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大氣旋風發動機

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正像世人最近被提醒的那樣,天氣系統具有令人敬畏的力最。一次強大颶風釋放的能量可超過人類全年所耗費的能量,即使是一場中等強度的龍捲風,其能量也相當於一座大型電站的發電量。如果人類能夠利用這種能源而不是任其擺布,那該有多好。在一家大型石油公司任職的加拿大工程師Louis Michaud認為自己已想出辦法來達到這一目的,就是通過製造可控制和利用的人造旋風。他把自己的發明稱為「大氣渦流發動機」。

1 大氣旋風發動機 -簡介

  眾所周知,龍捲風具有很大的破壞性,通常被認為是一種災難。但是,一位加拿大工程師卻認為,人類有朝一日將能夠利用龍捲風的能量為所有城市提供電力。這位加拿大工程師名叫路易斯-米查德,他研製了一種名為「大氣旋風發動機」。「大氣旋風發動機」位於一個200米寬、100米高的空間內。米查德認為,只要將暖濕空氣吸入他的「大氣旋風發動機」中,他就能夠製造出一個人造龍捲風。龍捲風的旋轉帶動「大氣旋風發動機」入口處的風力渦輪機從而產生電量,這些電量可以滿足一個小型城鎮的用電需求。在目前普通的熱力發電廠中,有超過一半的熱量被浪費。米查德提出,可以充分利用這些浪費的熱量為他的龍捲風發電機服務。不過,米查德也承認,龍捲風發電機或許會對周邊地區造成一定的影響,不過他堅持認為龍捲風發電是一種安全的替代能源利用方式

2 大氣旋風發動機 -對大氣旋風發動機研究

  中國對大氣旋風發動機的研究
  高歌現任北京航空航天大學能源動力學院動力工程及工程熱物理學科一級責任教授,航空發動機氣動熱力國防重點實驗室副主任,長期從事動力工程、工程熱物理及流體力學領域的教學與科研工作,並在基礎科研和多學科的應用技術領域取得了一系列國際領先水平的創新性科研成果。他在1984年發明的"沙丘駐渦火焰穩定器",獲國家發明一等獎,錢學森同志稱之為"一項長中國人志氣的重要發明"。該成果廣泛應用於中國多種軍用航空發動機中,取得了數以億元計的經濟效益,至今仍保有先進水平。本刊記者於今年10月採訪了高歌教授,了解到了他近期從事的一些前沿科研工作的最新進展,尤其是他對龍捲風的研究及其工程應用價值,讓人耳目一新。
  高歌教授在採訪中提到,傳統的航空發動機技術雖然還在不停地改進提高之中,但受到原理和材料工藝上的限制,已經逐漸逼近了性能發展的極限。目前雖然湧現出一些新型航空發動機技術,但仍然沒有走出依靠壓力膨脹過程來實現熱功轉換的思路。他強調,人們應該另闢蹊徑,尋找其他可用的工作原理。為此,他研究了自然界龍捲風的形成與強化機制,發明了一項稱為"餘熱增推"的技術,直接利用龍捲旋渦實現熱功轉換並提取能量,用以提高航空發動機的推力和工作效率,這是具有獨創性的重大科研成果,是人們未曾涉足過的一片新天地傳統航空發動機技術

  傳統航空發動機技術需要新的突破
  高歌首先提到,航空發動機經歷了兩個大的歷史階段,第一階段就是在1950年以前,主要是活塞發動機的使用。第二階段在二次世界大戰以後,渦輪發動機迅猛發展,一直佔據著霸主地位,它有很多的變種,如渦扇發動機、渦槳發動機、渦軸發動機等,但其核心技術都是壓氣機-渦輪組合,即燃氣輪機。
  很早就有人提出,渦輪發動機過了巔峰期以後有沒有後續機種。為什麼會提出這個問題呢?因為人類所發明的熱機到目前為止,絕大多數都是依靠壓力膨脹過程來實現熱功轉換的,活塞發動機、渦輪發動機都是如此。而要提高渦輪發動機的性能主要有兩條途徑,一個是提高壓比,另一個是提高渦輪前溫度,這是它的工作原理決定的。但提高壓比、提高渦輪前溫度是有一定限制的,設想壓比達到40左右,壓氣機的轉速會很大;同時壓比提高,葉片的強度也成問題。所以無論從壓比還是從溫度來說,渦輪發動機基本上快要接近其性能極限了。
  當然,所有發動機在其發展的歷程中,性能都有從低到高的發展過程。但如果原理上不出現重大變化的話,就不會有本質的改變。如渦輪發動機壓氣機本身的效率,四十年前是81%~82%,而今天,最好的壓氣機的效率是86%~87%。可以看出,大約每十年只提高1%多一點。人們不得不考慮未來航空發動機的出路問題。脈衝爆震和旋轉衝壓

  脈衝爆震發動機和旋轉衝壓發動機
  航空渦輪發動機目前出現了很多新的機種,如脈衝爆震發動機、衝壓發動機等,這是主要的幾個研究方向,也是試圖找到大幅提高航空發動機性能的技術嘗試。但這些發動機還處於摸索階段,高歌一一對其技術難點和缺陷進行了分析。
  高歌提到,脈衝爆震發動機雜訊巨大,工作頻率跟不上去。工作頻率就是指爆震燃燒頻率,要100赫茲左右才能夠產生足夠的比沖,如果到不了這個頻率,比沖不夠,與渦輪機相比就沒有競爭力。設想在一個空腔裡面,排氣、進氣一秒鐘來回一百多次,而且還沒有一個活塞把氣體推出去,只靠自己的膨脹過程來填充、爆炸,再填充、再爆炸,這本身是非常困難的。
  衝壓發動機不能解決零速啟動、低速情況下的低效率等問題。高歌向記者介紹到,最近國內外都在進行旋轉衝壓發動機的研究,旋轉衝壓發動機就是想克服直流式衝壓發動機不能零速起飛的缺點。旋轉衝壓發動機內部有一個轉子,啟動時首先用電力驅動,或是由其它起動機讓轉子高速旋轉,氣流進入轉子后再發生衝波,產生高壓,利用轉子本身的旋轉製造一個超聲速或者跨聲速的入流,在旋轉場里提高馬赫數,最後達到衝壓的效果。美國一台一百千瓦級的旋轉衝壓發動機已經試運轉成功了。
  但旋轉衝壓發動機運用到航空發動機上有很大的難度,首先要解決發動機直徑問題,飛機不可能安裝直徑太大的發動機。另外,轉子旋轉以後燃燒系統如何配置,高超聲速氣流進來如何變成沒有旋轉,研製出來以後能不能在效率、尺寸、推重比等方面和現有的渦輪發動機競爭,這都有待未來發展才能得出定論。本來衝壓發動機就是一個空筒子,現在有一個轉子在發動機裡面旋轉,解決了低速啟動的問題,但飛到高速以後,氣流衝進來遇到了轉子這樣一個大障礙物,如何解決,還面臨一系列的問題。高歌認為旋轉衝壓發動機的前途將取決於一系列關鍵技術能否得到妥善解決。
  脈衝爆震發動機、衝壓發動機等這些新技術,依然沒有擺脫傳統的熱機工作原理,只是改進而已,真正的突破還要在其他方向上尋找。

3 大氣旋風發動機 -在航空發動機上的應用

  龍捲風原理在航空發動機上的應用
  高歌談到,航空發動機最近顯示了一些很有前途的研究方向,就是有沒有可能不利用壓力膨脹過程來實現熱功轉換,而以往所有熱機都是壓力膨脹實現熱功轉換的。他把研究方向瞄向了自然界的龍捲風。龍捲風不是利用壓力過程而是利用旋渦,依靠龍捲風式的特殊旋渦的旋轉把熱能變成機械能。高歌帶領的研究人員已經在這方面做了大量試驗和應用研究。
  高歌指出,龍捲風的旋轉能量來源對於研究大氣流體力學的人來說,他們肯定可以明白無誤地說,這是龍捲風外圍的熱氣流的熱能提供的旋轉能量,但有一些教條的人會說,"熱力學上沒有這一說法,熱能變成機械能必須要有壓力膨脹過程!"實際上龍捲風在旋轉過程中遵守著流體力學的一個定理,稱為克羅科(Crocco)定理。這個定理通俗地講,就是在一個旋渦的外圍,如果外邊熱裡邊冷,就產生了一個沿半徑方向內指的焓梯度,或是溫度梯度,這個焓梯度越大,旋風的旋轉強度就越大。如果在龍捲風外圍有熱量加入的話,龍捲風就會得以強化。
  高歌利用龍捲風的原理開發了一項"餘熱增推"技術,在不改變核心機的前提下可以輕而易舉地獲取發動機推力的增加,增推效果相當可觀。這項原理和技術是高歌首創的,並且在航空發動機上得到了驗證,有重大的實用價值。通過"餘熱增推"技術,可以直接利用龍捲旋渦將熱能轉換為旋轉動能,進而提高發動機的推力和推重比、降低單位推力的耗油率。龍捲風組合燃燒技術也可極大地改善燃燒性能,使燃燒效率從85%提高到97.5%,阻力、貧富油、穩定性等性能指標也達到國際領先水平。可以斷言,龍捲風原理開闢了熱機發展一個值得探索的新方向。
  克羅科定理在20世紀初就有了,是一個純粹的理論工具,人們沒有找到其工程技術運用的途徑。高歌首先在試驗中發現龍捲風能夠把熱能變成機械能,然後想到了能利用它來增加發動機推力,最後才找到了克羅科定理。並不是克羅科定理指導其開發出有關技術,而是高歌做出來以後為了找理論解釋才想到了克羅科定理。
  高歌強調,中國人應增強自信心,我們有能力在科技領域自主創新。"沙丘駐渦"技術為中國的航空發動機技術做出了貢獻,而這項"餘熱增推"技術比"沙丘駐渦"的價值要大得多。

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