ВСЕ ГЛУБЖЕ, И ГЛУБЖЕ, И ГЛУБЖЕ…

Михаил Щукин, школа-интернат "Интеллектуал", гимназия № 36, Иваново

Александр Владимирович Ефимов, ЦИАМ

И все же дизели, стирлинги и др. применялись на подводных лодках для движения в глубине. В этом случае для тепловых двигательных установок применялась довольно громоздкая схема, когда продукты сгорания охлаждаются, водяной пар конденсируется, а выхлопные газы растворяются в воде. После этого сжиженные "отходы" откачиваются за борт. Для крупных аппаратов подобное решение вполне реализуемо. Часть энергии двигательной установки будет тратиться на охлаждение и сжижение продуктов сгорания, но, как показывает опыт проектирования и эксплуатации, эффект будет положителен.

Другое дело, если речь идет о малоразмерном аппарате. В этом случае проблема кажется неразрешимой. Напомним, что каждые 10 м глубины прибавляют к забортному давлению одну атмосферу (1 кгс/см²). Для глубин до 200 м еще можно использовать двигатели с высоким давлением в камере сгорания, ну, скажем, до 200 кгс/см². Тогда перепад на турбине или на ДВС окажется 200/20 = 10, и в этом случае можно получить достаточное количество работы от килограмма сожженного топлива. А если глубже?

При увеличении глубины погружения с 10 до 200 м двигательная установка теряет 60 % своей мощности, реализуемой на поверхности. Таким образом, уже на глубине 200 м потери чрезмерны. Повышать давление в камере сгорания еще? Но здесь существуют очевидные ограничения. Да и как будет чувствовать себя экипаж, катаясь на подобной "бомбе"?

Так что же - электрическому приводу нет альтернативы? Не будем спешить.

Рассмотрим двигательную установку следующего вида. Пусть на борту имеется запас топлива и окислителя. Тем или иным способом компоненты подаются в камеру сгорания. Из камеры сгорания продукты поступают в агрегат, который мы условно назовем "привод". Далее продукты сгорания поступают в жидкостно-газовый эжектор. В эжектор подается также жидкость под давлением, примерно в 2...4 раза превышающим давление окружающей среды. В эжекторе потоки смешиваются. Смесь выбрасывается за борт.

Спрашивается - а где получается "навар"? Любому здравомыслящему человеку понятно, что для подачи воды под давлением нужно затратить энергию. Эжектор по своей природе - устройство, большой эффективностью не обладающее. Слишком велики потери "на удар", турбулентное смешение, трение. Да и поток на выходе эжектора имеет неравномерное распределение поля температур и скоростей, что приводит к дополнительным потерям. Для понимания того, почему получается эффект при постановке эжектора, необходимо вспомнить об особенностях окружающей аппарат среды. Главное особенность заключается в том, что вода, в отличие от воздуха, имеет в 800 раз большую плотность и вчетверо большую теплоемкость. С плотностью понятно, объемный расход меньше в восемьсот раз, размеры агрегатов для сжатия меньше. А причем здесь теплоемкость?

А притом, что за бортом вода на этих глубинах имеет температуру примерно 4 °С. И если в продуктах сгорания есть водяной пар, то он в процессе смешения с забортной водой сконденсируется. Сжимать его будет не нужно. Далее жидкость поступит в диффузор. Если скорость ее достаточна, потери в диффузоре невелики и сумма давления в камере смешения эжектора и скоростного напора жидкости больше давления за бортом, то эта смесь окажется вне судна (за бортом).

В этом случае мы получаем двигательную установку, баланс мощностей в которой можно записать следующим образом: L_Д = L_T - L_Н,
где L_Д - мощность движителя аппарата, или избыточная мощность турбины;
L_T - собственно мощность турбины при перепаде на ней, определяемом давлением в камере сгорания и давлением на входе в газовое сопло эжектора, которое меньше давления окружающей среды;
L_Н - мощность насоса, подающего забортную воду в эжектор.

Подобрать параметры двигательной установки особого труда не составляет, но для оптимизации удельных параметров придется перебрать множество вариантов. Трудности возникают при расчете параметров эжектора. В чем они заключаются?

В газовом или жидкостно-газовом эжекторе происходит смешение двух струй. Изучению турбулентного течения в затопленной газовой струе посвящено множество работ. Газовая струя, взаимодействующая с окружающей средой, образует объемную структуру, состоящую из турбулентных вихрей, распределение которых в плоскости, перпендикулярной оси струи, подчиняется вероятностным (статистическим) законам. В частности, "гауссовскому" распределению, которое выполаживается по мере движения от среза сопла.

Жидкостная струя ведет себя аналогично. Но если для расчета газовой струи можно предложить некоторую модель турбулентного течения и, расписав соответствующую систему уравнений, получить достаточно корректную математическую модель, то с жидкостной струей подобное оказывается затруднительно. Распадающаяся жидкостная струя не является непрерывной средой, следовательно, необходимо отдельно описать поведение жидких капель, отдельно - газовой среды и отдельно - взаимодействие жидких капель с газом.

Для дальнейшего описания процесса смешения воспользуемся результатами экспериментального исследования. Один из опытов дал довольно неожиданный результат и его трактовка, наверное, встретит сопротивление ряда авторов, занимавшихся данной проблемой. Обнаруженное в эксперименте явление заключается в том, что "оптимальная длина" для эжектора, оказывается, имеет четкое ограничение по минимуму и довольно пологий максимум. Можно сказать так: если длина камеры смешения эжектора недостаточна, то эффективность устройства существенно уменьшается, а если она великовата, то большого уменьшения эффективности не наблюдается.

Визуализация течения позволила наблюдать следующую картину. До некоторого сечения в камере смешения можно наблюдать распадающуюся жидкостную струю, а далее (начиная с некоторого сечения, имеющего довольно четкую границу) камера смешения заполняется молочно-белой пеленой. По мере движения пелена сменяется течением жидкости с пузырьками газа. До сечения с молочно-белой пеленой статическое давление в камере смешения практически постоянно, а далее отмечается его рост. Наблюдаемое явление можно описать и по-другому: до некоторого сечения происходит взаимодействие жидкости и газа с передачей импульса и энергии от одного компонента к другому. Начиная с некоторого сечения устойчивость течения теряется и начинается лавинообразное смешение. В газовом эжекторе подобное явление столь ярко не наблюдается. Положение границы зависит от геометрических параметров эжектора, формы жидкостного сопла и, в меньшей степени, от скорости истекающей жидкости.

Используя статистическую модель, можно определить положение границы в калибрах жидкостного сопла от среза сопла.

Была получена формула, проверенная на имевшемся в распоряжении поле экспериментальных данных. В итоге наблюдалось хорошее соответствие теории и эксперимента.

Для определения параметров двигательной установки необходимо знать значения давлений на входе и выходе эжектора и соотношение компонентов. Статистическая картина течения позволяет решить и эту задачу. Воспользуемся еще одним эмпирическим фактом, о котором мы уже говорили - до некоторого сечения в камере смешения давление остается постоянным. Из ранее уже описанного факта потери устойчивости в конце изобарного участка можно сделать вывод о том, что в этом сечении жидкость и газ достигают равновесного состояния. Таким образом, между ними прекращается обмен импульсом и энергией, а после потери устойчивости течение качественно преобразуется.

Расписав систему уравнений сохранения массы, количества движения, энергии для данного участка с учетом течения как газа, так и распадающейся жидкости, получим решение. Прежде всего - отношение скоростей жидкости и газа в конце изобарного участка. Причем таких решения получается два, условно назовем их "дозвуковое" и "сверхзвуковое". Расписав аналогичную систему уравнений для следующего участка, участка роста давления и введя понятие "смесь" (что соответствует результатам эксперимента, т.к. на выходе из эжектора действительно наблюдается течение "смеси" жидкости и газа), получим значение давления на выходе из эжектора в зависимости от параметров жидкости и газа на входе и геометрических параметров эжектора.

Сравнение теории с экспериментом, проведенным на жидкостно-газовых эжекторах без паровой фазы, показало хорошее совпадение результатов.

Число проведенных экспериментов с газопаровой средой и жидкостью не слишком велико. Но одно интересное явление удалось наблюдать, а именно "запуск". В эжекторе при подаче парогазовой фазы наблюдаются два режима течения. Один - с низким давлением в камере смешения и большой скоростью течения газа и жидкости и малой долей несконденсированного пара в конце изобарного участка. Второй - с большим значением давления в камере смешения, меньшими значениями скоростей и большей долей несконденсированного пара.

Анализ показывает, что применимость эжекторной установки в качестве движителя ограничена не только максимальным, но и минимальным значением глубины погружения. При исследовании чисто паровых эжекторов-инжекторов обычно принято называть режимы, ограничивающие работоспособность устройства, режимами "захлебывания" и "запаривания". Об этой особенности эжектора следует помнить при оценке возможности его применения не только в качестве некоего вспомогательного устройства, но и маршевого движителя.

Следует признать, что данная конструктивная схема чрезвычайно капризна и требует особого подбора топлива. Главным критерием может служить отсутствие неконденсирующихся и нерастворимых веществ. Поэтому наиболее приемлемым является сочетание "кислород-водород" при стехиометрическом соотношении компонентов. Если из соображений термической прочности требуется снижение температуры, это можно сделать, используя забортную воду. Тогда в камеру смешения будет поступать вода в двух своих фазовых состояниях - пара и жидкости. Причем большей скоростью, в силу конструктивных особенностей, будет обладать паровая фаза. Желательно жидкость подавать через центральное сопло, а пар - через кольцевое сверхзвуковое сопло. В этом случае сконденсировавшийся пар, обладая высокой скоростью, передаст импульс холодной, но более медленной жидкости. В результате мы не только выбрасываем продукты сгорания за борт, но и получаем силу тяги.

Есть еще один немаловажный фактор, влияние которого, как правило, незначительно, но пренебречь которым невозможно именно в этом случае. Речь идет о силе трения на стенках камеры смешения. После проведения ряда экспериментов удалось измерить величину силы трения и подобрать некоторую полуэмпирическую зависимость.

Сила трения на конечном участке является наибольшей из двух составляющих, что связано с высокой плотностью и сравнительно высокой скоростью течения жидкости (смеси). Данный фактор снижает эффективность эжекторной двигательной установки. Однако подкупает простота достижения желаемого эффекта. Эти вычисления позволяют получить тягу подобного двигателя, что, впрочем уже выходит за рамки данной статьи.

Обратимся к ранее описанной проблеме "запуска" эжектора. Для начала работы двигателя нужно, чтобы в камере смешения давление оказалось достаточным для разгона пара до сверхзвуковой скорости, т.е. было ниже, чем за бортом. В этом случае в камеру смешения начнет поступать забортная вода и начнется процесс конденсации. Но этого недостаточно, ведь при расходе жидкости, меньшем некоторого значения, доля несконденсированного пара окажется такой, что в камере смешения давление снова возрастет до давления окружающей среды. Эжектор "запарится". Такое может случиться при малой глубине погружения. При превышении некоторой глубины величины скоростного напора будет недостаточно и вновь произойдет прекращение работы двигательной установки из-за выравнивания давления в камере смешения с забортным, но уже из-за другого явления "захлебывания".

И все же, по мнению ряда авторов (в том числе и авторов данной статьи), в некотором диапазоне глубин эжекторная двигательная установка может найти применение.

Литература
1. Ефимов А.В., Цегельский В.Г., Чернухин В.А. Применение эжектора в энергетических установках // Научно-технический прогресс в машиностроении и приборостроении. Тезисы доклада на Всесоюзной конференции. - М., 1980. - С. 66.
2. Цегельский В. Г. Двухфазные струйные аппараты  - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2003 - 408 с.: ил.и.