Газовоздушный турбодвигатель сверхвысоких .параметров рабочего газа

Дальнейшие разработки эксэрготрансформаторных технологий позволили создать проект газовоздушного турбодвигателя сверхвысоких параметров, превосходящих максимальные температуры горения топлива. В турбодвигателе использован термодинамический компрессор, минимизирующий затраты энергии на сжатие холодного воздуха.

Существующие способы преобразования тепловой энергии в механическую работу, основанные на термодинамике изменение состояния одного рабочего тела, исчерпали себя. Предлагается проект газовоздушного турбодвигателя двигателя, в котором использовано Ноу – хау - способ безударного сложения потоков газа.Природа предусмотрела возможность безударно сложение двух поток, что принципиально отличает его от ударного эжекторного способа сложения, где предусмотрена потеря значительной часть кинетической энергии при ударе.Аналогом эксэрготрансформатора может быть ступень активной турбины, где импульс пара, выходящий из соплового канала, развернувшись на лопатках диска ротора, отдав часть своей энергии вращающему ротору, направляется в следующую ступень для дальнейшего использования. В эксэрготрансформаторе парогазовый импульс, поступающий из парогенератора в канал специального профиля передаёт свою энергию потоку атмосферного воздуху, при этом парогазовый поток сжимается, скорость уменьшается, а пассивный поток воздуха, получив энергию, ускоряется. Развернуться в канале рабочий газ физически не может. Процесс стабилизируется только тогда, когда энергия потоков выровняется и произойдет всасывание расчетной массы атмосферного воздуха. Без всасывания расчетной массы воздуха, возникает в канале нарушение принципа неразрывности потока, поэтому кинетическая энергия рабочего газа дросселирует в тепловую энергию и кинетическую энергию вращения. Сверхзвуковое сопло, в котором происходит горение топлива, также отличается конструктивно от известных аналогов, что позволяет защитить данное сопло патентом. В турбодвигателе используется топливный парогенератор, кинетическая энергия паров топлива инициирует работу компрессора, в котором тепло горения топлива увеличивает кинетическую энергию газовоздушного потока. Конструкция парогенератора и его параметры – это не принципиально.Термодинамический компрессор сохраняет уникальное Ноу-хау эксэрготрансформаторной камеры сгорания, которая имеет конечные размеры, но относительная длина её стремится к бесконечности, что позволяет сжигать топливо в ней даже при гиперзвуковых скоростях, проходящего через неё потока газа. Термодинамический компрессор – это инструмент, используемый в более сложных устройствах. Двигатель состоит из двухступенчатого термодинамического компрессора и эксэрготрансформатора.

В эксэрготрансформаторе утилизируется оставшаяся теплота горения топлива и снижается температура газовоздушного

, , потока но эксэргия остается неизменной что обеспечивает = 81%.теоретический КПД

Расчет первой ступени термодинамического компрессора.

Для проведения расчета примем атмосферные параметры: Р. = 0,1МПа, Т = 288°К, V= 0,8352 м³/кг; теплота сгорания топлива G = 44000КДж/кг;теплоемкость воздуха и продуктов сгорания топлива Ср. = 1,015КДж/кг, Cv. =0,725КДж/кг. R = 290Дж/кг×град.Для сгорания одного килограмма топлива необходимо 14,8 кг. воздуха.При сгорании одного килограмма воздуха выделяется тепла:

Q =44000:14,8 = 2973КДж. При сгорании одного килограмма воздуха температура смеси повышается ∆Т.=2973:1,015 = 2929. Иллюстрация расчета изменения состояния газа приведена T – S диаграмме (температура – энтропия). Топливо в количестве 4кг, нагнетаемое насосом до давления Р. = 3МПа и подаётся на охлаждение двигателя, где происходит его парообразование и нагрев до Т.= 2324°К. процесс 1. Пары топлива направляются в канал термодинамического компрессора, где расширяются процесс 1-2 до параметров: Р.= 100000Па. Т=980°К. V =2,84м3/кг. Холодный атмосферный воздух нагнетается механическим компрессором низкого давления до критических параметров: Ркр. = 189300Па, Т. = 345,6°К. Примем, что на один килограмм паров топлива подается в компрессор 3 кг. холодного воздуха, т. е. примем коэффициент всасывания: k = 3.Масса поступающего воздуха в сопло: Mв = 4×3 =12кг.Общая масса воздуха и паров топлива: Мо = 12+4= 16кг. В канале компрессора происходит сложение энергии двух потоков следующим способом. Холодный воздух, реализуя разность давления, со звуковой скоростью 342м/сек. и температурой Т.=288°К. поступает в канал, где встречается с потоком паров топлива, движущих со скоростью W=1652/сек. Т=980°К. Геометрия канала эксэрготрансформатора, определяет параметры общего газовоздушного потока. Теоретический расчет сложение потоков газа начнем с нахождения на изобаре Р.=189300Па общей точки, где в процессе изменения сумма энтропии будет равно нулю. Параметры этой точки 5: Т.= 469,4°К. V=0,719м3/кг. В точке 3: V=1,8м3/кг. В точке 4: V=0,5294м3/кг.

Пары топлива изотермически сжимаются по изотерме 3 до параметров: V=0,719м3/кг, Р =474325Па. отдают тепло своего сжатия холодному воздуху,который изотермически расширяясь по изотерме 4 доV. = 0,719м3/кг, поглощает его. Далее поток паров топлива отдает тепло при постоянном давлении Р.=474325Па, процесс 3-6. Температура точки 6: Т. =610°К.∆Т= (1176 - 610) : 3 = 188,7 Холодный воздух поглощает тепло процесс 4-5- 6 . Т = 345,6 + 188,7 = 534°К.Для адиабатного сжатия холодного воздуха процесс 6-7 необходимо затратить кинетическую энергию паров топлива ∆Т = (610 –534)×3=228.Затрачена работа процесс 3-9: ∆Т = 1176 + 228 = 1404. Работа паров продолжает адиабатное сжатие газовоздушного потока, реализую оставшуюся часть работы. Тт. = (2324-1404) : 4 +610 =840°К. Рт. = 1,4512МПа. Тт. = 840°К. Газовоздушный поток выходит с канала с параметрами W=683м/сек, давлением Р.=474325Па, V=0,373м3/кг, и направляется в специальное сверхзвуковое сопло, в котором происходит процесс горения топлива.

Горение топлива в сверхзвуковом сопле.Конструкция специального сверхзвукового сопла обеспечивает, теоретически полное сгорания топлива, при любых скоростях движение двух потоков газа, но для оптимизации процессов необходимо экспериментальное исследование процесс горения топлива в сверхзвуковом сопле. Для предварительного расчета принимаем, что потоки складываются, а потом происходит процесс горение топлива при V =Const. Температуру горения топлива ограничим Тг. =2400°К. Выделение тепла при сгорании 12 кг. воздуха: Q. = 12×2973 = 35676КДж.Повышение температуры: ∆Т = 35676 : 1,015: 16 = 2197.Повышение температуры продуктов сгорания топлива: Т = 610 +2197 = 2807°К. Температуру горения ограничим Тг. = 2400°К. Несгоревшее топливо поступает во вторую ступень термодинамического компрессора.Использованное тепло в первой ступени: ∆Q = 35676 – (2807 – 2400) ×16×1,015 = 29164КДж. Найдем параметры точки 8: Р.=1,866МПа. Тт. = 2400°К. V=0,373м3/кг. Найдем энергию точки 9: Т = 2400 + (840 – 610) = 2630 °К. i = 2670КДж/кг.Найдем параметры точки 10: Р.=100000Па. Тт. = 1040°К. V=3,м3/кг. Пары топлива и продукты их горения со скоростью W.= 1796м/сек. поступает во вторую ступень термодинамического компрессора.

Расчет второй ступени термодинамического компрессора.

Расчет аналогичен расчету первой ступени.Во вторую ступень термодинамического компрессора поступает поток паров топлива и продуктов их сгорания с параметрами: W.=1796м/сек, Р =100000Па, Т=1040°К, температура торможения Т=2630°К,масса потока m = 16кг.Компрессором низкого давления нагнетается воздух с параметрами:W. =342м/сек, Т=288°К, Р=100000Па, Рт.=189300Па, Тт.= 345,6°К.Примем коэффициент всасывания k =4 на один кг рабочего газа всасывается четыре кг. воздуха. Масса воздуха m = 4×16 = 64кг, полная масса газа, проходящая через вторую ступень m = 64+16 =80кг.Расчет сложения потоков произведем по изобаре Р.=189300Па общей для двух потоков газа и на ней найдем общую точку, где сумма изменения энтропии будет равно нулю. Параметры точки 5: Т.= 452,7°К. V=0,6935м3/кг. В точке 3: V=2,042м3/кг. В точке 4: V=0,5294м3/кг. Пары топлива, выполняя работу изотермического сжатия по изотерме 3 до Р.=521875Па, V=0,6935м3/кг, отдают тепло сжатия холодному воздуху, который изотермически расширяясь по изотерме 4 доV=0,6935м3/кг, поглощает его. Найдем точку 7 на изобаре Р.=521875Па, где изменение энтропии будет равно нулю: Т =610°К. V =0,339.Пары топлива охлаждаясь, передают тепло холодному от изотермы 3 по изобаре Р.=521875Па точка 7 до изохоры 4. Найдем точку 6: Т=(1248-610) : 4 + 345,6 = 505°К.Для сжатия газа до точки 7, необходимо кинетическую энергию паров топлива. Найдем точку 9: Т = (610 – 505) : 4 +1248 = 1668°К.Найдем температуру торможения общего потока точка 9: Тт. = (2630 - 1668) :5 +610 = 802,5°К. Рт. = 1,3628МПа.

Горение.Газовоздушный поток выходит с канала термодинамического компрессора с параметрами: W=625м/сек, давлением Р=521875Па, V=0,339м3/кг, и поступает в специальное сверхзвуковое сопло, в котором происходит процесс горения топлива.Выделение тепла при сгорании остатков топлива: Q. = 44000×4 = 176000 – 29164 = 146836КДж.Повышение температуры: ∆Т = 146836 : 1,015: 80 = 1808.Повышение температуры продуктов сгорания топлива: Т = 610 +1808 = 2418°К.Найдем параметры точки 10: Р.=2,0688МПа. Тт. = 2418°К. V=0,339м3/кг. Найдем энергию точки 11: Т= 2418 + (802,5 – 610) = 2610 °К. i = 2650КДж/кг.Найдем параметры точки 12: Р.=100000Па. Т. = 1018°К. V=2,95м3/кг. Газовоздушный поток со скоростью W.= 1798м/сек. поступает в канал эксэрготрансформатора.

Расчет эксэрготрансформатора газовоздушного турбодвигателясверхвысоких параметров газа.

Расчет эксэрготрансформатора аналогичен расчету термодинамического компрессора, но расчет упрощается, в связи отсутствием горения топлива икомпрессора низкого давления. Природа предусмотрела геометрию устройства, в котором два потока газа безударно складываются в общий поток. Свойства эксэрготрансформатора таковы, что вся мощь газовоздушного потока рабочего газа стабилизируется только тогда, когда в его канал поступит расчетное количества атмосферного воздуха. Газовоздушный поток создает в канале эксэрготрансформатора критическое разряжение Р.=52828Па, реализуя которое атмосферный воздух со скоростью 312м/сек. поступает в эксэрготрансформатор.Примем коэффициент всасывания k =3. Масса воздуха m = 3×80 = 240кг, а полная масса газа, проходящая через эксэрготрансформатор: m = 240+80 = 320кг.Расчет сложения потоков произведем по изобаре Р.=100000Па общей для двух потоков газа и на ней найдем общую точку 5, где сумма изменения энтропии будет равно нулю. Параметры точки 5: Т.= 395°К. V=1,145м3/кг. В точке 3: V=2,95м3/кг. В точке 4: V=0,8394м3/кг. Газовоздушный поток, выполняя работу изотермического сжатия по изотерме 3 до параметров: Р.=257834Па, V=1,145м3/кг, отдает тепло своего сжатия холодному воздуху, который изотермически расширяясь по изотерме 4доV=1,145м3/кг, поглощает его. Найдем точку 7 на изобаре Р.=257834Па, где изменение энтропии будет равно нулю: Т =518°К.Газовоздушный поток охлаждаясь, передают тепло холодному воздуху по цепочке: от изотермы 3 по изобаре Р.=257834Па точка 7 и до изохоры 4. Найдем точку 6: Т=(1018-518) : 3 + 288 = 454,7°К.Для сжатия газа до точки 7, необходимо затратить кинетическую энергию газовоздушного потока. Найдем точку 9: Т = (518 – 454,7) : 3 +1018 = 1208°К.Найдем температуру торможения общего потока точка 8: Тт. = (2610 - 1208) :4 +518 = 868,5°К. Рт. = 1,5762МПа. Выходящий из канала газовоздушный поток имеет следующие параметры:Сверхзвуковую скорость W = 843,5м/сек. Р. = 257834Па. Т=518°К.Для снижения скорости потока до звуковой скорости, газ направляется в специальный диффузор (ноу-хау), с которого выходит с параметрами: Т=744°К. Р.= 833670Па. W = 541,6м/сек.Далее газ направляется в обычный диффузор, где его давление определяется характеристиками турбины. Теоретическая работа определяется:

А=(868,5 –395)×1,015×320 =153793КДж. КПД = 81%.

Вывод.

Предлагается уникальное открытие, изменяющее мир. Ежегодные затраты на поиски энергоэффективных технологий в мире огромные, это сотни миллиардов долларов, но результат близкий к нулю. За прошедшие полвека в энергетике не было никаких открытий и изобретений, оказавших существенное значение в повышении эффективности энергетики.Эксэрготрансформаторные технологии – это единственное реальное предложение, решающее существующие энергетические проблемы. Решает все эксперимент - изготовить устройство и произвести всестороннее испытание.Ожидаемый результат на 99% положительный.Необходима эффективная профессиональная команда и деньги.

Вопросы и предложения высылать на почту: kriloveckijj@rambler.ruКриловецкий Владимир Михайлович.