В ПОИСКАХ ПОЛНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ

Смульский И.И.

Тепловая энергия топлива, переданная рабочей среде, расходуется на сообщение двигателю механической энергии, его нагрев и на кинетическую и тепловую энергию отработанной рабочей среды. Если каким-то образом избавиться от трех последних составляющих, то вся тепловая энергия топлива будет преобразовываться в механическую работу.

Потери на нагрев двигателя можно предотвратить его теплоизоляцией и охлаждением рабочей средой до ее поступления в двигатель. Потерь тепловой энергии, уносимой отработанной средой, можно избежать, если осуществлять ее расширение до температуры меньшей температуры на входе. Однако, с увеличением степени расширения, увеличивается кинетическая энергия рабочей среды, а, следовательно, и увеличиваются потери энергии, обусловленные скоростью движения отработанной рабочей среды.

Если сопла устройства, из которых выходит отработанная среда, будут двигаться со скоростью, равной ей, но в обратном направлении, то относительно неподвижной системы координат рабочая среда будет неподвижна. В этом случае потерь кинетической энергии, уносимой рабочей средой, можно избежать. В качестве двигателя с движущимися соплами может быть вращающаяся камера сгорания, по периферии которой, касательно к ее боковой поверхности, расположены сопла. Если линейная скорость вращения камеры такова, что модуль скорости истекающих струй рабочей среды с ней совпадает, то относительно не вращающейся системы координат отработанное рабочее тело будет неподвижно.

Итак, в таком двигателе, в принципе, можно реализовать процесс, в котором были бы предотвращены все три отмеченные потери энергии. Была создана модель такого двигателя, в которой нагревательным элементом являлась электрическая спираль, а рабочей средой - воздух. Выполненные эксперименты подтвердили возможность преобразования тепловой энергии в механическую в рассмотренном двигателе. Для определения реальной эффективности такого двигателя и для выбора оптимальных его параметров необходимо разработать математическую модель процессов, происходящих в нем. Существует ряд методов расчета тепловых двигателей. Однако в данном случае входят новые процессы, которые прежними методами не охватываются. Кроме того, старые процессы здесь не имеют четкой определенности, которая бы позволила применить известные методы. В связи с этим математическая модель рассматривалась на основе силового метода, который отличается от энергетического, на котором основаны традиционные методы расчета тепловых двигателей. Рассматриваются следующие стадии.

       1.Сжатие рабочего тела (воздуха) внешним компрессором.
       2.Поступление рабочего тела вдоль оси двигателя с начальной осевой скоростью.
       3.Движение среды во вращающейся камере на периферию.
       4.Изменение параметров среды на периферии в результате подвода тепла (горения топлива).
       5.Истечение среды из сопел.
       6.Расчет сил реакции струй и мощности вращающих сил.
       7.Наложение согласующих условий.
       8.Баланс всех потерь и определение КПД.

Многие процессы рассматриваются упрощенно. Для описания движения вращающейся среды использованы результаты, полученные для вихревой камеры [1]. Была получена система нелинейных алгебраических уравнений, разработаны алгоритм ее решения и программа. По программе выполнены несколько серий вычислений, которые позволили сориентироваться в области значений некоторых безразмерных параметров.

Вычисления показали возможность полного преобразования тепловой энергии в механическую. Однако для этого требуются высокие скорости вращения камеры. Дальнейшие усилия должны быть направлены на уточнение математической модели и исследовании ее на предмет нахождения приемлемых параметров двигателя.

Л и т е р а т у р а

1. Смульский И.И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. - Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издательская фирма. - 1992. - 301 с.