ЖИДКИЕ ПОРШНИ СТЕКЛЯННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Каждый, кто хоть однажды стоял у разобранного двигателя, непременно видел, а то и держал в руках поршень, трогал надетые на него кольца и при этом убеждался, что они, как и сам двигатель, сделаны из металла. Как правило, материалом, из которого изготовляют поршень, является алюминий или чугун. Поршни двигаются в цилиндрах двигателя возвратно-поступательно, и основная их задача - обеспечить передачу энергии сгоревшего топлива шатуну, затем и коленчатому валу. А дальше - кому что надо: можно колеса вращать у автомобиля, можно генератор подключить и ток получать. Никому и в голову не приходило изготовить поршни из другого материала - температура и нагрузки в камере сгорания двигателя столь велики, что ни какой другой материал не выдерживает. Но, оказывается, есть двигатели, в которых поршни сделаны из… воды.

В связи с тем, что поршни в этом двигателе из воды, он получил название жидкостной двигатель. Поддержание необходимой формы поршней обеспечивается корпусом двигателя, в качестве которого выступают U-образные стеклянные трубки. В отличие от автомобильных двигателей, которые сохраняют работоспособность при наличии углов крена и возвышения, а тем более авиационных двигателей, которым зачастую приходится работать "вверх ногами", жидкостной двигатель может работать только в вертикальном положении.

Принцип его работы почти такой же, как у двигателя Стирлинга (журнал "Двигатель" писал о нем в № 2 и 3 за этот год), но есть некоторые отличия, в которых и попробуем разобраться.

Двигатель представляет собой две U-образные трубки, соединенные тонкой трубочкой. Левая называется вытеснителем, а правая - выходной трубкой. В обе трубки налита вода, хотя можно использовать и другую жидкость. Тоненькая трубочка соединяет между собой концы вытеснителя и левый конец выходной трубки.

Для запуска двигателя необходимо, по полной аналогии с двигателем Стирлинга, нагревать одну сторону вытеснителя и охлаждать другую. В данной конструкции левый конец трубки вытеснителя играет роль горячей полости вытеснителя. Ее нагрев можно осуществлять от внешнего источника тепла, например, от Солнца через линзу (концентратор светового и теплового потока солнечного излучения). Тепловой поток надо направить на верхнюю часть водяного столба, тогда воздух в этой части трубки будет нагреваться в основном от воды.

Правый конец трубки охлаждается благодаря установке на нем небольшого радиатора. Можно обойтись и без него, но, как известно, эффективность работы двигателя Стирлинга тем выше, чем больше перепад температур между горячей и холодной частями вытеснителя.

По мере прогрева воздуха, находящегося в ограниченном объеме вытеснительной трубки, будет расти его давление. Но скорость роста этого давления будет несколько неодинаковой в левом и правом концах вытеснительной трубки из-за ее малого сечения. Небольшое превышение давления в левом конце будет способствовать "переталкиванию" воды из левого конца вытеснительной трубки в правый. Растущим давлением воздуха в правом конце вытеснительной трубки вода в выходной трубке будет выталкиваться из левого конца трубки в правый. Величина разности уровней в рабочей трубке будет пропорциональна величине давления воздуха в правом конце вытеснительной трубке. А это давление будет расти по мере увеличения объема воздуха, находящегося в левом конце вытеснительной трубки из-за перетекания воды в правую часть трубки.

С ростом высоты водяного столба в правой части вытеснительной трубки будет расти разница в давлении жидкости, находящейся в этой трубке. Благодаря тому, что движение жидкости подчиняется тем же законам, что и все тела, жидкость по инерции пройдет положение, при котором разница в давлениях столбов жидкости в вытеснительной трубке превысит разницу в давлении воздуха в соединительной трубке. В результате начнется обратное движение воды в вытеснительной трубке. В рабочей же трубке вода будет продолжать движение из левого конца в правый, т.к. еще не произошло выравнивание давлений воздуха в соединительной трубке с разницей давлений столбов воды в рабочей трубке.

По мере того, как вода из правого конца вытеснительной трубки перетекает в левый конец, воздух начнет двигаться в правую часть, где с помощью радиатора будет охлаждаться. В результате давление воздуха в соединительной трубке начнет падать, и тем сильнее, чем больше воздуха будет поступать в охлаждаемую часть вытеснителя. А что в это время будет происходить в рабочей трубке? В какой-то момент времени вода по инерции проскочит "точку" равенства давлений и начнет движение в обратном направлении, причем вода в рабочей трубке будет "увлекаться" понижающимся давлением воздуха в соединительной трубке.

При приближении воды в вытеснительной трубке к крайнему левому положению давление воздуха в соединительной трубке будет стремиться к своему минимальному значению благодаря охлаждению в радиаторе. Но, т.к. вода в рабочей трубке, разогнанная пониженным давлением в соединительной трубке продолжает свое движение, она начнет сжимать воздух в соединительной трубке в тот момент, когда уровень воды в вытеснительной трубке будет вблизи максимума в левом конце. Энергии движущейся по инерции воды в рабочей трубке будет достаточно для совершения работы на сжатие охлажденного воздуха.

Сжатый и холодный воздух водой вытеснительной трубки начнет переталкиваться из холодной ее части в горячую. По мере того, как будет увеличиваться объем воздуха в горячей части, будет расти и давление воздуха в соединительной трубке. И… все начнется с начала.

Этот двигатель должен начинать свою работу самостоятельно, но если этого не происходит, то совсем не зазорно будет слегка качнуть трубки - ведь стоит на обычном двигателе внутреннего сгорания стартер.

Для обеспечения постоянных колебаний воды в обеих трубках необходимо чтобы колебания воды в выходной трубке и в вытеснителе были определенным образом согласованы. В отличие от механической связи, которая есть в двигателях Стирлинга, в жидкостном двигателе фазовые соотношения колебательных движений воды в трубках достигаются подбором размеров трубок, а также количества налитой воды. Диаметр соединительной трубки также необходимо подбирать, т.к. она должна обеспечивать небольшой перепад давления воздуха в разных концах вытеснительной трубки для обеспечения незатухающих колебаний воды.

Вполне возможно, что с другими жидкостями (отличающимися от воды плотностью, вязкостью, теплопроводностью и другими свойствами, от которых зависят параметры ее движения в трубках) можно будет добиться более высокой амплитуды колебания жидкости в рабочей трубке.

Следует учесть, что если в двигателе Стирлинга обороты выходного вала (что однозначно соответствует частоте колебаний вытеснителя) могут достигать 2000…3000 оборотов в минуту, то в жидкостном двигателе колебания воды в вытеснителе могут быть на один-два порядка меньше.

Для более надежного обеспечения колебания воды в вытеснителе можно установить двигатель на шарнире, а в качестве опоры выходной трубки использовать пружину. Движение воды в выходной трубке заставит колебаться пружину, которая помогает поддерживать колебания воды в вытеснителе. Совсем не трудно к такой конструкции придумать механическую передачу к какому-нибудь устройству (например, привод на колеса тележки с установленным на него стеклянным двигателем).
Немалый интерес представляет использование рассматриваемых двигателей в качестве насосов.

Один из способов применения их для этих целей называется последовательным. Вертикальная нагнетательная трубка соединяется с одним концом выходной трубки. В ней находятся два клапана, которые позволяют воде течь через них только вверх. Нижний конец нагнетательной трубки имеет отверстие, через которое поступает перекачиваемая вода.

Когда давление воздуха в вытеснителе низкое, вода движется из выходной трубки в вытеснитель. При этом вода втягивается через нижнее отверстие нагнетательной трубки и проходит через нижний клапан. При высоком давлении воздуха в вытеснителе вода из него выталкивается в нагнетательную трубку и проходит вверх через открытый верхний клапан. Этот цикл и определяет режим работы устройства как насоса.

Как уже в начале статьи отмечалось, жидкостные двигатели могут приводиться в действие солнечной энергией, для чего надо солнечный луч сфокусировать линзой на трубке вытеснителя. Фокус линзы должен находиться в центре водяного столба горячего цилиндра на некотором расстоянии от поверхности. Рефлектор, установленный сзади цилиндра, повысит эффективность нагревателя, направляя часть рассеянного света обратно на воду. Затемнив воду, добавив в нее немного чернил, можно также увеличить поглощение тепла.

Можно использовать в качестве источника энергии и обычную свечу. Для этого надо к горячему цилиндру прикрепить тонкую алюминиевая полоску, другой конец которой нагревать в пламени свечи.

Жидкостные двигатели обычно являются самозапускающимися. Уровень воды начинает колебаться, когда температура в горячем цилиндре становится достаточно высокой. Бывает, что запуск двигателя требует встряхивания - для того, чтобы вода пришла в движение. В таком встряхивании чаще всего нуждаются двигатели, работающие в качестве насоса.