. : Ульта низкоскоростная газовая турбина : .

Газотурбинные и турбореактивные двигатели принято считать очень сложными и высокотехнологичными устройствами. Здесь Вам предлагается опустить эту идею по полной программе. Правда не ждите здесь описания полноценного реактивного движка. Это будет нечто больше напоминающее модели двигателя Стирлинга из консервных банок, коих полно в Интернете.

ТИПА ЗАЧЕМ?

Сказано, что газотурбинный двигатель крайне сложно сделать дома. Настолько сложно, что типа только один чел на всей Земле сподобился сделать это (некто Шреклинг из Германии), а все остальные успешно заработавшие самодельные газотурбинные двигатели вроде как попросту его клоны. (По мне так это выглядит, как навязчивая реклама, однако разыскивая инфу по турбореактивным двигателям натыкаешься на нее на каждом интернетовском углу). Кое кто даже утверждает, что крайне трудно не только сделать полноценный реактивный двигатель, но даже просто получить самоподдерживающееся вращение. (Кто не верит - утрудитесь прочитать комментарии к видео самодельных турбин на YouTube. Практически каждую из них обвинили в неспособности к самоподдерживающемуся вращению.)

А между тем основная идея газотурбинного двигателя - одна из самых простых в мире. У такого двигателя нет цилиндров, нет шатунов и поршней, нет клапанов. Одна единственная движущаяся часть (вал с колесами) и та вращается, а не ходит туда-сюда каким-нибудь сложным образом.

Одна трудность - турбины считаются крайне высокооборотными устройствами. Мы привыкли слышать о скоростях вроде 70 тыс об/мин и более. А при таких оборотах действительно нужны и сверхпрочные материалы и тщательная балансировка и тд и тп.

Если глянуть в любой учебник, где анализируется цикл Брайтона или работа газотурбинного двигателя, выяснится, что никаих газодинамических или термодинамических причин, кладущих нижний предел оборотам газовой турбины, нет. Единственная причина - избыточная работа газов должна суметь скомпенсировать трение. А если сделать трение достаточно малым?..

НУ И КАК ЭТО СДЕЛАТЬ?

При разработке описываемого макета газотурбинного двигателя использовались три главных принципа:

• Турбина должна быть больше диаметром чем компрессор. Эт позволяет иметь выигрыш во вращающем моменте турбины по сравнению с тормозящим моментом компрессора в подавляющем большинстве ситуаций, включая, в первую очередь, самые малые из получающихся кпд турбины и компрессора.
• На пути газа от вентилятора (все-таки язык не поворачивается и дальше называть его компрессором) до турбины должен быть минимум препятствий. Если мы не хотим, чтобы поток воздуха от нашего слабенького вентилятора заткнулся, мы должны избегать всяческих сужений и перетяжек. Хуже того, поскольку нагревающийся в камере сгорания газ имеет свойство расширяться (а разогнаться при этом он не может, ибо импульс для этого дела ему взять неоткуда, кроме как от торможения набегающего за ним потока) то даже канал равномерного сечения способен вызвать затык. Так что канал на самом деле должен расширяться от вентилятора к турбине. Причем его сечение у входа в турбину должно быть в некоторое количество раз (назовем это некоторое количество буквой K) больше сечения у выхода с вентилятора. И это самое K должно быть чуть поменьше, чем отношение абсолютных температур выхлопа и вхлопа. Чуть меньше - потому что мы все-таки хотим пусть немного но ускорить поток. Неплохо выбирать отношения K в пределах K=2..2.5.
• И наконец трение должно быть минимальным. ...Каждый второй пытается строить турбореактивный движок на базе велосипедной ступицы. Но в ступицах слишком большое трение, чтобы надеяться на успех. А хорошие подшипники дороги и дефицитны. Что же делать? А вот оказывается есть старое доброе решение: подвешивать ось на острых шипах (кстати само слово "подшипник" от этого и происходит). То, что трение в игольчатых подвесах может быть сделано весьма малым, доказала еще стрелка компаса. И недостаток такого подвеса только один. - Его ненадежность. Но поскольку мы делаем простенький макет, нам этого хватит.

Использовались еще три принципа. В отличие от первых трех они не ключевые, но
делают жизнь чуть легче.

• Лопатки турбины имеют наклон 1.2 радиана, если отсчитывать от оси вращения. Или, что то же самое - 21 градус, если отсчитывать от плоскости колеса турбины. Оптимальная величина угла зависит от двух вещей - от отношения скорости вращения турбины к скорости набегающего потока и от хода зависимости отношения подъемной силы лопатки к ее лобовому сопротивлению в зависимости от угла атаки (эта зависимость знакома всем, кто имел дело с самолетами или играл в сколько-нибудь серьезные авиасимуляторы). Причем оказывается, что для каждого угла наклона лопатки есть своя зависимость кпд турбины от соотношения скорости вращения к скорости набегающего потока. Еще оказывается, что когда лопатка установлена полого к потоку (круто к плоскости колеса), кпд турбины даже в своем максимуме оказывается невелик (а сам этот максимум достигается при меньшей скорости вращения). Напротив, когда лопатка устанолена круто к потоку (полого к плоскости колеса) максимум кпд увеличивается и достигается при больших скоростях раскрутки. С другой стороны при этом падает вращающий момент, так что нужно искать компромисс. Численный расчет для плоской лопатки дает кпд порядка 80% при указанном выше углу. ИМХО совсем неплохо.
• Угол установки лопаток вентилятора - от 30 до 45 градусов (если отсчитывать от плоскости рабочего колеса). При больших углах турбина легче стартует но хуже раскручивается, при меньших - труднее стартует, но мощнее крутится. Пру углу установки лопаток вентилятора в 45 градусов, при тщательно выверенной балансировке и тщательно отрегулированном подвесе турбина иногда способна к самостоятельному старту после подачи топлива и зажигания.
• Ну и наконец о статорах. В рассматриваемой конструкции мы пытаемся устранить всяческие препятствия на пути газового потока, а тут, понимаешь ли - статоры. И ладно бы они чем-нибудь добрым занимались, а то... Первый статор спрямляет поток, перегоняя энергию вращения в давление. А второй (который перед турбиной) раскручивает его обратно. Причем ведь в том же направлении, в котором поток и вращался, до тех пор пока не вмешался первый статор. В конечном итоге - результат тот же, только с потерями. (Замечу сразу, если Вы делаете турбину с камерой сгорания, которая на дух не переносит вращения (ну например с дырчатым лайнером или с жаровыми трубами) то такой финт ушами у Вас не проканает и статоры однозначно будут полезны.)

Конструкция турбины более чем ясна из приведенных фотографий.

Вал сделан из длинной (резьбовой) шпильки на М5. Колеса турбины и вентилятора сделаны из консервной жести. Лопатки вырезаны ножницами и изогнуты и закручены плоскогубцами. Для лучшей эффективности лопатки искривлены подобно самодлетному крылу. Стрела прогиба лопаток турбины - около 3 мм, лопаток вентилятора - около 1 мм. Вентилятор имеет диаметр 65 мм, турбина - 95 мм.

Поскольку выяснилось, что резьбовые шпильки, продающиеся в магазинах стройматериалов, сделаны из стали в принципе не поддающейся закалке, заостренные шипы пришлось сделать из обломков сверел (на 3мм). Каждый из обломков тщательно заточен и вставлен (острием наружу) в специально просверленные для этого отверстия в торцах шпильки.

Корпус также сделан из жести (свернут и сварен точечной сваркой). На концах корпуса установлены арочные держатели упоров. Сами упоры сделаны из винтов на М5 в торцах которых высверлены ямки. В этих ямках и держатся шипы вала. Вкручивая и выкручивая болты можно подстраивать расстояние между упорными ямками, подгоняя его под длину вала.

Да и вот еще что. По оси корпуса желательно закрепить трубу - тепловой экран. А вал, при сборке, пропускать через эту самую трубу. В принципе турбина вполне работоспособна и без этого экрана, но без него злосчастная шпилька нагревается до красна буквально за десять-двадцать секунд. А дальше она провисает - турбина с вентилятором падают на стенку корпуса и все приходится переделывать. С другой стороны с тепловым экраном ось греется заметно меньше и турбина способна нормально проработать по меньшей мере несколько минут (если не газовать слишком сильно).

Кормится это устройство от баллона с пропаном (обязательно снабдите его редуктором). В теплое время года/суток способна работать от китайского жестяного баллончика с бутаном для походных плиток и ручных горелок. Внутри камеры сгорания топливо распыляется из медной трубки, свернутой в кольцо. В боковой стенке трубки (той части, которая свернута в кольцо) просверлено 4 отверстия диаметром 0.5 мм каждое.

В качестве стартера может работать любой попавшийся под руку вентилятор. Вплоть до среднестатистического кулера от компьютера (если конечно подшипники у Вас не подклинивает).

Зажигание - от ручной бутановой горелки. Просто откройте кран подачи топлива (в макет двигателя) и подожгите газы, выходящие со стороны турбины. Сначала они будут гореть снаружи, но в какой-то момент пламя проскочит внутрь и турбина заработает.

Собственно ЭТО работает. И во вполне самоподдерживающемся режиме. А что еще Вы хотели за эти деньги?

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА