что такое воздушный двигатель
Воздушные двигатели
Время, пространство, эфир, о которых, как источнике дармовой энергии, шла речь в наших предыдущих публикациях, вещи нематериальные. В них нечему двигаться, нагреваться, накапливать и преобразовывать энергию, а если бы они её и содержали, то было бы нечем передать турбинам, поршням, электронам тока и прочим материальным объектам. Невозможность создания двигателей на их основе очевидна. Поэтому более трезвые изобретатели perpetuum mobile берут в качестве топлива своих аппаратов объекты материальные – воздух, воду, песок, различные поля, окружающую среду и т.д. Рассмотрим двигатели на воздухе.
При словах «воздушный двигатель» сразу представляются ветряки, которые в довоенное время в СССР качали воду из колодцев, а сейчас в ряде стран Запада обеспечивают до 10 % потребляемой электроэнергии. В ветродвигателях используется энергия ветра, а фактически – Солнца, так как ветер создается неравномерным нагревом земли солнечным светом. Поэтому ветровую энергетику, строго говоря, нельзя назвать альтернативной, она уже давно стала традиционной, и мы её здесь рассматривать не будем.
У традиционных ветродвигателей есть один существенный недостаток, связанный с тем, что ветер то дует, то нет, то он слишком сильный и ломает лопасти двигателя, то слишком слаб и не может его провернуть. Поэтому приходится «сидеть у моря и ждать погоды». Наших изобретателей это не устраивает. Они руководствуются заветом Мичурина: «Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у неё – наша задача». Для этого необходимый ветер, т.е. воздушный поток, они создают сами.
Выдающихся результатов в этом направлении добился заслуженный изобретатель Румынии из города Москвы, художник, профессор, академик Всемирной международной академии инновационных технологий Н.А. Шестеренко. Он изобрел саморазгоняющее сопло, которое скромно назвал «Насадок Шестеренко», получил на него около двух десятков патентов [1], провёл успешные испытания и дал интервью известному популяризатору лженауки С. Кашницкому из «Московского комсомольца» [2] (статья Кашницкого также опубликована под именем Даниила Земляка в газете «На грани невозможного» [3]). Шестеренко якобы ещё в 1985 – 1988 годах получил на сопло три авторских свидетельства, однако основные формулировки в описании изобретений зашифровал так, что, даже сложив три описания вместе, понять секрет устройства было невозможно. Однако в последнее время американцы раскрыли секрет изобретателя, и он начал открытое патентование своего детища.
Сопло или, по словам автора, «управляемый ураган» представляет собой трубку с различными (в зависимости от номера патента) перетяжками и вставками (рис. 1). Сопло засасывает воздух с узкого конца 1 и выбрасывает его со сверхзвуковой скоростью с широкого 2. Никакого топлива для этого не
нужно, так как, по словам автора, в карманах 3 происходит самозарядка потока энергией. Для запуска двигателя достаточно дунуть или свистнуть в трубку, а в дальнейшей работе вплоть до физического износа ревущего аппарата внешняя энергия не нужна. Если на выходном срезе сопла поставить турбину с генератором, то получим бесплатный электрический ток. Но лучше всего сопло ставить на самолет – без керосина достигнем гиперскорости! На базе такого реактивного двигателя автор обещает создать околоземный летательный аппарат, не потребляющий топлива. Что касается испытаний, то первыми удачно запустили «насадок Шестеренко» якобы австралийцы в 2002 году. Затем американцы, раскрыв секрет изобретателя, поставили насадок на ракету и в 2004 году запустили её в космос. Ракета сгорела, подтвердив идею автора. В России Шестеренко провёл испытания макета двигателя на свой страх и риск. Однако после того, как он дунул в трубочку, струя воздуха стала саморазгоняться, и когда поток достиг скорости больше 10 М, двигатель сгорел из-за трения воздуха о стальной корпус. Поэтому сейчас проверить утверждения автора невозможно.
Люди тысячи раз дули в различные трубки, но кроме свиста ничего не получали. Поэтому с уверенностью можно сказать, что и у Шестеренко никакого разгона воздуха никогда не было и не могло быть. Если бы в точках 3 и образовывался вакуум, как считает автор, то он бы засасывал воздух как с входного конца трубы 1, так и с выходного 2, не создавая тяги. Любая труба, особенно с перетяжками, не разгоняет проходящего потока воздуха, а тормозит его. К тому же, в закрытой трубе неоткуда взяться воздуху, которого при усилении скорости должно выбрасываться больше, чем засасывается. Поэтому насадок Шестеренко и его испытания – это плод фантазии автора, который, оказывается, является художником, пишущим картины, которые «излучают целительную энергию». Шестеренко написал три книги, где своё детище связал с древнеарийским «солнечным крестом».
Несмотря на безумство идеи, у изобретателя-фантазера появились поклонники и продолжатели. Ему верит журнал ИР (№ 9/2004) и восхищен В.Н. Власов из академии Тринитаризма, который улучшил сопло Шестеренко, придав ему более плавный профиль [4].
По сообщениям СМИ, Е.И. Андреев из Санкт-Петербурга открыл процесс автотермии, позволяющий автомобилю сжигать обычный атмосферный воздух, практически не потребляя топлива и не образуя токсичных выбросов. Он издал книгу [5] и подал заявку на изобретение своего «оптимизатора воздуха» [6]. В 2004 году изобретатель демонстрировал работающий на обработанном оптимизатором воздухе автомобиль ВАЗ-2106, у которого из трубы якобы выходил водяной пар и сыпался порошок графита. Сам он, как и сотни других автомобилистов, по его словам, не заправляются бензином, а питаются атмосферным воздухом уже несколько лет. Цена автотермической коробочки составляет всего 4000 рублей, а ездить на ней можно хоть всю жизнь! Когда же они появятся в открытой продаже?
Наиболее детальную проработку двигателей на искусственных воздушных струях дал Б. Кондрашов [7]. Он не только нашел бестопливный способ преобразования энергии атмосферы, не только теоретически просчитал все варианты своего двигателя и детально разработал конструкцию, но также провёл испытания и подал международную заявку [8].
Двигатель Кондрашова (рис. 2) содержит реактивное сопло 1 с эжекторной насадкой 2. В сопло 1 подается сжатый воздух из баллона 18. Воздух крутит турбины 3, 4. На полом валу 5 турбины снаружи размещены компрессоры 6, 7, закачивающие воздух обратно в баллон 18. На этом цикле происходит увеличение энергии в 2,4 раза, что, по словам автора, подтверждено как экспериментально, так и методами численного моделирования. Остается к валу 5 подсоединить динамомашину, и будет электростанция, которой не нужны нефть, газ или уголь. А можно и напрямую использовать вал как привод колёс автомобиля или винтов корабля.
Достоинством аппарата Кондрашова является замкнутый цикл работы воздуха. Поэтому его можно использовать не только в атмосфере, но и в космосе, и на подводных лодках. Как и у вышеописанных аппаратов, его единственным недостатком является неработоспособность, связанная с отсутствием движущей силы воздушной струи. Если же изобретатель опровергнет это экспериментально, построив двигатель целиком, то слава и премия Глобальная энергия ему обеспечены.
Лет десять назад один заслуженный изобретатель предложил наставить по стране трубы километровой высоты, а в них турбины. По его мнению, воздух по трубам с большой скоростью будет подниматься вверх, вращая турбины и соединенные с ними электрические генераторы, решив все энергетические проблемы. К этой идее он пришел, видимо, глядя на дым печных труб и тепловых электростанций. Однако не учёл, что дым в трубах (как и пар в градирнях), поднимается вверх потому, что он более горячий и более лёгкий, чем атмосферный воздух. В равновесных условиях, когда температуры воздуха внутри трубы и снаружи равны, никакой выталкивающей силы не будет, и воздух останется неподвижным.
Что-то подобное по внешнему виду предлагают сейчас сотрудники Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН из города Кызыл. Они ищут заказчика на создание генератора тепла на основе самовакуумирующейся вихревой газовой трубы [9]. В их трубе 1 (рис. 3) воздух под действием вентилятора 2 засасывается через диффузор 3.
Рис. 3
В трубе он разделяется на холодную и горячую составляющие, после чего горячий воздух через трубку 4 идет на отопление. Разделение молекул газа по скоростям, как известно, может делать только демон Максвелла. Тувинцам удалось создать такого демона с помощью эффекта Ранка! По данным авторов, стоимость устройства будет составлять всего 500 – 700 рублей, а на доработку и создание промышленного образца просят 1,7 миллиона рублей. Об энергозатратах на получение калории тепла учёные не сообщают. Не лучше ли вместо их аппарата купить в магазине электротепловентилятор?
Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно, но КПД его ниже единицы. Кандидат физмат наук из Московского центра государственной метеорологической службы Б.В. Карасёв придумал свой цикл, КПД которого по его расчётам должен составлять 3 и даже больше [10]. Аппарат представляет собой цилиндр 1, наполненный обычным воздухом, и движущийся в нём поршень 2 (рис. 4a). Само собой разумеется, что также имеются кривошипно-шатунный механизм, коленчатый вал и маховик. На участке 1 – 2 придуманного цикла (рис. 4б) осуществляется быстрое адиабатическое расширение воздуха в цилиндре внешней силой, на изохоре 2 – 3 – тепловой контакт с окружающей средой, а на участке 3 – 1 идет медленное изотермическое сжатие воздуха. При расширении на участке 1 – 2 температура воздуха понижается и становится ниже температуры окружающей среды. Поэтому на участке 2 – 3, где температура в цилиндре повышается, идет отбор тепловой энергии от внешней среды. На участке 3 – 1 поршень засасывается в цилиндр, совершая полезную работу. При этом, по расчету автора, полезная работа А2 больше затраченной на расширение А1, что и обеспечивает режим вечного движения.
Таким образом, воздух не может решить энергетические проблемы человечества.
Авиационные двигатели
Содержание
Классификация авиационных двигателей
К авиационным двигателям относятся все типы тепловых машин, используемых как движители для летательных аппаратов авиационного типа, т. е. аппаратов, использующих аэродинамическое качество для перемещения, маневра и т. п. в пределах атмосферы (самолеты, вертолеты, крылатые ракеты классов «В-В», «В-3», «3-В», «3-3», авиакосмические системы и др.). Отсюда вытекает большое разнообразие применяемых двигателей — от поршневых до ракетных.
Авиационные двигатели (рис.1) делятся на три обширных класса:
Более детальной классификации подлежат два последних класса, в особенности класс ВРД.
По принципу сжатия воздуха ВРД делятся на:
Класс ракетных двигателей ЖРД также относится к компрессорному типу тепловых машин, так как в этих двигателях сжатие рабочего тела (топлива) осуществляется в жидком состоянии в турбонасосных агрегатах.
Ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) не имеет специального устройства для сжатия рабочего тела. Оно осуществляется при начале горения топлива в полузамкнутом пространстве камеры сгорания, где располагается заряд топлива.
По принципу действия существует такое деление: ПД и ПуВРД работают по циклу периодического действия, тогда как в ВРД, ГТД и РкД осуществляется цикл непрерывного действия. Это дает им преимущества по относительным показателям мощности, тяги, массе и др., что и определило, в частности, целесообразность их использования в авиации.
По принципу создания реактивной тяги ВРД делятся на:
Двигатели первого типа создают тяговое усилие (тягу Р) непосредственно — это все ракетные двигатели (РкД), турбореактивные без форсажа и с форсажными камерами (ТРД и ТРДФ), турбореактивные двухконтурные (ТРДД и ТРДДФ), прямоточные сверхзвуковые и гиперзвуковые (СПВРД и ГПВРД), пульсирующие (ПуВРД) и многочисленные комбинированные двигатели.
Газотурбинные двигатели непрямой реакции (ГТД) передают вырабатываемую ими мощность специальному движителю (винту, винтовентилятору, несущему винту вертолета и т. п.), который и создает тяговое усилие, используя тот же воздушно-реактивный принцип (турбовинтовые, турбовинтовентиляторные, турбовальные двигатели — ТВД, ТВВД, ТВГТД). В этом смысле класс ВРД объединяет все двигатели, создающие тягу по воздушно-реактивному принципу.
На основе рассмотренных типов двигателей простых схем рассматривается ряд комбинированных двигателей, соединяющих особенности и преимущества двигателей различных типов, например, классы:
и многие другие комбинации двигателей более сложных схем.
Поршневые двигатели (ПД)
Классификация поршневых двигателей. Авиационные поршневые двигатели могут быть классифицированы по различным признакам:
Рядные двигатели в свою очередь подразделяются на однорядные, двухрядные V-образные, трехрядные W-образные, четырехрядные Н-образные или Х-образные двигатели. Звездообразные двигатели также подразделяются на однорядные, двухрядные и многорядные.
Современные авиационные поршневые двигатели представляют собой звездообразные четырехтактные двигатели, работающие на бензине. Охлаждение цилиндров поршневых двигателей выполняется, как правило, воздушным. Ранее в авиации находили применение поршневые двигатели и с водяным охлаждением цилиндров.
Сгорание топлива в поршневом двигателе осуществляется в цилиндрах, при этом тепловая энергия преобразуется в механическую, так как под действием давления образующихся газов происходит поступательное движение поршня. Поступательное движение поршня в свою очередь преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя через шатун, являющийся связующим звеном между цилиндром с поршнем и коленчатым валом.
Газотурбинные двигатели (ГТД)
Одновальные и многовальные двигатели
Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т.д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.
Турбореактивный двигатель (ТРД)
В турбореактивном двигателе сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Компрессор приводится в движение турбиной, смонтированной на одном валу с ним, и работающей на том же рабочем теле, нагретом в камере сгорания, из которого образуется реактивная струя. Во входном устройстве осуществляется рост статического давления воздуха за счёт торможения воздушного потока. В компрессоре осуществляется рост полного давления воздуха за счёт совершаемой компрессором механической работы.
Степень повышения давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Если у первых образцов ТРД этот показатель составлял 3, то у современных он достигает 40. Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными. Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своей турбиной. При этом вал 1-го каскада компрессора (низкого давления), вращаемого последней (самой низкооборотной) турбиной, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада (высокого давления). Каскады двигателя так же именуют роторами низкого и высокого давления.
Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока:
Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.
Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле, который истекает из него, создавая реактивную тягу.
Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащенные системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ)
Двухконтурный турбореактивный двигатель (ТРДД)
Первым, предложившим концепцию ТРДД в отечественном авиадвигателестроении был Люлька А. М. (На основе исследований, проводившихся с 1937, А. М. Люлька представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя. Авторское свидетельство вручили 22 апреля 1941 года.)
Можно сказать, что с 1960-х и по сей день, в самолетном авиадвигателестроении — эра ТРДД. ТРДД различных типов являются наиболее распространенным классом ВРД, используемых на самолетах, от высокоскоростных истребителей-перехватчиков с ТРДДФсм с малой степенью двухконтурности, до гигантских коммерческих и военно-транспортных самолетов с ТРДД с высокой степенью двухконтурности.
В основу двухконтурных турбореактивных двигателей положен принцип присоединения к ТРД дополнительной массы воздуха, проходящей через внешний контур двигателя, позволяющий получать двигатели с более высоким полетным КПД, по сравнению с обычными ТРД.
Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, именуемый вентилятором. После вентилятора воздух разделяется на 2 потока. Часть воздуха попадает во внешний контур и, минуя камеру сгорания, формирует реактивную струю в сопле. Другая часть воздуха проходит сквозь внутренний контур, полностью идентичный с ТРД, о котором говорилось выше, с той разницей, что последние ступени турбины в ТРДД являются приводом вентилятора.
Одним из важнейших параметров ТРДД, является степень двухконтурности (m), то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур. (m = G2 / G1, где G1 и G2 расход воздуха через внутренний и внешний контуры соответственно.)
В ТРДД заложен принцип повышения полетного КПД двигателя, за счёт уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла и скоростью полета. Уменьшение тяги, которое вызовет уменьшение этой разницы между скоростями, компенсируется за счёт увеличения расхода воздуха через двигатель. Следствием увеличения расхода воздуха через двигатель является увеличение площади фронтального сечения входного устройства двигателя, следствием чего является увеличение диаметра входа в двигатель, что ведет к увеличению его лобового сопротивления и массы. Иными словами, чем выше степень двухконтурности — тем большего диаметра будет двигатель при прочих равных условиях.
Все ТРДД можно разбить на 2 группы:
В ТРДД со смешением потоков (ТРДДсм) потоки воздуха из внешнего и внутреннего контура попадают в единую камеру смешения. В камере смешения эти потоки смешиваются и покидают двигатель через единое сопло с единой температурой. ТРДДсм более эффективны, однако наличие камеры смешения приводит к увеличению габаритов и массы двигателя
ТРДД как и ТРД могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами. Как правило это ТРДДсм с малыми степенями двухконтурности для сверхзвуковых военных самолетов.
Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДДФ)
Продукты сгорания, выходящие из турбины, смешиваются с воздухом, поступающим из внешнего контура, а затем к общему потоку подводится тепло в форсажной камере, работающей по такому же принципу, как и в ТРДФ. Продукты сгорания в этом двигателе истекают из одного общего реактивного сопла. Такой двигатель называется двухконтурным двигателем с общей форсажной камерой.
Управление вектором тяги (УВТ) / Отклонение вектора тяги (ОВТ)
Специальные поворотные сопла, на некоторох ТРДД(Ф), позволяют отклонять истекающий из сопла поток рабочего тела относительно оси двигателя. ОВТ приводит к дополнительным потерям тяги двигателя за счёт выполнения дополнительной работы по повороту потока и усложняют управление самолетом. Но эти недостатки полностью компенсируются значительным повышением маневренности и сокращением разбега самолета при взлете и пробега при посадке, до вертикальных взлета и посадки включительно. ОВТ используется исключительно в военной авиации.
ТРДД с высокой степенью двухконтурности / Турбовентиляторный двигатель
В данном типе двигателей используется одноступенчатый вентилятор большого диаметра, обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полета, включая низкие скорости при взлёте и посадке. По причине большого диаметра вентилятора сопло внешнего контура таких ТРДД становится достаточно тяжёлым и его часто выполняют укороченным, со спрямляющими аппаратами (неподвижными лопатками, поворачивающими воздушный поток в осевое направление). Соответственно, большинство ТРДД с высокой степенью двухконтурности — без смешения потоков.
Устройство внутреннего контура таких двигателей подобно устройству ТРД, последние ступени турбины которого являются приводом вентилятора.
Внешний контур таких ТРДД, как правило, представляет собой одноступенчатый вентилятор большого диаметра, за которым располагается спрямляющий аппарат из неподвижных лопаток, которые разгоняют поток воздуха за вентилятором и поворачивают его, приводя к осевому направлению, заканчивается внешний контур соплом.
По причине того, что вентилятор таких двигателей, как правило, имеет большой диаметр, и степень повышения давления воздуха в вентиляторе не высока — сопло внешнего контура таких двигателей достаточно короткое. Расстояние от входа в двигатель до среза сопла внешнего контура может быть значительно меньше расстояния от входа в двигатель до среза сопла внутреннего контура. По этой причине достаточно часто сопло внешнего контура ошибочно принимают за обтекатель вентилятора.
ТРДД с высокой степенью двухконтурности имеют двух- или трёхвальную конструкцию.
Достоинства и недостатки.
Главным достоинством таких двигателей является их высокая экономичность.
Недостатки — большие масса и габариты. Особенно — большой диаметр вентилятора, который приводит к значительному лобовому сопротивлению воздуха в полете.
Область применения таких двигателей — дальне- и среднемагистральные коммерческие авиалайнеры, военно-транспортная авиация.
ТРДД без смешения (PW4084) в мотогондоле:
1) Воздухозаборник; 2) Узлы крепления; 3) Пилон; 4) Агрегаты; 5) Сопло наружного контура; 6) Сопло внутреннего контура.
ТРДД со смешением (V2500) в мотогондоле:
1) Воздухозаборник; 2) Пилон; 3) Агрегаты; 4) Реверс; 5) Кольцевой смеситель; 6) Общее сопло.
Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД)
Турбовинтовой двигатель (ТВД)
Турбовальный двигатель (ТВГТД)
На вертолетах используются преимущественно турбовальные двигатели, состоящие из автономного одно- или двухвального газогенератора и свободной (силовой) турбины.
Для передачи крутящего момента с вала двигателя к несущему винту вертолета применяется трансмиссия с редуктором.
Применение осевых компрессоров характерно для турбовальных двигателей больших мощностей. На менее мощных применяются одно- и двухступенчатые центробежные компрессоры либо компрессоры комбинированной схемы, состоящих из нескольких осевых и центробежной ступени.