Двигатель Клема

Упоминания о двигателе, который американец Ричард Клем (Richard Clem) изобрёл, построил и успешно использовал в 1972 году, встречается на многих сайтах, посвящённых «свободной энергии». Однако практически все они представляют собой копию одной и той же статьи. Возможно, всё дело в том, что доступная информация о нём весьма скудна и обрывочна, а сам двигатель является совсем не тем, чем кажется на первый взгляд.

Cледует заметить, что есть много конструкций, внешне похожих на двигатель Клема, например, центробежный двигатель Игоря Высоцкого (сам его автор, кстати, в этом также уверен). На самом деле эти устройства используют совершенно разные принципы работы и потому схожесть их обманчива.
 

Технические подробности

Прежде чем начать рассмотрение двигателя Клема, «разложим по полочкам» доступные нам сведения о нём. Ниже я приведу выдержки из той самой «канонической» статьи, которые в той или иной степени касаются технической части устройства. 



«Классическое» изображение двигателя Клема. Картинка была сделана ещё под разрешение EGA (640x350), и потому без коррекции на современных мониторах выглядит «сплюснутой».

 

Сведения из статьи

Итак, вот техническая часть «канонической» статьи (для американских единиц измерения в скобках указаны метрические значения, перевод приближен к английскому оригиналу, что существенно изменило описание некоторых моментов).

Ричард Клем работал с тяжелой техникой в Далласе. Он заметил, что определенные типы насосов высокого давления продолжали работать некоторое время после того, как отключалось питание. Его любопытство по поводу этого явления привело к изобретению двигателя.… Клем говорит, что… водителям пришлось бы только менять восемь галлонов (примерно 30 литров) растительного масла на каждые 150 тысяч миль пробега и никогда не покупать никакого бензина.Двигатель весит около 200 фунтов (порядка 90 кг) и содержит растительное масло при температуре 300°F (около 150°С).Клем говорит, что использовал растительное масло, потому что его двигатель работает при… температуре, при которой вода выкипает, а обычное моторное масло разрушается. Хотя он и не хотел бы разглашать детали устройства двигателя, его единственным дополнительным источником энергии является 12-вольтовая батарея.Он состоит из конуса, смонтированного на горизонтальной оси. Вал, удерживающий конус, полый внутри, а конус имеет вырезанные в нём спиральные каналы. Эти спиральные дорожки проходят вдоль конуса и заканчиваются на его основании в виде сопел (форсунок).Жидкость нагнетается в полый вал при давлениях в диапазоне 300—500 фунтов на квадратный дюйм (21-35 кг/см2), проходит по тесным спиральным каналам конуса и выходит через сопла. Это заставляет конус вращаться. Чем больше скорость жидкости, тем быстрее вращается конус.По мере нарастания скорости, жидкость нагревается, поэтому требуется теплообменник и фильтр. При определённой скорости конус начинает самостоятельное вращение, независимое от двигателя. Скорость вращения вала достигает 1800-2300 оборотов в минуту.… мотор был проверен корпорацией Bendix. Тест заключался в присоединении двигателя к динамометру для измерения мощности на валу.Измерения показали, что двигатель устойчиво производил 350 лошадиных сил в течение 9 дней, что поразило инженеров фирмы Bendix. Они пришли к выводу, что источник, который может вырабатывать столько энергии в ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМЕ в течение столь длительного времени, может быть только ядерным.Конструкция двигателя не содержит нетрадиционных деталей, за исключением конуса со спиральными каналами и пустотелого вала.Когда Клем соорудил первый масляный двигатель в 1972 году, он предпринял пробное путешествие длиной в 600 миль (примерно 1000 км) до Эль-Пасо на моторе, который он сделал на свою зарплату. Перед тем, как все валы и все прочее погнулось, ему удалось доехать только до Абилина (Google Maps показывает расстояние по шоссе между Далласом и Абилином в 172 мили, или 276 км).Он объяснил неудачу несовершенством конструкции, слишком маленьким размером вала и использованием цепей вместо шестеренок.Сразу же после того, как изобретателя поразил сердечный приступ и бумаги были изъяты, сын изобретателя отправил единственную рабочую модель машины на ферму неподалёку от Далласа. Там он закопал её под 10-ю футами (чуть более 3 м) бетона, и она продолжала работать на этой глубине в течение нескольких лет.Вот, в общем-то, и все сведения, датируемые 1992 годом — через 20 лет после смерти изобретателя от сердечного приступа в том же 1972 году. Несколько позже стало известно ещё немного дополнительных данных, которые сводятся к следующему.

Насос, послуживший прототипом двигателя, использовался для разбрызгивания горячего жидкого асфальта. Конус был установлен вертикально. Теплообменник использовался именно для охлаждения. Наконец, в последних на данный момент сведениях о двигателе Клема уже не упоминается о конусе, зато говорится о «семиступенчатом насосе» и «конверторе», «действующем подобно турбине», а на фотографии двигателя видно нечто похожее на турбинные колёса и не видно ничего, похожего на конус (разве что он спрятан внутри «турбины»). На фотографиях автомобиля явно просматриваются две различные модификации двигателя с продольной и поперечной ориентацией вала, но ни на одной из них нет намёков на вертикальную установку конуса.

Прямо скажем, данных не слишком много — например, неизвестны точные габариты устройства (это позволило бы оценить возможный диаметр конуса и возникающие центробежные силы), хотя приводится его масса. Тем не менее, думаю, что здесь есть достаточно много, чтобы попытаться понять принципы работы этого необычного мотора. Что же касается габаритов двигателя, то их косвенно можно оценить на основании того факта, что он устанавливался на автомобиль, очевидно, вместо «штатного» мотора, при этом в качестве базового автомобиля упоминается «Форд Фалькон». Эта модель выпускалась с 1960 г. до начала 70-х годов и считалась «компактным» двухдверным автомобилем.

Однако, особенно до нефтяного кризиса 1973 года, американское понятие «компактности» существенно отличалось от европейского, поэтому по своим габаритам «Форд Фалькон» близок к «Волге», а отнюдь не к «Запорожцу». И хотя следует учесть, что его моторный отсек обладал немалыми размерами, вряд ли длина двигателя превышала 90 см, высота 70 см, и ширина — 50 см, а с учётом небольшого веса можно предположить и гораздо более компактные размеры. Впрочем, машина, изображённая на известных весьма нечётких фотографиях, имеет самодельный кузов, и габариты её достаточно плотно заполненного (к сожалению, чем именно — понять трудно) моторного отсека близки к указанным (в качестве точки отсчёта для оценки размеров можно использовать самого Ричарда Клема, стоящего рядом с машиной).

И, конечно, следует самым внимательным образом отнестись к возможному прототипу двигателя, найденному Робертом Кунцем, — коническому насосу для вязких жидкостей.

 

Странности в описании

При прочтении статьи можно заметить несколько особенностей, одни из которых на первый взгляд кажутся странными, по крайней мере по сравнению с обычными автомобильными двигателями, а другие — как минимум нелогичными или вовсе фантастическими. Однако именно анализ подобных моментов и может дать ключ к пониманию работы двигателя. Перечислю те из них, на которые обратил внимание я.

Необыкновенно маленькая для заявленной мощности масса, даже если считать, что это «сухая» масса без заправки маслом (30 литров растительного масла весят около 25 кг, и если указанная масса — рабочая, то на долю железа останется вообще не более 65 кг) и необычно большое соотношение «заправки» (около 30 литров) к массе двигателя (90 кг). Для сравнения, обычно в автомобильный двигатель сухой массой около 100 кг заливается порядка 4 литров моторного масла и 7—9 литров охлаждающей жидкости (воды, тосола и т.п.). Относительно высокая рабочая температура (150°С). Что не позволило Клему ограничиться обычными для автомобильных систем охлаждения 80—90°С? Ведь в этом случае можно было бы использовать стандартные автомобильные термостаты и другие детали системы охлаждения для поддержания рабочей температуры, да и в качестве рабочего тела можно было бы использовать обычное моторное масло, а может быть, даже воду. Высокое (опять же по автомобильным меркам) давление масла на входе в конус (20—35 атмосфер). Для сравнения, рабочее давление в масляной системе обычного двигателя составляет от 2 до 8 атмосфер, при больших давлениях, достигаемых на высоких оборотах, открывается специальный перепускной клапан, сбрасывающий излишки масла обратно и тем снижающий его давление. А нужен ли вообще насос, ведь центробежные силы и сами по себе могут создать вполне приличное давление? В статье однозначно указывается на то, что спираль сделана не из трубки, навитой на болванку конуса, а изготовлена в виде проточки в самом конусе. А ведь вариант с навитой трубкой был бы гораздо проще и технологичнее, особенно в «гаражных» условиях Клема. И даже если бы существовала серьёзная угроза разрыва трубки центробежными силами (напомню, что скорость вращения, по данным статьи, не превышала 2300 об/мин), для защиты от неё вполне достаточно использовать внешний защитный конический кожух и даже простую встречную навивку стальной проволокой. Впрочем, ответ на этот вопрос содержится в описании насоса-прототипа. Кстати, зачем вообще нужен конус, — ведь при рассмотрении центробежных двигателей мы выяснили, что с точки зрения гидродинамики нет разницы не только между конусом и плоской спиралью, но и между спиралью и прямыми трубками-«рогами»? А если принимать во внимание вязкость жидкости, то чем длиннее её путь, тем больше будут потери на трение о стенки! Да и при изготовлении двигателя на свою зарплату очевидно, что плоская спираль обойдётся дешевле конуса, — хотя бы потому, что на неё пойдёт меньше материала… Кстати, на фотографии двигателя Клема нет ни одного блока, по своим пропорциям даже близко похожего на конус на рисунках, в том числе и на чертеже насоса-прототипа. На схеме теплообменник размещён до насоса, хотя с точки зрения более эффективного охлаждения логичнее разместить его после — ведь при сжатии рабочее тело испытывает дополнительный нагрев. Впрочем, такое размещение как раз имеет веское техническое обоснование — улучшается тепловой режим работы насоса, а главное, в теплообменнике рабочая жидкость находится при давлении, близком к атмосферному! Устройство, сутками (а то и годами) непрерывно работавшее в стационарных условиях, будучи установленным на автомобиль, сломалось менее чем через 300 км пробега, при этом поломка заключалась в том, что «погнулся вал и всё прочее».
Вал в конструкции только один — тот, на котором вращается ротор. Причиной его излома являются, очевидно, большие нагрузки на горизонтальный вал из-за гироскопических эффектов при поворотах автомобиля и раскачивании его на неровностях дороги. Причиной также могут быть скручивающие усилия из-за резкого изменения нагрузки — например, при трогании с места, — но этот вариант менее вероятен. К тому же усилия от нагрузки действуют только на ту сторону вала, с которой снимается мощность, а изгиб от гироскопических эффектов — на оба его конца. Скорее всего, в первой конструкции вал был всё-таки горизонтальным, как и в насосе-прототипе, а вертикально конус мог быть размещён уже в улучшенной модели — той, что сын Клема закопал на ферме (по своему опыту скажу, что обычно о таких вещах задумываешься только после того, как что-то пошло не так).
Использование вместо шестерёнок цепного привода вряд ли является главной причиной такой быстрой поломки. Действительно, цепной привод даёт не только тангенциальную (скручивающую), но и нормальную (изгибающую) нагрузку на вал из-за необходимости натяжения цепи, а при использовании шестерёнок с соответствующей геометрией зубьев нормальная нагрузка на вал может практически отсутствовать. Но этот фактор действует и в стационарных условиях, и если бы его влияние было велико, то он неизбежно проявился бы и там.
Поскольку заявленная скорость вращения достаточно мала — порядка 2000 об/мин против примерно 3000—4000 об/мин обычных двигателей в «крейсерском» режиме, причиной фатального изгиба вала может быть только очень большая вращающаяся масса, то есть масса ротора. Принимая во внимание, что в двигателях внутреннего сгорания на коленвале вращается ещё и маховик массой в несколько килограмм и диаметром сантиметров 30, и ничего с ними не происходит, я оцениваю рабочую массу ротора никак не меньше 10 кг, но скорее всего он весил более 20..30 килограммов. Маловероятно, что Клем, человек, безусловно, технически грамотный, не понимал важности снижения вращающихся масс и сделал неоправданно утяжелённый ротор или заведомо непрочный вал (центральное отверстие снижает прочность трубы очень незначительно, даже если диаметр отверстия составит 3/4 от диаметра вала, его прочность на изгиб и скручивание снизится менее чем на четверть). Поэтому возникает вопрос: зачем Клем сделал такой тяжёлый ротор, тем более что в отличие от двигателей внутреннего сгорания маховик в его конструкции не нужен — судя по всему, она действует непрерывно и не имеет «мёртвых точек»? И, наконец, наиболее фантастическим выглядит утверждение о работе в течение нескольких лет двигателя под бетоном на трёхметровой глубине, т.е. практически без теплообмена с внешней средой. Причём наиболее удивительно здесь отнюдь не отсутствие видимого источника энергии, а поддержание теплового баланса. Вряд ли, в спешке закапывая двигатель на ферме, сын Клема позаботился о создании и выведении наружу мощной системы теплообмена! Но ведь если двигатель каким-то образом «сосёт» тепловую энергию из внешней среды, он быстро охладит окружающее замкнутое пространство и просто-напросто «замёрзнет» в течение нескольких если не минут, то часов. Если же устройство получает энергию каким-то другим путём (из ядерных процессов, торсионных полей, «физического вакуума» и т.д.) и сколько-нибудь существенная часть её преобразуется в паразитное тепло, разогревающее его (как минимум, это неизбежные потери на трение), — двигатель перегреется свыше всех допустимых пределов примерно в те же сроки (ядерный реактор тоже может работать годами под водой и под землёй, но без постоянного интенсивного охлаждения он быстро перегреется и взорвётся, как это произошло на Чернобыльской АЭС).
Описанное возможно только в том случае, если тепловой дисбаланс на холостом ходу не превышает сотни-другой ватт, то есть либо конструкция является хорошо сбалансированной комбинацией теплового насоса и теплового двигателя, либо внутренние потери энергии на трение и другие издержки очень малы, а бесполезное выделение тепла практически отсутствует (сравните режимы работы на холостом ходу и под нагрузкой у двигателей внутреннего сгорания и у электродвигателей)!

 

Несколько слов о растительном масле

Почему Клем выбрал растительное масло? Пока мы не знаем, за счёт чего двигатель получает необходимую ему энергию, мы не можем сказать, оптимален ли этот выбор и можно ли улучшить эффективность работы двигателя, выбрав в качестве рабочего тела другое вещество. Однако мы можем проанализировать физические свойства растительного масла и иметь их в виду, рассматривая возможные принципы работы этого двигателя.

Посмотрим, что говорят о физических свойствах растительного масла кулинарные сайты и форумы, поскольку хоть какие-то сведения о нём мне удалось найти только там. Сведений не много, но основное по крупицам собрать всё же можно.

Итак, при атмосферном давлении масло не кипит, по крайней мере в классическом смысле этого слова (то есть не бурлит и не брызгает, если, конечно, в него не попадёт вода из посуды, от продуктов или с рук повара), зато у него есть три другие важные температурные точки: точка начала химического разложения и окисления, не сопровождающегося существенным выделением дыма (для многих животных масел и жиров это 140..160°С, для растительных обычно 170..190°С), «точка дыма» — когда масло начинает активно окисляться и разлагаться с заметным выделением продуктов разложения («горит» в кулинарном смысле — для подавляющего большинства масел, как животных, так и растительных, это 180..210°С), и, наконец, «точка вспышки» — когда перегретое масло, оставаясь жидким, вспыхивает на открытом воздухе (почти для всех кулинарных масел такое возгорание происходит в диапазоне 220..240°С).

Однако верно ли, что масло не кипит? На самом деле это не совсем так: натуральное растительное масло, не подвергавшееся глубокому рафинированию и очистке (а во времена Клема в массовых количествах другого и не было), представляет собой смесь множества фракций с различными температурами испарения, разложения и вспышки. Некоторые из них в минимальных количествах испаряются уже при комнатной температуре, обеспечивая запах продукта. Другие начинают испаряться при температуре около сотни градусов Цельсия, хотя во время кулинарной обработки этот процесс обычно происходит незамеченным и проявляется лишь в мерзком жирном налёте на кухонной мебели и потолке, который начинает образовываться особенно активно при интенсивной жарке, что соответствует температурам от 150°С и выше. Тем не менее, в этих процессах участвует лишь мизерная часть от общего количества масла, а всё остальное при атмосферном давлении продолжает находиться в жидком состоянии вплоть до достижения температуры «точки вспышки».

Следует отметить ещё одно важное свойство масла — его относительно высокую вязкость при комнатной температуре, которая быстро падает при повышении температуры и при температурах выше 100°С уже начинает приближаться к вязкости воды. С другой стороны, при понижении температуры масло не переходит резко в кристаллическую фазу, а относительно плавно увеливает свою вязкость вплоть до практически твёрдого (но аморфного) состояния.

Достаточно высокая вязкость масла в холодном состоянии приводит к большим потерям на трение при движении по каналам ротора и, соответственно, вызывает ускоренный разогрев конуса, но затем по мере прогрева вязкость масла очень сильно падает, снижая жидкостное трение и затрудняя черезмерный перегрев ротора на холостом ходу по этой причине. Дополнительный плюс использования растительного масла — создание благоприятной среды для работы частей двигателя, автоматически обеспечивающей смазку и защиту от коррозии, хотя использование для этих целей специальных технических масел, конечно, более эффективно.

Кроме того, следует отметить, что масло очень хорошо смачивает поверхности большинства металлов, в том числе сталь, медные и алюминиевые сплавы, а значит, его крайние слои, граничащие со стенками канала, могут эффективно вовлекаться этими стенками в движение, а благодаря высокой вязкости средние слои также охотно следуют за ними.

Почему Клем не стал использовать моторное или трансмиссионное масло? Возможно, дело в том, что в отличие от растительных они представляет собой значительно более однородные субстанции, причём у них температура кипения существенно выше температуры разложения и деградации.

В двигателях внутреннего сгорания и коробках передач высокое парообразование масла, а тем более его кипение, является очень нежелательным явлением, поэтому разработчики автомобильных масел специально стараются уменьшить образование паров во всём рабочем диапазоне температур — вплоть до 110..120°С. Вместе с тем они не предполагают длительную работу масла при температурах более 100..110°С, и потому при температурах выше 110..120°С моторные масла быстро разрушаются и теряют свои свойства.

Для кулинарных целей относительно высокое образование масляных паров не является ограничивающим фактором, а в некоторых случаях может быть даже желательным, но вот устойчивость к температурам от 130..150°С (обычная жарка) до 180..200°С (жарка во фритюре) — требование принципиальное. Поэтому кулинарное масло предпочтительнее моторного в двух случаях — если требуется как можно более высокое парообразование или если по каким-то причинам рабочая температура не может быть снижена менее 100°С.

Если же в работе двигателя Клема «виновата» кавитация с гидроударами, то преимущества масла перед водой неоспоримы. Дело в том, что испаряемость воды, особенно в разогретом состоянии, гораздо выше, чем у масла, даже горячего. В результате разрежение внутри кавитационных пузырьков будет хуже, и «схлопывание» их будет менее резким, чем в случае, когда пары внутри пузырька практически отсутствуют.

Стоит отметить, что есть и много других попыток объяснения работы этого двигателя. Например, стоит ознакомится с мнением В.С.Букреева.

 

Другие варианты двигателя Клема

«Классическое» изображение не является единственным вариантом конструкции — есть и вариант двигателя Клема с вертикальной осью вращения.



Вертикальный вариант двигателя Клема во время работы (URL оригинальной статьи и перевод терминов на русский язык добавлен мною).В этом варианте не только изменена ориентация оси вращения, но есть и более серьёзные отличия — например, насос используется только для старта системы, а затем масло поступает в полый вал и далее в конусный ротор самовсасыванием. Это рисунок из заслуживающей самого пристального внимания статьи Роберта Кунца о вероятном прототипе двигателя Клема, — её русский перевод можно прочесть на отдельной страничке. Однако следует иметь в виду, что эта конструкция в реальности, насколько мне известно, Кунцем воплощена не была, а предложенный им способ регулирования оборотов двигателя представляется мне технически несостоятельным.

Однако были и попытки сделать нечто подобное двигателю Клема в металле. Вот одна из них (судя по всему, отечественная) — гидрофорный генератор «Гаруда». Сведений о работоспособности этой конструкции я не имею.



 Ещё одна статья о двигателе CIBC Джима Рея появилась на сайте keelynet.com в 2009 г. 

Наконец, для полноты картины следует сказать несколько слов о других жидкостных конструкциях, использующих быстрое вращение роторов, турбин или просто жидкости и якобы способных работать «сами по себе». Возможно, некоторые из них используют те же принципы, что и двигатель Клема, хотя в качестве рабочего тела обычно используется вода. К сожалению, встречавшиеся мне в Интернете сведения о них крайне фрагментарны и туманны, однако можно заметить, что при запуске им обычно требуется этап разгона и прогрева, зачастую весьма длительный, и иногда упоминаются ограничения по минимальным размерам. В частности, для водяных конструкций в качестве минимального диаметра обычно указывается 1..1.5 м (скорость вращения при этом сохраняется в тайне).

Двигатель Клема с точки зрения термодинамики

Говоря о двигателе Клема, нельзя обойти вниманием термодинамику и гидродинамику. Сразу следует подчеркнуть один очень существенный момент. Если искать причину работы двигателя Клема именно в рамках термодинамики, то теплообменник двигателя Клема должен быть холодным и нагревать рабочую жидкость за счёт тепловой энергии окружающей среды — ибо в этих рамках взять ему энергию больше неоткуда. Однако все в один голос утверждают, что теплообменник был горячим и служил для охлаждения.

Кроме того, для отбора тепла из внешней среды за счёт термодинамических процессов — прежде всего адиабатического расширения газовой (парообразной) фазы и различной теплоты изменения агрегатных состояний в различных условиях — необходимо использовать рабочее тело с хорошей испаряемостью, как это сделано в традиционных тепловых насосах. Здесь неизбежно возникает проблема по максимальному снижению температуры «точки росы», для чего необходимо очень интенсивное удаление расширившегося охладившегося пара из области испарения. Но Клем в качестве оптимального рабочего тела выбрал практически некипящее масло, отвергнув воду и другие жидкости с высоким парообразованием. Поэтому складывается впечатление, что вообще парообразование ему было не только не нужно, но и вредно. Кроме того, нельзя исключать вероятность того, что выход каналов конуса открывался не в свободное пространство, как это показано на «классическом» рисунке, а в камеру, плотно заполненную маслом, — это ещё одна причина, по которой об интенсивном парообразовании на выходе сопел не может быть и речи.

Тем не менее, в работе этого двигателя, безусловно, действуют и термодинамические процессы — это и сжатие рабочей жидкости, и её нагрев, и выпрыскивание через форсунки с резким падением давления и весьма вероятным кавитационным парообразованием, по крайней мере частичным. Поэтому попытаемся рассмотреть двигатель Клема с точки зрения термодинамики и гидродинамики — в любом случае такой анализ будет не лишним, и возможно, покажет моменты, на которые следует обратить особо пристальное внимание. Однако поскольку на данный момент чисто термодинамическое объяснения работы двигателя Клема (естественно, с нарушением II начала термодинамики) представляется не соответствующим действительности, оно вынесено на отдельную страничку, а термодинамические процессы приходится считать играющими второстепенную роль. опубликовано  

 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! ©

Источник: //khd2.narod.ru/clem/clem.htm