Ирина Медведева
В базе Федерального института промышленной собственности 20 февраля появилась регистрация оригинального патента на турбореактивную силовую установку, способную устойчиво функционировать на скоростях более 4,5 Маха. Изобретателем данной концепции выступил российский специалист Владимир Письменный.
Иллюстративное фото. Источник: Дзен-канал СЭТА
Целью данной инженерной разработки является преодоление фундаментального ограничения традиционных турбореактивных двигателей — снижения производительности компрессорного блока при увеличении скорости летательного аппарата. На гиперзвуковых режимах поступающий воздушный поток сильно разогревается и сжимается, что ведёт к нарушению процесса сжатия и последующему падению мощности двигателя.
Особенности конструкции
В запатентованной конструкции применяется турбокомпрессор, изначально имеющий пониженную степень сжатия. Кроме того, в схему интегрирован специальный канал для переброса воздуха из зоны за компрессором в область перед турбиной, оснащённый управляющим клапаном. Данное решение даёт возможность гибко распределять потоки и обеспечивать стабильность функционирования двигателя при выходе на сверхвысокие скорости.
Важнейшую роль играет оригинальный алгоритм управления частотой вращения вала. Скорость вращения ротора в полёте корректируется в соответствии с квадратным корнем от температуры торможения воздуха на входе в компрессор. Этот принцип позволяет силовой установке самостоятельно подстраиваться под растущие температуру и давление набегающего потока.
При переходе через звуковой барьер двигатель повышает температуру в камере сгорания и одновременно направляет свыше 15% воздушной массы в обход турбины. Одновременно с этим регулируется проходное сечение выходного сопла. Совокупность этих мер призвана обеспечить устойчивость компрессора и сохранение тяговых характеристик даже в условиях, приближенных к гиперзвуковым.
Для предотвращения термического повреждения лопаток турбины в проекте заложена комбинированная система охлаждения воздушно-жидкостного типа, рассчитанная на экстремальный тепловой режим.
Согласно техническим данным, представленным в патенте, подобный двигатель способен разгонять летательный аппарат до скорости, соответствующей 4,5 Маха, что приблизительно равно 5500 км/ч. При этом суммарный показатель эффективности (КПД) заявлен на отметке выше 40%. Конструктивно агрегат выполнен по классической одновальной одноконтурной схеме и, по заверениям автора, должен отличаться пониженным уровнем шума во время взлёта и приземления.
Разработка нацелена на использование в будущих поколениях сверхзвуковых летательных аппаратов как гражданского, так и военного назначения, где критически важны сочетание высокой крейсерской скорости, топливной экономичности и надёжности работы силовой установки во всём диапазоне полётных режимов.
От имени журнала «Химагрегаты» мы попросили автора изобретения Владимира Письменного, к.т.н., доцента филиала МАИ, прокомментировать сообщение об изобретении, рассказав о том, каким был его путь к цели; все ли получилось сразу или были ошибки; кто помогал в работе и что помогало. Вот что нам рассказал ученый-изобретатель:
Владимир Леонидович Письменный, старший научный сотрудник ГЛИЦ им. В.П.Чкалова, автор 78 изобретений. Источник: Взлет
«Появление турбореактивного двигателя с форсированной турбиной не является результатом сиюминутного озарения. Это результат длительных (более 26 лет) исследований в области теории авиационных двигателей. Началось это в 2000 году с поиска возможностей более эффективного преобразования энергии в тепловых машинах. Действительно, более 70% энергии тепловых двигателей выбрасывается в атмосферу, и это не очень позитивный результат. Классическая теория утверждает, что КПД цикла тепловой машины не может быть 100%. Сказать, что это не так – равносильно показать себя невеждой. Это серьезный психологический барьер, через который пришлось переступить. В статье «Внутренние термодинамические циклы» показано, что существуют циклы, КПД которых равен 100%.
В соответствии с законами термодинамики работа тепловой машины определяется как разница подведенной и отведенной в термодинамическом цикле теплоты. При этом природа рабочего тела не влияет на величину работы цикла, а термический КПД цикла не может быть выше, чем в цикле Карно при тех же температурах “источника” и “холодильника”.
Очевидно, что в этих условиях повышение эффективности тепловых машин при прочих равных условиях может происходить только двумя путями. Первый из них — это повышение температурного уровня подводимого тепла, второй, соответственно, — понижение температурного уровня отводимого тепла. И в том и другом случаях основным препятствием для получения максимального эффекта являются ограничения, накладываемые элементами конструкции и физическими свойствами рабочего тела.
История развития теплотехники — это, по сути, история поиска способов и путей преодоления указанных ограничений. Первоначально, что вполне естественно, задача повышения эффективности тепловых машин решалась за счет расширения конструктивных ограничений. Здесь, в принципе, — два основных направления, во-первых, создание рациональных конструкций и, во-вторых, повышение прочности элементов конструкций. Сегодня возможности продвижения по обоим направлениям во многом исчерпаны. Благодаря работам С. Карно, Д Брайтона, Рэнкина, Дизеля и др. найдены наиболее рациональные конструктивные решения (простые термодинамические циклы), позволяющие наиболее эффективно преобразовывать теплоту в работу. При этом доказано, что возможности простых термодинамических циклов, применительно к реальным конструкциям тепловых машин, ограничены — предельные КПД, на которые можно рассчитывать, используя простые циклы, не превышают 50%.
Дальнейшее повышение эффективности тепловых машин, как известно, связано с использованием сложных (комбинированных) циклов, в которых одновременно используются не одно, а несколько рабочих тел (по числу циклов). Последнее позволяет совмещать в одной тепловой машине достоинства различных конструктивных схем. Примером тому являются парогазовые установки (ПГУ), в которых реализован так называемый бинарный термодинамический цикл с подводам тепла при высокой температуре – в газотурбинной установке (ГТУ) и отводом при низкой – в конденсаторе паровой турбины. Эффективность бинарного цикла подтверждена на практике. Коэффициенты полезного действия ПГУ, основанных на использовании бинарных циклов, приблизились к 60%, что в 1,5 раза выше, чем у лучших поршневых двигателей.
Следующий шаг в повышении эффективности тепловых машин — это переход от комбинаций уже известных циклов к их синтезу, позволяющему создавать новые циклы, обладающие принципиально новыми качествами. Решение этой задачи возможно при использовании так называемых внутренних (вложенных) термодинамических циклов. Дадим определения:
- внешний термодинамический цикл — это цикл, имеющий энергообмен с внешними источниками энергии.
- внутренний термодинамический цикл — это цикл, имеющий энергообмен только с внешним циклом.
Термодинамический цикл, использующий энергию внешнего цикла и имеющий общий с ним “холодильник”, является внутренним циклом.
Теорема. Коэффициент полезного действия внутреннего цикла равен единице.
Доказательство. В соответствии с определением внутренний цикл (рис.1) не может передавать куда-либо тепловую энергию, поступающую от внешнего цикла, а следовательно, все тепло, получаемое внутренним циклом преобразуется в работу, что и требовалось доказать.
Теорема. Суммарная работа внешнего цикла складывается из работ всех циклов, входящих в его состав.
Доказательство. Первый закон термодинамики для суммарной работы внешнего цикла, включающего n-1 внутренних циклов, имеет вид:
Lц = Qист — Qхол = Qист — Qхол + Q1-2 — Q1-2 + Q2-3 — Q2-3 +…+ Q(n-1)-n — Q(n-1)-n —
— Qn-(n-1) + Qn-(n-1)-…- Q3-2 + Q3-2 — Q2-1 + Q2-1 = (Qист — Q1-2 + Q2-1— Qхол) +
+ (Q1-2 — Q2-3 + Q3-2 — Q2-1) + …+ (Q(n-1)-n — Qn-(n-1)) = Lц1+Lц2+… +Lцn = Сумма слагаемых Lцi от 1 до n, что и требовалось доказать.
Теорема. Вид и количество внутренних термодинамических циклов не влияет на суммарную работу внешнего термодинамического цикла.
Доказательство. Для начала рассмотрим смешанный цикл a-b-c-d-a, состоящий из внешнего цикла a-b-c-n-k-m-n-d-a, у которого боковые стороны — адиабаты, и внутреннего цикла m-k-n-m (рис.2). В соответствии с леммой цикл a-b-c-d-a можно рассматривать как цикл, состоящий из внешнего цикла m-b-c-n-k-m идвух внутренних: m-k-n-m и a-m-n-d-a. Тогда:
Lц = Lц m-b-c-n-k-m + Lц m-k-n-m + Lц a-m-n-d-a =
= (Q1 — Q2) + (Q2 — Q3) + (Q3 — Q4) = Q1 — Q4
Таким образом, вид внутреннего цикла m-k-n-m не влияет на суммарную работу внешнего цикла a-b-c-d-a, две стороны которого — адиабаты.
Полученный результат распространяется на произвольный цикл, поскольку произвольный цикл всегда можно разбить на несколько циклов, у которых две стороны — адиабаты (рис.3). При этом так же доказывается, что количество внутренних циклов не влияет на суммарную работу внешнего цикла (суммарная работа определяется разницей подведенного и отведенного тепла).
Из доказанных теорем следует, что при наличии объективно существующих ограничений внутренние циклы создают многообразие конструктивных решений, обеспечивающих требуемую эффективность тепловой машины.
Собственно, это стало теоретическим фундаментом для создания тепловых машин (двигателей), запатентованных автором, включая последние изобретения.
В 2000-м году автор получает патент на турбоэжекторный двигатель, основанный на использовании внутренних термодинамических циклов. Идея создания такого двигателя обогнала время, как минимум, на 50 лет, и это вызвало негативное отношение у скептиков, которых интересует сиюминутный результат. Чтобы показать несостоятельность такой позиции, проведены углубленные исследования в области создания турбоэжекторых двигателей: появляется серия изобретений, разрабатывается теория турбоэжекторных двигателей, оформляется докторская диссертация, которая успешно защищается, проходит экспертный совет ВАК. Но, «неожиданно» президиум ВАК находит технические ошибки в ее оформлении. Предлагается повторно провести процедуру защиты, которую заинтересованные лица успешно блокируют (два оппонента не представляют отзывы). Как оказалось, именно это решение ВАК оказалось судьбоносным: благодаря этому сегодня меняется ход развития авиации. Не будь этого решения, очередная диссертация легла бы на полку, и на этом все завершилось. Математический аппарат, который был разработан для моделирования турбоэжекторного двигателя, оказался настолько удачным и универсальным, что позволил моделировать различные газодинамические схемы, сравнивать их эффективность. Таких схем было несколько десятков, рассматривались самые невероятные решения. И, наконец, модель выдала невероятный результат, в который автору было трудно поверить. Дальше – дело техники: установление причинно-следственных связей, физическое объяснение феномена, поиск оптимальных параметров. До последнего момента были сомнения, что патенты опубликуют, но это произошло. Факт их появления стоит десятка диссертаций».
От имени редакции и наших читателей поздравляем Владимира Письменного с признанием его яркого достижения и желаем новых успехов на благо отечественной науки и техники.