Электромагнитный двигатель
Что такое безтопливный двигатель
Электромагнитный двигатель
Альтернативный источник энергии
Стремительный рост цен на ископаемое топливо, заставил весь мир срочно искать альтернативные источники энергии. Уже предлагается масса вариантов замены традиционному способу производства энергии. Однако все они пока уступают хоть и устаревшим, но испытанным видам производства по многим показателям.
Чтобы стать коммерчески выгодным, новый источник энергии должен обладать рядом свойств:
1.Быть достаточно мощным в сравнительно небольших габаритах.
2.Независимым от внешних условий.
4.Использовать более дешёвое топливо, либо вообще быть без топливным.
В полной мере, таким источником энергии может служить только электромагнитный двигатель, с возбуждением от постоянных магнитов.
Принцип действия данного электромагнитного двигателя основан на законе Ампера для проводника с электротоком в магнитном поле.
Сила, действующая на проводник с электротоком в магнитном поле прямо пропорциональна индукции магнитного поля B, длине проводника L, и силе тока в нём I.
Если принять, силу F за мощность электромагнитного двигателя.
Значение B- за мощность магнитного поля постоянных магнитов, а произведение LI за мощность электромагнитной обмотки, то не сложно заметить, что мощность электромагнитного двигателя с постоянными магнитами может расти только за счёт роста мощности постоянных магнитов. А поскольку — «… постоянный магнит ниоткуда не получает энергию, а его магнитное поле не расходуется, когда им что либо притягиваешь….». «Магнит за три тысячелетия». В.П. Карцев. Стр. 155 , можно утверждать, что при потреблении подобным двигателем электроэнергии мощностью в 1 КВт. Мощность его может составить и 2 и 3 КВт.
Так гласит закон. Более того. Если
Закон Ампера для проводника с электротоком известен уже давно и не раз проверялся на практике. Пока претензий к нему не было.
Это значит, что используя постоянные магниты в качестве неисчерпаемого источника энергии можно создать электромагнитный двигатель с КПД больше 100 % , о чем долгие годы мечтало всё человечество и с таким упорством отрицали учёные – физики.
Но почему до сих пор такой источник энергии не был создан?
На это есть целый ряд причин:
1. Учёные не могут признать постоянный магнит неисчерпаемым источником энергии. Это, по их мнению, прямое нарушение закона о сохранении энергии. И хотя постоянный магнит существует реально и его магнитное поле действительно не уменьшается при совершении работы, признать этот факт никто не решается.
2. Достаточно сильные постоянные магниты были изобретены сравнительно недавно. А способ концентрации магнитного потока, ещё позже. Но без концентрации источника энергии, электростанция не может получиться достаточно компактной, что является одним из основных условий практичности электростанции.
3. Природа постоянного магнита описана учёными не правильно. В учебниках нам объясняли, что ферромагнетики не могут стать магнитами, поскольку домены, носители магнитного заряда, расположены в ферромагнетиках хаотично. И их поля нивелируют друг друга. (Рис.1.)
Однако это утверждение неверно.
Если взять энное количество прямоугольных магнитов и соединить их разноимёнными полюсами, то в результате получим замкнутый круг. Рис.2
Точно также ведут себя и домены, которые по своей сути являются элементарными магнитами. Рис.3
Причём домены пытаются сжаться в минимальное кольцо, что бы занять наименьшее энергетическое положение.
Магнитная энергия заключена в это кольцо, и наружу вырваться не может. Это явление используют для защиты механических часов от магнитного поля. Механизм элементарно помещают внутрь железного кольца, которое является магнитным проводником, и магнитное поле двигаясь по пути наименьшего сопротивления, обходит механизм часов вокруг не проникая внутрь железного кольца.
Чтобы получить постоянный магнит, необходимо кольца доменов разорвать, сориентировать параллельно и закрепить.
Что бы удостовериться в том, что постоянный магнит обладает энергией достаточно поднести железный предмет к современному магниту из редкоземельных материалов.
Сила, с которой предмет притянется к магниту, развеет все сомнения.
Но энергию постоянного магнита необходимо преобразовать в иную, более привычную и изученную. Например, в механическую.
Это можно сделать лишь, создав электромагнитный двигатель, у которого, за счёт мощных постоянных магнитов, КПД будет значительно превышать 100%.
Конечно, двигатель с КПД больше 100% противоречит закону о сохранении энергии. Но этот закон гласит, что подобное невозможно лишь в замкнутой системе. То есть там, где нет внешнего источника энергии. В данной же конструкции внешним источником энергии служит постоянный магнит.
Если взять постоянный магнит в виде кольца и удалить некоторую часть его, получится подковообразный магнит с двумя полюсами. Между этими полюсами поместить якорь электродвигателя с электропроводящей обмоткой. Обмотка состоит из ряда катушек размеры, которых соответствуют размеру зазора между полюсами. Если по катушке пропустить постоянный электроток, то в катушке возникнет электромагнитное поле, которое заменит недостающее звено постоянного магнита и замкнёт собою кольцо магнитного поля постоянного магнита. А катушка притянется к магниту. Но если направление тока в катушке поменять, то катушка оттолкнётся от магнита.
Разместив на статоре ряд подковообразных магнитов, а на якоре ряд электромагнитных катушек, получим электромагнитный двигатель. Рис.5.
Похожие двигатели широко используются в промышленности. Но не один из них не имеет КПД больше 100%. Почему? Теперь уже дело в неправильной трактовке природы как магнитного и электромагнитного поля, так и электрического тока.
Учёные утверждают, что магнитное поле сплошное. Однако это физически невозможно.
Любая материя состоит из атомов, и даже сами атомы из элементарных частиц. Нет ничего сплошного. Мир вокруг нас дискретный.
Постоянный магнит состоит из доменов. Из групп атомов. По своей сути, это уже кристаллы. А из чего же состоит магнитное поле? Из силовых линий. Их легко обнаружить с помощью листа бумаги и железных опилок. Энергия магнита заключена в силовых линиях. Вся беда в том, что никаких полей не существует. Но учённые верят в поля и совершенно не признают силовые линии. Хотя и пользуются ими для объяснения некоторых физических явлений.
И хотя никто не знает, что такое энергия, и каким образом она держится в силовой линии? Что из себя представляет сама силовая линия, и какова её природа, мы, обязаны использовать это природное явление для своих нужд, оставив поиск ответов будущим поколениям.
Итак, магнитное поле, это пучок силовых линий. Предположительно каждый домен на поверхности магнитного полюса, содержит одну силовую линию. Но силовая линия должна содержать ещё одну характеристику, толщину. Толщина силовой линии зависит от количества доменов выстроенных в один ряд. Словно ручейки воды сливаясь, образуют большую реку. И чем длиннее постоянный магнит, чем толще силовые линии на его полюсах, а значит и магнитное поле на его полюсах.
Но и электромагнитное поле должно иметь подобную природу. Однако доменов там нет.
Отчего же может зависеть количество силовых линий и их толщина в катушке намотанной проводником электрического тока? Наверняка, количество от напряжения, а толщина от силы тока.
Ведь известно, что по тонкому проводнику можно пропустить электроток практически любого напряжения, если сила тока будет мала. Всё просто. Много тонких линий можно разместить в проводнике, а вот много толстых там не помещаются. Отсюда и падение напряжения при протекании через проводник электротока большой силы. Лишние силовые линии просто выталкиваются из проводника.
Итак, выясняется, чтобы замкнуть магнитное кольцо электромагнитной катушкой, требуется подать на катушку электроток высокого напряжения и малой силы.
К сожалению, пока нет методик подсчёта силовых линий постоянного магнита в зависимости от индукции магнитного поля и количество силовых линий электромагнита в зависимости от напряжения электротока протекающего по этой катушке. Поэтому приходится устанавливать величину напряжения индивидуально для каждой конструкции двигателя и подбирать экспериментально.
Наилучшим показателем для двигателя по мощности и экономичности будет момент, когда силовые линии и статора и якоря совпадут как по количеству, так и по толщине. Если силовые линии якоря будут тоньше силовых линий статора, КПД такого двигателя возрастёт, однако мощность уменьшится.
Но из за большой индукции магнитного поля статора, применение классического, железосодержащего якоря невозможно. Якорь просто намагнитится под действием магнитного поля статора в местах против магнитных полюсов до насыщения, и чтобы перемагнитить его потребуется электроток большой мощности. Именно поэтому в классических электродвигателях, магнитное поле статора значительно слабее магнитного поля якоря.
Якорь данного электродвигателя должен быть не только немагнитным, но и диэлектрическим.
Причина этому, большие вихревые токи при движении проводников в сильном магнитном поле. Материалом для якоря может служить текстолит или стеклотекстолит.
Главным, в конструкции данного двигателя является концентрация магнитного потока постоянных магнитов. Для этого, к магнитному полюсу из материала с максимальной степенью магнитного насыщения, например «Пермендюр», присоединяются постоянные магниты с пяти сторон одноимёнными полюсами. Шестая грань обращена к якорю, куда и выходит концентрированный магнитный поток. Рис.6.
Изобретение данного концентратора в основном и способствовало созданию электромагнитного двигателя с КПД больше 100%.Ведь любой энергоноситель необходимо сконцентрировать. Воду в водохранилище с помощью огромной плотины, пар в турбине, повышая температуру и давление, энергию атома, обогащая урановое топливо. Только та энергия которую есть возможность сконцентрировать с большой плотностью в относительно небольших объёмах, способна служить альтернативой классическим видам энергии.
Но магнитное поле увеличивается только за счёт увеличения количества силовых магнитных линий. Поэтому в двигателе площадь магнитных полюсов желательно уменьшить, чтобы напряжение в обмотке якоря было меньше, а количество полюсов можно увеличить. Рис7.
Конечно, при увеличении количества полюсов ,потребляемый ток тоже будет расти. Но если двигатель будет потреблять даже 10 КВт. электроэнергии , а его мощность составит 20 КВт. это будет выгодно.
Правда, дешёвым такой двигатель не назовёшь. И редкоземельные магниты, и магнитные полюса из сплава «Пермендюр», достаточно дороги.
Но эти материалы могут служить десятки лет. И обязательно себя окупят. В данном двигателе изнашиваются только подшипники, контактные кольца и щётки контактных колец. Но эти комплектующие сравнительно не дороги и применяются в обычных электродвигателях много лет.
Применение постоянных магнитов в качестве источника энергии ограничивает мощность двигателя. С их помощью и помощью сплава «Пермендюр» возможно получение магнитных полей всего до 2,5 Тл. И совокупную мощность до 100КВт. Но если применить в качестве источника магнитного поля сверхпроводящий магнит, мощность можно резко увеличить и уже говорить о нескольких мегаваттах.
Постоянный магнит, или постоянное магнитное поле сверхпроводящего магнита, уникальный источник энергии. Без топливный, компактный, экологически безвредный. Он отвечает всем требованиям, предъявляемым к источникам энергии как традиционным, так и альтернативным. И достаточно лишь соединить такой двигатель с самым обычным генератором электротока, и добавить пару аккумуляторов, как мы получим автономную электростанцию, которая будет вырабатывать электроэнергию круглосуточно и круглогодично, не взирая ни на погоду, ни на географическое положение.
Конечно, в теории кажется всё очень просто. Сконцентрировали магнитный поток. Замкнули полюса искусственным магнитным полем и всё. Но это в теории. На практике всё гораздо сложнее.
Предположим, каждый домен постоянного магнита содержит одну силовую линию. По крайней мере, это логично. А размер домена всего 4 микрона. Значит, на один квадратный сантиметр магнитного полюса, приходится примерно 25 000 силовых линий. Если предположить, что один вольт напряжения тоже даёт одну силовую линию, то не трудно понять, какое напряжение необходимо подать на одну катушку якоря. Теоретически это конечно возможно, но практически сделать очень сложно. Напряжение необходимо снижать. Либо увеличить размер домена. Теоретически это тоже возможно, но пока никто не пытался это сделать.
Можно также разделить катушку якоря на множество параллельных ветвей.
Профрезеровать в якоре максимально возможное число пазов и одну катушку уложить в один паз. А каждую катушку подключить параллельно. Тогда напряжённость электрических полей будет суммироваться, а не вычитаться как при последовательном подключении.
Но традиционными методами этого сделать не удастся. Альтернативный двигатель требует альтернативных решений.
Есть два решения этой проблемы.
Первый способ решение это создание многофазного ротора. Каждая секция должна быть отдельной фазой. И с помощью электроники подавать на контактные кольца переменное напряжение чередуя фазы. Ничего сложного в этом нет, хотя колец потребуется больше чем привычных три.
Второй способ коллекторный. Но тоже необычный. Коллекторов должно быть два. Один с положительным током, а второй с отрицательным.
В общем, нет ничего невозможного. Просто необходимо это делать на высоком профессиональном уровне. Конечно, сложно. Но ведь не сложнее термоядерной энергетики. Но зато безопасно и значительно дешевле.
Владимир Чернышов. Приморский край. e-mail— [email protected]
Начните внедрять изобретённый бестопливный экологический двигатель
Найдено решение топливно-энергетического и экологического кризиса (топливные энергоресурсы заканчиваются и сгораемое топливо загрязняет атмосферу и природу). Изобретён бестопливный супер-двигатель, основанный на свойстве магнитов отталкиваться друг от друга не прикасаясь друг к другу. Если широко внедрить такие бестопливные двигатели вместо существующих двигателей, электрогенераторов и электробатарей, то все товары и услуги значительно подешевеют, так как во всех ценах присутствуют топливная и энергетическая составляющая. То есть жизнь станет примерно в два раза дешевле, чем сейчас.
Для двигателя требуются магниты, чьи магнитные свойства постоянны и неизменны. То есть требуются неодимовые магниты или магниты из магнитного железняка, а не намагниченные куски металла, которые постепенно теряют свои магнитные свойства. Основа этого двигателя состоит из трёх кругов магнитов, то есть из трёх групп, каждая из которых является окружностью из полосы магнитов. Первый и второй круг магнитов жёстко связаны друг с другом, но не соприкасаются между собой, поэтому первый круг магнитов своим магнитным полем толкает второй круг магнитов, чтобы этот второй круг заставлял транспортное средство двигаться, лететь или заставлял двигатель двигаться по кругу, вращая какой-либо механизм. Конечно, при этом все магниты должны быть расположены соответствующим направлением своих полюсов. Однако первый и второй круги магнитов отталкиваются друг от друга в противоположные стороны. В результате чего движение двигателя будет блокироваться и этот двигатель не будет работать. Поэтому, чтобы данный двигатель работал, необходимо перенаправить эту силу, которая отталкивает первый круг магнитов на вращение этих магнитов вокруг своего центра. Кроме того, что этот первый круг вращающихся магнитов не будет блокировать движение второго круга магнитов, вращающиеся магниты первого круга будут создавать более сильное магнитное поле, которое будет ещё сильней отталкивать второй круг магнитов. Конечно, первый и второй круги магнитов жёстко связаны между собой таким образом, что при этом первый круг магнитов может свободно вращаться вокруг своего центра. Перенаправление этой силы, которая отталкивает первый круг магнитов на их вращение осуществляется третьей группой магнитов, которые будучи расположены соответствующим образом, будут направлять данную отталкивающую силу в сторону, заставляя магниты первого круга вращаться вокруг своего центра. А вокруг вращающихся вокруг своего центра магнитов первого круга ещё размещается обмотка электромеханического генератора, чтобы эти вращающиеся магниты во время работы двигателя параллельно вырабатывали электрическую энергию в данной обмотке электромеханического генератора. Эта электрическая энергия питает обыкновенный электромотор, который необходим для поддержания работы двигателя, так как данный электромотор поддерживает описанное вращение первого круга магнитов, помогая этому кругу вращаться вокруг своего центра.
Коэффициент полезного действия (КПД) описанного магнитного двигателя значительно больше всех существующих двигателей по той причине, что в этом магнитном двигателе используется внутренняя заложенная в магнитах энергетика, которая не истощается. Для наглядности приведём пример. Если кусок железа «прилипнет», то есть примагнитится к магниту расположенному над поверхностью Земли, то этот кусок железа может висеть над поверхностью Земли практически вечно, хотя его постоянно тянет вниз притяжение Земли. То есть этот магнит способен БЕСКОНЕЧНО вырабатывать силу притяжения к куску железа большую, чем сила земного притяжения этого куска железа, что и позволяет данному куску железа не падать вниз, а держаться, «прилипнув» к упомянутому магниту практически бесконечно. Для большей наглядности напомним, что человеку требуется больше усилий и энергии для поддержания на весу какого-то груза в течение большого срока, чем если держать на весу тот же самый груз в течение меньшего срока. При этом неистощимая сила заложенная в магнитах достаточно велика. Например, неодимовый магнит может практически бесконечно держать на весу кусок железа примерно в тысячу раз тяжелее себя. Исходя из вышесказанного, описанный магнитный двигатель может вырабатывать энергии почти в два раза больше, чем он её потребляет! То есть коэффициент полезного действия описанного магнитного двигателя может доходить до 200%!
Преимущества вышеописанного двигателя состоят в том, что он не требует никакого топлива, не нуждается в подзарядке электробатарей, полностью экологичный и совсем не представляет пожаро и взрывоопасности.
Экспериментальные образцы данного двигателя уже созданы — всё прекрасно работает с КПД 180% (что подтверждают и технические расчёты, которые может сделать любой разбирающийся в электромагнитных процессах). Напомню, что на Земле много энергозависимых государств, которым очень не нравится постоянно покупать топливо и энергоресурсы у других стран.
Существование описанного двигателя возможно только в том случае, если кроме материального мира существует ещё и другое параллельное измерение с дополнительным источником энергии. То есть изобретение данного двигателя является наглядным доказательством того, что кроме материального измерения существует ещё как минимум одно измерение параллельное материальному миру.
Требуются большие энергетические затраты на то, чтобы все планеты многие века вращались по своим орбитам с неизменной скоростью. Как требуются большие энергетические затраты на то, чтобы Земля и другие планеты постоянно притягивали к себе материальные объекты. Откуда вся эта энергия берётся? По мнению учёных Солнце горит миллионы лет с одинаковой интенсивностью и топливо у Солнца не заканчивается. Если сделать модель Солнца — шар из топлива и поджечь его, то сколько он сможет гореть, то есть выделять свет и тепло? Как в солнечной системе постоянно производится динамическая и другая энергия, так и в нашем двигателе тоже производится энергия и выдаётся КПД 180%!
(Остановка и начало работы описанного двигателя происходит соответственно при выключении и выключении электромотора поддерживающего вращение первого круга магнитов, так как в результате прекращения этого вращения прекращается и движение второго круга магнитов. Чем больше и мощнее будут отталкивающиеся друг от друга магниты в данном двигателе, тем больше будет мощность этого двигателя. А чем ближе друг к другу будут расположены отталкивающиеся друг от друга магниты в двигателе, тем будет больше сила их взаимного отталкивания, а значит будет больше и коэффициент полезного действия данного двигателя. Ещё раз подчеркнём, что магниты в описанных кругах не образуют заполненные круги-диски, но эти магниты образуют полосы в виде линий окружностей, так что внутри этих кругов пустота).
Что такое безтопливный двигатель
Автор: Е.М. Агеенко, С-Петербург
В глубокой древности, как только были придуманы самые примитивные средства передвижения по водной поверхности, сразу возникла проблема: какими силами заставить их плыть в нужном направлении. Первыми движителями, которые использовались на плотах и подобных им простейших плавсредствах, были шест и весло. Другим древним движителем был парус, иногда в комбинации с веслами. Парусные суда оказались более совершенными, они использовали энергию внешней среды – воздуха. Наряду с этим в более поздние времена и до прошлого века использовалась и непосредственно тяговая сила живых организмов: еще до нашей эры было изобретено гребное колесо, которое приводилось во вращение животными.
А кто не слышал о бурлаках? Ведь их труд использовался не только на Руси, но и во многих других странах, в том числе – и в западной Европе. Там же длительное время в качестве гребцов на галерах использовались каторжники.
Первые парусники могли двигаться по ветру, но по мере совершенствования парусного вооружения люди научились, двигаясь галсами, перемещаться в нужном направлении независимо от направления ветра. Наивысшего расцвета парусные суда достигли примерно в конце 19 в., их скорость при благоприятном ветре достигала 20 узлов. Но появление и развитие тепловых двигателей на судах привело к постепенному переходу от парусных судов к пароходам. Тем не менее, интерес к использованию парусов сохранился, и даже в последние десятилетия в мировом судостроении наблюдается заинтересованность в них, чаще как к дополнительному типу движителей.
Этот интерес обусловлен двумя главными причинами: возможностью экономии топлива при высоких ценах на него и экологической чистотой. Применение парусного вооружения позволяет значительно уменьшить мощность главного двигателя (дизеля) без существенной потери скорости судна. Достижения современной науки позволяют механизировать установку и уборку парусов, управление ими с целью получения наивысшей скорости хода в требуемом направлении, снизить массу при достаточной прочности и долговечности.
Идея использовать пар в механике была высказана еще в I веке н.э. греческим ученым Героном Александрийским, но первый паровой котел был изобретен только в конце 17-го века. В начале 18-го паровыми машинами уже было никого не удивить, а в 1783 году сошел на воду первый пароход «Пироскаф». Изобрел его французский военный, маркиз Клод Жоффруа д’Аббан – инженер-самоучка.
Первый известный в литературе пароход «Клермонт» водоизмещением 160 т с машиной Уатта мощностью 20 л.с. был испытан и введен в эксплуатацию в 1807 году. И хотя «отцом парохода» считается Роберт Фултон, первым в мире работающим подобным транспортным средством является судно «Шарлотта Дандес», спущенное на воду в 1801 году.
В России первый пароход был построен на заводе Чарльза Берда в 1815 году. Он совершал рейсы между Санкт-Петербургом и Кронштадтом.
В качестве движителя пароходов первоначально использовались гребные колёса (если не брать в расчёт первые опыты Джона Фитча с вёслами, приводимыми в движение паровой машиной). Гребные колёса могли располагаться по бортам у мидель-шпангоута или за кормой.
К XX веку гребные колёса вытеснил более прогрессивный гребной винт. Первый винтовой пароход «Архимед» построен в 1838 году английским фермером Френсисом Смитом. С переходом от гребных колёс к гребным винтам ходовые качества пароходов намного улучшились. Это привело к тому, что к началу XX века такие суда практически полностью вытеснили на море парусники и своих колёсных собратьев.
В качестве энергоносителя в паровых машинах пароходов первоначально использовался уголь, позже — нефтепродукты (мазут).
В 1894 году Чарльз Парсонс построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость — 60 км/ч (ок. 33 узлов). После этого паровые турбины стали устанавливать на многих быстроходных судах.
Таким образом, к началу 20 века возможности паровой машины были практически исчерпаны. На смену паровой машине, несмотря на ее широкую распространенность, отлаженность конструкции и благоприятные характеристики (низкие обороты, возможность запуска под нагрузкой, доступность для реверсирования вращения и т.д.) шли паровые турбины.
В технически приемлемом виде паровая турбина была создана одновременно и независимо в Швеции и Англии. В 1883 г на паровую турбину своей конструкции взял патент талантливый шведский инженер Густав Лаваль. Англичанин Чарльз Парсонс, взяв патент на турбину в 1894 г., сумел довести ее конструкцию, и уже в 1894 г. она по своим параметрам не уступала паровой машине.
С 1958 г в Англии было начато серийное строительство крупных кораблей, оснащенных комбинированными парогазотурбинными установками. Использование таких комбинированных энергетических установок позволило снизить массу судовых энергоустановок с запасами топлива на 23%, а дальность плавания возросла на 25%.
С начала 60-х годов 20-го века отдельные страны приступили к серийному строительству кораблей с такими комбинированными установками. А к 1976 г. 28% построенных кораблей было оснащено газотурбинными установками.
В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель (1858 – 1913) предложил поршневой ДВС. Даже первые далекие от совершенства дизель-моторы были в 3-4 раза экономичнее паросиловых установок. Судостроители сразу же ухватились за эту идею – ведь заманчиво было при прочих равных условиях принимать на борт в 3 – 4 раза меньше топлива и пропорционально увеличить дальность плавания.
В 1898 году «Товарищество братьев Нобель» за немалые деньги приобрело чертежи 20-сильного дизеля. (И уже в 1903 г. Сормовский завод в Нижнем Новгороде построил первый теплоход – танкер озерного типа «Вандал»).
Чтобы двигатель работал на нефти, были изменены многие его детали, и в 1899 году был пущен в ход первый в мире двигатель Дизеля, работающий на этом топливе. Его мощность составляла 25 л.с. (в час на 1 л.с. требовалось примерно четверть кг нефти). Сначала дизели устанавливались на небольшие суда, но в 1911 и 1912 годах Англия и Германия принялись за строительство нескольких крупных теплоходов. Первый товарнопассажирский теплоход водоизмещением 3200 тонн сошел со стапелей в 1912 году.
Во второй половине прошлого века наступила эра атомного судостроения. В 1959 г. в СССР вступило в строй первое в мире атомное судно – ледокол «Ленин».
Наиболее свежей альтернативой всем выше упомянутым движителям является прямое преобразование электроэнергии в движение потока воды в электрогидравлическом движителе. Но и в этом случае для производства электроэнергии, конечно же, требуется топливо.
И вот теперь грядёт эпоха «бестопливного судоходства». А разве такое возможно? Что, опять переход на «мускульную силу»?
Человечество располагает фантастическим энергоресурсом, который до сего времени практически оставался не востребованным. Речь идет о тепловом потенциале водных масс. Попытки его освоения с помощью ОТЭС (океанских тепловых электростанций) оказались неутешительными. Первая из них была запущена в 1979 г. в Keahole Point (Гавайи). Круглосуточно с августа по октябрь установка выдавала мощность около 50 кВт, из которых только 12 кВт использовались на полезную нагрузку.
В течение нескольких последующих лет испытывались более усовершенствованные установки. Первый японский опытный образец, запущенный на острове Науру в 1981 г., выдавал мощность 100 кВт, при этом полезной мощности было всего 14,9 кВт. В 1992-1998 гг. в Кеахол Пойнте действовала ОТЭС открытого типа на 210 кВт. При проектировании станции были использованы последние достижения техники. Турбогенератор был рассчитан на мощность 210 кВт при использовании теплой поверхностной воды в 26°C и глубоководной с температурой до 6°C. Небольшой объем (10%) отработанного пара использовался для опреснения воды. Наилучшие показатели производства энергии достигали 255 кВт (общей) при 103 кВт чистой энергии.
Однако созданным ОТЭС присущи очень серьёзные недостатки, а именно:
— стоимость электроэнергии, производимой ОТЭС, намного выше традиционной;
— для нормальной работы ОТЭС необходимо наличие ряда природных условий: разность температур между теплым поверхностным и холодным глубоководным слоями воды должна составлять около 20°C, причем экономический эффект достигается при расстоянии от поверхности до глубины с достаточно низкой температурой не более 1 км;
— конструкции океанских станций и проложенные под водой трубы могут повреждаться из-за плохих погодных условий;
— отсутствуют достаточно эффективные и экономически приемлемые средства борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов;
— если в контуре двигателя, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникает утечка, то она может нанести вред не только морской флоре и фауне, но и озоновому слою планеты.
Негативные экологические последствия работы тепловых станций по схеме с подъемом глубинных вод создаются при выделении ими в атмосферу растворенных газов. Эти воды содержат большое количество углекислого газа, который выделяется при их подъеме на поверхность из-за снижения давления и повышения температуры. И уж во всяком случае использование таких устройств с подъёмом глубинных вод немыслимо в качестве энергоустановки любых плавсредств. В 2018 году было сделано изобретение «морского энергокомплекса» (патентRU № 2650916), в котором отпадает потребность в подъёме глубинных вод, а приводом электрогенератора могут быть новые тепломеханические преобразователи без паросилового звена (патенты RU №№ 2613337, 2017., 2623728, 2017., 2694568, 2019. и 2728009, 2020). Всё это позволяет применить такие силовые установки на судах самого разного назначения и водоизмещения. И вот в прошлом году был выдан патент RU №2739089, 2020. на судовой двигатель, не требующий никакого топлива.
При всём разнообразии вариантов исполнения такой силовой установки принцип её работы остаётся общим: отбор теплоты у забортной воды – повышение температуры теплоносителя – преобразование тепловой энергии в механическую без использования паросиловых установок. В схеме отбора теплоты и повышения её температурного потенциала используется тепловой насос. Его испаритель может быть расположен как вне судна, например, под кормовой частью, а у катамаранов — под водой между их корпусами, так и внутри его.
Стенкой испарителя может быть и подводная часть судового корпуса (этот вариант рассмотрим подробно, в таком случае пространство между внутренними стенками испарительных камер может использоваться как рефрижераторный отсек в транспортных и промысловых судах). Компрессор теплового насоса и нагнетатели для циркуляции теплоносителей подключены к бортовой электросети с резервными аккумуляторами. Тепловой насос связан с двигателем – тепломеханическим преобразователем – через теплообменники. Наиболее перспективным тепломеханическим преобразователем для бестопливных судов представляется устройство, показанное на схематическом изображении судовой энергоустановки. В кормовой части корпуса небольшого судна отведено место для размещения испарителя мощного теплового насоса 1. Внешними стенками камеры испарения хладагента являются бортовые поверхности с хорошей теплопроводностью. Сверху расположены остальные устройства теплового насоса: компрессор 2, дроссель 3, а также теплообменники контуров теплоносителей: нагрева 4 и охлаждения 5. Для циркуляции теплоносителей в их контуре предусмотрены нагнетатели 6, подающие их в зоны нагрева и охлаждения судового двигателя. Основой двигателя является теплочувствительный элемент в виде трубы – тонкостенного цилиндра 7 из упругого сплава с большим коэффициентом теплового расширения (например, дюралюминия). Цилиндр является заодно и валом, по своим торцам он установлен в подшипниках. В своей средней части он усилен внешней втулкой, контактирующей с упорным роликом 8. Вал связан через мультипликатор с электрогенератором 9, а также с ходовым винтом, хотя последний может быть подключен к электродвигателю.
Внутри цилиндра расположены зоны нагрева и охлаждения. Наружная его поверхность теплоизолирована. (В принципе тепловые зоны могут располагаться и снаружи цилиндра). При запуске циркуляционных нагнетателей и компрессора в зону нагрева поступает горячий теплоноситель, например, воздух, нагретый в своём теплообменнике от сжатых компрессором паров хладагента. Последний, отдав основную часть своего тепла, проходит в виде конденсата через дроссель, резко сбрасывает давление и вскипает, отбирая для этого тепло сначала у теплоносителя в контуре охлаждения, а затем – основной ресурс – от забортной воды, испаряясь на внутренней стенке бортов судна. После этого хладагент в виде пара снова попадает в компрессор.
Охлажденный в своём теплообменнике теплоноситель проходит через свою зону внутри цилиндра и понижает температуру его верхнего сегмента, при этом нижний сегмент нагрет горячим потоком от своего теплообменника. От разности температур противолежащих сегментов цилиндр прогибается в направлении сверху вниз, при этом он под воздействием упорного ролика поворачивается в указанном стрелкой направлении. Если бы тепловые зоны повернулись вместе с цилиндром, то после поворота на некоторый угол процесс бы закончился. Но зоны нагрева и охлаждения остаются на месте, в них попадают новые сегменты цилиндра, они, изменяя свою температуру, восстанавливают направление прогиба и под воздействием ролика цилиндр продолжает вращение. Кстати, следует заметить, что вместо втулки можно установить на цилиндр подшипник, а вместо ролика – упорную площадку.
Конечно, угловая скорость вращения цилиндра будет невелика, но вращающий момент будет вполне достаточный, чтобы с помощью мультипликатора обеспечить необходимую частоту вращения и электрогенератора, и ходового винта.
Технический результат широкого освоения этого новшества очевиден: оно позволит современем отказаться от традиционной судовой энергетики, которая, помимо больших затрат на топливо, требует содержания заправочных комплексов, их обслуживающего персонала, создания противопожарных систем, причиняет вред окружающей среде в нормальном рабочем режиме судов, а — главное — в аварийных ситуациях.
Экономическая выгода от использования бестопливного двигателя – это отдельная тема. Здесь необходимо только сказать, что его стоимость в разы меньше, чем у дизеля. Он, к тому же, практически не требует обслуживания, а вероятность аварийных ситуаций со всеми негативными последствиями сводится к нулю. Бестопливные судовые двигатели способны работать даже в заполярных акваториях, а вопрос «дальности» плавания судов вообще отпадает.
С их использованием можно создавать и стационарные энергоустановки как в открытых акваториях, так и в прибрежных зонах.
Используя магнитное поле Земли. Бестопливный двигатель космического корабля
Существующая напряженность магнитного поля Земли позволяет получить сравнительно небольшие моменты сил, которые, однако, могут действовать продолжительное время, воздействуя на летательный аппарат в космическом пространстве. Магнитная система обладает тем преимуществом, что она не требует расхода рабочего тела, что особенно важно для малогабаритных недорогих спутников, связанных множеством ограничений. Кроме того, отсутствие подвижных частей значительно повышает надежность, а следовательно, и продолжительность активного функционирования такого аппарата.
Развитие космодинамики и возникновение в связи с этим новых направлений в науке и технике продолжают вызывать повыпрошенный интерес исследователей к решению задач, тесно примыкающих к классической задаче механики о положении твердого тела относительно точки. Одной из таких задач является управление угловым движением искусственного спутника Земли (ИСЗ), т. е. вращательным движением ИСЗ относительно его центра масс. Решение этой актуальной задачи неизбежно сталкивается с необходимостью учета разнообразных по своей природе сил и моментов, действующих на ИСЗ в околоземном пространстве (гравитационных, аэродинамических, электромагнитных и др.).
СПУТНИКИ МАЛЫЕ, НО ТРЕБОВАНИЯ БОЛЬШИЕ
Увеличение доли малых спутников в общем числе запускаемых на орбиту космических аппаратов стимулирует создание новых систем управления движением с минимальным или даже нулевым потреблением топлива и/или электрической энергии. Исполнительные органы таких систем управления должны быть компактными и легкими, чтобы удовлетворять весьма жестким требованиям на допустимые габариты и массу, предъявляемым к малым аппаратам. В связи с этими существенными и зачастую противоречащими друг другу ограничениями резонно возникает вопрос обеспечения должной степени функциональности в управлении орбитальным и угловым движением ИСЗ. Скажем, если для управления ориентацией малого спутника используется простая система пассивной одноосной стабилизации, то в силу необходимости идентификации вектора тяги не более двух маршевых двигателей могут быть установлены вдоль единственной стабилизированной оси. В результате этого направление вектора тяги оказывается в каждый момент времени заданным (подобный тип управления называется одноосным), что потенциально сокращает возможности орбитального маневрирования.
Чтобы расширить функциональность экономичных систем управления движением, и в том числе приспособить их к задаче деорбитинга, интенсивно разрабатываются и тестируются новые технические решения, позволяющие максимально эффективно использовать естественные внешние силы и, как следствие, отказаться от тяги реактивных двигателей.
Продолжение статьи читайте в декабрьском номере журнала «Наука и техника» за 2020 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
