F-1
— американский жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), разработанный компанией Rocketdyne. Использовался в ракете-носителе Сатурн V. Пять двигателей F-1 использовались на первой ступени Сатурна V, S-IC. На 2008 год[1] являлся самым мощным, из летавших, однокамерным ЖРД.

Двигатель использовал в качестве топлива керосин RP-1, в качестве окислителя — жидкий кислород.

До создания жидкостного ракетного двигателя РД-170 (тягой 740 тc) и твердотопливного бокового ускорителя «Спэйс Шаттла» являлся самым мощным летавшим ракетным двигателем[источник не указан 554 дня

]. На 2020 год является наиболее мощным однокамерным жидкостным ракетным двигателем в истории из когда-либо летавших[
источник не указан 554 дня
] (двигатель M-1[en] имел бо́льшую тягу, и был испытан на стенде, но никогда не использовался).

История создания

F-1 в Космическом ракетном центре США в Хантсвилле
Первоначально F-1 был разработан Rocketdyne в соответствии с запросом ВВС США от 1955 года о возможности создания очень большого ракетного двигателя. Конечным результатом этого запроса стали два разных двигателя — E-1 и более крупный F-1. Двигатель E-1, хоть и успешно прошёл стендовые огневые испытания, но быстро был признан технологически тупиковым вариантом, и отменен в пользу крупного, более мощного F-1. Американские ВВС впоследствии остановили дальнейшую разработку F-1 из-за отсутствия приложений для такого крупного двигателя. Однако НАСА, созданное в этот период времени, оценило пользу, которую может принести двигатель такой мощности, и заключила с «Рокетдайн» контракт на завершение его разработки. Испытания компонентов F-1 были начаты в 1957 году. Первое огневое испытание полностью скомпонованного тестового F-1 было совершено в марте 1959 года[2].

Семь лет разработок и испытаний двигателей F-1 выявили серьёзные проблемы с нестабильностью процесса горения, которые иногда приводили к катастрофическим авариям. Работы по устранению этой проблемы первоначально шли медленно, поскольку она проявлялась периодически и непредсказуемо. В конечном итоге инженеры разработали технику подрыва небольших зарядов взрывчатых веществ (которые они называли «бомбами») внутри камеры сгорания во время работы двигателя, что позволило им определить, как именно работающая камера отвечает на флуктуации давления. Конструкторы теперь могли быстро экспериментировать с различными форсуночными головками для выбора наиболее устойчивого варианта. Над этими задачами работали с 1962 по 1965 годы[3][4]. В окончательной конструкции горение в двигателе было настолько стабильно, что он мог самостоятельно гасить искусственно вызванную нестабильность за десятую долю секунды.

Водородные двигатели

Типы водородных двигателей и их описание

Наука непрерывно развивается. Каждый день придумываются новые концепты. Но только лучшие из них воплощаются в жизнь. Сейчас существует всего два типа водородных двигателей, которые могут быть рентабельными и производительными.

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

На данный момент тяжело сказать, какая из двух технологий по созданию водородных двигателей победит. У каждой есть свои плюсы и минусы. В любом случае работы в данном направлении не прекращаются. Поэтому, вполне возможно, что к 2030 году машину с водородным двигателем можно будет купить в любом автосалоне.

Принцип работы

Водородный двигатель работает на основе принципа электролиза. Данный процесс происходит в воде под воздействием специального катализатора. В результате выделяется гидроген. Его химическая формула следующая — ННО. Газ не обладает взрывоопасными качествами.

Важно! Внутри специальных ёмкостей газ смешивается с топливно-воздушной смесью.

В состав генератора входит электролизер и резервуар. За процесс генерации газа отвечает модулятор тока. Для обеспечения наилучших результатов в инжекторных водородных двигателях устанавливается оптимизатор. Это устройство отвечает за регулирование соотношения топливно-воздушной смеси и газа Брауна.

Характеристики катализаторов

Катализаторы, используемые для создания нужной реакции в водородном двигателе, могут быть трёх видов:

1. Цилиндрические банки. Это самая простая конструкция, работающая на довольно примитивной системе управления. Производительность водородного двигателя, работающего с данным катализатором, не превышает 0,7 литра газа в минуту. Такие системы могут использоваться на машинах с водородным двигателем объёмом до полутора литра. Увеличение числа банок позволяет превысить данный лимит.
2. Раздельные ячейки. Считается, что именно такой тип катализатора является наиболее эффективным. Производительность системы составляет более двух литров газа в минуту, КПД — максимальный.
3. Открытые пластины или сухой катализатор. Данная система рассчитана на длительный срок работы. Производительность колеблется в диапазоне от одного до двух литров газа в минуту. Открытое расположение обеспечивает максимально эффективное охлаждение.

Эффективность водородных двигателей с каждым годом растёт. Сейчас начинают вводиться в эксплуатации гибридные устройства, функционирующие на водороде и бензине. В свою очередь, конструкторы не прекращают искать наиболее эффективной модели катализатора, обеспечивающей ещё большую производительность.

Разработка ускорителя с двигателем F-1B

В рамках программы «Space Launch System» NASA проводило конкурс на разработку боковых ускорителей с целью выбрать победителя к концу 2020 года. В 2012 году в Pratt & Whitney Rocketdyne

предложили использовать жидкостный ускоритель с новой версией F-1.[5]

В 2013 году инженеры НАСА решили обратиться к опыту предыдущего поколения инженеров, создавших F-1. В рамках программы разработки тяжелого носителя SLS проведены испытания газогенератора двигателя F-1.[6] Испытания произошли благодаря молодым инженерам «Космического центра Маршалла», которые разобрали двигатель под номером F-6090

, планировавшийся к использованию в о, и провели его трехмерное сканирование. По полученным чертежам собрали новые детали для газогенератора от двигателя под номером
F-6049
, который и был испытан.[7]

Pratt & Whitney, Aerojet Rocketdyne и Dynetics приняли участие в тестировании, и в рамках конкурса на ускорители предложили разработку под названием Pyrios с целью замены твердотельных пятисегментных ускорителей МТКК Спейс шаттл, планировавшихся к использованию на ранних вариантах Space Launch System. Pyrios, по плану, должен быть жидкостным ускорителем с двумя двигателями F-1B, и, в случае установки на SLS Block II, ракета-носитель смогла бы доставлять 150 тонн на низкую опорную орбиту.[8]

Конструкция

Установка двигателей F-1 на ступень S-IC РН Сатурн-5. Сопловой насадок снимался на время монтажа двигателей.
Основной частью двигателя была камера сгорания, в которой смешивались и сгорали топливо и окислитель, создавая тягу. Куполообразная камера в верхней части двигателя служила в качестве распределительного трубопровода, подводящего жидкий кислород к форсункам, а также служила как крепление для карданного подвеса, передававшего усилие на корпус ракеты. Ниже этого купола находились форсунки, по которым топливо и окислитель направлялись непосредственно в камеру сгорания, они были сконструированы таким образом, чтобы обеспечить хорошее смешивание и сгорание компонентов. Топливо подводилось к форсуночной головке из отдельного распределительного трубопровода; часть топлива направлялась по 178 трубкам, проложенным по всей длине камеры сгорания, которая занимала почти всю верхнюю половину сопла, и возвращалась обратно, охлаждая камеру.

Выхлопные газы из газогенератора использовались для вращения турбины, приводившей в движение отдельные насосы для топлива и окислителя, питающие системы камеры сгорания. Газогенератор вращал турбину со скоростью 5 500 об/мин, давая мощность в 55 000 лошадиных сил (41 МВт). Топливный насос прокачивал 58 564 литров керосина RP-1 за минуту, в то время как насос окислителя — 93 920 л жидкого кислорода за минуту. С точки зрения условий работы, турбонасос был способен выдерживать диапазон температур от температуры газогенераторного газа в 800 °C (1 500 °F), до температуры жидкого кислорода в −180 °C (-300 °F). Топливо использовалось также для охлаждения подшипников турбины, а вместе с присадкой RB0140-006 (диалкилдитиофосфат цинка) — для смазки зубчатых колёс турбонасоса[9].

Огневые испытания двигателя F-1 на базе ВВС Эдвардс.

Ниже камеры сгорания располагался сопловой насадок, занимавший приблизительно половину длины двигателя. Этот насадок повышал степень расширения двигателя от 10:1 до 16:1. Выхлоп газогенератора турбонасоса выводился к насадку с помощью большого суживающегося трубопровода; этот относительно холодный газ образовывал слой, защищавший сопловой насадок от горячих (3 200 °C) выхлопных газов из камеры сгорания.[10]

F-1 сжигал 1 789 кг (3 945 фунтов) жидкого кислорода и 788 кг (1 738 фунтов) керосина RP-1 каждую секунду работы, производя 6,7 МН (1 500 000 фунт-сил) тяги. Это равно скорости вытекания 1 565 л (413,5 US.галлонов) жидкого кислорода и 976 л (257,9 US галлонов) керосина в секунду. В течение своих двух с половиной минут работы пять двигателей F-1 поднимали ракету-носитель Сатурн-5 на высоту 68 км, придавая ей скорость 9 920 км/ч. Объединённый расход жидкости у пяти двигателей F-1 в РН Сатурн-5 составлял 12 710 л (3 357 US галлонов) в секунду, что могло опустошить 110 000 литровый (30 000 US галлонов) плавательный бассейн за 8,9 секунд[10]. Один двигатель F-1 имел бо́льшую тягу(690 т), чем все три главных двигателя шаттлов (SSME), вместе взятые.[11] Тяга одного F-1 примерно равна тяге всей двигательной установки первой ступени из 9 двигателей современной ракеты «Falcon 9» при несколько меньшей эффективности: удельный импульс Merlin 1D+ 282 сек. при давлении в камере 97 атм. против 265 сек. при 69 атм. у F-1.

Водяной двигатель

Водяной двигатель относится к энергетике, он позволяет преобразовать потенциальную энергию воды, при падении заполненных ею рабочих тел в механическую энергию, которая непосредственно или путем последующего ее преобразования в электрическую энергию может быть использована в различных отраслях народного хозяйства. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение энергоэффективности двигателя в разных горногидрогеологотехнических условиях, в скважинах путем более полного использования гравитационного энергетического потенциала при большой разнице глубин положения водоносного горизонта и проницаемого поглощающего интервала. На фиг.1 в качестве примера схематично показано устройство и принцип действия предлагаемого водяного двигателя. На фиг.2 приведена упрощенная кинематическая схема преобразователя попеременного реверсивного вращения входных валов (возвратно-поступательного движения поршней) во вращательное движение выходного вала. Преимуществом предлагаемого водяного двигателя являются более высокие показатели энергоэкономичности его работы в более широких горногидрогеологотехнических условиях, в т.ч. меньший удельный расход воды, большая развиваемая мощность в разных гидрогеологотехнических условиях при прочих равных условиях. Применение предлагаемого водяного двигателя позволяет расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) — средств «малой» энергетики, использующих нетрадиционные, в т.ч. возобновляемые ресурсы — подземные воды в естественных условиях их существования, а также воды поверхностных водоемов. При соблюдении условия, когда расход воды при работе двигателя не превышает естественного восполнения, истощения запасов подземных вод в данном

водоносном горизонте не происходит, его гидростатическое давление сохраняется, и двигатель может работать бесконечно долго. Также преимуществом двигателя при его питании от водоносного горизонта и использовании в качестве источника электроэнергии в сравнении с речными мини — ГЭС является возможность безпроблемной эксплуатации его круглогодично в районах с резкоконтинентальным климатом, в частности, при низких температурах, при которых реки замерзают, так как, используемое в нем рабочее тело — подземная вода не замерзает.

Полезная модель относится к гравитационным двигателям, принцип работы которых предусматривает преобразование потенциальной энергии рабочей среды, например воды, при падении ее или заполненных ею рабочих тел в механическую энергию, и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства.

Устройство позволит расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) — средств малой энергетики, использующих нетрадиционные, в первую очередь возобновляемые ресурсы — природные естественные и искусственные водоемы в т.ч. подземные воды, а так же реки с малыми водотоками.

Известно устройство ударно-канатного бурения (Шамшев Ф.А. и др. Технология и техника разведочного бурения. Издание третье, М., Недра, 1983 г., стр.464-469 [1]), включающее двигатель, реверсивный привод лебедки с канатом, к которому присоединен ударный снаряд с инструментом находящимся в скважине. В устройстве ударный снаряд с инструментом периодически поднимается в скважине над забоем на определенную высоту и в последующем сбрасывается, последний падает под действием своего веса. Потенциальная энергия переходит в кинетическую и при ударе инструмента о забой скважины совершается работа. Для работы устройства подводиться энергия из вне. Устройство не позволяет непрерывно получать энергию.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является водяной двигатель по патенту на изобретение РФ №2224134 «Водяной двигатель». М. кл. F 03 C 1/02, опубл. бюл. №5 20.02.2004 г. [2].

Водяной двигатель включает питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, поршень, рабочие камеры, гильзы цилиндров, расположенные ниже коленчатого вала. Между поршнем и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения. Водяной

двигатель снабжен впускным и выпускным клапанами, распределительным устройством, взаимодействующим с впускными и выпускными клапанами, направляющим стержнем с направляющей втулкой. Поршень снабжен кронштейном, выполнен полым и снабжен клапанами перетока, срабатывающими в его нижнем и верхнем положениях. Детали, расположенные ниже коленчатого вала, установлены в горной выработке, например буровой скважине, пересекающей проницаемый поглощающий интервал с установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра. Питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с возобновляемым источником воды, например, с подземным водоносным горизонтом. Такими источниками могут быть и поверхностные воды природного и искусственного происхождения — река, озеро, водохранилище, накопительные резервуары сточных и промышленных вод и др. Рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра, в которой установлен впускной клапан, выпускной клапан установлен в скважине ниже рабочей камеры. Ниже обсадных колонн расположен пересекаемый скважиной проницаемый поглощающий интервал.

Недостаток известного двигателя заключается в том, что при «питании» его от подземного водоносного горизонта эффективность его использования ограничена определенными горными и гидрогеологическими условиями. При этом при глубоком положении водоносного горизонта и его статического и динамического уровней неэффективность двигателя объясняется большими геометрическими размерами стержня, длина которого должна достигать десятков метров, и, как следствие, элементов кривошипно-шатунного механизма. С большими геометрическими размерами связаны возникающие силы сопротивления его движению за счет характерных больших сил трения, момента инерции. Эти силы уменьшают силы инициирующие движение поршня при работе двигателя, и, как следствие, снижают (ухудшают) энергоэффективность, например развиваемую

мощность при идентичных других условиях. Практически, реализация таких размеров кривошипно-шатунного механизма технически и экономически нецелесообразна.

Кроме того, недостаток известного двигателя заключается в том, что при большой разнице в глубинах положения водоносного горизонта и проницаемого поглощающего интервала определяемый ею гравитационный потенциал «питающей» (водоносного горизонта) воды, используется не в полном объеме.

Разница в глубинах положения водоносной зоны и проницаемого поглощающего интервала может составлять десятки и более метров.

Теоретически, целесообразно использовать гравитационную составляющую рабочего хода (за счет силы тяжести) на всем интервале от водоносной зоны до проницаемого поглощающего интервала. Потенциальная энергия поршня наполненного водой может быть определена из выражения:

Wп=mgh, где

Wп — потенциальная энергия поршня, Дж;

m — масса поршня, кг;

g — ускорение свободного падения, м/с2;

h — высота падения поршня (разница между положениями глубин водоносной зоны и проницаемого поглощающего горизонта), м.

При этом рабочий ход двигателя может составлять до нескольких десятков метров и более. С учетом положений теории механизмов и машин, а также приведенных выше доводов о возрастающих силах сопротивления, противодействующих инициирующим движение силам, использование кривошипно-шатунного преобразователя при больших ходах движения поршня, на практике, как технически, так и экономически нецелесообразно и трудно осуществимо. Этим и объясняется невозможность реализации с использованием известного двигателя гравитационного энергетического потенциала «питающей» воды в указанных скважинных условиях.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение энергоэффективности двигателя в разных горногидрогеологотехнических условиях, в скважинах путем более полного использования гравитационного энергетического потенциала при большой разнице глубин положения водоносного горизонта и проницаемого поглощающего интервала.

Поставленная задача достигается следующим. Водяной двигатель, содержащий питательную емкость, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала с установленным на нем маховиком, первую рабочую группу, включающую полый поршень с выпускным клапаном, срабатывающим в его нижнем положении, рабочую камеру-гильзу цилиндра, расположенную ниже преобразователя поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала. При этом между поршнем и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения, а так же клапан с управляющим им устройством, например кулачком, установленным на поршне, подводящий и отводящий каналы причем детали расположенные ниже преобразователя поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, установлены в горной выработке, например буровой скважине, пересекающей проницаемый поглощающий интервал, с установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра. Питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с источником воды, например с подземным водоносным горизонтом, а рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра. При этом, пересекаемый скважиной проницаемый поглощающий интервал расположен ниже обсадной колонны меньшего диаметра. Дополнительно, двигатель снабжен второй рабочей группой аналогичной первой. Подводящие каналы выполнены с обеспечением условия сообщения питательной емкости с полостью поршней и их заполнения водой самотеком в их верхнем положении, а поршни между собой соединены канатом, охватывающим два шкива, установленные

посредством муфт одностороннего действия, например обгонных муфт, на входных валах преобразователя, например редуктора или мультипликатора, попеременного реверсивного вращения входных валов в одностороннее вращение выходного вала.

На фиг.1 в качестве примера схематично показано устройство и принцип действия предлагаемого водяного двигателя. На фиг.2 приведена упрощенная кинематическая схема преобразователя попеременного реверсивного вращения входных валов (возвратно-поступательного движения поршней) во вращательное движение выходного вала, в последующем — преобразователя.

Скважинный водяной двигатель содержит: 1, 1′ — питательную емкость; 2 — водоносную подземную зону; 3, 3′ — впускные клапаны первой и второй рабочих групп, соответственно (в последующем обозначение со штрихом означает одноименный элемент относящийся ко второй рабочей группе); 4, 4′ — гильзы; 5, 5′ — поршни; 6 — канат; 7, 7′ — шкивы; 8, 8′ — муфты одностороннего действия; 9 — преобразователь попеременного реверсивного вращения входных валов во вращательное движение выходного вала, в последующем — преобразователь; 10, 10′ — впускные кулачки; 11, 11′ — выпускные клапаны поршней; 12, 12′ — упоры выпускных клапанов поршней; 13, 13′ — выходные каналы; 14 — проницаемый поглощающий интервал; 15, 15′ — промежуточные шестерни первой и второй рабочих групп, соответственно; 16, 16′ — выходные муфты одностороннего действия реверсивного редуктора (мультипликатора); 17 — выходная шестерня с выходным валом; 18 — маховик; 19 — выходной вал; 20 — воздушный колпак; 21 — штуцер; 22 — промежуточный ролик-шкив.

Работает водяной двигатель следующим образом. Питательные емкости 1 и 1′ наполняются водой из подземной водоносной зоны 2 через фильтры установленные в обсадной трубе большего диаметра. Один из поршней двигателя, например, поршень 5 подводится к своей верхней мертвой точке (ВМТ) — положение показано на фиг.1 (подводка поршня

производится с помощью вспомогательного устройства в т.ч. ручного, которое на фиг.1 не показано). При этом соединенный с ним поршень 5′ устанавливается в своей нижней мертвой точке (НМТ). В таком состоянии двигателя поршень 5 установленным на нем кулачком 10 открывает впускной клапан 3 и вода из питательной емкости 1 поступает в полость поршня 5, а выпускной клапан 11′ поршня 5′ взаимодействует с упором 12′, открывается и вода из поршня 5′ вытекает в скважину 13′ и далее в проницаемый поглощающий интервал 14. Полость поршня 5 заполняется водой, а полость поршня 5′ освобождается от воды, при этом вес P1 поршня 5 увеличивается, а вес Р2 поршня 5′ уменьшается. После завершения процессов заполнения-истечения, за счет превышения P1>Р 2 поршень 5 начинает движение вниз, при этом поршень 5′ перемещается вверх. При движении поршня 5 вниз, а поршня 5′ вверх перемещение каната 6 вызывает вращение шкивов 7 и 7′ в направлении против часовой стрелки. Шкивы 7 и 7′ сопряжены с валами посредством муфт одностороннего действия, например обгонных, установленных так, что при движении каната в каждом из направлений срабатывает одна из обгонных муфт. При движении поршня 5 вниз вращение передается от шкива 7 посредством обгонной муфты 8 на входной вал блока 7. Вращение входного вала шкива 7 посредством шестерен 15 и 17 (фиг.2), установленных в преобразователе попеременного реверсивного вращения входных валов во вращательное движение выходного вала 9, передается его выходному валу 19 на котором установлен маховик 18. При достижении поршнем 5 своей НМТ его выпускной клапан 11 взаимодействует с упором 12, установленным в скважине и открывается, а поршень 5′ достигает своей ВМТ, при этом установленным на нем кулачком 10′ открывается впускной клапан 3′. При таком положении поршней вода из полости поршня 5 вытекает, а полость поршня 5′ наполняется водой. После завершения процессов заполнения-истечения, за счет превышения веса P2>P1, поршень 5′ начинает двигаться вниз, при этом связанный с ним канатом 6 поршень 5 начинает перемещаться вверх. При движении поршня

5′ вниз, а поршня 5 вверх перемещение каната вызывает вращение шкивов 7 и 7′ в направлении по часовой стрелке. При таком направлении движения каната вращение шкива 7′ посредством обгонной муфты 8′ передается на входной вал шкива 7′. Вращение входного вала шкива 7′ посредством шестерен 15′ и 17 передается выходному валу 19. В последующем цикл работы двигателя повторяется.

Таким образом, в системе двух соединенных между собой канатом поршней, под действием гравитационных сил попеременно заполняемых водой поршней, устанавливаются их периодические движения вниз — вверх. Мощность, развиваемая в такой динамической системе, изначально определяется усилием в канате и линейной скоростью его движения, а на выходном валу — с учетом реверсивной трансмиссионной системы редукторного (мультипликаторного) типа.

В редукторе (мультипликаторе) преобразователя 9 дополнительно установлены выходные муфты одностороннего действия 16 и 16′. Применение в двигателе указанных муфт позволяет исключить холостое вращение шестерней 15 при передаче вращения от шкива 7′ выходной шестерне 17, а также исключить холостое вращение входного вала шкива 7′ при передаче вращения от шкива 7 посредством шестерней 15 выходной шестерне 17.

Остановка двигателя осуществляется с использованием сжатого воздуха, например, аккумулированного в баллоне (на фиг.1 не показан). Шлангом баллон с вентилем подсоединяется к штуцеру 21. Для остановки двигателя баллон подключается к штуцеру 21 и сжатый воздух поступает в кольцевой объем выше уровня жидкости — воздушный колпак 20. По мере увеличения давления в воздушном колпаке уровень в жидкости в кольцевом объеме начинает перемещаться вниз, а объем воздушного колпака — увеличиваться. При положении уровня жидкости ниже впускного клапана 3′ исключается возможность поступления воды из кольцевого объема и 1′ в

полость поршня 5′ при очередном достижении им ВМТ. Работа двигателя прекращается.

В предлагаемом двигателе рабочий ход поршня 5 (5′) от ВМТ до НМТ составляет расстояние (S свд) от водоносной зоны до проницаемого поглощающего интервала, которое может составлять десятки и более метров и многократно превышает рабочий ход поршня (Sвд) кривошипно-шатунного механизма водяного двигателя по прототипу. При равных объемах полостей поршней работа выполняемая равным объемом воды при рабочем ходе поршня (Асвд) в предлагаемом двигателе Асвд=RG*S cвд многократно может превышать работу (А вд) выполняемую при рабочем ходе поршня в прототипе А вд=RG*Sвд, то есть Асвд>Авд , т.к. Sсвд>Sвд . В формулах приняты следующие обозначения:

R G — гравитационная сила, определяется силой тяжести поршня заполненного водой в воздухе, кг*м/с2 (с целью упрощения упущены силы сопротивления движению поршней, действующие и в прототипе);

RG=m*g, где

m — масса поршня с водой, кг;

g — ускорение свободного падения, м/с2.

Гравитационный потенциал определяемый разницей глубин положения водоносного горизонта и поглощающего проницаемого интервала в предлагаемом водяном двигателе реализуется в полном объеме.

При этом, удельный расход воды, представляющий собой ее расход на совершение единицы работы и являющийся показателем энергоэффективности (энергоэкономичности) [3] у предлагаемого водяного двигателя существенно ниже (лучше) чем у прототипа, в условиях, большой разницы в глубинах положения водоносной зоны и проницаемого поглощающего горизонта.

Конструкцией и принципом работы предлагаемого водяного двигателя исключается неравномерность каждого из попеременных инициирующих

усилий, воздействующих на поршень. Объясняется это идентичностью условий их формирования.

Возможны и другие варианты питания скважинного водяного двигателя водой, например когда питательная емкость представлена расположенными выше устья скважины водоемами природного или искусственного происхождения, в т.ч. техническими гидросистемами.

Преимуществом предлагаемого нами технического решения по сравнению с водяным двигателем, принятым в качестве прототипа, являются более высокие показатели энергоэкономичности его работы в более широких горногидрогеологотехнических условиях, в т.ч. меньший удельный расход воды (расход воды на выполнение единицы работы), большая развиваемая мощность в разных гидрогеологотехнических условиях при прочих равных с прототипом условиях.

Двигатель может быть использован для обеспечения энергоснабжения в качестве преобразующего силового элемента в источнике электрической энергии при соединении его выходного вала (с маховиком) с электрогенератором.

Применение предлагаемого водяного двигателя позволяет расширить номенклатуру НВИЭ — средств «малой» энергетики, использующих нетрадиционные, в т.ч. возобновляемые ресурсы — подземные воды в естественных условиях их существования. При соблюдении условия, когда расход воды при работе двигателя не превышает естественного восполнения, истощения запасов подземных вод в данном водоносном горизонте не происходит, его гидростатическое давление сохраняется, и двигатель может работать бесконечно долго. Также преимуществом двигателя при его питании от водоносного горизонта и использовании в качестве источника электроэнергии в сравнении с речными мини — ГЭС является возможность эксплуатации его круглогодично в районах с резкоконтинентальным климатом, в частности, при низких температурах, при которых реки

замерзают, так как, используемое в нем рабочее тело — подземная вода не замерзает.

При других вариантах питания двигателя водой от ее источников природного происхождения расположенных выше дневной поверхности (река, озеро и др.) использование двигателя позволяет реализовать возобновляемый нетрадиционный источник электроэнергии. При осуществлении питания двигателя от источников искусственного происхождения (технические гидросистемы), в т.ч. сточных вод, использование двигателя может реализовать их гравитационный потенциал путем выработки электроэнергии. При этом, выполнившая свои функции в технических гидросистемах вода является вторичным энергетическим ресурсом.

При использовании предлагаемого двигателя в качестве источника энергии достигается эффект энергоресурсосбережения в сравнении с применением традиционных источников энергии и схем энергоснабжения.

Источники информации, принятые во внимание

1. Шамшев Ф.А. и др. Технология и техника разведочного бурения. Изд. 3-е, М., Недра, 1983 г., стр.464-469).

2. Патент РФ №2224134 «Водяной двигатель». М. кл. F 03 C 1/02, F 03 B 29/08, F 03 B 17/00, опубл. бюл. №5 20.02.2004 г. — прототип.

3. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения. М., «Издательство стандартов», 1998 г.

Водяной двигатель, содержащий питательную емкость, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала с установленным на нем маховиком, первую рабочую группу, включающую полый поршень с выпускным клапаном, срабатывающим в его нижнем положении, рабочую камеру-гильзу цилиндра, расположенную ниже преобразователя движения поршня во вращательное движение выходного вала, при этом между поршнем и гильзой цилиндра имеется зазор без уплотнения, а также клапан с управляющим им устройством, например, кулачком, установленным на поршне, подводящий и отводящий каналы, причем детали, расположенные ниже преобразователя возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, установлены в горной выработке, например, буровой скважине, пересекающей проницаемый поглощающий интервал с установленными в ней двумя соосными колоннами обсадных труб большего и меньшего диаметра, при этом питательная емкость образована кольцевым объемом между обсадными колоннами и имеющим сообщение с источником воды, например, с подземным водоносным горизонтом, а рабочая камера образована объемом обсадной колонны меньшего диаметра, причем пересекаемый скважиной проницаемый поглощающий интервал расположен ниже обсадных колонн, отличающийся тем, что он снабжен второй рабочей группой аналогичной первой, подводящие каналы выполнены с обеспечением условия сообщения питательной емкости с полостью поршней и их заполнения водой самотеком в верхнем положении поршней, а поршни между собой соединены канатом, охватывающим два блока, установленные посредством муфт одностороннего действия, например, обгонных на входных валах преобразователя возвратно-поступательного перемещения поршней во вращательное движение выходного вала, представляющего собой двухвходовый реверсивный редуктор, либо мультипликатор.

Примечания

1. W. David Woods, How Apollo Flew to the Moon
   , Springer, 2008, ISBN 978-0-387-71675-6, p. 19
2. Ellison, Renea & Moser, Marlow, Combustion Instability Analysis and the Effects of Drop Size on Acoustic Driving Rocket Flow
3. THE INJECTOR AND COMBUSTION INSTABILITY
4. Андрей Борисов
   . Каждому свое,
   Lenta.ru
   (5 февраля 2018). Проверено 5 февраля 2020. «…работы над однокамерным F-1 были начаты компанией Rocketdyne (сегодня входит в Aerojet Rocketdyne) по заказу ВВС США еще в 1955 году, в результате чего первые огневые испытания двигателя состоялись уже в 1959 году. Первоначально в камере сгорания двигателя наблюдалось нарушение режима стабильного горения, с чем к 1961 году успешно удалось справиться».
5. Spaceflight Now | Breaking News | Rocket companies hope to repurpose Saturn 5 engines. spaceflightnow.com. Проверено 6 апреля 2017.
6. NASA — NASA Engineers Resurrect And Test Mighty F-1 Engine Gas Generator. Проверено 22 января 2013. Архивировано 2 февраля 2013 года.
7. How NASA brought the monstrous F-1 “moon rocket” engine back to life (англ.), Ars Technica
   . Проверено 5 апреля 2020.
8. ↑ 12Saturn V News Reference: F-1 Engine Fact Sheet
9. NSTS 1988 News Reference Manual