EA008403B1 - Способ преобразования низкопотенциальной энергии и бестопливный струйный двигатель для его осуществления - Google Patents

Abstract

Использование: для преобразования энергии атмосферы, а также низкопотенциальной теплоты источников тепловой энергии внешней среды, например воды природных водоемов, в механическую работу, высокопотенциальную теплоту и «холод». Сущность изобретения: способ преобразования энергии, при котором в процессе последовательного присоединения дополнительных масс, применяемом при получении мощности струйного двигателя (I), в качестве рабочего тела, образующего при истечении из струйного устройства эжекторного соплового аппарата газовую массу импульсов активной струи, используют сжатый газ, который сжимают в компрессоре до расчетного уровня давления за счет части мощности, полученной на силовом валу этого двигателя в результате преобразований энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах. Изобретение направлено на повышение экологичности.

Description

Заявляемое изобретение относится к способам преобразования энергии альтернативных источников, энергетическим установкам и двигателям для их осуществления.

Заявляемое изобретение может быть использовано в процессах преобразования гравитационной, а также низкопотенциальной тепловой энергии внешней среды в механическую работу, высокопотенциальную теплоту и «холод».

Уровень техники в данной области характеризуется использованием этой энергии в ветроэнергетике, эжекторных процессах, а также в струйных двигателях.

Неравномерный нагрев атмосферных газов, сжатых под действием гравитации и аккумулирующих лучистую энергию солнца, вызывает изменения давления в атмосфере, нарушая ее равновесное состояние. При его восстановлении потенциальная и тепловая энергия воздушных масс преобразуются в кинетическую. В этом природном стохастическом процессе осуществляется преобразование энергии атмосферы в вид, доступный для ее использования. Первой машиной, использующей результаты преобразования для выполнения полезной работы, стал парус. Принцип работы паруса и ветродвигателей - создание момента напором воздушной массы. Их преимущества перед тепловыми двигателями - выполнение механической работы без потребления кислорода и выработки продуктов сгорания, а недостатки - низкая плотность энергии на единицу рабочей площади и неконтролируемость изменения скорости ветра.

Нарушать равновесное состояние атмосферы для преобразования потенциальной энергии воздушных масс в кинетическую можно за счет управляемых локальных воздействий, не зависящих от глобальных природных процессов. Давно известны и используются струйные эжекторные устройства, с помощью которых управляют процессом создания необходимой разности потенциалов давлений между их открытой термодинамической системой и атмосферой. При восстановлении равновесного состояния, нарушаемого за счет воздействия активной струи рабочего тела, атмосфера совершает механическую работу, объем которой зависит от величины и способа воздействия, а также параметров эжекторных устройств. Например, для увеличения тяги струйных движителей используются два процесса присоединения дополнительных воздушных масс к активной струе, в которых способы воздействия струи различны. Вследствие этого, один из основных показателей эффективности преобразования энергии в таких процессах - коэффициент присоединения дополнительных масс т, характеризующий отношение присоединяемой воздушной массы к массе активной струи, - отличается в несколько раз. В классическом эжекционном процессе параллельного присоединения к стационарной реактивной струе при установке эжекторного насадка на струйный движитель его тяга увеличивается за счет «неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора, появление которой обусловлено понижением давления на стенках раструба при втекании в него эжектируемого воздуха» («Прикладная газовая динамика» Абрамович Г.Н., изд. «Наука», Москва, 1969г., стр.505), без дополнительных затрат энергии топлива. КПД и коэффициент т данного процесса низкие из-за турбулентного смешения и трения потоков, при котором уменьшается скорость активной струи С_АС. Поэтому увеличение тяги эжекторного устройства и кинетической энергии реактивной массы, получаемой в результате процесса параллельного присоединения, незначительны. Второй процесс - последовательного присоединения («Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей», открытие от 2.07.1951г., диплом 314, авторы Кудрин О.И., Квасников А.В., Челомей В.Н.) - по конструктивному принципу эжекторного устройства, в котором он происходит, и внешнему результирующему действию может показаться аналогом эжекции. Однако он имеет иную физическую основу, которая не обязательно связана с трением и смешением потоков. В этом процессе в эжекторном насадке составного реактивного сопла при воздействии пульсирующей активной струи с заданной периодичностью создается разрежение и неуравновешенная сила атмосферного давления, за счет которой, в основном, между импульсами активной струи присоединяется атмосферный воздух. Его ускорение может происходить практически без смешения объединяемых масс и уменьшения скорости активной струи, истекающей при расширении в область насадка с пониженным давлением. В результате резко увеличивается реактивная масса и ее кинетическая энергия по сравнению с кинетической энергией активной струи.

Получаемая в результате процесса последовательного присоединения объединенная реактивная масса - ОМ=1+т, где 1 - масса пульсирующей активной струи; т - присоединенная масса, численно равна коэффициенту т.

Эффективность этого процесса, наряду с коэффициентом присоединения т, характеризует коэффициент скорости объединенной реактивной массы - те_ОМ=С_ОМ/С_РС, где С_ОМ - скорость объединенной реактивной массы; С_РС - скорость пульсирующей реактивной струи, образованной рабочим телом с такими же параметрами, и истекающим из такого же струйного устройства, как в процессе присоединения, только расширяющимся не в эжекторном насадке, а в одинаковом по диаметру, но до такой степени коротком насадке комбинированного сопла, что в нем вслед за газовой массой импульсов реактивной струи рабочего тела не образуется разрежение, т.е. рабочее тело расширяется при атмосферном давлении. С_ОМ равна С_АС, причем С_АС, в зависимости от величины потерь на трение и изменения давления на входе в эжекторный насадок, может быть < или> С_РС. Поэтому С_ОМ может быть< или > С_РС, \ν_(Μ<1 или>1.

Последовательное втекание дополнительных масс вслед за газовой массой импульсов активной струи без их выталкивания из эжекторного насадка газовой массой импульса следующего цикла и турбу

- 1 008403 лентного смешения разделенных газовых масс возможно лишь в узком диапазоне оптимальных значений и соотношений основных параметров процесса (расчетной частоты, формы, длительности и скорости импульсов активной струи, скорости набегающего потока, а также соотношения конструктивных параметров и пропорций струйного устройства и его эжекторного насадка), при которых можно получать С_ас>С_рс, ^_ом>1, коэффициент т>10.

Наиболее близкими по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу преобразования низкопотенциальной энергии и бестопливному струйному двигателю для его осуществления является «Способ преобразования энергии в струйной установке (варианты), струйно-адаптивном двигателе и газогенераторе», описанный в патенте 2188960 КН Р 02 С 3/32, 5/12, бюл. № 25, 2002г., автор Кондрашов Б.М. Процесс последовательного присоединения дополнительных масс в нем используется для выработки мощности на валу струйного двигателя с эжекторным сопловым аппаратом и рабочим телом, получаемым при сгорании топливовоздушной смеси. Этот процесс состоит из двух взаимозависящих, последовательных и периодически повторяющихся термодинамических циклов с использованием двух разных источников энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию объединенной реактивной массы для выполнения механической работы. В первом цикле (У=еои51) располагаемая энергия внесенного в двигатель топлива преобразуется в тепловую, а затем в кинетическую энергию рабочего тела первой части реактивной массы, которая при движении со сверхзвуковой скоростью в эжекторном насадке создает вслед за собой разрежение, необходимое для начала второго цикла, а при воздействии на лопатки турбины - момент на валу. За счет разности давлений, создаваемой в первом цикле, основным источником энергии во втором цикле становится энергия сжатого под действием гравитации атмосферного воздуха (так же, как при восстановлении равновесного состояния атмосферы в стохастическом природном процессе), который втекает, расширяется и ускоряется в насадке с понижением температуры, образуя при истечении из него вторую часть реактивной массы, воздействующую на лопатки. При ускорении присоединяемого воздуха понижается давление в насадке перед началом следующего первого цикла, увеличивая разность потенциалов давлений при расширении массы следующего импульса активной струи и, соответственно, увеличивая кинетическую энергию этой массы по сравнению с ее истечением в область с атмосферным давлением. В результате увеличения скорости массы импульса активной струи увеличиваются степень разрежения в насадке в следующем втором цикле и скорость присоединяемого в нем атмосферного воздуха. Тем самым, изменение параметров процесса преобразования энергии одного источника влияет на эффективность преобразования энергии другого в следующем цикле.

Таким образом, периодическое создание разности потенциалов давлений в эжекторном насадке, за счет воздействия пульсирующей активной струи, нарушающей равновесное состояние атмосферы, позволяет использовать атмосферное давление не только для ускорения дополнительно присоединяемых воздушных масс в процессе последовательного присоединения, но и для увеличения кинетической энергии активной струи (в этом заключается основное отличие от процесса параллельного присоединения, в котором происходит уменьшение кинетической энергии стационарного эжектирующего потока за счет перераспределения его первоначальной кинетической энергии на большую массу газа при турбулентном смешении).

Реализация способа с использованием продуктов сгорания в качестве рабочего тела осуществляется следующим образом. В процессе сгорания топливовоздушной смеси в камере периодического сгорания увеличивается потенциальная энергия продуктов сгорания. При их истечении, например, из сужающихся реактивных сопл и расширении в эжекторных насадках соплового аппарата вслед за газовой массой каждого импульса активной струи продуктов сгорания образуется разрежение, которое в каждом цикле создает разность потенциалов, необходимую для втекания и ускорения в насадке дополнительной массы атмосферного воздуха. В результате этого дискретного процесса из эжекторного соплового аппарата истекают струи объединенной массы, состоящей из продуктов сгорания и присоединенной массы воздуха, которая без дополнительных затрат топлива увеличивает реактивную массу, воздействующую на лопатки турбины, и момент на валу ротора струйного двигателя. Поэтому для получения одинаковой мощности при использовании данного способа топлива затрачивается меньше, чем в газотурбинных двигателях традиционных схем, как минимум, в количество раз, которое пропорционально коэффициенту т, скорректированному на величину ν_0Μ.

Поскольку в рассматриваемом способе после начала истечения продуктов сгорания (из объема камеры периодического сгорания, рассчитанной на массу одного импульса) уменьшается их давление в камере, то, соответственно, уменьшаются давление перед критическим сечением сопла, степень расширения «хвостовой» части газовой массы импульса в первом цикле и ее скорость. Как следствие, во втором цикле происходят прогрессирующее снижение степени разрежения в насадке и уменьшение скорости части присоединяемой массы. «Головная» часть импульса продуктов сгорания следующего цикла выталкивает из насадка «хвостовую» часть присоединяемой воздушной массы предыдущего цикла, имеющую меньшую скорость. В результате происходят частичное смешение разделенных газовых масс и, соответственно, уменьшение С_АС и С_ОМ, снижающее эффективность процесса присоединения.

Однако результаты стендовых испытаний, проведенных О.И. Кудриным («Пульсирующее реактивное сопло с присоединением дополнительной массы», Кудрин О.И. «Труды МАИ», 1958г., выпуск № 97),

- 2 008403 наглядно показали, что даже при наличии этих потерь объединенная реактивная масса имеет кинетическую энергию значительно большую, чем у активной струи. На экспериментальной установке при эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей активной струей продуктов сгорания был получен прирост реактивной силы до 140% к исходной тяге. Его величина зависит от геометрических параметров эжекторного насадка, изменения получаемой в процессе присоединения реактивной массы и скорости ее истечения. При \ν_(ом>1 прирост кинетической энергии реактивной массы > прироста силы тяги. Чтобы получить прирост тяги в 2,4 раза при уменьшении \у_оМ (в данном случае происходящего за счет уменьшения скорости истечения «хвостовой» части массы импульсов продуктов сгорания), величина дополнительно присоединяемой воздушной массы должна быть равна 2,4 тп, где η - коэффициент, на который уменьшается С_АС и Сом при частичном смешении продуктов сгорания с присоединяемым воздухом. Для обеспечения прироста кинетической энергии объединенной реактивной массы (Е_Ком⁼[(1+т)С²ом]/2), равного приросту тяги, в процессе с ν0Μ меньше 1 (СОМ меньше СРС) необходим коэффициент присоединения т, увеличенный в п² раз. То есть для обеспечения прироста кинетической энергии в 2,4 раза при уменьшении СОМ по сравнению с С_РС, например, в 2 раза (это значительная величина даже для процесса параллельного присоединения), объединенная реактивная масса должна увеличиться за счет присоединения дополнительных масс воздуха в 2,4т2²=9,6 раза. При этом коэффициент т, полученный экспериментально, >10, следовательно, прирост кинетической энергии объединенной массы и в этом случае больше, чем прирост тяги.

Таким образом, совершенно очевидно, что даже при возможном уменьшении νο_Μ Е_КОм=[(1+2,4тп²)(Сом/п)²]/2 значительно больше кинетической энергии активной струи Екас=С²ас/2 (в данном случае состоящей из продуктов сгорания), а большая часть мощности в предлагаемом способе получается за счет преобразования потенциальной энергии и низкопотенциальной теплоты сжатых под действием гравитации атмосферных газов в кинетическую энергию воздушной массы. Причем полученная энергия используется для выполнения механической работы, не рассеиваясь в атмосфере, как при создании реактивной тяги движителя. Поэтому струйный двигатель для реализации данного способа можно отнести к комбинированным атмосферным, а его эффективность оценивать суммарным КПД, который равен КПД цикла Карно, увеличенному на произведение коэффициентов т и ν_0Μ.

Однако в этих двигателях, как и в тепловых, отработавшая объединенная масса, содержащая токсичные вещества, выбрасывается в атмосферу, а часть теплоты от сгорания топлива рассеивается, не производя полезной работы.

Технической задачей данного изобретения является создание способа преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды в бестопливных струйных энергетических установках и двигателях (в которых в качестве рабочего тела в процессе последовательного присоединения вместо продуктов сгорания используются сжатые в компрессоре газы) с целью повышения экологичности, удельной мощности и расширения сфер их применения.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи в части способа преобразования низкопотенциальной энергии, заключается в преобразовании энергии внешних газовых масс (здесь и далее имеется в виду внешних по отношению к эжекторным насадкам - устройствам присоединения эжекторного соплового аппарата) для получения мощности на валу без сжигания топлива и выработки продуктов сгорания; повышении эффективности процесса последовательного присоединения дополнительных масс при выбросе отработавшей объединенной массы во внешнюю среду и/или использовании ее в качестве присоединяемых масс следующих циклов за счет торможения в диффузоре отработавшей объединенной массы; повышении эффективности процесса последовательного присоединения дополнительных масс и преобразования энергии объединенной реактивной массы за счет использования вихревого эффекта; увеличении удельной мощности и сфер применения бестопливного струйного двигателя за счет увеличения степени сжатия отработавшей объединенной массы и разности потенциалов давлений при расширении рабочего тела.

Сущность изобретения в части способа преобразования низкопотенциальной энергии заключается в следующем: способ преобразования энергии, при котором за счет кинетической энергии газовой массы по меньшей мере одной пульсирующей реактивной струи (образованной рабочим телом, истекающим из струйного устройства в устройство присоединения эжекторного соплового аппарата струйного двигателя и выполняющей функции активной струи в процессе последовательного присоединения дополнительных масс) в каждом цикле между газовой массой импульсов активной струи ускоряют дополнительно присоединяемую газовую массу, а кинетической энергию полученной объединенной реактивной массы используют для создания вращающего момента на силовом валу, при этом в качестве рабочего тела используют внешние газовые массы, которые перед подачей в струйное устройство для образования активной струи сжимают в компрессоре до расчетного уровня давления, достаточного для создания в устройстве присоединения разрежения вслед за газовой массой импульсов активной струи, обеспечивающего возникновение неуравновешенной силы давления внешних газовых масс и преобразование их потенциальной и тепловой энергии в кинетическую энергию дополнительно присоединяемой газовой массы, при этом привод компрессора осуществляют за счет части мощности, получаемой на силовом валу бестоп

- 3 008403 ливного струйного двигателя в результате преобразований энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах.

Мощность на силовом валу получают, воздействуя напором внешней газовой массы, втекающей в устройство присоединения вслед за газовой массой импульсов активной струи, на лопатки, по меньшей мере, одноступенчатой турбины, расположенной по направлению втекания до струйного устройства, и/или воздействуя на лопатки, по меньшей мере, одноступенчатой турбины струей объединенной реактивной массы, образованной в устройстве присоединения в процессе последовательного присоединения.

Струи объединенной реактивной массы, истекающие из лопаток турбины, закручивают по спирали, используя их кинетическую энергию, оставшуюся после получения момента на силовом валу, для создания вихревого эффекта в объеме вихревой камеры, в который происходит истечение, и образования в ее центральной части разрежения для увеличения разности потенциалов давлений в процессе последовательного присоединения при расширении рабочего тела и, соответственно, кинетической энергии газовой массы импульсов активной струи и степени разрежения, образующегося вслед за ней, повышающих скорость объединенной реактивной массы и момент на силовом валу, одновременно в периферийной части вихря повышается давление объединенной массы, которую из этой части направляют на лопатки следующей ступени турбины также для создания дополнительного момента.

Струи объединенной реактивной массы, истекающие из лопаток турбины, направляют в центробежный диффузор, в котором их кинетическую энергию, оставшуюся после получения момента, преобразуют в потенциальную, увеличивая давление отработавшей массы до уровня, необходимого для выброса во внешнюю среду и/или повтррного использования в качестве присоединяемых масс в процессах последовательного присоединения следующих циклов в устройствах присоединения этого же и/или поочередно нескольких других эжекторных сопловых аппаратов, при котором ее последовательно охлаждают до низкотемпературного уровня, необходимого внешним потребителям и/или при работе бестопливного струйного двигателя по замкнутому циклу для расчетного увеличения разности температур внешней среды и отработавшей объединенной массы перед ее нагревом в теплообменном устройстве.

Отработавшую массу сжимают в компрессоре за счет части мощности, полученной в результате процессов преобразования энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах, до давления, необходимого для выхлопа во внешнюю среду с повышенным давлением и/или повторного использования в качестве присоединяемых масс, а также для дополнительного увеличения разности потенциалов давлений при истечении пульсирующей активной струи из струйного устройства, получаемого за счет разрежения перед входом в компрессор, образующегося при сжатии отработавшей массы.

Отработавшую массу сжимают в компрессоре за счет части мощности, полученной в результате процессов преобразования энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах, до давления, необходимого для ее дальнейшего использования в качестве рабочего тела в процессах последовательного присоединения дополнительных масс следующих циклов в устройствах присоединения эжекторных сопловых аппаратов по меньшей мере одного бестопливного струйного двигателя, и/или для создания реактивной тяги движителей, и/или выполнения другой работы при расширении.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи в части бестопливного струйного двигателя для осуществления способа преобразования низкопотенциальной энергии, заключается в уменьшении линейных размеров и повышении удельной мощности.

Сущность изобретения в части бестопливного струйного двигателя для осуществления способа преобразования низкопотенциальной энергии заключается в следующем: струйный двигатель содержит по меньшей мере один эжекторный сопловой аппарат, состоящий по меньшей мере из одного струйного устройства и устройства присоединения, при этом проточная часть устройства присоединения эжекторного соплового аппарата и по меньшей мере одной турбины, закрепленной на конце полого силового вала бестопливного струйного двигателя, находится внутри пространства, ограниченного по периметру внутренней поверхностью этого вала, а на его наружной поверхности расположены ступени по меньшей мере одного компрессора.

По периметру выхода проточной части турбины, которая осуществляет привод силового вала за счет кинетической энергии объединенной реактивной массы, воздействующей на ее лопатки, расположен центробежный диффузор, выход которого через пневмоклапаны сообщается по каналам с внешней средой и/или входами в компрессор и устройство присоединения.

По периметру выхода проточной части турбины, которая осуществляет привод силового вала за счет кинетической энергии объединенной реактивной массы, расположен направляющий аппарат для закрутки по спирали объединенной массы, истекающей из этой турбины, выход которого направлен в объем вихревой камеры для образования вращающихся вихревых потоков объединенной массы.

В периферийной части вихревой камеры расположен вход направляющего аппарата, а его выход направлен на лопатки второй ступени турбины, первая ступень которой приводится в действие за счет кинетической энергии объединенной реактивной массы.

Центральная часть вихревой камеры и выход из лопаток второй ступени турбины соединены через направляющий аппарат с входом компрессора, закрепленного на силовом валу.

Выход компрессора, закрепленного на силовом валу, соединяется через пневмоклапаны по каналам

- 4 008403 с внешней средой и/или входом устройства присоединения и пневмоаккумулятором сжатого рабочего тела.

По периметру входа проточной части турбины, осуществляющей привод силового вала за счет кинетической энергии присоединяемых масс, втекающих в устройство присоединения, расположен выход проточной части турбины, которая приводится в действие за счет этой же энергии, но не закреплена на силовом валу и осуществляет привод ротора по меньшей мере одной ступени компрессора, вращая ее в сторону, противоположную вращению других ступеней этого же компрессора, ротор которых закреплен на силовом валу.

Перечень фигур чертежей

На чертеже изображена принципиальная схема бестопливного струйного двигателя, поясняющая его конструкцию, а также способ преобразования низкопотенциальной энергии, осуществляемый в этом двигателе.

На чертежах обозначены: струйное устройство 1 для образования реактивной массы импульсов активной струи; устройство 2 присоединения эжекторного соплового аппарата; первая турбина 3 силового вала; вторая турбина 4 силового вала; силовой вал 5; центробежный компрессор 6, расположенный на силовом валу; осевой компрессор 7, расположенный на силовом валу, центробежный диффузор 8; выпускной пневмоклапан 9; пневмоклапан 10; направляющий аппарат 11 для закрутки объединенной реактивной массы по спирали; объем вихревой камеры 12; направляющий аппарат 13 на входе второй ступени турбины 4; лопатки 14 второй ступени турбины 4; направляющий аппарат 15, соединяющий выход из объема вихревой камеры и лопаток 14 второй ступени турбины 4 с входом компрессора 6; выпускной пневмоклапан 16; пневмоклапан 17; пневмоаккумулятор 18 рабочего тела; обратный клапан 19, через который подают рабочее тело, сжатое внешними устройствами; обратный клапан 20, через который подают рабочее тело, сжатое в компрессоре струйного двигателя; электромагнитный клапан 21 подачи рабочего тела; турбинные лопатки - направляющий аппарат 22 на входе в турбину 3; турбинные лопатки 23 турбины 3; направляющий аппарат 24 на выходе турбины 3; турбинные лопатки 25 турбины 4; клапаны 26, 27 впускные; реактивное сопло 28; турбина 29, не закрепленная на силовом валу; компрессор 30, кинематически не связанный с силовым валом.

Описание основных вариантов осуществления изобретения

Предлагаемый способ преобразования низкопотенциальной энергии рассмотрим на примере бестопливного струйного двигателя (см. чертеж), который содержит эжекторный сопловой аппарат, состоящий из струйного устройства 1, например сужающегося реактивного сопла, и устройства 2 присоединения. Проточная часть этого устройства, а также турбин 3 и 4, закрепленных на концах полого вала 5, находится внутри пространства, ограниченного по периметру внутренней поверхностью этого вала. Снаружи вала 5 расположены роторы компрессоров 6, 7.

В одном частном случае реализации способа (на чертеже выделен пунктирной линией и обозначен А) по периметру выхода проточной части турбины 4 расположен центробежный диффузор 8, выход которого сообщается по каналам а, в и с через пневмоклапаны 9 и 10 с внешней средой и/или входами в компрессор 7 и устройство 2 присоединения.

В другом частном случае (на чертеже выделен пунктирной линией и обозначен Б) по периметру выхода проточной части турбины 4 расположен направляющий аппарат 11 для закрутки по спирали объединенной массы, истекающей из турбины 4, выход которого направлен в объем вихревой камеры 12, в которой образуются вращающиеся вихревые потоки объединенной массы. В периферийной части вихревой камеры 12 расположен вход направляющего аппарата 13, а его выход направлен на лопатки 14 второй ступени турбины 4. Центральная часть вихревой камеры 12 и выход из лопаток 14 второй ступени турбины 4 соединены через направляющий аппарат 15 с входом компрессора 6, закрепленного на валу 5. Выход компрессора 6 через пневмоклапаны 16, 17 по каналам а, в и с соединяется с внешней средой и/или входами компрессора 7, устройства 2 присоединения.

Для начала работы этого двигателя необходимо создать давление рабочего тела, например воздуха, в пневмоаккумуляторе 18. Сжатый воздух подают через обратный клапан 19 и/или 20. После достижения расчетного уровня давления включают в работу клапан 21, который с заданной периодичностью обеспечивает расчетную длительность истечения массы сжатого воздуха из реактивного сопла. При его расширении и ускорении воздушной массы импульса активной струи в устройстве 2 присоединения образуется разрежение, необходимое для втекания вслед за ней атмосферного воздуха, который под действием атмосферного давления ускоряется вслед за воздушной массой импульса активной струи, втекая в устройство 2 присоединения через турбинные лопатки - направляющий аппарат 22, проточную часть турбины 3, образованную лопатками 23, соединяющими ее ротор с внутренней частью вала 5, и направляющий аппарат 24. От геометрических параметров реактивного сопла и устройства 2 присоединения, их соотношения, а также от термодинамических параметров реактивной массы импульсов активной струи зависят степень разрежения и период времени, в течение которого оно сохраняется. А от этого, в свою очередь, зависят количество присоединяемого атмосферного воздуха, его скорость и, соответственно, суммарный напор втекающей воздушной массы на лопатки 23 турбины 3 и объединенной реактивной массы на лопатки 25 турбины 4, создающий момент на валу 5. Получаемая при этом мощность предназначена

- 5 008403 для использования внешними потребителями и привода устройств и механизмов двигателя.

Замена рабочего тела - продуктов сгорания, истекающих из камеры периодического сгорания, на сжатый воздух в предлагаемом способе позволяет исключить процессы наполнения, сгорания, продувки, на осуществление которых необходимо затрачивать время цикла, и расширить диапазон возможных расчетных частот импульсов активной струи, их длительности и, соответственно, диапазон термодинамических параметров для оптимизации процесса присоединения, а также управления получаемой мощностью. Кроме того, во время истечения из реактивного сопла давление сжатого воздуха в пневмоаккумуляторе 18 и перед критическим сечением в течение цикла остается постоянным, поэтому «хвостовая» часть газовой массы импульсов активной струи, снижающая эффективность процесса последовательного присоединения при использовании в качестве рабочего тела продуктов сгорания, отсутствует. Тем самым практически исключаются смешение последовательно движущихся разделенных воздушных масс и, соответственно, потери на их трение. В связи с этим коэффициент ν_0Μ в данном процессе присоединения^ 1, а располагаемая кинетическая энергия получаемой в нем объединенной реактивной массы Е_КОМ=[(т+1)С²ОМ]/2 больше располагаемой кинетической энергии активной струи ЕКас=С²ас/2 в количество раз, пропорциональное коэффициенту т. Причем его величина больше, чем в процессе присоединения к активной струе, состоящей из продуктов сгорания, и может в зависимости от расчетных параметров меняться от 10 до 50, соответственно, величина Е_КОМ будет в десятки раз больше Е_кас. При таком приросте энергии, полученном в результате процесса присоединения, для сжатия рабочего тела, образующего импульсы активной струи, вполне можно использовать мощность, получаемую в результате преобразования в турбине располагаемой кинетической энергии объединенной воздушной массы после ее ускорения в каждом цикле процесра присоединения, т. е. осуществлять преобразование энергии атмосферы в механическую работу, используя энергию, полученную в результате ее преобразований в предыдущих циклах. При этом процесс механического сжатия можно осуществлять в компрессорах 6, 7, расположенных на силовом валу 5. Суммарные энергозатраты и потери в процессах преобразования энергии атмосферы Е_зат будут Е_зат=Е_зсв+Е_пк+Е_пт+Е_пр, где Е_зсв - необходимые энергозатраты на работу сжатия воздуха, образующего активную струю при расширении в процессе присоединения; Е_пк - потери энергии при сжатии в компрессоре; Е_пт - потери энергии в турбине при преобразовании Е_КОМ в механическую работу; Е_пр - прочие потери.

При этом Е_зсв=Е_кас, а общий удельный вес технологических потерь Е_пк+Е_пт+Е_пр будет не выше 25% от Е_ком, в т.ч. Е_пк~20% от Е_зсв; Е_пт~15% от Е_ком; Е_пр~2% от Е_КАС. В основном, величина потерь зависит от эффективности процесса преобразования энергии в турбине, а удельный вес потерь в компрессоре и прочих потерь (например, охлаждение после сжатия, при расширении в соплах) при больших величинах т незначителен и составляет, соответственно, 1 и 0,1% от Е_ком, увеличиваясь при уменьшении т.

С учетом всех энергозатрат энергия для использования потребителями Е_пот будет: Е_пот=Е_ком-Е_зат.

Если принять Е_ком=100%, то при средних значениях коэффициентов т=20 и те_ОМ=1 Е_пот=100%-(5%+1%+15%+0,1%)=78,9% от Е_ком. А величина Е_зат, необходимая для организации процесса преобразований энергии атмосферы в механическую работу, в этом случае составит 21,1% от Е_КОМ. При отклонении основных параметров процесса и их соотношений от оптимальной величины уменьшаются значения коэффициентов т и \ν_(ОМ. Для выработки минимальной мощности, необходимой для самоподдержания этого процесса, Е_КОМ, получаемая в результате присоединения воздушных масс, должна увеличиться на величину, необходимую лишь для компенсации технологических потерь, и в этом случае будет равна величине Е_зат. Чтобы обеспечить такой прирост, достаточно увеличить кинетическую энергию реактивной массы в процессе присоединения на 44%, т.е. Е_КОМ по сравнению с Е_кас должна быть больше лишь в 1,44 раза. Полученная сверх этого энергия может полностью использоваться внешними потребителями. Например, при значении коэффициента т=1 (очень низком для процесса последовательного присоединения), при котором удельный вес затрат энергии, необходимой для сжатия воздуха Е_зсв, увеличивается до 50% от величины, получаемой в этом случае Е_КОМ (а принятый ранее удельный вес технологических потерь остается без изменения), Е_пот=100%-(50%+10%+15%+1%)=24% от Е_КОМ. Даже при таком незначительном (в 2 раза) увеличении кинетической энергии в процессе присоединения и невысоких КПД турбины (0,85) и компрессора (0,8) можно преобразовывать энергию атмосферы с использованием энергии, полученной в результате ее преобразований в предыдущих циклах, оставляя при этом 24% от располагаемой Е_КОМ потребителям.

Если экстраполировать результаты увеличения кинетической энергии (в 2,4 раза), полученные О.И. Кудриным экспериментально в процессе последовательного присоединения с активной струей из продуктов сгорания, на более эффективный процесс с использованием сжатого воздуха для образования этой струи, то часть энергии, остающаяся внешним потребителями после необходимых затрат на работу сжатия и потерь энергии (в турбине, компрессоре и прочих) в процессах преобразования, составит Е_пот=100%-(41,7%+8,3%+15%+0,8%)=34,2% от полученной Е_КОМ. Следовательно, результаты эксперимента и анализ энергетического баланса предлагаемого способа подтверждают возможность преобразования энергии атмосферы в процессе последовательного присоединения за счет энергии, полученной в

- 6 008403 результате ее преобразований в предыдущих циклах, без использования какой-либо дополнительной энергии. При этом для запуска процесса последовательного присоединения дополнительных масс можно использовать воздух, сжатый за счет части мощности, полученной в результате преобразования Е_ПОТ, и накопленный в пневмоаккумуляторе.

Таким образом, энергию атмосферных газов, находящихся в равновесном состоянии, можно преобразовывать в кинетическую энергию реактивной воздушной массы, не сжигая топливо и не подводя внешней высокопотенциальной тепловой энергии (выработанной с использованием каких-либо других технологий) к рабочему телу, для получения удельной мощности, сопоставимой с удельной мощностью тепловых двигателей.

Процесс последовательного присоединения в бестопливном способе преобразования энергии атмосферы состоит из двух взаимозависящих, последовательных и периодически повторяющихся термодинамических циклов: обратного цикла Карно (цикла воздушного теплового насоса - холодильной машины) и второго цикла - ускорения дополнительных масс под действием атмосферного давления. При этом за счет части механической работы, полученной в результате преобразований энергии атмосферы, сжимают атмосферный воздух в обратном цикле Карно, а за счет работы расширения сжатого воздуха в обратном цикле создают условия для начала второго цикла. Причем, как и при работе тепловых двигателей, в предлагаемом способе преобразования энергии могут использоваться открытые (разомкнутые) циклы, в которых отработавшая объединенная масса с пониженной температурой в итоге выбрасывается в атмосферу (в приведенном примере через открытые клапаны 9, 16) и заменяется воздухом с атмосферной температурой (поступающим через клапан 26 по каналу в на вход устройства 2 присоединения для использования в качестве присоединяемых масс следующих циклов и по каналу с для сжатия в компрессоре 7 и использования в качестве рабочего тела после поступления через пневмоклапан 20 в пневмоаккумулятор 18). Однако в данном случае к рабочему телу не нужно подводить высокопотенциальную теплоту, потребляя при этом кислород и выбрасывая в атмосферу токсические вещества, поскольку необходимая работа расширения осуществляется за счет предварительного механического сжатия рабочего тела, а основным источником энергии (для осуществления процесса последовательного присоединения, в результате которого получается объединенная реактивная масса, совершающая работу), наряду с низкопотенциальной тепловой энергией, аккумулированной атмосферными газами, является гравитация, создающая атмосферное давление. Поэтому устройства, в которых осуществляют предлагаемый способ преобразования энергии с использованием открытых циклов, можно отнести к атмосферным бестопливным (гравитационным) струйным двигателям. В атмосферных условиях эти двигатели могут применяться в различных стационарных и мобильных системах, например для создания мощности в энергетических установках и/или привода движителей транспортных средств. Преимущества этих двигателей по сравнению с другими преобразователями даровой энергии (ветровыми, солнечными, геотермальными и т.д.) - большая удельная мощность, независимость от географических, временных и погодных условий. Технология производства этих двигателей проще, чем газотурбинных двигателей традиционных схем: отсутствуют системы хранения, подачи, смесеобразования, сгорания и не используются жаростойкие материалы.

Предлагаемый способ преобразования низкопотенциальной энергии для получения мощности можно осуществлять также и вне атмосферных условий; используя замкнутый термодинамический цикл с внешним подводом теплоты без замены рабочего тела и присоединяемых масс. Представим, что бестопливный струйный двигатель помещен в изолированный от внешней среды объем, который заполнен газом, например воздухом или гелием. При работе двигателя по описанной выше схеме за счет охлаждения отработавшей объединенной массы в нем понизятся температура и давление до уровня, при котором параметры процесса присоединения изменятся настолько, что Е_КОМ, получаемой в результате процесса, будет недостаточно для создания расчетной мощности компрессора, сжимающего рабочее тело перед расширением. В каждом следующем цикле будет уменьшаться степень его сжатия и, соответственно, С_АС, процесс присоединения постепенно затухнет. В итоге двигатель, «заморозившись», остановится.

Этого не произойдет, если объем, в который истекает отработавшая объединенная масса, соединить с теплообменным устройством (на чертеже не показано), например, через клапан 9 или 16, а другой конец этого устройства будет сообщаться через клапан 26 или 27 по каналу в с входом в устройство 2 присоединения и по каналу с с входом компрессора 7, образуя замкнутый контур. При этом часть отработавшей в предыдущих циклах объединенной массы под действием неуравновешенной силы давления газов, возникающей при создании разрежения за движущейся в насадке газовой массой импульсов активной струи, направится в теплообменное устройство. В нем, получая тепло и понижая температуру внешней среды, она нагреется до расчетной температуры перед выполнением функций присоединяемых масс следующих циклов. Параллельно, под действием разрежения, получаемого на входе в компрессор 7, расчетная часть отработавшей объединенной массы направляется через теплообменное устройство (или минуя его через клапаны 10 или 17) в компрессор 7, а затем через обратный клапан 20 в пневмоаккумулятор 18 для использования в следующих циклах в качестве рабочего тела.

Таким образом, используя низкопотенциальное тепло внешней среды для нагрева отработавшей в предыдущих циклах объединенной массы в теплообменном устройстве, процесс последовательного при

- 7 008403 соединения дополнительных масс можно осуществлять вне атмосферных условий для выработки мощности на валу воздухонезависимых бестопливных струйных двигателей с замкнутым циклом сколь угодно долго и независимо от величины давления внешней среды, создаваемого силой гравитации. Причем, изменяя параметры этого процесса за счет изменения температуры при нагреве отработавшей объединенной массы в теплообменном устройстве, степени разрежения в объеме для ее истечения, а также степени сжатия перед присоединением и использованием в качестве рабочего тела, можно расширять диапазон управления их мощностью. Получаемую при сжатии рабочего тела высокопотенциальную теплоту можно отводить через дополнительное теплообменное устройство (на чертеже не показано) потребителям. На основе данного способа можно создавать автономные воздухонезависимые бестопливные энергетические системы различного назначения и диапазона мощностей, работающие в различных условиях внешней среды, например под водой, используя при этом ее теплоту для выработки мощности. Кроме водоемов в качестве источника тепловой энергии в земных условиях можно использовать также лед, низкотемпературный воздух атмосферы и другие источники низкопотенциальной теплоты. Изменяя термодинамические параметры используемых источников, можно управлять их агрегатным состоянием, а в зависимости от масштаба применения бестопливных технологий, локально изменять климатические условия.

Эффективность процесса последовательного присоединения дополнительных масс можно повышать за счет создания дополнительного разрежения в области истечения объединенной реактивной массы. Для этого ее струи, истекающие из лопаток 25 турбины 4 через направляющий аппарат 11, закручивают по спирали. При этом кинетическая энергия струй, оставшаяся после воздействия на лопатки 25, используется для создания вихревого эффекта в объеме вихревой камеры 12, в который происходит истечение, и образования за счет этого эффекта разрежения в центральной части этой камеры, увеличивающего разность потенциалов давлений при расширении рабочего тела в процессе последовательного присоединения и, соответственно, кинетическую энергию газовой массы импульсов активной струи и степень разрежения, образующегося вслед за ней в процессе последовательного присоединения, а в результате увеличивающего объединенную реактивную массу, ее скорость и момент на валу 5. Одновременно в периферийной части созданного вихря повышается давление объединенной массы, которую из этой части через направляющий аппарат 13 направляют на лопатки 14 следующей ступени турбины 4 также для создания дополнительного момента.

Для упрощения конструкции бестопливного струйного двигателя и повышения эффективности процесса последовательного присоединения объединенную реактивную массу после создания момента на валу 5 направляют в центробежный диффузор 8, в котором ее кинетическую энергию, оставшуюся после воздействия на лопатки 25, преобразуют в потенциальную, увеличивая давление на выходе из диффузора до уровня, необходимого для выброса отработавшей массы во внешнюю среду и/или ее повторного использования в качестве присоединяемых масс в процессах последовательного присоединения дополнительных масс следующих циклов в устройстве 2 присоединения этого же или нескольких других эжекторных сопловых аппаратов (на чертеже не показаны), при котором происходит ее охлаждение с последовательным понижением температуры до низкотемпературного уровня, необходимого внешним потребителям при работе двигателя с разомкнутым циклом и/или при работе по замкнутому циклу для увеличения разности температур внешней среды и отработавшей объединенной массы перед ее нагревом в теплообменном устройстве и возможности использования внешних источников теплоты с более низкой температурой.

Отработавшую массу можно сжимать в компрессоре 6 за счет части мощности, полученной в результате процессов преобразования энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах, до давления, необходимого для выхлопа через выпускной пневмоклапан 16 во внешнюю среду с повышенным давлением и/или при ее подаче через пневмоклапан 17 по каналам в и с для повторного использования. За счет разрежения, образующегося перед входом в компрессор при сжатии, увеличиваются разность потенциалов давлений при истечении пульсирующей активной струи из струйного устройства и, соответственно, ее скорость и скорость объединенной реактивной массы с соответствующим увеличением момента и понижением температуры.

После сжатия отработавшей массы в компрессорах 6, 7, 30 за счет части мощности, полученной в результате процессов преобразования энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах, до необходимого давления ее можно использовать в качестве рабочего тела в процессах последовательного присоединения дополнительных масс в устройствах присоединения этого, а также других эжекторных сопловых аппаратов (на чертеже не показаны) этого или других бестопливных струйных двигателей. Сжатую отработавшую массу можно использовать для создания реактивной тяги движителей, например, расширяя в реактивном сопле 28, и/или выполнения другой работы при расширении.

Эффективность процесса сжатия отработавшей массы и удельную мощность бестопливного струйного двигателя можно повысить, используя для сжатия биротативные компрессоры с вращающимися в противоположные стороны рабочими колесами без использования неподвижных направляющих аппаратов. Для этого по периметру входа проточной части турбины 3, осуществляющей привод вала 5 за счет кинетической энергии присоединяемых масс, втекающих в устройство присоединения, располагается

- 8 008403 выход лопаток 22 турбины 29. Она также приводится в действие за счет энергии присоединяемых масс, но не закреплена на валу 5 и осуществляет привод ротора осевой и центробежной ступеней компрессора 30, вращая их в сторону, противоположную вращению других ступеней ротора компрессора 6, закрепленного на валу 5.

Claims (13)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ преобразования энергии, при котором за счет кинетической энергии газовой массы по меньшей мере одной пульсирующей реактивной струи (образованной рабочим телом, истекающим из струйного устройства в устройство присоединения эжекторного соплового аппарата струйного двигателя, и выполняющей функции активной струи в процессе последовательного присоединения дополнительных масс) в каждом цикле между газовой массой импульсов активной струи ускоряют дополнительно присоединяемую газовую массу, а кинетическую энергию полученной объединенной реактивной массы используют для создания вращающего момента на силовом валу, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют внешние газовые массы, которые перед подачей в струйное устройство для образования активной струи сжимают в компрессоре до расчетного уровня давления, достаточного для создания в устройстве присоединения разрежения вслед за газовой массой импульсов активной струи, обеспечивающего возникновение неуравновешенной силы давления внешних газовых масс и преобразование их потенциальной и тепловой энергии в кинетическую энергию дополнительно присоединяемой газовой массы, при этом привод компрессора осуществляют за счет части мощности, получаемой на силовом валу бестопливного струйного двигателя в результате преобразований энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность на силовом валу получают, воздействуя напором внешней газовой массы, втекающей в устройство присоединения вслед за газовой массой импульсов активной струи, на лопатки, по меньшей мере, одноступенчатой турбины, расположенной по направлению втекания до струйного устройства, и/или воздействуя на лопатки, по меньшей мере, одноступенчатой турбины струей объединенной реактивной массы, образованной в устройстве присоединения.
3. 3. Способ по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что струи объединенной реактивной массы, истекающие из лопаток турбины, закручивают по спирали, используя их кинетическую энергию, оставшуюся после получения момента на силовом валу, для создания вихревого эффекта в объеме вихревой камеры, в который происходит истечение, и образования в ее центральной части разрежения для увеличения разности потенциалов давлений в процессе последовательного присоединения при расширении рабочего тела и, соответственно, кинетической энергии газовой массы импульсов активной струи и степени разрежения, образующегося вслед за ней, повышающих скорость объединенной реактивной массы и момент на силовом валу, одновременно в периферийной части вихря повышается давление объединенной массы, которую из этой части направляют на лопатки следующей ступени турбины также для создания дополнительного момента.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что струи объединенной реактивной массы, истекающие из лопаток турбины, направляют в центробежный диффузор, в котором их кинетическую энергию, оставшуюся после получения момента, преобразуют в потенциальную, увеличивая давление отработавшей массы до уровня, необходимого для выброса во внешнюю среду и/или повторного использования в процессах последовательного присоединения в качестве присоединяемых масс следующих циклов в устройствах присоединения этого же и/или поочередно нескольких других эжекторных сопловых аппаратов, при котором ее последовательно охлаждают до низкотемпературного уровня, необходимого внешним потребителям, и/или при работе бестопливного струйного двигателя по замкнутому циклу для расчетного увеличения разности температур внешней среды и отработавшей объединенной массы перед ее нагревом в теплообменном устройстве.
5. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что отработавшую массу сжимают в компрессоре за счет части мощности, полученной в результате процессов преобразования энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах, до давления, необходимого для выхлопа во внешнюю среду с повышенным давлением и/или повторного использования в качестве присоединяемых масс, а также для дополнительного увеличения разности потенциалов давлений при истечении пульсирующей активной струи из струйного устройства, получаемого за счет разрежения перед входом в компрессор, образующегося при сжатии отработавшей массы.
6. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что отработавшую массу сжимают в компрессоре за счет части мощности, полученной в результате процессов преобразования энергии внешних газовых масс в предыдущих циклах, до давления, необходимого для ее дальнейшего использования в качестве рабочего тела в процессах последовательного присоединения дополнительных масс следующих циклов в устройствах присоединения эжекторных сопловых аппаратов по меньшей мере одного бестопливного струйного двигателя, и/или для создания реактивной тяги движителей, и/или выполнения другой работы при расширении.
7. 7. Струйный двигатель, содержащий по меньшей мере один эжекторный сопловой аппарат, состоя

   - 9 008403 щий по меньшей мере из одного струйного устройства и устройства присоединения, отличающийся тем, что проточная часть устройства присоединения эжекторного соплового аппарата и по меньшей мере одной турбины, закрепленной на конце полого силового вала бестопливного струйного двигателя, находится внутри пространства, ограниченного по периметру внутренней поверхностью этого вала, а на его наружной поверхности расположены ступени ротора по меньшей мере одного компрессора.
8. 8. Бестопливный струйный двигатель по п.7, отличающийся тем, что по периметру выхода проточной части турбины, которая осуществляет привод силового вала за счет кинетической энергии объединенной реактивной массы, воздействующей на ее лопатки, расположен центробежный диффузор, выход которого через пневмоклапаны сообщается по каналам с внешней средой и/или входами в компрессор и устройство присоединения.
9. 9. Бестопливный струйный двигатель по пи.7, 8, отличающийся тем, что по периметру выхода проточной части турбины, которая осуществляет привод силового вала за счет кинетической энергии объединенной реактивной массы, воздействующей на ее лопатки, расположен направляющий аппарат для закрутки по спирали объединенной массы, истекающей из этой турбины, выход которого направлен в объем вихревой камеры для образования вращающихся вихревых потоков объединенной массы.
10. 10. Бестопливный струйный двигатель по пп.7-9, отличающийся тем, что в периферийной части вихревой камеры расположен вход направляющего аппарата, а его выход направлен на лопатки второй ступени турбины, первая ступень которой приводится в действие за счет кинетической энергии объединенной реактивной массы
11. 11. Бестопливный струйный двигатель по пп.7-10, отличающийся тем, что центральная часть вихревой камеры и выход из лопаток второй ступени турбины соединены через направляющий аппарат с входом компрессора, закрепленного на силовом валу.
12. 12. Бестопливный струйный двигатель по пи.7-11, отличающийся тем, что выход компрессора, закрепленного на силовом валу, соединяется через пневмоклапаны по каналам с внешней средой и/или входом устройства присоединения и пневмоаккумулятором сжатого рабочего тела.
13. 13. Бестопливный струйный двигатель по пп.7-12, отличающийся тем, что по периметру входа проточной части турбины, осуществляющей привод силового вала за счет кинетической энергии присоединяемых масс, втекающих в устройство присоединения, расположен выход проточной части турбины, которая приводится в действие за счет этой же энергии, но не закреплена на силовом валу и осуществляет привод ротора по меньшей мере одной ступени компрессора, вращая ее в сторону, противоположную вращению других ступеней этого же компрессора, ротор которых закреплен на силовом валу.