воспламенения и предварительного объёмного бесступенчатого расширения рабочих газов и центробежную, спиралеобразную проточную часть ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси.
Непрерывный, радиально-центробежный, спиралеобразный характер движения рабочего тела при расширении позволяет резко улучшить эффективность преобразования потенциальной энергии непосредственно в механическую, соответственно резко снизить удельный расход горючего и габаритно-весовые характеристики двигателя.
8. Газовый и адиабатный газопаровой ТД циклы и газовый и газопаровой турбодвигатели полного объёмного расширения.
При использовании ТОР в качестве теплового двигателя обеспечивается:
– расширение двух потоков рабочего тела в двух проточных частях.
– объёмное расширение рабочего тела до атмосферного давления.
– непрерывность рабочего цикла по схеме традиционного ГТД: компрессор – камера сгорания – расширительная машина.
– рост активной площади S и радиуса R (плеча) при расширении рабочего тела.
– непрерывный крутящий момент при любых оборотах работающего двигателя.
– минимальный скоростной коэффициент – большой крутящий момент при малой частоте вращения ротора.
– бесшумный выхлоп.
– в газопаровом турбодвигателе с использованием в качестве рабочего тела газопаровой смеси с генерацией пара непосредственно в процессе расширения использование почти всей тепловой энергии газообразных продуктов сгорания.
Газовому (ГТД) и газопаровому (ГПТД) турбодвигателям не нужны:
· система газораспределения.
· система глушения выхлопа.
· система распределённого (тактного) впрыска горючего.
Газопаровому варианту турбодвигателя не нужна:
· традиционная система охлаждения (радиатор).
При этом газопаровому варианту турбодвигателя нужны:
· термочехол, покрывающий всю его поверхность.
· ёмкость для парообразующей жидкости (ПЖ).
· система непрерывной регулируемой подачи ПЖ.
· конденсатор – охладитель ПЖ.
В отличие от известных тактных поршневых и роторно-поршневых двигателей внутреннего и внешнего сгорания, а так же их многочисленных вариантов с дорасширением, в которых давление рабочего тела (газов) создаёт периодически возникающие крутящие моменты, в радиально-центробежной турбине объёмного расширения, снижающееся от центра к периферии давление создаёт непрерывные, равномерно распределённые в окружном направлении крутящие моменты на постепенно увеличивающихся радиусах, обеспечивая выигрыш в силе и общем спиралеобразном крутящем моменте на валу.
В ГПТД реализуется гибридный непрерывный рабочий цикл, состоящий из двух известных, осуществляемых раздельно в ДВС и паровых или газовых турбинах, при этом объединение двух рабочих циклов в один непрерывный, обеспечивает срабатывание почти всего избыточного давления и почти всего избыточного тепла рабочих газов и пара и, соответственно, обеспечивает их суммарный КПД. По существу, на газовый цикл традиционных ДВС, остаточная энергия газообразных продуктов сгорания которого велика и не используется, наложен паровой цикл, использующий теплоту предварительно расширившихся газов для генерации пара и его дальнейшего объёмного расширения с ними до атмосферного давления газов и начала конденсации пара в жидкость.
В ГПТД обеспечивается «паровозная» тяга – большой крутящий момент при малой частоте вращения ротора, т.е. минимальный скоростной коэффициент и линейная характеристика крутящего момента, что при использовании турбодвигателя в мобильных транспортных средствах исключит необходимость применения многоступенчатых коробок передач.
Регулировка крутящего момента и, соответственно, мощности может осуществляться изменением подачи горючего и воды, или только воды, для мощных турбодвигателей по аналогии с паровыми турбинами, перепуском (обводом) газопаровой смеси через ступень.
Использование в рабочем цикле ГПТД водяного пара не только позволяет более полно использовать теплоту продуктов сгорания, трансформируя тепловую энергию в энергию давления, но и резко снизить удельный расход горючего, воздуха и выхлопных газов, обеспечивая их полную экологическую чистоту.
Известно, что в ДВС на сжигание 1 кг горючего в среднем расходуется 15 кг воздуха, в авиационных ГТД в 6-7 раз больше чем в ДВС. В ГПТД удельный расход воздуха в 8-10 раз меньше чем в ДВС, и в 50-60 раз меньше чем в ГТД.
Эффективность использования водяного пара в рабочем цикле ДВС для снижения токсичности выхлопных газов доказана неоднократными публикациями в СМИ. Однако при этом не оценивается влияние попадающих в атмосферу токсичных паров воды, после конденсации которых, растворённые в них твёрдые и газообразные токсичные вещества попадают в почву и атмосферу, т.е. в целом выхлоп остаётся токсичным.
При работе ГПТД обеспечивается полная экологическая чистота выхлопных газов. Токсичные газообразные и твердые вещества продуктов сгорания, растворённые в процессе расширения в водяном паре, остаются в контуре двигателя в конденсате, который периодически может сливаться, нейтрализовываться, а выделенные токсичные отходы утилизироваться.
Следует напомнить, что катализатор дорогостоящее устройство, особенно платиновый, недолговечен, занимает много места, снижает мощность двигателя, и его использование приводит к повышению расхода топлива.
В отличие от традиционных ДВС система охлаждения в ГПТД используется не для отвода избыточного тепла в атмосферу, а в качестве рекуперативного теплообменника, отводящего тепло при сжатии топливовоздушной смеси или воздуха и избыточное тепло продуктов сгорания для предварительного нагрева второго рабочего тела – парообразующей жидкости.
Все варианты турбодвигателей снабжены простейшими системами непрерывной, регулируемой подачи топлива. ГПТД дополнительно снабжён системой регулируемой непрерывной подачи парообразующей жидкости. ГПТД с замкнутой системой циркуляции парообразующей жидкости снабжается конденсатором-охладителем.
Система зажигания для вариантов с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси, работающая в отличие от традиционных ДВС непрерывно, простая и содержит для воспламенения топливовоздушной смеси пусковые калильные или искровые свечи.
В ГТД и ГПТД механические потери имеют место только в цилиндрах, в которых установлены лопасти и, которые выполняют функции компрессора и предварительного расширения газообразных продуктов сгорания, при этом для герметизации стыков используются простые, надёжные кольцевые торцевые уплотнения, характеризующиеся минимальным моментом трения и обеспечивающие высокий механический КПД.
В цилиндрах, которые выполняют функцию расширения газовой или газопаровой смеси, и в которых перемещаются лопатки ротора, механические потери отсутствую вообще, при этом в них создаётся основная доля крутящего момента и, соответственно, мощности турбодвигателя.
Расчёты показали, что фактически за счёт тепловой энергии теряемой в традиционных двигателях через систему охлаждения и с выхлопными газами, в газопаровом турбодвигателе объёмного расширения до 70% мощности, т.е. больше половины, создаётся за счёт нового газопарового термодинамического цикла обеспечивающего максимальное использование теплоты, и за счёт оригинального эффективного кинематического механизма преобразования потенциальной энергии (давления) в механическую вращения вала – турбины объёмного расширения.
Турбодвигатель имеет совершенную простейшую и технологичную конструкцию, отличные габаритно-весовые характеристики, работает без вибраций, бесшумно и обеспечивает экологически чистый выхлоп и по токсичности и по уровню тепла. Удельный вес турбодвигателя на уровне удельного веса авиационных ГТД.
У всех вариантов турбодвигателя отсутствует газораспределительный механизм, нет системы глушения выхлопа и каких либо механических передач. У адиабатного газопарового варианта турбодвигателя отсутствует и радиатор для отвода тепла в атмосферу, и он, как паровая турбина покрывается теплоизоляцией.
Турбодвигатель обеспечивает работу на всех видах углеводородного топлива, используемого для традиционных двигателей с внешним и внутренним подводом теплоты и, соответственно, реализацию всех известных рабочих циклов ДВС. Самым эффективным, как и в поршневых ДВС, является «дизельный» вариант ГПТД.
ГТД и ГПТД характеризуются большой агрегатной мощностью и обеспечивают простым масштабированием создание мощностного ряда от нескольких киловатт до нескольких тысяч киловатт на один, а при передаче мощности нескольких турбодвигателей на один вал до десятков тысяч.
Предварительные упрощённые расчёты основных технических характеристик ГПТД позволяют утверждать что, для создания мощности в 1 кВт он будет потреблять примерно в 8-10 раз меньше горючего, чем потребляют лучшие образцы современных ДВС, соответственно в 8-10 раз меньше потреблять атмосферного кислорода и соответственно в 8-10 раз меньше выбрасывать в атмосферу не токсичных выхлопных газов. Удельные потери тепла в атмосферу снизятся не менее чем в 15 раз.
Эффективный КПД может достигать 75-80%, т.е. в 2 раза выше, чем обеспечивают лучшие образцы современных тепловых двигателей. При использовании тепла пара или горячего конденсата потребителями тепловой энергии (промышленная ТЭЦ или автономная мини-ТЭЦ) термический КПД может достигать 90%, в условиях космоса до 92%.
Обеспечить вышеуказанные показатели удалось, создав совершенные кинематический механизм преобразования давления в крутящий момент и комбинированный (бинарный) газопаровой термодинамический цикл с использованием в качестве рабочего тела газопаровой смеси.
9. Расчётные технические характеристики турбодвигателей.
( 1 цилиндр основного расширения и 2 цилиндра дорасширения в каждом из 2-х блоков).
• диаметр – 275 мм
• ширина – 105 мм
• основной рабочий объём одного блока – 55 см3
• объём проточной части дорасширения одного блока – 1105 см3
• общий объём проточной части расширения одного блока – 1160 см3
• общий рабочий объём турбодвигателя -2320 см3
• степень сжатия 6
• степень расширения 23
9.1. Газовый вариант турбодвигателя.
• крутящий момент – 43 Н. м
• мощность при 5000 об/мин – 22 ,5 кВт, при 10000 об/мин – 45 кВт( 61 л.с.).
• масса (стальной вариант) -15 кг.
• масса (алюминиевый, «гильзованный») – 8,5 кг.
• удельный расход топлива – 40 г/кВт. час
• удельная масса (стальной) – 0, 66 кг/кВт
• удельная масса (алюминиевый, «гильзованный») – 0,37 кг/кВт
• литровая мощность основного газового рабочего объёма без учёта цилиндров дорасширения (эквивалент цилиндра поршневого ДВС) – 290 кВт/литр.
9.2. Газопаровой вариант турбодвигателя.
• крутящий момент – 75 Н. м
• мощность при 5000 об/мин 40 кВт, при 10000 об/мин – 80 кВт(108 л.с.)
• удельный расход топлива – 23 г/ кВт. час
• удельная масса (стальной) -0,375 кг/ кВт
• удельная масса (алюминиевый, «гильзованный») – 0,212 кг/ кВт
• литровая мощность основного рабочего объёма – 363 кВт/литр(5000 об/мин),
727 кВт/литр(10000 об/мин).
9.3. Ориентировочные диаграммы изменения основных параметров по длине проточной части турбодвигателей:
газовый
газопаровой
Обладая уникальными технико-экономическими характеристиками, адиабатный газопаровой турбодвигатель резко улучшит эксплуатационные возможности мобильных и стационарных объектов и при первом появления на рынке вытеснит малоэффективные, не экономичные и экологически «грязные» традиционные двигатели объёмного расширения.
С появлением ГПТД отпадёт необходимость в, ставшей модной, гибридизации силовых установок, которые по существу являются комбинированными, т.е. комбинацией преобразователей одного вида энергии в другой и работающих по схеме: тепловая энергия – потенциальная – кинетическая – механическая – электрическая – электрическая – механическая, обеспечивающих многократный её передел, чтобы из тепловой энергии получить, в конечном счете, механическую вращения вала.
Появится возможность возродить, сделав рентабельными турбоходы, турбопоезда, экранолёты, сделать более эффективными и экономичными дирижабли и атомные энергетические установки, используемые в теплоэнергетике и в качестве силовых установок на судах и АЭС.
Оснащение транспорта и стационарных объектов адиабатными газопаровыми турбодвигателями объёмного расширения вместо используемых в настоящее время традиционных двигателей будет равнозначно выводу из эксплуатации до 90% используемых в мире тепловых двигателей, соответственно настолько же снизится удельный расход топлива, воздуха, атмосферного кислорода и количество выхлопных газов, которые будут экологически чистыми. Удельные потери тепла в атмосферу снизятся не менее чем в 15 раз.
Простота и технологичность конструкции турбодвигателей, не высокая трудоёмкость и стоимость изготовления не потребуют значительного финансирования для освоения их производства, а сверхвысокие показатели по эффективности, экономичности и экологической чистоте при первом появлении их на мировом рынке сделают их вне конкуренции для всего диапазона промышленной и бытовой продукции, в которой используются существующие типы двигатели внутреннего и внешнего сгорания.
На фиг. 1 изображена диаграмма теплового баланса современных ДВС;
на фиг. 2 принципиальная схема турбодвигателя с самовоспламенением и кинематика движения рабочего тела (поперечный разрез блока);
на фиг. 3 поперечный разрез фиг. 2;
на фиг. 4 вид основных деталей турбодвигателя (вариант с внешним смесеобразованием).
На фиг.5 изображена диаграмма теплового баланса газопарового турбодвигателя. На фиг. 6 – 9 диаграммы основных показателей известных ТД и газового и газопарового турбодвигателей.

Фиг.1 Диаграмма теплового баланса современных ДВС. ( GREEN CAR CONGRESS , 2005).
Фиг. 2 Фиг. 3
Дизельные варианты турбодвигателей (фиг. 2,3) содержат в каждом блоке два эксцентричных ротору цилиндра с установленными в них лопастями. Они выполняют функцию двухступенчатого компрессора и сообщаются перепускным каналом между собой, и за тем вторая сообщается перепускным каналом с зоной уменьшающихся межлопастных объёмов (МЛО) следующей полости. Отсекаемые при дальнейшем движении и дополнительно сжимаемые порции сжатого воздуха перемещаются в зону подачи горючего и воспламенения. Образующиеся после воспламенения и сгорания горючего газы при дальнейшем движении в увеличивающихся МЛО воздействуют на лопасти и за тем, поступая в следующую полость (полости), воздействуют на лопатки ротора и приводят его во вращение.

Фиг. 4 Вид основных деталей турбодвигателя:
1 – блок цилиндров, 2, 3 – перепускные окна, 4 – выпускное окно, 5 – ротор, 6 – лопатки, 7 – шарниры, 8 – лопасти, 9 – блок цилиндров, 10 – впускное окно
Вариант турбодвигателя с принудительным воспламенением (фиг.4) содержит в каждом блоке один цилиндр эксцентричный ротору с лопастями. Одна полость цилиндра выполняет функцию компрессорной, вторая предварительного расширения газов. Компрессорная полость перепускным каналом сообщается с зоной уменьшающихся МЛО второй полости первого цилиндра. Отсекаемые при дальнейшем движении и дополнительно сжимаемые порции топливовоздушной смеси перемещаются в зону воспламенения, в которой установлена калильная свеча зажигания.
После воспламенения и бесступенчатого расширения во второй полости, являющейся первой полостью проточной части расширения, продукты сгорания через перепускные окна, выполненные в цилиндрической стенке цилиндра, поступают в полость второго цилиндра, который выполнен концентрично ротору и в котором размещаются лопатки ротора. Подача горючего может производиться карбюратором, установленным на впускном окне, или впрыском в компрессорную полость.
Работа газопаровых вариантов турбодвигателей с принудительным воспламенением и дизельного аналогична описанным выше и отличается лишь тем, что при перепуске предварительно расширившихся газов из цилиндров бесступенчатого расширения в цилиндры ступенчатого дорасширения, в зонах перепуска в них через форсунку впрыскивается парообразующая жидкость (вода), предварительно прошедшая по системе охлаждения полости сжатия, камеры сгорания и полости предварительного расширения газов. Образующаяся после впрыска воды газопаровая смесь продолжает движение по проточной части, перемещаясь из цилиндра в цилиндр в радиальном направлении по ступенчатой плоской спиралеобразной траектории до выпускного окна.

Фиг. 5. Диаграмма теплового баланса газопарового турбодвигателя

Фиг. 6. Литровая мощность (5000 об/мин.)

Фиг. 7. Удельный объём выхлопных газов и токсичность.

Фиг. 8. Удельный вес.

Фиг. 9. Удельный расход атмосферного кислорода и горючего ( г/ кВт. час).
И, в завершении, дополнительно, для более доступного понимания процессов преобразования в существующих тепловых двигателях и в изобретённых газовых и газопаровых циклах и двигателях, воспользуемся только параметрами рабочего тела, входящими в объединённый газовый закон: P – давление, T – температура, V – объём.
Понятное и наглядное представление о том, какая часть температуры и давления в современных циклах и двигателях используется и какая теряется, а так же, в каком направлении следует двигаться для достижения максимально возможного КПД в тепловых двигателях, даёт предлагаемая мною объединённая диаграмма РТ-V, соответствующая и объединённому газовому закону PVRT =const.
Фиг. 10. Диаграмма Р,Т – V располагаемой и используемой энергии в современных ДВС:

потери Т = 1200-15000С, потери Р = 5-7 кг/см2
Фиг. 11. Диаграмма Р,Т – V располагаемой и используемой энергии в газовом турбодвигателе:

потери Т = 400-4500С, потери Р = 0,2-0,5 кг/см2
Фиг.12. Диаграмма Р,Т – V располагаемой и используемой энергии в газопаровом турбодвигателе:

потери Т = 50-800С, потери Р = 0,2-0,5 кг/см2
Все варианты турбодвигателей и оригинальные конструктивные решения защищены патентами РФ. Есть решения, относящиеся к категории «ноу-хау». Раскрываю одно «ноу-хау», касающееся снижения механических потерь при перемещении лопастей по стенкам цилиндра. В цилиндр по скользящей посадке устанавливаются подвижные кольцевые вставки, на которые, в диаметральном направлении, опираются лопасти. Смазка вставок относительно стенок цилиндра и смазка скользящих пар лопасть-шарнир и шарнир-кольцевой выступ ротора обеспечиваются соответствующей системой смазки.

Начало появления адиабатного газопарового турбодвигателя объёмного расширения будет началом конца существования всех типов поршневых и роторно-лопастных ДВС неполного расширения и неполного использования теплоты газообразного рабочего тела.
10. Промышленные ТЭС, ТЭЦ и автономные микро и мини ТЭЦ на базе газопарового турбодвигателя. (Аналогов нет.)
При использовании вместо паровых и газовых турбин промышленных и государственных ТЭС и ТЭЦ, работающих на органическом, углеводородном жидком или газообразном топливе, газопаровая турбина объёмного расширения (ТОР) позволит резко снизить затраты на оборудование и себестоимость вырабатываемых видов энергии, удельный расход топлива, повысить эффективный и тепловой КПД и обеспечить полную экологическую чистоту выхлопа и, соответственно, чистоту атмосферы. Однако, необходимо иметь ввиду, что в газопаровом теплоэлектрогенераторе доля тепловой энергии будет по сравнению с электрической незначительной, но она легко преобразуется в тепловую электронагревательными приборами.
Автономные микро и мини ТЭЦ предназначены для автономного обеспечения объектов, не имеющих централизованного тепло и электроснабжения, таких как, частные дома, коттеджи, дачи, базы отдыха, частные или государственные предприятия, фермерские и приусадебные хозяйства, полярные и метеостанции, геологические партии, мобильные подразделения МЧС, погранзаставы, автономные подразделения Министерства обороны и т.п., а так же в качестве мобильного автономного парогенератора для отогревания и запуска аварийных сетей теплоснабжения, для локального обеспечения теплом и электроэнергией отключенных на период устранения аварии от централизованного снабжения объектов жилфонда и промпредприятий в зимнее время (ЖКХ, МЧС).
Газопаровой турбодвигатель в варианте теплоэлектрогенератора генерирует механическую энергию для привода электрогенератора и циркуляционного насоса, и тепловую – отработавший пар или конденсат, для потребителей тепловой энергии. Турбодвигатель может работать или только в режиме электрогенератора, при отсутствии необходимости в тепловой энергии (система отопления в летний период), или только в режиме теплогенератора, при отсутствии необходимости в электроэнергии, или в режиме теплоэлектрогенератора, генерируя одновременно тепловую и электрическую энергию.
В отличие от современных тепловых двигателей, используемых для автономной генерации электрической и тепловой энергии (дизельные электростанции, бытовые электрогенераторы с ДВС, электрокотлы, бойлерные) на 1 кВт мощности газопаровой турбодвигатель обеспечит:
· в 8-10 раз меньше удельный расход топлива
· в 8-10 раз меньше удельное потребление атмосферного кислорода
· в 8-10 раз меньше удельное выделение в атмосферу выхлопных газов
· нулевую токсичность выхлопных газов
· в 10-15 раз меньше выделение в атмосферу удельной теплоты при работе в режиме электрогенератора и в 25-30 раз при работе в режиме теплоэлектрогенератора.
· в 2 раза выше эффективный КПД до 75%, что не менее чем в 2 раза выше, чем обеспечивают лучшие образцы современных тепловых двигателей.
· термический КПД до 80% при работе в режиме электрогенератора и до 90% при работе в режиме теплоэлектрогенератора.
При работе теплоэлектрогенератора обеспечивается полное отсутствие вибраций и бесшумный выхлоп. Удельный вес автономного теплоэлектрогенератора в 4-5 раз меньше удельного веса автономных бытовых бензиновых электрогенераторов.
После рабочего цикла в двигателе, жидкость в состоянии пара или горячего конденсата используется и в качестве теплоносителя, циркулирующего по системе отопления индивидуального потребителя тепла или по технологической системе предприятия, использующего тепло для производственных нужд.
Генерация пара осуществляется непосредственно в поточной части турбодвигателя, и он используется, прежде всего, с газами для осуществления рабочего цикла, а за тем, в качестве теплоносителя для потребителей тепловой энергии. Механическая энергия, при этом используется для создания избыточного давления теплоносителя (пара, горячей воды, конденсата) и для привода электрогенератора и циркуляционного насоса.
При отсутствии необходимости в тепловой энергии отработавший пар не подаётся в систему отопления, а конденсируется и охлаждается в конденсаторе-охладителе. При работе газопарового турбодвигателя можно по желанию потребителя генерировать перегретый или влажный пар или горячий конденсат требуемой температуры, что обеспечивается регулированием подачи топлива и воды или изменением их соотношения.
Турбодвигатель снабжен насосами для подачи топлива и для циркуляции парообразующей жидкости, а так же устройствами регулирования их расхода и соотношения. После прохождения по тепловому контуру (системе отопления) пар конденсируется, конденсат охлаждается в охладителе и вновь подаётся насосом в турбодвигатель, то есть используется многократно.
Газообразные и твёрдые продукты сгорания растворяются в водяном паре, а после его конденсации остаются в конденсате, то есть в замкнутом контуре турбодвигателя, и могут за тем, при нейтрализации теплоносителя, выделены и утилизированы.
Небольшой автономный тепловой контур и соответственно требуемый для его заполнения объём теплоносителя позволяют использовать в качестве теплоносителя антифриз и обеспечить работу теплоэлектрогенератора без обслуживания в течение нескольких лет и соответственно исключить вероятность разрушений при остановке в зимнее время.
Газопаровой турбодвигатель теплоэлектрогенератора работает на всех видах углеводородного топлива, используемого для традиционных ДВС и, соответственно, обеспечивает реализацию всех известных рабочих циклов ДВС (дизель, карбюратор, впрыск).

Фиг. 13. Принципиальная схема автономного теплоэлектрогенератора.
Преимущества автономного теплоэлектрогенератора (микро и мини-ТЭЦ) перед существующим оборудованием, обеспечивающим автономное снабжение индивидуальных потребителей или только теплом (котельные), или только электроэнергией (дизельные электростанции) и перед теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), обеспечивающими централизованно потребителей одновременно и тепловой и электрической энергией следующие:
– исключаются большие капитальные затраты на линии электропередач и на теплотрассы, использующиеся только в зимний период и требующие обслуживания в начале отопительного сезона и после его окончания.
– исключаются проблемы связанные с аварийностью, характерной для ЛЭП (обрыв при обледенении или при ураганах) и теплотрасс (прорыв коммуникаций).
Дополнительные потребительские качества мини ТЭЦ:
· простота конструкции
· бесшумный и экологически чистый выхлоп
· минимальный удельный вес и габариты
· мобильность
· многофункциональность
Необходимо проведение НИОКР. Для разработки конструкторско-технологической документации и освоения производства проект требует квалифицированных исполнителей и высокотехнологичного производства.
При появлении на мировом рынке теплоэлектрогенератор обеспечит решение проблемы независимого энергообеспечения потребителей, не имеющих централизованного тепло и электроснабжения, а так же резкое снижение потребления углеводородного топлива, атмосферного кислорода, значительное сокращение выбросов тепла в атмосферу, снижение материальных затрат на производство теплоэнергетического оборудования.
Обеспечит значительное снижение затрат на генерацию тепловой и электрической энергии, частичное решение проблемы глобального потепления и выполнение Киотского протокола не только в части ограничения токсичных, но и тепловых выбросов, резкое снижение потребления атмосферного кислорода, что очень важно для мегаполисов.
11. Газопаровые ракетные ТД циклы и двигатели и паровой ТД цикл ядерного двигателя.
В отличие от атмосферных тепловых двигателей в ракетных двигателях рабочим телом являются только продукты сгорания ракетного топлива. Так называемого балластного газа, увеличивающего массу рабочего тела и общее давление за счёт нагревания теплотой продуктов сгорания ракетного топлива в цикле нет и, соответственно, температура продуктов сгорания очень высокая. Кроме того, рабочий цикл ракетных двигателей характеризуется большими расходами топлива и, как другие типы тепловых двигателей, большими потерями тепловой энергии с продуктами сгорания, что является серьёзным недостатком, не позволяющим обеспечить высокие термический и эффективный КПД рабочего цикла, экономические показатели и показатели эффективности, такие как удельная тяга, удельный расход топлива, удельный вес. Не обеспечивается эксплуатационная безопасность (аварийные ситуации) и экологическая безопасность по токсичным выбросам и выбросам тепла.
Рабочие циклы всех известных типов ракетных двигателей, использующих в качестве рабочего тела газообразные вещества, не обеспечивают срабатывание большого теплоперепада, так как характеризуются малым периодом преобразования тепловой энергии в потенциальную давления, и, за тем, в кинетическую энергию высокоскоростного потока газа при расширении в сопле.
Известно, что использование в тепловом двигателе в качестве рабочего тела парообразующей жидкости эффективнее, чем использование газообразного. Работа сжатия парообразующей жидкости ниже, чем газа и, кроме того, при генерации пара из жидкости обеспечивается возможность при одном и том же количестве подводимого тепла осуществить генерацию рабочего тела пара с более эффективными начальными параметрами, более высоким давлением и меньшей температурой, например, в паротурбинных установках, характеризующихся максимальной агрегатной мощностью. .
Задача решена путём трансформации тепловой энергии в потенциальную энергию давления рабочего тела, для чего в качестве источника рабочего тела в ракетном двигателе используется парообразующая жидкость (ПЖ), например вода, а тепловая энергия источника тепла – продуктов сгорания ракетного топлива или атомной энергии используется для генерации из неё пара, который используется или с продуктами сгорания в виде газопаровой смеси или в качестве единственного рабочего тела для создания тяги при расширении в сверхзвуковом сопле.
В газопаровом ракетном двигателе (ГПРДЖТ), работающем на жидких компонентах топлива, горючее и окислитель являются теплогенерирующими компонентами и генерирующими высокотемпературное газообразное рабочее тело – продукты сгорания. Парообразующая жидкость является компонентом, потребляющим значительную долю тепловой энергии продуктов сгорания и преобразующим её в энергию давления водяного пара, который с продуктами сгорания образует газопаровую смесь, являющуюся рабочим телом. В газопаровом твёрдотопливном ракетном двигателе (ГПРДТТ), работающем на унитарном твёрдом топливе, парообразующая жидкость так же является основным компонентом, а газопаровая смесь рабочим телом.
В паровом ядерном ракетном двигателе (ПЯРД), работающем на энергии выделяемой твёрдыми ТВЭЛ, рабочим телом, создающим реактивную тягу, является водяной пар, при этом вся полость камеры выполняет функцию парогенератора (ПГ).
В газопаровых РД зона подачи компонентов топлива, горения и образования газообразных продуктов сгорания у головки камеры или зона горения у поверхности топливного заряда (шашки) выполняют функцию камер сгорания (предкамер), обеспечивающих эффективное сгорание топлива и максимальное выделение тепловой энергии. Остальная часть камеры за зоной полного сгорания топлива до сопла, в которую осуществляется подача воды, и в которой образуется газопаровая смесь, выполняет функцию газопароганератора (ГПГ).
В газопаровых и паровом ядерном ракетных двигателях, предназначенных для перемещения объектов в атмосфере Земли, вода размещается в соответствующей ёмкости на борту, подача осуществляется насосной или вытеснительной системами подачи.
В газопаровых ракетных двигателях и в паровом ядерном, предназначенных для водных и подводных транспортных средств, в качестве парообразующей жидкости используется забортная вода.
Подача воды в газопаровые ракетные двигатели осуществляется насосной системой или по каналу, сообщающему зону забортной воды в носовой части объекта с предсопловой зоной ГПГ после воспламенения топлива и выхода процесса горения на устойчивый режим.
После воспламенения топлива стартовая тяга осуществляется на продуктах сгорания. После набора объектом скорости осуществляется подача воды, и маршевая тяга создаётся газопаровой смесью. Вода поступает в полость ГПГ под динамическим напором и за счёт эжекции, создаваемой высокоскоростным потоком газопаровой смеси в предсопловой зоне.
По аналогии с прямоточными воздушно-реактивными двигателями газопаровые и паровой ядерный ракетные двигатели, использующие забортную воду, является прямоточными. Для впрыска воды используются форсунки аналогичные топливным. Впрыск воды осуществляется в продукты сгорания за зоной полного сгорания топлива.
Вода, перед подачей в газопарогенератор, может использоваться для охлаждения камеры сгорания и проходить по системе её охлаждения, при этом охлаждения остальной части ГПГ и сопла из-за низкой температуры газопаровой смеси не требуется.
В газопаровых твёрдотопливных РД, используемых в воздушных объектах одноразового использования, например в ракетах, подача воды из бортовой ёмкости (ампулы) в полость ГПГ обеспечивается простейшими вытеснительными системами подачи с использованием реактивной силы работающего двигателя.
Топливный заряд (шашка) устанавливается в корпусе ГПГ с возможностью перемещения (скольжения) относительно его стенок в направлении движения объекта. В теле шашки выполняются не сквозные параллельные оси каналы, а ампула с водой размещается перед шашкой и выполняется из водостойкого, герметичного, эластичного и сгораемого материала, и так же входит в водоподающие каналы шашки, повторяя и заполняя их внутренний контур.
Возможен вариант образования ёмкости для воды без использования специальной ёмкости на борту, для чего поверхности шашки, обращённые к воде (передний торец и каналы) покрываются водостойким, герметичным, сгораемым покрытием.
Возможен вариант подачи воды по каналам, выполненным и в теле шашки и в цилиндрическом корпусе газопарогенератора, или по канавкам, выполненным на наружной цилиндрической поверхности и в теле шашки, что повысит скорость и эффективность парообразования. Для предотвращения подачи воды в зону горения и исключения снижения теплопроизводительности топлива, водоподающие канавки и каналы шашки могут бронироваться от ёмкости (полости) с водой до предсопловой зоны.
Разгон объекта осуществляется на газообразных продуктах сгорания топлива после его воспламенения и создания первоначальной тяги. После сгорания (прожигания) стенок каналов шашки и ампулы подача воды в предсопловую зону обеспечивается вытеснением за счёт давления газопаровой смеси на шашку и через шашку на воду, находящуюся в ампуле.
В газопаровых ракетных двигателях удельный расход воды может многократно превышать удельный расход топлива. Соотношение расходов топлива и воды определяется с учётом требуемой тяги, теплотворной способности используемого топлива, температуры используемой воды, температуры и давления газопаровой смеси в газопарогенераторе и на срезе сопла, и с учётом обеспечения максимальной эффективности расширения газопаровой смеси до начала конденсации пара. Так же учитывается давление окружающей среды, в которую осуществляется выхлоп (вода, воздух).
Регулировка тяги ГПЖРД может осуществляться только изменением расхода воды, так как основной составляющей рабочего тела (газопаровой смеси) являются водяные пары, при этом значительно упрощается система регулировки расхода компонентов топлива.
Для объектов, перемещающихся в атмосфере Земли в ЖРД и в РДТТ в качестве дополнительного рабочего тела по аналогии с прямоточными воздушно-реактивными двигателями может использоваться атмосферный воздух, повышающий расход газообразного рабочего тела через РД. Подача воздуха начинается после разгона объекта на продуктах сгорания топлива и обеспечивается скоростным напором встречного воздушного потока и за счёт эжекции. Подача осуществляется по осевому каналу в предсопловую зону камеры сгорания. Ракетные двигатели, использующие в качестве дополнительного рабочего тела атмосферный воздух, являются прямоточными воздушно-ракетными двигателями (ПВРД).
В паровых ядерных ракетных двигателях (ПЯРД), используемых для мобильных, перемещающихся в атмосфере или в безвоздушном пространстве объектов, или для стационарных, например, используемых для генерации теплоносителя, вода подаётся в атомный реактор насосом из соответствующей емкости (бака) под избыточным давлением, превышающим рабочее давление в ПГ. При использовании для генерации пара забортной воды двигатель является прямоточным, а забортная вода условным рабочим контуром.
По аналогии с известными газовыми ЯРД, в ПЯРД источники ядерной тепловой энергии атомного реактора ТВЭЛы и, управляющие реакцией, стержни могут располагаться непосредственно в парогенераторе, при этом реализуется простая, эффективная и экономичная высокоэнергетическая одноконтурная схема.
Кроме того, ППЯРД может быть выполнен по двухконтурной схеме, аналогичной двухконтурной схеме АЭС. Теплоноситель первого контура водо-водяного реактора прокачивается по теплообменнику, расположенному в полости парогенератора, передавая теплоту теплоносителя первого контура рабочему телу второго условного контура – забортной воде.
Вода в зону ТВЭЛов реактора, находящуюся под высоким рабочим давлением образующегося сухого перегретого пара, подаётся насосом через систему охлаждения реактора или непосредственно в реактор. После разгона объекта забортная вода подаётся за счёт динамического напора и за счёт эжекции за реактор в предсопловую зону парогенератора, омывая и дополнительно охлаждая реактор или непосредственно в предсопловую зону.
Вместе с тем, одноконтурный вариант ППЯРД, с использованием высокотемпературного пара, генерируемого в реакторе, для создания тяги из-за скоротечности цикла генерации и расширения пара, не обеспечивает полного использования его тепловой энергии, и, соответственно, максимального термического КПД. Кроме того, отработавший радиоактивный пар, поступая после выхлопа и конденсации в забортную воду, наносит вред окружающей среде.
Для достижения максимальных термического и эффективного КПД за счёт максимального использования ядерной тепловой энергии и расширения диапазона срабатываемого двигателем теплоперепада, генерация пара при одноконтурной и двухконтурной схемах может осуществлятся в два этапа.
Полость парогенератора содержит две зоны генерации. В первой, в которой установлены ТВЭЛы реактора (одноконтурная схема) или теплообменник первого контура (двухконтурная) и в которую подаётся лишь часть поступающей в двигатель воды, генерируется сухой перегретый пар. Во второй зоне, в которую дополнительно подаётся вода, за счет теплоты сухого перегретого пара генерируется насыщенный пар, который и является окончательным рабочим телом, создающим тягу при расширении в сопле.
Для более полного использования кинетической энергии выходящего за пределы сопла высокотемпературного скоростного потока пара и ускорения его конденсации и гашения парового колокола, например, с целью маскировки (торпеда или АПЛ), в поток пара за соплом через водозаборники может осуществляться подача дополнительной забортной воды для генерации дополнительного пара и создания пароводомётной тяги.
В ППЯРД расход воды определяется заданной тягой, мощностью атомного реактора и с учётом схемы – одноконтурная или двухконтурная. Для водных и подводных судов с ППЯРД, для исключения радиационного загрязнения акватории порта стоянки и прибрежной зоны, выход за их пределы может первоначально осуществляться по двухконтурной схеме с последующим переходом на одноконтурную схему.
Рабочий процесс в ГПРДЖТ осуществляется следующим образом. После подачи и воспламенения компонентов топлива при давлении сгорания не ниже критического и выхода процесса горения на устойчивый режим, в ГПГ впрыскивается вода под давлением, превышающем расчётное рабочее давление газопаровой смеси. Одновременно, без изменения расхода воды увеличивается давление подачи компонентов топлива до давления образующейся газопаровой смеси. При испарении впрыснутой в ГПГ воды и образовании пара от продуктов сгорания отнимается тепло, равное скрытой теплоте парообразования. Образующийся водяной пар с продуктами сгорания образует рабочее тело – газопаровую смесь, давление которой будет значительно выше начального давления продуктов сгорания и равно сумме парциальных давлений продуктов сгорания и водяного пара, при этом температура газопаровой смеси будет значительно ниже начальной температуры продуктов сгорания.
Давление продуктов сгорания без изменения расхода подаваемого топлива и, соответственно их количества в газовой зоне, примыкающей к головке, увеличится до давления газопаровой смеси за счёт подпора образующейся газопаровой смесью. Соответственно, объём газов уменьшится, при этом дополнительно возрастёт за счёт сжатия их температура в зоне горения, что будет способствовать более полному сгоранию топлива с максимальным выделением тепловой энергии.
Пример расчёта термического КПД газопарового РД.
В современных РД температура продуктов сгорания в камере составляет 3000-40000К, на срезе сопла 1500-20000К. Термический КПД примерно равен 0.3-0.45.
Газопроизводительность жидких компонентов топлива и паропроизводительность воды принимаем условно равными. Соотношение расходов – 20% компонентов топлива и 80% воды. Начальное давление продуктов сгорания Р=40кг/см2, температура Т=27000К, парциальное давление продуктов сгорания Р=20кг/см2, паров 80 кг/см2, общее давление газов у головки и газопаровой смеси в газопарогенераторе составит Р=100кг/см2, температура Т=7000К, температура продуктов сгорания в зоне горения после подпора газопаровой смесью Ткс=30000К. Начиная с момента подачи воды давление подачи компонентов топлива с сохранением расхода поднимается до давления несколько превышающего рабочее давление газопаровой смеси в генераторе. Давление газопаровой смеси на срезе сопла Р=1кг/см2, температура Тсс= 350К. Термический КПД рабочего цикла газопарового ракетного двигателя:
h = 1 – Tcc/Tkc = 1 – 350/3000 = 1– 0,116 = 0,884
Использование в рабочих циклах ракетных двигателей воды позволяет более полно использовать выделяемую источниками тепла тепловую энергию для совершения полезной работы за счёт расширения температурного диапазона рабочего цикла. Трансформация тепловой энергии в потенциальную энергию давления пара или газопаровой смеси обеспечивает резкое повышение всех технико-экономических показателей, таких как, удельная тяга, удельный расход топлива, удельный вес, при использовании забортной воды или воздуха обеспечивается увеличение коэффициента полезной нагрузки.
Резкое снижение удельного расхода топлива в газопаровых жидкостных и твёрдотопливных ракетных двигателях соответственно обеспечивает и резкое снижение количества и токсичности выхлопных газов, так как основное количество газопарового выхлопа будут составлять пары воды, а в ядерном только водяной пар. Все варианты двигателей по сравнению с известными обеспечивают не менее чем двукратное снижение потерь теплоты с рабочим телом в окружающую среду и повышение экологической безопасности, снижается тяжесть последствий при аварийных ситуациях (аварийный подрыв ракеты, отказ двигателя, падение ракеты при отрыве от стартового стола).
В газопаровых ракетных двигателях обеспечивается менее теплонапряжённый режим работы двигателя, что позволяет упростить конструкцию камеры газопарогенератора и сопла, исключив систему охлаждения – рубашку, использовать для критической части сопла и корпуса газопарогенератора менее термостойкие и дорогостоящие материалы и снизить стоимость их изготовления.
При использовании прямоточных газопаровых или газовых ракетных двигателей для объектов, перемещающихся в воде или в атмосфере, обеспечивается снижение лобового сопротивления среды.
При использовании газопаровых ракетных двигателей для торпед и зенитных ракет повышается маскирующий эффект, так как уменьшаются размеры и интенсивность инверсионного следа в водной среде (несконденсировавшегося водяного пара), в воздушной среде снижается интенсивность инфракрасного излучения выхлопа, состоящего в основном из низкотемпературного водяного пара.
Применение газопаровых и парового РД для транспортных средств, космических ракет, ракетного оружия позволит резко снизить себестоимость их производства и эксплуатации.
При запуске космических объектов с использованием ПЯРД обеспечивается возможность его многократного использования. С целью исключения радиационной опасности старт и разгон ракеты с ПЯРД, работающим по одноконтурной схеме, может осуществляться газопаровыми пороховыми ускорителями. После окончания работы и остановки реактора, ПЯРД с помощью спускаемого аппарата возвращается на Землю и может после перезарядки ядерным топливом использоваться повторно, т.е. многократно.
С появлением ППЯРД отпадёт необходимость в сложных современных ядерных силовых установках для надводных и подводных транспортных средств, которые по существу являются комбинацией нескольких преобразователей одного вида энергии в другой, работающих по схеме: тепловая энергия ядерного топлива в потенциальную энергию давления водяного пара, потенциальная энергия пара в паровой турбине в кинетическую энергию скоростного потока, с преобразованием её в механическую вращения ротора электрогенератора, механическая электрогенератора в электрическую, электрическая в электродвигателе в механическую вращения вала или валопровода. Многократный передел энергии осуществляется с целью получения из тепловой энергии, в конечном счете, механической вращения вала.
Несмотря на различие в использовании источников тепловой энергии для генерации рабочего тела (ракетное топливо или ядерное) и незначительные конструктивные отличия от известных, все предлагаемые газопаровые и паровой ядерный двигатели с точки зрения термодинамического цикла идентичны, так как тепловая энергия источников тепла используется для генерации из парообразующей жидкости пара, который является во всех предлагаемых ракетных двигателях рабочим телом, создающим тягу.
Все варианты ракетных и ядерных двигателей защищены патентом РФ № 2380563.
12. Газопаровой заряд.
Заряд ВВ по существу является тепловым двигателем одноразового действия и использование парообразующей жидкости в его составе позволит увеличить удельную энергию взрыва взрывчатого вещества заряда, возможность изменения диапазона её величины при одном и том же количестве взрывчатого вещества, повышение экологической чистоты взрыва путём снижения токсичности и выбросов тепла в атмосферу, обеспечение возможности придания продуктам взрыва различных, в зависимости от назначения заряда, не силовых свойств, например, противотуманных, огнетушительных, временно поражающих психику или приводящих к гибели биологических объектов, экологических и санитарных, а так же, снижение себестоимости зарядов и проводимых с их использованием работ. Так, использование газопаровых зарядов с нервнопаралитическими веществами в составе жидкости временно поражающими психику при ликвидации боевиков позволит спасти жизнь и заложникам и боевикам, при этом последних предать суду.
При взрыве заряда ВВ вся потенциальная энергия (давление) и часть внутренней (тепловой) энергии образующихся при взрыве газов, используется для генерации пара из парообразующей жидкости, например воды, которая входит в состав заряда и при его сборке в герметичной и влагонепроницаемой ампуле размещается внутри него.
Тепловой взрыв парообразующей жидкости – мгновенная генерация пара внутри образующихся при взрыве газообразных продуктов за счёт их теплоты и давления, резко увеличивает количество рабочего тела образующегося при взрыве и его плотность и давление и, соответственно, его потенциальную энергию (мощность), так как парциальные давления газов и пара суммируются, при этом взрыв будет «холодным», так как температура образующейся и распространяющейся после взрыва газопаровой смеси будет значительно ниже температуры газов образующихся при взрыве известных зарядов.
Для изменения характеристики направленности и интенсивности воздействия потенциальной энергии газопарового заряда на окружающие тела или атмосферу, в которой осуществляется взрыв, ампула с парообразующей жидкостью может находиться или в центре заряда, обеспечивая равномерность усилия расширяющего фронта газопаровой смеси, или установлена эксцентрично – смещена от центра заряда к периферии, обеспечивая создание усилия в требуемом направлении.
Для исключения влияния влаги парообразующей жидкости заряда на заряд взрывчатого вещества, он помещается в герметичной влагонепроницаемой ампуле из мягкого или твёрдого материала желательно обладающего высокой теплопроводностью и исключающего его разгерметизацию при ударных нагрузках, аналогичных допускаемым при транспортировке и обращении с зарядами ВВ.
В зависимости от назначения заряда и с целью придания атмосфере в зоне взрыва определённых свойств в парообразующую жидкость могут вводиться различные вещества, которые после взрыва будут распространяться в окружающем его пространстве и обеспечивать достижение требуемого эффекта.
За счёт использования части тепловой энергии, образующихся при взрыве заряда газов для генерации пара, обеспечивается более полное использование их внутренней энергии для совершения полезной работы, при этом меньшее количество газообразующего компонента в составе бинарного заряда обеспечивает увеличение силы взрыва.
Теплоёмкость жидкостей, в том числе воды, находящихся в замкнутом объёме при высоких давлениях резко снижается, прогрев жидкости, находящейся внутри заряда в ампуле и повышение её температуры будут происходить быстро до начала снижения давления окружающих ампулу газов.
После взрыва (горения) и передачи части тепловой энергии газов для нагрева и испарения парообразующей жидкости их парциальное давление несколько снизится, при этом парциальное давление образовавшихся паров парообразующей жидкости будет значительно выше, что приведёт к увеличению общего давления газопаровой смеси.
В образующейся после взрыва взрывчатого вещества газопаровой смеси плотность и упругость паров парообразующей жидкости будут выше газовых, что повысит по сравнению с взрывом обычного заряда кинетическую энергию расширяющейся газопаровой смеси и соответственно в целом повысит энергию заряда.
Механизм процессов происходящих мгновенно после взрыва взрывчатого вещества следующий.
Непосредственно после взрыва давление газов, окружающих ампулу с парообразующей жидкостью и распространяющихся в окружающую среду, начнёт резко снижаться. Ампула, с находящейся в ней под высоким давлением и при высокой температуре парообразующей жидкостью, вскроется, и жидкость мгновенно, со скоростью взрыва, начиная с поверхностного слоя, вглубь начнёт испаряться, образуя перегретый пар, который будет догонять, и поглощать газовый фронт, образуя с газами газопаровую смесь.
Наличие пара в газах, образующихся при взрыве, обеспечивает возможность изменением количества парообразующей жидкости в ампуле по отношению к количеству взрывчатого вещества заряда изменять в значительных пределах не только силу (мощность) взрыва заряда, но и параметры пара, содержащегося в газопаровой смеси – от перегретого пара, рассеиваемого с газами в окружающей среде, до влажного или до насыщенного пара с конденсацией в локальной зоне – зоне взрыва.
Возможность мгновенной генерации большого количества водяного пара в локальной зоне с помощью взрывов взрывчатого вещества и воды, содержащихся в газопаровом заряде, обеспечивает создание не имеющих аналогов противопожарных мин или бомб, эффективность использования которых при ликвидации больших очагов лесных пожаров и пожаров в промышленных и жилых зонах, будет значительно выше, чем при подаче воды в зону горения извне наземными средствами пожаротушения или сбросом её сверху в зону горения с помощью летательных аппаратов, а себестоимость затрат значительно ниже.
Газопаровой заряд, взрываясь непосредственно внутри зоны горения, генерирует взрывную волну газопаровой смеси, обладающую одновременно свойствами предотвращать доступ атмосферного кислорода к зоне горения извне, срывать пламя и одновременно гасить его от центра горения образовавшимся влажным паром.
Возможно изготовление для тушения пожаров газожидкостных бомб, преимущественно содержащих воду, которые с помощью минимального по мощности взрыва подрываются в центре очага пожара, при этом основная масса неиспарившейся воды взрывной волной газов и образующимся после взрыва водяным паром мгновенно распространяется в окружающем пространстве, заливая очаг пожара.
Газопаровой заряд может быть использован в любых по назначению патронах, минах, бомбах, торпедах, ракетах, в любых промышленных зарядах, например, в промышленных пороховых генераторах давления предназначенных для разрыва и термогазохимической обработки нефтегазоносных пластов, при вскрышных работах, в карьерах, при сносе зданий путём локального подрыва несущих элементов, при этом резко сократится расход взрывчатых веществ, и объём образующейся после взрыва пыли, так как она будет увлажняться паром, предотвращающим её распространение и сокращающим время её оседания.
Газопаровой заряд обеспечивает возможность влияния на состав атмосферного воздуха в зоне взрыва путём введения в парообразующую жидкость заряда токсичных, парализующих, например, с целью временной парализации или гибели живых организмов в зоне взрыва, снотворных, и т.п. веществ, сохраняющих исходные свойства в условиях высокого давления и температуры.
Для сохранения работоспособности при отрицательных температурах окружающего воздуха парообразующая жидкость газопарового заряда может содержать антифризный компонент.
Газопаровой заряд обеспечивает более эффективное использование энергии, выделяющейся при взрыве взрывчатого вещества, снижение расхода взрывчатых веществ на единицу мощности заряда, расширяет область их применения, повышает степень экологичности при производстве взрывных работ.
Автор приглашает принять участие в реализации высокодоходных перспективных проектов отечественные и зарубежные инвестиционные компании, научно-производственные объединения и предприятия специализирующиеся на производстве тепловых двигателей для мобильных и стационарных объектов, а так же теплоэнергетического оборудования.
Приложение 1
Многоцилиндровая турбина объемного расширения
Патентная информация
Номер: 2362881
Автор: Романов Владимир Анисимович (RU)
Дата публикации: 27 Июля, 2009
Классификация по МПК: F01CF02B
Реферат: Изобретение относится к теплоэнергетике и машиностроению и может быть использовано в качестве насосов, компрессоров, силовых установок с внешним и внутренним подводом теплоты для стационарных и мобильных объектов. Турбина содержит два аксиальных цилиндра, между которыми установлена планшайба ротора и относительно каждого из которых выполнено, по меньшей мере, по одному коаксиальному цилиндру, лопасти. Цилиндры, лежащие в одной диаметральной плоскости, последовательно соединены друг с другом перепускными каналами, сообщающими полости цилиндров в зоне уменьшения межлопастных объемов от максимальных до минимальных в одной и одновременного увеличения от минимальных до максимальных в другой, образуя, по меньшей мере, одну спиралеобразную проточную часть сжатия или расширения. Перепускные каналы проточной части в окружном направлении отделены друг от друга зонами, исключающими их сообщение друг с другом, длиной не менее шага лопастей. Впускные и выпускные окна выполнены в первой и последней полостях проточной части. Турбина позволяет при использовании ее в различных тепловых двигателях внешнего и внутреннего сгорания обеспечить преобразование всей потенциальной энергии рабочего тепла непосредственно в механическую и соответственно обеспечить высокие показатели эффективности, экономичности, экологической чистоты, а также габаритно-весовые характеристики и минимальный удельный вес. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
Заключение Коллегии Двенадцати
Доклад В.А. Романова привлекателен, прежде всего, попыткой поставить анализ принципиальной стороны дела на более реалистическую основу, нежели это делает классическая термодинамика (под классической я имею в виду "историческую", а не противопоставление термодинамике квантовой). Работы ХIХ века, конечно, были и остаются важными для создания физических концепций, но они – недостаточная основа инженерной деятельности. Предлагаемые в докладе "дополнения" ко второму закону термодинамики, похоже, являются хорошими интуитивно-эвристическими подпорками для изобретателя. Они помогли Романову найти хорошие технические решения. Однако, эти дополнения содержат концептуальную путаницу, хотя они должны быть выводимы из уже существующих законов. Интуиция подсказывает, что если по существу разобраться в теме "Оптимизация устройств преобразования энергии в осуществимом диапазоне термодинамических параметров" (то есть разобраться с молекулярной точки зрения, где нет искусственного водораздела между упоминаемыми докладчиком видами энергии), то можно было бы понять, каков действительный потенциал дальнейших улучшений в современных технологических условиях.
Заключение подготовил член Коллегии Двенадцати д.ф-м.н Н.Н. Ляшенко