РАЗРАБОТКА ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОВЫШЕННОЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ

Введение

В настоящее время продолжает расти спрос на энергоносители, включая традиционные углеводородные горючие. Вместе с тем, развивается сфера энергетики без сжигания углеводородов: ветряные установки, гидроэлектростанции, энергоустановки на солнечных батареях и т.п. Известно, что у большинства двигателей, энергоустановок и электростанций есть серьезные недостатки, связанные, в первую очередь, с низкой энергоэффективностью, КПД, прямым или косвенным загрязнением окружающей среды и природного ландшафта. Одними из главных источников загрязнения окружающей среды являются тепловые машины (ТМ).

Экологические проблемы при использовании ТМ носят комплексный характер – токсичные выбросы отравляют воздух, почву и воду. При работе любого двигателя внешнего или внутреннего сгорания выделяется много тепла, что приводит к «тепловому загрязнению». За 2008 год все ТМ выработали примерно 125 ПВт/ч энергии. Учитывая их небольшой КПД, примерно столько же энергии рассеялось в виде тепла в атмосфере. Хотя это количество и не кажется слишком большим, но оно способно нарушить хрупкий температурный баланс атмосферы, запустив необратимые изменения. Атмосфера принимает на себя первый удар. Тепловые машины ежегодно выбрасывают в окружающую среду около 60 млн тонн оксидов серы и примерно 200 млн тонн сажи. Количество окисей азота, соединений свинца, углеводородов также исчисляется миллионами тонн. В 2018 году в атмосферу было выброшено 33,9 млрд тонн углекислого газа, что на 2% больше, чем годом ранее. Он считается одной из главных причин парникового эффекта и изменения климата. Выхлопные газы автомобилей – основной источник токсичного смога в крупнейших городах мира. Концентрация вредных веществ в воздухе мегаполисов может превышать норму в десятки раз. С целью улучшения экологии и снижения энергозатрат в некоторых странах мира интенсивно развивается сфера альтернативной энергетики [1].

Однако альтернативная энергетика, основанная на прямом преобразовании энергии природных стихий, при удовлетворении существующих энергетических потребностей человечества может также нанести экологический ущерб. Такая тенденция обнаруживается уже в настоящее время при существующих, относительно малых, объемах использования таких энергетических установок. Например, безобидные ветроэнергоагрегаты, кроме локального влияния на скорость перемещения воздушных масс, создают опасный уровень звукового воздействия на окружающую среду – шум, в котором присутствует чрезвычайно опасный для всего живого инфразвук [2].

В статье приводятся конструктивные схемы нового гидростатического двигателя в разных вариантах исполнения.

Цель работы: разработка нового энергоэффективного, безопасного и полностью экологически чистого двигателя с возможностью выработки электроэнергии.

Анализ некоторых источников информации

Известно изобретение – «Поплавковая гидроэлектростанция» [3], которое содержит установку, выполненную в виде жестко связанных поплавков, колесо с полостями, размещенное между поплавками на горизонтальном валу и кинематически связанное с электрогенератором, причем каждая лопасть колеса выполнена с проемами и с соответствующими им створками, каждая из которых шарнирно прикреплена к проему горизонтальными осями с возможностью прижатия или открытия по всему периметру проема силой воды. Недостатком данного изобретения является: невозможность получения бесплатной энергии вне источника кинетической энергии воды (например, изобретение может работать только лишь на реках, водных потоках и т.п.).

Известно другое изобретение – «Поплавковая волновая электростанция» [4], которое содержит обтекаемый герметичный поплавок и вертикально расположенный внутри поплавка цилиндрический корпус с размещенным в нем маятником, при этом маятник подвешен к концу троса, который переброшен через блок, установленный на вращающейся оси, другой конец троса прикреплен к якорю, установленному на дне, к вращающейся оси блока присоединен ротор электрического генератора с постоянными магнитами, статор генератора закреплен на корпусе, обмотка статора генератора присоединена к входу зарядного устройства, а выход устройства присоединен к аккумулятору, который вместе с устройством находится в приборном отсеке в верхней части поплавка. Недостатком данного изобретения является: невозможность получения бесплатной энергии вне источника кинетической энергии волн (например, изобретение может работать только лишь на поверхности морей, океанов, где есть волны).

Близким техническим решением является изобретение «Мембранный двигатель» [5], содержащее корпус, мембрану, связанную с подвижным штоком, рабочие полости, каналы подвода-отвода рабочей среды, опорные пластины, демпфер, втулки, пружины, осевые и радиальные каналы, регулируемый дроссель. Недостатком данного устройства является: невозможность получения бесплатной энергии и работы.

Конструктивные схемы нового гидростатического двигателя

Для пояснения технической сущности предлагаемого двигателя [6, 7, 8] рассмотрим рис. 1, 2, 3, где: 1 – груз, 2 – мембрана, 3 – капсула, 4 – полый обод, 5 – груз, 6 – мембрана, 7 – капсула, 8 – груз, 9 – мембрана, 10 – капсула, 11 – груз, 12 – мембрана, 13 – капсула, 14 – груз, 15 – мембрана, 16 – капсула, 17 – груз, 18 – мембрана, 19 – капсула, 20 – ступица, 21 – груз, 22 – мембрана, 23 – капсула, 24 – груз, 25 – мембрана, 26 – капсула, 27 – спицы, 28 – колесо, 29 – внутренняя среда, 30 – внешняя среда.

Таким образом, колесо образовано полым герметичным ободом 4, соединенным спицами 27 со ступицей 20, т.е. вся данная конструкция вращается с одинаковой угловой скоростью. Капсулы 3, 7, 10, 13, 16, 19, 23, 26 соединены с полым ободом 4 колеса 28 таким образом, что равномерно распределенная жидкая среда, находящаяся в капсулах, может свободно перемещаться из них в полость полого обода 4 колеса 28 и обратно, в капсулы, что хорошо видно из рис.1.

Работа разработанного двигателя заключается в следующем. Вся конструкция помещается в среду 30 с меньшей плотностью (при нормальных условиях), чем среда 29 внутри полого обода 4 и капсул 3, 7, 10, 13, 16, 19, 23, 26 (например, внутренняя среда 29 –пресная или морская вода, внешняя среда 30 – воздух). Колесо 28 само начинает вращение (против часовой стрелки, рис. 1), т.к. капсулы 26, 3, 7, расположенные слева на рис. 1, – с увеличенным внутренним объемом, а капсулы 13, 16, 19, расположенные справа на рис. 1, – с уменьшенным внутренним объемом, т.е. можно сказать, что в сумме силы тяжести, воздействующие на капсулы 26, 3, 7, больше сил тяжести, воздействующих на капсулы 13, 16, 19. Это происходит потому, что грузы 24, 1, 5 под влиянием силы тяжести давят на соответствующие мембраны 25, 2, 6, которые герметично прикреплены к капсулам 26, 3, 7; при проходе через нижнюю точку колеса (при движении против часовой стрелки, рис. 1) и дальнейшем движении, внутренний объем капсул уменьшается из-за того, что грузы 11, 14, 17 под влиянием силы тяжести опять давят на соответствующие мембраны 12, 15, 18, которые теперь прогибаются в другом направлении, уменьшая внутренний объем капсул 13, 16, 19, что видно на рис. 1.

Рисунок 1. Гидростатический двигатель с более плотной внутренней средой и грузами в капсулах

Таким образом, внутренняя среда 29 перетекает из одних капсул в другие, но не изменяется в своем объеме, т.к. капсулы, мембраны и полый обод 4 колеса 28 полностью герметичны, т.е. внутренняя среда 29 с большей плотностью не смешивается с внешней средой 30 с меньшей плотностью.

Предлагается размещать одинаковые по объему и массе грузы 1, 5, 8, 11, 14, 17, 21, 24, например, такие грузы могут быть в виде кубов или сфер и изготовлены из стального сплава. Грузы должны быть зафиксированы на мембранах, возможен вариант фиксации грузов с внешней стороны мембран (в описании и на рис. 1 – не показано).

Однако возможен другой вариант исполнения гидростатического двигателя, а именно: конструкция двигателя та же (рис. 2), что и на рис. 1, но внешняя среда 30 имеет большую плотность, чем внутренняя среда 29. В таком исполнении колесо 28 будет вращаться в другую сторону. Теперь главными движущими силами являются силы Архимеда. Вся конструкция (или, например, половина конструкции) помещается в среду 30 с большей плотностью (при нормальных условиях), чем среда 29 внутри полого обода 4 и капсул 3, 7, 10, 13, 16, 19, 23, 26 (например, внутренняя среда 29 – воздух, внешняя среда 30 – пресная вода, или внутренняя среда 29 – спирт, внешняя среда 30 – пресная вода, или внутренняя среда 29 – керосин, внешняя среда 30 – морская вода и т.п.). Колесо 28 само начинает вращение (по часовой стрелке, рис. 2), т.к. капсулы 26, 3, 7, расположенные слева на рис. 2, – с увеличенным внутренним объемом, а капсулы 13, 16, 19, расположенные справа на рис. 2, – с уменьшенным внутренним объемом, т.е. можно сказать, что в сумме силы Архимеда, воздействующие на капсулы 26, 3, 7, больше сил Архимеда, воздействующих на капсулы 13, 16, 19. Это происходит потому, что грузы 24, 1, 5 под влиянием силы тяжести давят на соответствующие мембраны 25, 2, 6, которые герметично прикреплены к капсулам 26, 3, 7, преодолевая гидростатическое давление в среде 30 (например, пресной воды) с большей плотностью; при проходе через верхнюю точку колеса и дальнейшем движении, внутренний объем капсул уменьшается из-за того, что грузы 11, 14, 17 под влиянием силы тяжести опять давят на соответствующие мембраны 12, 15, 18, которые теперь прогибаются в другом направлении, уменьшая внутренний объем капсул 13, 16, 19, что видно на рис. 2. Таким образом, внутренняя среда 29 перетекает из одних капсул в другие, но не изменяется в своем объеме, т.к. капсулы, мембраны и полый обод 4 колеса 28 полностью герметичны, т.е. внутренняя среда 29 с меньшей плотностью не смешивается с внешней средой 30 с большей плотностью.

Рисунок 2. Гидростатический двигатель с менее плотной внутренней средой и грузами в капсулах

Также возможен третий вариант исполнения двигателя, где грузы 1, 5, 8, 11, 14, 17, 21, 24 (рис. 1, 2) заменены поплавками 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 (рис. 3), внутри которых находится среда (в описании и на рис. 3 – не обозначена) с плотностью, меньшей, чем внутренняя среда 29; при этом плотность внешней среды 30 меньше плотности внутренней среды 29. Поплавки 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 прикреплены к соответствующей капсуле колеса 28. Таким образом, вся конструкция помещается в среду 30 с меньшей плотностью (при нормальных условиях), чем среда 29 внутри полого обода 4 и капсул 3, 7, 10, 13, 16, 19, 23, 26 (например, внутренняя среда 29 – пресная вода, внешняя среда 30 – воздух). Колесо 28 само начинает вращение (по часовой стрелке, рис. 3), т.к. капсулы 13, 16, 19, расположенные справа на рис. 3, – с увеличенным внутренним объемом, а капсулы 26, 3, 7, расположенные слева на рис. 3, – с уменьшенным внутренним объемом, т.е. можно сказать, что в сумме силы тяжести, воздействующие на капсулы 13, 16, 19 больше сил тяжести, воздействующих на капсулы 26, 3 и 7. Это происходит потому, что поплавки 34, 35, 36 из-за силы Архимеда стремятся вверх и прогибают соответствующие мембраны 12, 15, 18 как на рис. 3, тем самым завлекая часть жидкости (внутренней среды 29) из объема полого обода 4 внутрь капсул 13, 16, 19; при проходе через нижнюю точку колеса 28 и дальнейшем движении, внутренний объем капсул уменьшается из-за того, что поплавки 38, 31, 32 из-за сил Архимеда также движутся вверх, но теперь мембраны 25, 2, 6 прогибаются в другую сторону, что показано на рис. 3, тем самым, внутренний объем капсул 26, 3, 7 уменьшается, а часть жидкости (внутренней среды 29) уходит в объем полого обода 4. Необходимо отметить, что внутри поплавков 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 также находится среда (в описании и на рис. 3 – не обозначена), которая имеет плотность намного меньшую, чем плотность среды 29, например, внутри поплавков находится воздух, а внутренняя среда 29 колеса 30 – пресная вода, также возможет вариант, когда внутри данных поплавков разреженный газ или смесь газов при низком давлении, таким образом, на поплавки воздействует сила Архимеда, стремящаяся поднять их выше.

Ступица 20 колеса 28 фиксируется на валу (в описании не показан), на котором может быть установлено сразу несколько колес с капсулами, подобных колесу 28. Также возможен вариант, когда ступица 20 колеса 28 соединена с полым ободом 4 посредством диска. Количество капсул, размещенных в колесе 28, может быть разным: например, 8 (как на рис. 1), 10, 12, 14 и т.д.

Предлагается размещать одинаковые по объему и массе грузы 1, 5, 8, 11, 14, 17, 21, 24, например, такие грузы могут быть в виде кубов или сфер и изготовлены из стального сплава. Масса грузов должна быть подобрана таким образом, чтобы преодолевалось гидростатическое давление внешней среды 30, воздействующее на соответствующие мембраны. К примеру, на мембрану 25 воздействует большее гидростатическое давление внешней среды 30, чем на мембрану 12 и т.д.

Вместо грузов можно размещать одинаковые по объему и массе поплавки 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 (рис. 3). Площади, материал, плотность всех мембран – одинаковы; объемы, материал всех капсул также одинаковы; внутренняя среда 29 – однородная, одинаковой вязкости.

Рисунок 3. Гидростатический двигатель с более плотной внутренней средой и поплавками в капсулах

К валу может быть подсоединен редуктор, генератор электрического тока для выработки электроэнергии или другие устройства. Вал может быть закреплен на подшипниках (в описании – не показаны).

Внутренний объем капсул, масса грузов или объем поплавков, сила натяжения мембран должны быть рассчитаны и подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось постоянное самопроизвольное вращение колеса 28, преодолевая силы трения вала о подшипники, лобовое сопротивление капсул во внешней среде 30.

Из всего вышесказанного можно сделать однозначный вывод: разработанное устройство позволяет получать бесплатную работу и энергию.

Устройство является достаточно простым и может успешно применяться с целью выполнения работы, а также для производства электроэнергии в промышленности и в быту.

Анализ конструкций разработанного гидростатического двигателя

Представленные на рис. 1, 2, 3 конструктивные схемы нового гидростатического двигателя подобны друг другу, однако можно выделить наилучший вариант с практической точки зрения.

Предполагается, что двигатель по рис. 1, 3 имеет жидкость (например, пресную воду) внутри капсул и обода. Однако при применении жидкости из-за большого гидростатического давления мембраны, находящиеся ниже, будут испытывать дополнительные нагрузки и, тем самым, излишне растягиваться. Возможно применять так называемые ограничители в виде металлических сеток, которые бы могли сдерживать увеличение объемов мембран. В итоге, получается более дорогая и усложненная конструкция. Вдобавок, жидкость может замерзнуть при низких температурах (в случае использования двигателя на открытой местности).

Наиболее предпочтительной с практической точки зрения является схема по рис. 2, где внешней средой является окружающий воздух, а внутренней – газ или смесь газов с плотностью, меньше, чем у воздуха. Вариант с подогревом воздуха – экономически невыгоден и энергетически нецелесообразен. Автором предлагается заполнять внутренний объем колеса, обода и капсул газообразным гелием под небольшим избыточным давлением. Тем самым, двигатель по рис. 2 сможет эффективно самостоятельно работать долгое время: герметичные капсулы будут надежно предохранять гелий от утечек, грузы под влиянием силы тяжести будут выполнять функции естественной вытеснительной механической системы, выдавливая гелий из одних капсул и нагнетая его в другие. С целью избежания дополнительных затрат на трение предлагается изготавливать обод и подводящие каналы к капсулам больших диаметров. Также возможно использовать тормозной механизм для предотвращения излишней раскрутки колеса. Такое колесо, вращаясь вокруг оси, сможет приводить в движение вал и редуктор, увеличивающий обороты и соединенный с электродвигателем для производства электрической энергии.

В целом, теоретически предлагаемое устройство обладает достаточно высоким КПД, просто в исполнении, экологически безопасное и может успешно применяться с целью выполнения механической работы, а также для выработки бесплатной электрической энергии для самых разных бытовых и промышленных целей, включая выработку водорода, зарядку аккумуляторных батарей электромобилей и т.д.

Выводы

Таким образом, можно констатировать, что создан новый гидростатический двигатель, который состоит из колеса с полым ободом, капсул с мембранами и грузами (или поплавками), работающий на основе разности плотностей внутренней и внешней сред. Данный двигатель может работать только в условиях гравитации.

Проведен анализ применимости конструктивных схем устройства выработки энергии, среди которых более предпочтительным с практической точки зрения является герметичный двигатель, заполненный газообразным гелием и помещенный в воздушную среду.

Разработанный гидростатический двигатель не представляет угрозу экологии, т.к. не выбрасывает в атмосферу продукты сгорания и не создает шум, является энергоэффективным по сравнению со всеми существующими двигателями, предназначенными для получения механической и электрической энергии.

Намечены дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования.

1. Тепловые машины и их влияние на окружающую среду [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cleanbin.ru/problems/heat-machines, свободный. – (дата обращения 27.05.2024).
2. Рульс В.В. Вечный двигатель второго рода и становление II закона термодинамики // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Социально-экономические и гуманитарные науки. Секция «Концепции современного естествознания». 2012. – С. 436-437.
3. Степанович Н.И. Поплавковая гидроэлектростанция. Патент на полезную модель BY№1665, МПК F03B 13/00, 7/00.
4. Сеньков А.П., Калмыков А.Н., Сеньков А.А. Поплавковая волновая электростанция, МПК F03B 13/18, 2014 г., Бюл. №11.
5. Воробьев А.Д., Воробьева Н.В, Козел Л.Г., Гришина М.С., Стасевич В.В., Самохвалова Л.А. Мембранный двигатель. Авт. свидетельство СССР №1620702. МПК F15B 15/10, 43/02. 15.01.91. Бюл. №2.
6. Алтунин К.В. Вечный двигатель гидравлический. Заявка на полезную модель РФ №2018139146 от 06.11.2018. МПК F03B 17/04.
7. Алтунин К.В. Вечный двигатель гидравлический. Заявка на полезную модель РФ №2018139593 от 08.11.2018. МПК F03B 17/04.
8. Алтунин К.В. Вечный двигатель гидравлический. Заявка на изобретение РФ №2018140298 от 14.11.2018. МПК F03B 17/04. Дата публикации заявки: 14.05.2020. Бюл. № 14.

Все статьи автора «Алтунин Константин Витальевич»