Изо всіх кінських сил

Изо всіх кінських сил

Ирик Имамутдинов, Авдей Кирпичников В 1765 року англієць Джеймс Уатт винайшов паровий машину, поклавши початок довгою ланцюжку інновацій в двигунобудуванні. У 1860 року французький механік Етьєн Ленуар розробляє перший поршневий двигун внутрішнього згоряння. У 1889 року швед Карл Густав Патрік Лаваль, удосконалюючи молочний сепаратор, дійшов ідеї паровий турбіни. Мрії Костянтина Ціолковського про міжпланетних польотах на початку ХХ століття стимулюють створення жидкостно-реактивного двигуна. Всі ці винаходи, значно удосконалені, у тому чи іншою мірою визначають сьогоднішній технологічний ландшафт людської цивилизации.

Поршневые, газотурбінні і жидкостно-реактивные двигуни виробляють понад 60% усієї продукованої людством енергії. Попри численні альтернативні варіанти на кшталт атомних реакторів, паливних елементів, сонячних батарей та інші., левова частка корисною роботи виробляється установками, основу яких вмостилися ідеї столітньої давнини. Виробники двигунів загалом скептично ставляться до можливості радикально змінити технології. Тому, як у редакцію надійшов наступний винахідник, уверявший, що він зробив революцію у світовому двигунобудуванні, нам щось залишалося, як ховати іронічні усмішки. Втім, з’ясувавши, що нової розробкою цікавляться такі серйозні компанії, як «Даймлер-Крайслер», «Ман» і пояснюються деякі російські інвестори з вищої ліги середнього бізнесу, вирішили провести експертний опитування предмет доцільності інвестицій у доведення цього винаходи до серійного випуску. Виявилося, що «черговий винахідник» не божевільний і навіть мрійник. Колишній вэпэкашный інженер Михайло Кузнєцов розробив установку «Перун», яка мовою фахівців називається объемно-струйным двигуном (ДОС). Запропонована їм інновація, об'єднала суттєві риси своїх двигателей-предшественников — поршневого внутрішнього згоряння, газотурбінного і жидкостно-реактивного, цілком закономірна крок у ході розвитку двигунобудування (cм. також «Двигун працює» книжки «Грюндеры і грюндерство», гол. 16).

От машини до ракеты

Пока поршневі двигуни внутрішнього згоряння (ДВС) залишаються найпоширенішим класом теплових машин. Торік у світі їх випускають понад 40 кримінальних млн. Їх використовують переважно транспортних засобів і рідше — в энергоустановках. Цікаво, що це основні деталі, у тому числі цей двигун полягає - циліндр, поршень, свічки запалювання, існували вже у ленуаровском варіанті. Звісно, сучасний поршневий ДВС з ефективним ККД, сягаючим в дизельних моторах 50%, істотно відрізняється від своєї прародича, який палив 95% палива вхолосту, але загалом принцип роботи залишився тим же.

Преимущество поршневих ДВС у цьому, що вони забезпечують великий крутний момент що за різних швидкостях обертання мотора і різних режимах знімання від нього потужності. Але в цих установок низький показник виходу потужності на одиницю ваги — 0,8 кг/кВт, щодо низький ефективний ККД — близько тридцяти%, а питомий ефективний витрати становить середньому близько 250 г/кВт· ч. Попри всі хитрощі конструкторів, ці двигуни залишаються одними з основних забруднювачів довкілля: паливо цілком у циліндрі не згоряє, і це недолік не ліквідується нізащо рахунок управління плеканням якого і упорскуванням паливної суміші, нізащо рахунок дожигания вихлопних газов.

Еще один поширений тип ДВС — газотурбінні двигуни (ГТД). Струмінь пара чи продуктів горіння палива минає з сопла на лопаті турбіни, викликаючи її обертання; ККД таких двигунів сягає 90%. Проте значну частину (до 60%) вироблюваної механічної енергії доводиться витрачати привід компресора, який стискує потік повітря, що надходить камеру згоряння на її ж охолодження і збільшення повноти згоряння палива. Приміром, автомобільний ГТД «Блукач» розвиває близько 265 кВт потужності, та її ефективна складова втричі менше — близько 90 відсотків кВт. Високий в двигунах і питома ефективний витрати: 300…400 г/кВт· ч. До до того ж, що менше турбіна, тим вона оборотистее, отже, потрібна більш громіздка система редукторів. Так було в двигуні потужністю 40 кВт турбіна розкручується зі швидкістю 60 тис. обертів на хвилину. Відповідно, виготовлення ГТД економічно невигідно, якщо його потужність не перевищує 110 кВт. Це обмежує сферу застосування ГТД, і вони дуже рідко використовують у ролі, наприклад, автомобільних моторів. З іншого боку, вони незамінні в стаціонарної енергетиці та авіації, де необхідно виробництво таких потужностей, отримання яких поршневих силових пристроях було б економічно нецелесообразным.

Если вважати ККД головний критерій визначення ефективності двигунів, так далі створення рідинних реактивних двигунах (РРД) йти вже було нікуди. Паливо згоряє в камері повністю при високих температурах в тисячі градусів. Це забезпечує максимальний ККД при найчистішому вихлопі робочого тіла, що створює реактивну тягу. Але в низці причин — висока температура вихлопних газів, надзвичайно низький ресурс самого двигуна і, економічна недоцільність використання за невеликих потужностях — сфера їх застосування обмежується ракетно-космічної техникой.

«Перун» кидає вызов

Справедливости слід відзначити, що як перша спроба поліпшити характеристики двигуна внутрішнього згоряння з допомогою кардинального зміни однієї з основних елементів — поршня — було здійснено набагато раніше винаходи Кузнєцова. Фелікс Ванкель ще 1936 року здобув патент на роторну силову установку (перший автомобіль із таким мотором зійшов із конвеєра в 1963 року), у якій був зворотно-поступального руху поршня. Його потужність опинялася рівної потужності поршневого мотора з удвічі більшим робочим обсягом. Можливість створення потужного, але легені й малогабаритного двигуна викликала величезну зацікавленість із боку автомобілебудівників, десятками що стояли у черзі за купівлею ліцензії у виробництві (до речі, однією з останніх відзначився то й ВАЗ). Але конструктори, за рахунком, не змогли зменшити питома витрата палива, а ресурс роботи двигуна залишався вкрай низьким, тому великого поширення не получил.

После цього було спроби (у середині 50-х їх зробили американські інженери, а 70-х — японські) розробити принципову схему сферичної роторній машини (СРМ), совмещавшей принципи роботи поршневого і газотурбінного двигунів. Але особливим успіхом де вони увенчались.

Вскоре після серпня 1998 року втративши роботу Михайло Кузнєцов вирішив зайнятися втіленням ідеї, почерпнутою їм із публікації у журналі «Техніка — молоді» 35-річної давності. Саме там тодішній студент авіаційного технікуму вперше побачила схему об'ємної сферичної роторній машини. У тому 1999 року винахід було зареєстровано Російським агентством із приводу патентів і товарних знаків, а московський Міжнародний Інститут промислової власності оцінив інтелектуальну власність Кузнєцова в 5,64 млн долларов.

Кузнецов знайшов просте та гарне рішення: виніс камеру згоряння, працює в галузі принципу РРД, межі СРМ. Це значно підвищувало ресурс роботи двигуна. Професор МАІ, завідувач кафедри теорії авіаційних двигунів Валентин Рибаков бачить у цьому з головних переваг нової структури: «Окрема камера згоряння дозволяє використовувати усі переваги жидкостно-реактивных і газотурбінних двигунів». Можна досягти високих — до 2900 градусів за Цельсієм — температур робочого тіла, у своїй паливо буде вигорати повністю. До того ж, на думку професора, «таке рішення можна буде удосконалювати камеру згоряння окремо від інших складових двигуна, що, безумовно, важливо, коли проект почне реалізовуватися практически».

Роторный вузол утворює в порожнини корпусу СРМ два більш ширших контуру. Усі вони і двох камер змінного обсягу. За один оборот усі вони роблять повний робочий цикл (стиснення і розширення). Зміна робочих циклів відбувається автоматично з допомогою перекриття впускных і випускних каналів ротора.

При використанні в двигуні однієї СРМ один контур працює у ролі двигуна, а камери другого контуру — як компресора, завданням якого є подавати стиснений повітря камеру згоряння. Ще один родзинка винаходи Кузнєцова у тому, що можливі варіанти, у яких можна використовувати одночасно кілька роторних машин одному двигуні. Просте збільшення його числа дозволить управляти «літрової потужністю» всієї установки. Скажімо, його в літаку всі силові компоненти двигуна включатимуть при злеті, а при крейсерском режимі частина їх можна вивести в режим очікування. Це значно збільшує надійність і ресурс рухової установки загалом, що особливо важливо у авиации.

Профессор Технічного університету імені Тараса Баумана, завідувач кафедри поршневих і комбінованих рухових установок Микола Іващенко зазначає, що «Перун» особливо привабливий малої авіації. Співробітники його кафедри провели розрахунок математичну модель двигуна, який підтвердив його працездатність. Бауманские двигунів довели, що «Перун» має низьким питому вагу на одиницю ефективної потужності і, відповідно, невеликими габаритами. До речі, за розрахунками фахівців, якщо такий двигун розмістити у обсяги існуючого моторного відсіку сучасного танка, його потужність збільшиться вп’ятеро — з 2 тис. до 10 тис. кВт.

Валентин Рибаков зазначив, що роторна машина в двигуні Кузнєцова при порівнянні з газотурбінними пристроями потужностях робить значно менше оборотів (40-киловаттный ГТД обертається зі швидкістю 60 тис. обертів на хвилину, а СРМ сягає тієї ж потужності при 12 тис. обертів на хвилину), що спрощує редукційний механізм. Професіонали особливо підкреслюють такі переваги винаходи: відсутність поворотного механізму, високий механічний ККД і зокрема можливість використання установки як компресора чи гидронасоса.

Естественно, в повному обсязі технічні проблеми розв’язано: великі втрати при перетіканні продуктів спалювання палива з камери до камери, дорого обходиться необхідність точнейшей обробки деталей СРМ, міцність конструкції ротора при високих оборотах викликає сумніви. Але, як стверджує Микола Іващенко, «занадто багато запитань — характерна чорта нового». А Валентин Рибаков впевнений, що технічні питання можна було б розв’язати, якби справа не дійшла до стендових випробувань хоча самого досвідченого зразка. З цією як разів, і сталася заковика. По-перше, впровадження інновації цього рівня вимагає великих інвестицій і часу. Сам Кузнєцов стверджує, що з доведення його проекту до розуму знадобиться сім-десять років і проінвестували щонайменше 100…200 млн доларів. Перший етап — проектний — триватиме півтора року тюремного і коштуватимуть близько 100 тис. доларів. Наступний крок — виробництво кількох працюючих зразків — займе щонайменше року. Їх випробування мають внести корективи до розрахунків конструкторів і, відповідно, стати підвалинами подальшого розвитку виробництва. Обійдеться це менш як за мільйон доларів. Потім, якщо двигун справді покаже хороші характеристики, підуть витрати інша — виведення продукту серійне производство.

А по-друге, «Перун» кидає серйозний виклик традиційному двигунобудуванню. Авіаційні, автомобільні і энергостроительные концерни витратили вже чимало грошей на доведення старих ідей, їм це надто радикальний спосіб підвищення конкурентоспроможності своєї продукції. Можливо, тому переговори з потенційними інвесторами поки так нічого і привели.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.