Термопневматический двигатель

Двигатели с внешним подводом тепла по принципу своего действия (в цикле преобразования энергии) более совершенны, чем двигатели внутреннего сгорания. Во-первых, при сжигании горючего не требуется генерировать эндосреду с нужными параметрами расширения, что практически и невозможно - при выборе топлива внимание уделяется главным образом их тепогенерирующим свойствам, а не физическим свойствам образующихся продуктов. При внешнем подводе тепла физические свойства продуктов горения значения не имеют, что расширяет спектр возможных для использования видов горючего или других источников тепла. Также не требуется контакт высокотемпературных продуктов горения с рабочими полостями двигателя, что уменьшает его износ.

Довольно совершенный с теоретической точки зрения двигатель Стирлинга имеет ряд практических недостатков. Напомним, что рабочий цикл ДС предполагает охлаждение циркулирующего рабочего тела прохождением через специальную камеру с пористым материалом (или каким-то другим устройством для поглощения тепла). Времени на этот процесс в рабочем цикле двигателя мало, почему охлаждение получается некачественным (его качество снижается с увеличением оборотов двигателя), в результате чего постоянный нагрев рабочего тела растёт со временем работы двигателя. Это приводит к снижению эффективности системы через снижение коэффициента расширения рабочего тела и перегреву конструкции двигателя. Таким образом, выявляется второй недостаток, тесно связанный с первым - склонность к перегреву, а потому необходимость в мощном охлаждении, осуществление которого требует либо ощутимых затрат энергии, либо громоздкой конструкции.
Предлагаемая нами энергосиловая система позволяет избежать выше названных недостатков. Она предполагает использование не циркулирующего внутри двигателя, а забираемого из окружающей среды и выводимого по окончанию рабочего цикла вовне рабочего тела. В качестве последнего используется атмосферный воздух. Недостаток коэффициента расширения у него компенсируется длительностью прогрева при движении к напорной камере.
Рабочие элементы такого двигателя размещаются внутри достаточно длинного канала-ствола, на выходе из которого находится турбина с приводным валом. Далее опишем простейшую из возможных схем. На входе в канал помещается кольцевая камера сгорания - так, чтобы в центе оставалось достаточно широкое пространство для движения воздуха. Камера сгорания заканчивается прижатым к стенке канала соплом, которое обдувает их продуктами сгорания топлива с созданием эффекта Коанда. Движущаяся по стенке "прилипшая" струя увлекает воздушную массу от входа в канал дальше по нему - до статора-колосника и напорной камеры за ним. Одновременно с действием этого струйного насоса в канале работает и эффект циклона - движения холодного воздуха в сторону нагрева. Нагреваемый воздух совершает "растянутое" движение по каналу, что обеспечивает его эффективный прогрев. В напорную камеру рабочей турбины воздух поступает через концентрические лопатки статора, выполняющие роль колосника, в результате чего происходит его сжатие и дополнительный нагрев. Окончательное формирование рабочего тела происходит в конической напорной камере, заканчивающейся кольцевым соплом, поток из которого вращает турбину.

Конструктивных вариантов двигателя со струйным газовоздушным контактом может быть несколько. Первый, наиболее простой по числу элементов - это с расположением камер сгорания кольцами у стенок прогонного канала. В этом случае сопла образуются между обращённой внутрь канала стенкой камеры и стенкой канала, выполняющей роль внешней стенки камеры. Перед камерами устанавливаются роторы компрессоров, разделённые по диаметру на два контура: внешний подаёт воздух в диффузор, питающий камеру сгорания, а внутренний - засасывает воздух в канал для контакта с продуктами горения. В простейшем варианте двигателя роторы компрессора находятся перед камерами по длине канала, а за камерами располагаются концентрические лопатки статора, выполняемые как толстые металлические элементы, выполняющие роль колосников. Статоры-колосники одновременно прогреваются давящей на них струёй газов и задерживают, сжимая, поток нагреваемого воздуха; в процессе прохождения последующих воздушных объёмов они передают им аккумулированную теплоту. За последним звеном статоров располагается напорная камера с турбиной, размещённой на одном валу с роторами компрессоров.
Другой вариант конструкции двигателя предлагаемой системы предусматривает единую длинную камеру сгорания центрального расположения, от которой ветвями отходят к стенкам прогонного канала трубки с соплами обдува стенок. В этом случае делается единый ротор компрессора с диффузором перед входом в камеру сгорания. Лопатки статоров-колосников, как и в выше описанном варианте, делаются концентрическими и располагаются перед соплами. Так же за последним звеном статора располагается напорная камера с турбиной.
Наиболее эффективным представляется более сложный вариант с вьющейся кольцевой камерой и чередующимися по отрезкам длины лопатками статора. Воздушный напор для сжигания горючего в такой камере дают радиальные вентиляторы, вращаемые осью турбины и входящие в диффузор с внутренней стороны канала. "Шахматное" расположение элементов по площади канала даст наиболее эффективный прогрев проходящего по нему воздуха.