Hi-Tech DIY: Турбореактивный микрогенератор электричества. Изучаем возможности
Многие видные умы современности бьются над тем, как решить проблему энергетической зависимости от источников питания.
В прошлой статье мы уже рассмотрели возможность создания самодельного двигателя внутреннего сгорания, который позволил бы решить эту проблему, в том числе и в случае возникновения каких-то глобальных потрясений.
Однако прошлые рассмотренные варианты были достаточно габаритными. В этой же статье мы рассмотрим гораздо более интересное устройство, которое является поистине миниатюрным.
Вы хотели настоящий хай-тек? «Таки его есть у нас» :-)
Некоторое время назад, в Массачусетском Технологическом Институте (MIT) была разработана микротурбина, предназначенная как раз для использования в качестве миниатюрного источника электроэнергии для широкого круга применений.
Диаметр 1 см, толщина составляла порядка 3 мм. Несмотря на такие миниатюрные размеры, турбина производила электрическую мощность порядка 80 Вт, а более поздние образцы — по мощности превосходили даже 100 Вт.
По-своему техническому устройству, она практически полностью копировала классические газовые турбины, которые используются в качестве основы для турбореактивных двигателей.
Здесь, наверное, надо сделать небольшое отступление, и сказать пару слов о том, что же представляет собой классический газотурбинный двигатель?
Первая успешно функционирующая турбина появилась ещё в 1903 году и была разработана норвежским изобретателем Эгидусом Эллингом.
Основываясь на его работах, в 1930 году офицер английских ВВС Фрэнк Уиттл смог разработать и запатентовать первую газовую турбину, которая предназначалась для реактивного движения.
Все последующие работы над газотурбинным двигателем, так или иначе, базировались на этих разработках.
Классическая схема подобной турбины выглядит следующим образом:
Картинка thefutureofthings
Ещё есть хорошее видео, где разбирают двигатель такого типа, с объяснением многих моментов.
Довольно познавательно:
Функционирует она следующим образом: воздух засасывается через переднюю часть, специальным устройством под названием «компрессор».
По сути, компрессор представляет собой крыльчатку, насаженную на вал, которая закачивает воздух в среднюю часть турбины, где в этот сжатый воздух впрыскивается топливо и поджигается.
Продукты сгорания выбрасываются с ускорением через заднюю часть, по пути раскручивая вторую крыльчатку, которая называется турбиной.
То есть, вся турбореактивная установка представляет собой ряд крыльчаток, насаженных на один и тот же вал.
Таким образом, можно сказать, что в основу турбореактивного двигателя положена идея расширения продуктов сгорания, так как они имеют высокую температуру (а по физике — мы знаем, что нагревание приводит к расширению).
Вернёмся обратно к разработке микротурбины от MIT. В рамках этого института, исследованиями вопроса подобных турбин занимался профессор Алан Эпштейн, которому пришла идея о подобном устройстве ещё в 1995 году.
Картинка thefutureofthings
Основой мотивацией в разработках у него было понимание того, что если современные турбины могут производить впечатляющую электрическую мощность, то даже при пропорциональном уменьшении — использование подобного принципа позволит обеспечить технические устройства, требующие электрического питания надёжным и мощным источником энергии.
Однако как создать подобное устройство минимального размера?
Для этого была выбрана технология MEMS — способ создания микромеханических устройств, с помощью литографии. Это способ достаточно известный, достаточно будет сказать, что даже в вашем смартфоне есть подобные устройства, изготовленные с применением такой технологии: гироскоп/акселерометр.
Применительно к созданию микротурбин, эта технология была использована следующим образом: с помощью реактивного ионного травления производилось вытравливание кремния, а сама турбина представляла собой ряд пластин, после вытравливания отдельных компонентов, соединяющихся воедино.
Выглядела турбина, следующим образом:
Картинка thefutureofthings
Согласно отчёту, принципиальную схему устройства можно изобразить так:
Картинка researchgate
Устройство работает так: на самом верху его расположен мотор/генератор, — который в самом начале раскручивает турбину в центре, что приводит к началу работы компрессора, который начинает закачивать воздух, в который далее впрыскивается топливо, зажигание, после чего сгоревшие газы выбрасываются из нижней части устройства. Таким образом, мы видим, что устройство своему принципу функционирования ничем не отличается от «взрослых» образцов турбореактивных двигателей.
Поток сжатого воздуха, продуваемый компрессором, используется ещё и в качестве термического изолятора, который не даёт проникать теплу турбины к магнитам мотор/генератора.
Компрессор обеспечивает сжатие входного потока воздуха 4:1.
Расход воздуха турбиной составляет порядка 0,1–0,2 грамма/сек.
Скорость истечения газов — сверхзвуковая (надо ставить глушитель).
Расход топлива — 7 грамм/час (при выработке электрической мощности в 50 ватт).
Примечание: исследователями было проведено тестирование турбины ещё меньшего размера, где диаметр ротора составил 4 мм. При этих условиях расход воздуха турбиной составил 0,15 грамм/сек. (при выработке электрической мощности в 20 ватт), скорость вращения ротора составила 2,4 млн об/мин. Расход топлива для этого размера в литературе, к сожалению, не указан.
Говоря о возможности дальнейшей миниатюризации устройства, исследователи отмечают, что фактическим пределом является размер диаметра двигателя примерно в 1 мм, так как дальше начинают весьма сильно сказываться вязкие свойства воздушной среды, вследствие чего, существенно растёт сила трения и, соответственно, уменьшается полезная вырабатываемая мощность.
Можно ещё отметить, что турбина работает по принципу простого цикла.
80-ваттная микротурбина. researchgate.net
Говоря об электрической системе, сами исследователи отмечают, что самые лучшие образцы литий-ионных аккумуляторов, обеспечивают соотношение хранимой энергии на единицу веса порядка 120–150 Вт▪ч/кг.
Турбина же может дать соотношение в 500–700 Вт▪ч/кг. И даже 1200–1500 Вт▪ч/кг!
Создание подобных устройств, тем более такого миниатюрного размера, сопряжено с целой массой физических, технических и технологических проблем.
Начать хотя бы с того, что конструкция рассматриваемой микротурбины, испытывает серьёзные динамические нагрузки в процессе работы, так как периферическая скорость ротора достигает 600 м/с, при типовой скорости вращения ротора, достигающий 2 млн об/мин. При этом нагрузка на элементы конструкции может достигать сотен МПа.
Кроме того, необходимо учитывать, что выходные части турбины являются весьма температурно нагруженными: нагрев может достигать 1700 К, что составляет приблизительно 1973 градуса.
Как вы понимаете, мало какие материалы смогут выдержать такую температуру.
Кроме того, для упрощения конструкции было решено отказаться от какого-либо дополнительного охлаждения.
Исходя из этих предпосылок, было решено выбрать в качестве материала конструкции — карбид кремния, который имеет температуру плавления в 2730 градусов Цельсия. Благодаря своей износоустойчивости, карбид кремния используется в качестве уплотнений в механически трущихся устройствах.
Однако, несмотря даже на такую износоустойчивость и учитывая работу в весьма сложных условиях — даже таких свойств материалов может не хватить на более-менее долгий срок работы. Именно поэтому ротор турбины выполнен таким образом, что он вращается, опираясь на воздушный поток в качестве подшипников.
В качестве топлива исследователи использовали смесь водорода и кислорода, объясняя это тем, что подобная смесь может хорошо гореть в широком диапазоне соотношений смешиваемых компонентов. Благодаря этому свойству, они смогли обеднить смесь, подавая туда минимально возможное количество водорода, что позволило уменьшить выходную температуру газов и температурно разгрузить конструкцию турбины.
Я полагаю, что здесь они не совсем договаривают: дело в том, что водород, кроме того, является веществом, дающим самую высокую температуру сгорания (3000°С) из всех известных на Земле (если он сгорает в атмосфере кислорода).
Например, я сам лично разрезал тоненьким водородным пламенем горелки, толщиной буквально в швейную иголку, — металлическую пластину толщиной в 2 мм! О_о Высокая температура творит чудеса…
Любой двигатель теплового типа тем эффективнее, чем выше температура его процессов. Здесь можно привести простой пример: так как удельная теплота сгорания бензина выше, чем у спирта, бензиновый двигатель будет мощнее (если сказать по-простому, то после вспышки, продукты сгорания бензина сильнее давят на поршень).
То есть, другими словами, использование водорода в проекте микротурбины не только позволяет использовать топливные смеси, хорошо горящие в широком диапазоне соотношений, но и весьма эффективно по температуре (так как задача стоит создать миниатюрное высокоэффективное устройство — исследователи, видимо, постарались использовать «самое горячее» вещество из тех, что были им известны).
Говоря о мотор/генераторе системы, в качестве него, в конструкции турбины был использован 180-полюсный генератор плоского типа.
2 мм генератор для 4 мм микротурбины. www.researchgate.net
2 мм генератор для 4 мм микротурбины. www.researchgate.net
К сожалению, о технологии его изготовления ничего не говорится, но удалось найти книгу, на books.google.ru (на англ.), где со 158 стр., в разделе «Generators for portable power applications» удалось найти подробное описание генератора подобного типа. По причинам лицензионных ограничений я не могу привезти иллюстрации из этой книге здесь, однако, вы можете прочитать этот раздел самостоятельно вот по этой ссылке.
Ещё один весьма подробный труд на тему конструирования плоских микрогенераторов электроэнергии можно найти вот здесь.
▍ Как же собрать подобное самостоятельно?
Сразу следует сказать, что большинство исследований, относящихся к этому вопросу, датированы 1997 годом или (в лучшем случае) 2003 годом. Трудно сказать, с чем это связано. Скорее всего, так как уже тогда, начальные исследования были весьма перспективными — более продвинутые и поздние версии систем были засекречены и ушли в оборонную сферу.
Существенное преимущество, которое даёт наше время, — это доступность множества технологий, даже для рядового самодельщика.
Например, в литературе того периода неоднократно подчёркивается, что работа над этими устройствами существенно ограничена отсутствием технической возможности создавать сложные трёхмерные объекты в реальной жизни, именно поэтому используется конструкция сборного типа из плоских пластин.
В наше же время есть множество возможностей проводить свои собственные исследования, опираясь на самые последние современные технологии. В частности, на 3D печать металлом.
Так как мы имеем дело с системами весьма миниатюрными, то мы можем в полной мере воспользоваться промышленными 3D принтерами для печати металлом, — и это будет для нас весьма дёшево, так как там идёт стоимость за сантиметр кубический напечатанной модели (а нам надо напечатать совсем маленькую, например, с ротором в 4 мм :-)).
В нашем же случае, даже создание сложных моделей из металла, вряд ли перевалит за цену в 800–1500 руб.! И нам доступна широчайшая номенклатура металлов для этого и это не будет дорого!
Не нужно думать, что практически никакие материалы не смогут выдержать рабочие температуры. Так как в конечном итоге — это зависит от используемого топлива и требуемой энергоотдачи (то есть, мы можем заставить двигатель работать вполсилы, благодаря чему, он будет существенно разгружен).
Мало того, здесь можно привести в пример первые мини-турбореактивные двигатели, которые используются у авиамоделистов: первые образцы были изготовлены из, казалось бы, совсем неподходящих материалов — выходная турбина из жестянки от консервной банки, а крыльчатка компрессора, — из дерева, обклеенного стекловолокном!
Так что, не нужно бояться. Имея под рукой современную 3D печать металлом — вполне реально создать весьма эффективное и современное устройство. Теоретически, такую микротурбину можно сделать даже лазерной резкой по металлу.
Но здесь нужно учитывать, что необходимо подобрать правильным образом пару трения, чтобы даже при случайных касаниях ротора и корпуса турбины, одно скользило по-другому и не повреждало друг друга.
Например, для этих целей, в высокоскоростных двухтактных бензиновых двигателях используется пара трения из хромированного цилиндра и чугунных поршневых колец (логика такая: мягкое — трётся по жёсткому), или, скажем, те же самые втулки клапанов и сами клапаны для автомобилей: втулка изготовлена из чугуна, а клапан — из высокопрочной азотированной стали и т.д.
Но, это на всякий случай. На самом деле, нужно поработать качественно над тем, чтобы во время работы ротор был вывешен на газовых подшипниках (т.е., спроектировать его так, чтобы он во время работы взлетал и не касался корпуса). Для этих целей мы можем воспользоваться, например, САПР Solidworks, в составе пакета которого есть модуль Flow Simulation. То есть, мы можем разработать трёхмерную модель ротора и корпуса турбины, после чего протестировать их на потоки:
В материалах, относящихся к этой микротурбине, исследователи отмечали, что следующим шагом в разработке станет создание турбин, работающих на базе углеводородных топлив, так как они широко распространены и просты в использовании, в отличие от водорода.
Для увеличения эффективности процесса горения в последующих конструкциях предполагалось покрывать камеру сгорания катализатором горения углеводородов.
Одним из самых известных катализаторов является платина. Только не спешите бояться: даже самодельщик может покрыть платиной камеру сгорания и без особых затрат. Для этого понадобится всего лишь тоненькая проволочка из платины, купленная на известном китайском сайте, и процесс, именуемый «вакуумным напылением», который я уже рассматривал в одной из своих статей.
Вкратце: будет достаточно всего лишь даже обычной бытовой стеклянной банки, и простого вакуумного насоса для нанесения покрытия. Расход проволоки в этом процессе будет ничтожным.
В процессе работы, платина на стенках камеры сгорания не расходуется, а только лишь стимулирует процесс сгорания.
Либо же, можно обойтись без какого-либо катализатора, просто необходимо будет обеспечить способ, например, с помощью плазменного разряда, надёжного зажигания и горения смеси, с выходом на обычный режим работы (чтобы система прогрелась, и не было необходимости искусственно поддерживать горение).
▍ В завершении
Несомненным плюсом создания подобных турбин, является возможность недорогого производства массива подобных сверхминиатюрных устройств, обеспечивающих мощную энергоотдачу, лёгкую замену в случае выхода из строя, а также — доступность высоких технологий для проведения собственных разработок любому самодельщику (теоретически, можно попробовать даже осуществить 3D печать мотор/генератора, только надо подобрать материалы для магнитов).
Кстати, ещё интересное: в том же отчёте от Массачусетского Технологического Института говорится, что идут работы по использованию микротурбин в качестве газогенераторов (т.е., компактных источников давления) — для пневматических приводов экзоскелетов.
В случае если мы в нашей самоделке не будем использовать литографию и реактивное ионное травление (как чуть менее доступные технологии), то мы вполне можем воспользоваться более доступным вариантом — 3d печатью металлом. Или даже просто лазерной резкой по металлу. Да, такой аппарат не будет настолько миниатюрным, как при литографической технологии. Но он будет дёшев, легко изготовляем и практически любой может попытаться создать его самостоятельно.
Предположим только, какие большие преимущества даст даже «условно простецкий», изготовленный лазерной резкой, плоский высокооборотистый рюкзачный генератор электроэнергии…
К сожалению, в литературе ни слова не говорится о системе зажигания турбины. Так что тут остаётся поле для экспериментов. Лично я — использовал бы горячую плазму электрической дуги (не искры!). Благо что на известном китайском сайте есть масса наборов для сборки подобных схем-генераторов горячей дуги (и автор этой статьи тоже в своё время купил себе такой:-)). Дуга — позволяет осуществить первичное зажигание и вывод на режим. Затем, горение поддерживается теплом разогретой камеры сгорания (дуга уже не требуется).
В любом случае, полагаю, что это будет как минимум очень интересно, на острие высоких технологий, и может дать весьма полезный продукт на выходе для многих: мобильные источники энергии, микроскопические турбореактивные генераторы для индивидуальных транспортных средств (самокаты и т.д.), питание для дронов и многое другое.
Ну и опять же: много ли вы видели плоских турбореактивных систем у самодельщиков? Ноль целых, ноль десятых. Так что вам и карты в руки ;-)
Удачи всем смелым в сборке!
