После начала истечения продуктов сгорания уменьшается их давление в камере, а также перед критическим сечением сопла и, соответственно, степень расширения «хвостовой» части газовой массы импульса в первом цикле и её скорость. Как следствие, происходит снижение степени разрежения в насадке, уменьшение присоединяемой во втором цикле газовой массы и её скорости. При этом «головная» часть импульса продуктов сгорания следующего периода выталкивает из насадка «хвостовую» часть присоединяемой воздушной массы предыдущего периода, имеющую меньшую скорость. Это приводит к частичному смешению разделённых газовых масс, снижающему скорость объединённой реактивной массы.
Однако эксперименты [3] показали, что даже при наличии этих потерь кинетическая энергия объединённой реактивной массы
Etm= 0.5 (1 + m) C2tm (2.1)
Значительно больше, чем кинетическая энергия активной струи
Eaj = 0.5 C2aj (2.2)
При эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей струёй продуктов сгорания экспериментально получен прирост реактивной силы до 140% к исходной тяге [2,3]. Его величина зависит от параметров эжекторного устройства, изменения реактивной массы и скорости её истечения. Если коэффициент wtm (1.2) больше 1, то прирост кинетической энергии в результате процесса присоединения больше прироста тяги. Чтобы получить такой же прирост тяги (в 2.4 раза) при wtm меньше 1, присоединяемая воздушная масса должна быть равна 2.4 m n, где n – коэффициент, на который уменьшается Caj и Ctm. А для получения прироста кинетической энергии, равного приросту тяги, в процессе с wtm меньше 1, необходим коэффициент m, увеличенный в n2 раз. Например, для получения прироста кинетической энергии в 2.4 раза, при условии, что Ctm будет меньшее по сравнению с Cpj в 2 раза (что маловероятно в этом процессе), m должен быть 2.4×22, т.е. равен 9.6. А коэффициент m, полученный экспериментально [3], больше 10, поэтому прирост кинетической энергии и при таком гипотетическом предположении больше прироста тяги.
Таким образом, при максимально возможном уменьшении wtm, экспериментально полученное значение кинетической энергии равное Etm = 0.5 (1 + 2.4mn2) (Ctm /n)2 больше, чем в 2.4 раза кинетической энергии активной струи (2.2). Причём она не рассеивается в атмосфере, как при создании реактивной тяги движителя, а используется для выполнения механической работы. Следовательно, большая часть мощности данным способом получается за счёт преобразования потенциальной энергии и низкопотенциальной теплоты сжатых под действием гравитации газов в кинетическую энергию воздушной массы, воздействующей на лопатки турбины. Поэтому эффективность комбинированных струйных ГТД оценивается суммарным КПД, который равен КПД теплового двигателя, увеличенному на произведение коэффициентов m и wtm.
Сегодня возможности повышения эффективности ГТД с циклом при P=const. практически исчерпаны, а значения коэффициента m, полученные экспериментально, в зависимости от параметров процесса присоединения изменяются от 10 до 50, т. е. эффективность комбинированных двигателей может быть более чем на порядок выше эффективности современных ГТД (с соответствующим уменьшением выброса в атмосферу продуктов сгорания).
Автором статьи разработан стендовый вариант комбинированного струйного ГТД (совместно с «НПО Машиностроение», г. Реутов подготовлена конструкторская документация), который позволяет варьировать и оптимизировать основные параметры процесса последовательного присоединения, в т.ч. с учетом скорости набегающего потока.
Второй способ. Проведенные эксперименты [3] показали, что оптимальное значение Caj продуктов сгорания в процессе присоединения находится в диапазоне скоростей, которые можно получать при расширении сжатого рабочего тела, не используя для него дополнительный подогрев. Следовательно, продукты сгорания можно заменить сжатым воздухом, а камеру сгорания пневмоаккумулятором [5]. При истечении воздуха из пневмоаккумулятора давление перед критическим сечением сопла в течение цикла остаётся постоянным. Поэтому «хвостовая» часть газовой массы импульсов активной струи, снижающая эффективность процесса присоединения, отсутствует, что практически исключает смешение последовательно движущихся разделённых воздушных масс и, следовательно, потери на их трение. В результате коэффициент wtm становится больше 1. Так как Ctm равно Caj, то кинетическая энергия объединённой массы (2.1) будет больше кинетической энергии активной струи (2.2), т. е. Etm больше Eaj, и, соответственно, больше потенциальной энергии рабочего тела – сжатого воздуха, образующего активную струю Eace, не менее, чем в m раз. Величина m изменяется в зависимости от параметров процесса присоединения в диапазоне от 10 до 50 [3], поэтому Eace, составляет лишь 0.1 – 0.02 Etm. Причём для повышения давления воздуха в пневмоаккумуляторе перед его расширением в струйном устройстве можно использовать различные способы и источники энергии, а такой баланс энергии позволяет сжимать его в компрессоре за счёт мощности, полученной в результате процессов преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах.
Суммарные энергозатраты и потери в процессах преобразований
Eexp = Eace + Ece + Ete + Eoe (2.3)
где Ece – потери энергии при сжатии воздуха в компрессоре; Ete – потери энергии при преобразовании Etm в турбине; Eoe – прочие потери энергии.
Общий удельный вес технологических потерь (Ece + Ete + Eoe), не превышает 25% Etm, в том числе: Ece 20% Eace; Ete 15% Etm; Eoe 2% Eaj. (потери означают, что данный способ преобразования энергии не противоречит второму началу термодинамики) В основном величина потерь зависит от КПД турбины, а удельный вес потерь в компрессоре и прочих потерь при больших величинах m незначителен и составляет, соответственно, 1% и 0.1% от Etm, увеличиваясь с уменьшением m.
С учётом энергозатрат и потерь (2.3), энергия для использования потребителями
Eus = Etm – Eexp. (2.4)
Если принять Etm равной 100%, то, при m равном 20 и wtm равном 1, Eus = 100% – (5% + 1% + 15%+ 0.1%) = 78.9%, а Eexp равна 21.1% Etm. Если основные параметры процесса и/или их соотношения отклоняются от оптимальных величин, то значения m и wtm уменьшаются. Для компенсации технологических энергозатрат и потерь (2.3) в процессах преобразования, достаточно увеличить кинетическую энергию в результате процесса присоединения дополнительных масс на 44%, т.е. для самоподдержания этого процесса Etm должна быть больше Eaj лишь в 1.44 раза. Полученная сверх этого энергия может быть использована внешними потребителями. Например, при m равном 1 удельный вес технологических затрат и потерь, за исключением Ete, значительно увеличивается: Eace до 50%, Ece до 10%, Eoe до 1%, а Eus = 100% – (50% + 10% + 15% + 1%) = 24% Etm. Это значит, что даже при такой малой величине m, равной 1 (достижимой при не самых оптимальных параметрах этого процесса присоединения), невысоких КПД турбины (0.85) и компрессора (0.8), для сжатия рабочего тела можно использовать энергию, полученную в предыдущих циклах, оставляя потребителям 24% располагаемой Etm.
Результаты экспериментов также подтверждают возможность преобразований энергии атмосферы при сжатии рабочего тела за счёт мощности, полученной при её преобразовании в предыдущих периодах. Если экстраполировать увеличение кинетической энергии (в 2.4 раза), полученное экспериментально в процессе последовательного присоединения с активной струёй из продуктов сгорания [3], на аналогичный процесс с использованием сжатого воздуха для образования этой струи, то даже без учёта реального снижения потерь на смешение и трение объединяемых масс, повышающего эффективность этого процесса, Eus = 100% – (41.7%+8.3%+15%+ 0.8%) = 34.2% Etm.
Согласно второму началу термодинамики не вся энергия одного неисчерпаемого источника преобразуется в работу – часть превращается в теплоту. А при механическом сжатии рабочего тела - в высокопотенциальную теплоту, температуру которой можно регулировать в зависимости от степени сжатия и охлаждения рабочего тела перед расширением, для полезного использования, например, в системах отопления. При расширении сжатого и охлаждённого, например, до атмосферной температуры рабочего тела значения Caj и Ctm будут находиться в диапазоне величин коэффициента скорости _» до 2.45, вполне достаточном для получения окружных скоростей, обеспечивающих высокий КПД турбомашин.
Температура высокопотенциального рабочего тела, а также низкопотенциального - воздуха в процессах преобразований энергии понижается. Управляя количеством атмосферного и холодного отработавшего воздуха, возвращаемого в эжекторные насадки в качестве присоединяемых масс следующих периодов, можно получать температуру воздушной массы, необходимую, например, в системах кондиционирования. Если отработавший в одном устройстве присоединения или эжекторном сопловом аппарате воздух направлять в качестве присоединяемых масс в другое или следующий сопловой аппарат и т.д., то его можно охлаждать до сверхнизких температур, используемых в криогенной технике.
Процесс присоединения дополнительных масс воздуха в рассмотренном бестопливном способе преобразования энергии атмосферы также состоит из повторяющейся с заданной периодичностью пары последовательно связанных термодинамических циклов со своими источниками энергии и рабочими телами: из обратного цикла Карно (цикла воздушного теплового насоса – холодильной машины) и цикла - охлаждения атмосферного воздуха при его расширении и ускорении. Часть мощности, полученной в результате преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах, используется для сжатия атмосферного воздуха в обратном цикле Карно. За счёт работы расширения сжатого воздуха (высокопотенциального рабочего тела) создаются условия для начала второго цикла с использованием энергии низкопотенциального рабочего тела (также как в процессе с продуктами сгорания).