Энергетика и промышленность России - избранные материалы.

Тепловые двигатели ХХI века

Возникшие перед человечеством проблемы экологической безопасности и истощения запасов углеводородного топлива требуют принятия срочных мер.

Эти меры должны сводиться к снижению отрицательного влияния современных тепловых двигателей на окружающую среду и повышению их эффективности и экономичности. Однако производителей современных двигателей это мало волнует.

Прекратить малоэффективную и дорогостоящую реанимацию морально устаревших традиционных тепловых двигателей (ТД) может только появление двигателей с технико-экономическими и экологическими показателями, в разы превышающими существующие.



Технический консерватизм

Термодинамика возникла в первой половине XIX века в связи с развитием теории тепловых машин. В качестве рабочих тел были приняты газы и водяной пар. Появились газовые законы, появился нереальный – но при этом идеальный – цикл Карно. Появились также реальные газовые и паровые рабочие циклы тепловых двигателей, ставшие классикой. Они до настоящего времени находят широкое применение в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. И по-прежнему цикл Карно считается максимально эффективным и уважаемым среди специалистов.

Таким образом, техническая термодинамика, зомбированная «эталонностью» нереального термодинамического цикла и формулы определения термического КПД Карно относительно нереального нижнего предела температуры по Кельвину, до настоящего времени твердо стоит на прежних позициях. Попыток что-либо существенно изменить не предпринимается.

Теория тепловых машин и двигателей также остается без каких-либо принципиальных изменений. Основой первых тепловых машин стал цилиндр с поршнем для совершения механической работы прямолинейного перемещения. Затем появился гибрид поршня с кривошипно-шатунным механизмом, позаимствованным от придуманной еще в XV веке самопрялки с ножным приводом, которая давно является музейным экспонатом.

Даже первобытному человеку на заре технического прогресса вряд ли пришла бы в голову мысль, что приводить во вращение ворот или блок рациональнее периодическими толчками в плоскости, совпадающей с осью вращения, чем приводить во вращение, создавая усилие перпендикулярно рычагу, соединенному с вращаемым валом. Однако кривошипно-шатунный механизм, реализующий этот явно нелогичный принцип, почти 250 лет используется в машинах и двигателях.

Теория тепловых двигателей, по-прежнему зажатая рамками поршневого цилиндра со степенью расширения, равной степени сжатия, не может выйти за пределы этих рамок. Она продолжает реанимацию поршневых ДВС неполного расширения введением систем турбонаддува, распределенного впрыска, многократного впрыска, изменения фаз газорас-пределения, увлажнения воздуха, впрыска топлива в состоянии пара, регулирования подъема впускных клапанов, рециркуляции отработавших газов, высокого давления впрыска, нейтрализации выхлопных газов и регенерационных систем. К давно появившимся циклам Карно, Ленуара, Отто, Дизеля, Тринклера, Хамфри, Эрикссона, Стирлинга, Брайтона – Джоуля, Гирна, Калины добавились новые циклы Аткинсона и Миллера – но каких-либо существенных изменений они не обеспечили.



Что возможно и невозможно в тепловых двигателях

Известно, что залогом достижения максимального термического КПД, выражаемого через количество тепла, являются как можно более высокие начальные параметры рабочего тела (давление и температура) – перед расширением и минимальные, близкие к окружающей среде, – после расширения. Кроме того, чтобы достичь такого КПД, необходимо также обеспечить и максимально эффективное преобразование давления, для чего необходим и максимально эффективный механизм преобразования давления рабочего тела во вращение вала.

Из определения термического КПД следует, что он тем выше, чем большая доля подведенной к рабочему телу теплоты превращается в работу. Естественным желанием является полное превращение теплоты в работу. Однако, по второму закону термодинамики, это невозможно. Часть теплоты должна быть отдана окружающей среде.

Из термодинамики следует, что теплота, подведенная к рабочему телу, идет на появление у рабочего тела двух видов энергии – внутренней энергии, мерой которой является температура, и потенциальной энергии давления, которая аналогична потенциальной энергии сжатой пружины. Механическую работу во всех тепловых двигателях совершает только потенциальная энергия давления.

Так как часть теплоты должна быть отдана окружающей среде, а она является носителем двух видов энергии, то ей фактически отдается и часть потенциальной энергии давления.

Соответственно, для тепловых двигателей второй закон необходимо дополнить следующим важным дополнением – часть потенциальной энергии давления рабочего тела должна быть отдана окружающей среде.

Таким образом, невозможно все давление рабочего тела использовать для совершения механической работы. Часть давления должна быть отдана окружающей среде.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, не обеспечивая более полного использования потенциальной энергии давления рабочего тела.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, преобразующих давление в механическую энергию вращения, не обеспечивая постепенного увеличения площади, воспринимающей давление, и одновременного удаления ее от центра вращения.

Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях, используя в качестве рабочего тела только газообразное.

Достижение максимального КПД возможно только при использовании в цикле расширения дополнительного рабочего тела, обладающего иными физическими свойствами, чем газ.

Достижение максимального КПД возможно только при максимальном использовании двух видов энергии, которой обладает рабочее тело перед расширением.

Невозможно достичь максимального КПД термодинамическими и рабочими циклами, не обеспечивающими полного использования энергии, которой обладает рабочее тело перед расширением.

Для достижения максимального КПД возможно использование не только потенциальной энергии давления газообразного рабочего тела, но и его внутренней энергии – при применении ее для генерации потенциальной энергии давления рабочего тела с иными свойствами, чем у газообразного, а именно – парообразующей жидкости.

Возможна генерация дополнительного рабочего тела непосредственно в процессе расширения газообразного.



Залог высокого КПД – максимальный крутящий момент

Рабочее тело в тепловом двигателе перед расширением обладает запасом потенциальной и внутренней тепловой энергии, но только потенциальная энергия (давление) рабочего тела преобразуется в механическую работу, а не температура. Температура необходима лишь для появления давления, которое и совершает работу. Об этом свидетельствует и формула крутящего момента. Даже после расширения до атмосферного давления рабочее тело имеет высокую температуру.

Для определения основных критериев оценки идеального теплового двигателя логичнее обратиться к формуле крутящего момента (Мкр), оценивающей конечный результат работы ТД, и проанализировать, как достичь максимальной величины Мкр.

Из формулы крутящего момента Мкр = Р х S х R (где Р – давление, S – активная площадь, R – радиус действия силы) следует, что для осуществления максимально эффективной работы при расширении рабочего тела необходимо обеспечить, по меньшей мере, его постоянство и максимальную величину. Что возможно, если поддерживать в процессе расширения максимальными площадь S и радиус R (или их произведение), то есть если увеличивать сомножители, входящие в формулу Мкр.

Идеальный механизм преобразования силы давления рабочего тела во вращательное движение вала должен обеспечивать увеличение объема за счет постепенного роста активной площади S, через которую передается усилие на вал, причем – при постоянном или растущем радиусе R приложения силы. Это и дает максимально возможный Мкр и, соответственно, мощность, которая зависит уже только от оборотов вала.



Использование парообразующей жидкости

Повысить степень использования тепловой энергии газов можно с помощью парообразующей жидкости – учитывая ее свойство при подводе одного и того же количества тепла запасать больше потенциальной энергии, чем газ. Это реализуется сейчас в парогазотурбинных установках, рассчитанных на совместное использование в двух тепловых циклах двух рабочих тел: газообразных продуктов сгорания топлива и водяного пара.

Для более глубокого использования тепла отработавших газов в газотурбинных двигателях (ГТД) применяются раздельные тепловые схемы установок с использованием газа и пара в контурах с отдельными газовыми и паровыми турбинами. В «хвост» ГТД пристраиваются парогенератор и паровые турбины. Они также преобразуют кинетическую энергию пара в механическую энергию вращения с такой же низкой эффективностью (не более 20 процентов) преобразования.

Известны контактные схемы, в которых газ и пар смешиваются в общий поток, поступающий в одну турбину. Пар здесь также генерируется в отдельном контактном парогенераторе. Однако в газовых турбинах необъемного расширения, работающих по циклу Брайтона, из-за опасности помпажа и разрушения лопаток турбины можно подать только водяной пар и только в ограниченном количестве.

Теорией и практикой доказано, что использование водяного пара в рабочих циклах не только позволяет более полно использовать теплоту газообразных продуктов сгорания, но и обеспечивает снижение удельного расхода горючего.

Соответственно, также воздуха и выхлопных газов, повышая их удельную экологическую чистоту.

Использование парообразующей жидкости для повышения КПД газовых циклов возможно во всех типах тепловых двигателей, осуществляющих преобразование теплоты в механическую работу.



Максимальный КПД

В настоящее время в тепловых двигателях реализуются или только газовые, или только паровые циклы.

Среди используемых газовых максимальные начальные параметры давления и температуры (Р и Т) рабочих газов имеют циклы, реализуемые в тепловых двигателях объемного расширения. А невысокие, но обеспечивающие полное использование давления газов начальные параметры имеют циклы в двигателях необъемного расширения газотурбинных двигателей.

Первой перед автором стояла задача создать двигатель объемного расширения, в котором бы непрерывно реализовывался процесс создания газообразного рабочего тела с максимальными начальными Р и Т (характерными для двигателей объемного расширения), с дальнейшим расширением их до минимальных Р и Т (характерных для газотурбинных двигателей необъемного расширения).

Однако, обеспечивая максимально полное расширение, необходимо было также решить задачу максимально эффективного преобразования давления, обеспечив максимальный крутящий момент. А как следует из формулы, максимальный Мкр может быть достигнут при одновременном росте активной площади S и радиуса R. В большей степени это может обеспечить кинематический механизм, в котором процесс расширения будет происходить по траектории, подобной плоской спирали Архимеда.



Турбина объемного расширения

В современных осевых газовых и паровых турбинах необъемного расширения один поток рабочего тела движется в направлении оси вала турбины. При этом крутящий момент создает окружная сила, возникающая на лопатках ротора турбины и действующая перпендикулярно осевому потоку.

Известна однопоточная радиальная турбина необъемного расширения, предложенная в 1912 году в Швеции братьями Юнгстрем. Рабочее тело в ней движется при расширении от центра к периферии – в плоскости, перпендикулярной оси турбины. В ней нет неподвижных сопловых лопаток, два ротора вращаются в противоположных направлениях, и мощность, развиваемая турбиной, передается двум валам. Как и осевые турбины, она использует кинетическую энергию одного потока и является чисто реактивной.

Турбина объемного расширения (ТОР) является радиальной двухпоточной. В ней два потока рабочего тела движутся при расширении в плоскостях, перпендикулярных оси турбины, – однако, в отличие от известной, здесь используется не кинетическая энергия, а потенциальная энергия давления.

Она содержит два зеркально идентичных блока кольцевых цилиндров, между которыми эксцентрично установлен общий для двух проточных частей ротор. При использовании в составе ДВС он является общим рабочим колесом и для работы компрессоров, и для предварительного расширения газов, и для дорасширения газов или газопаровой смеси.

На планшайбе ротора, с двух торцевых сторон, для компрессорных полостей цилиндров и полостей предварительного бесступенчатого расширения газов каждого блока выполнены цилиндрические выступы, взаимодействующие через кинематические механизмы (шарниры) с лопастями или, как вариант, с лопатками рабочего колеса. Для цилиндров ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси предусмотрены лопатки. Один шарнир, проходящий сквозь планшайбу ротора, может одновременно использоваться для лопастей левого и правого цилиндров.

Изменением размеров поперечного сечения и количеством кольцевых цилиндров обеспечивается любая требуемая степень расширения газа или газопаровой смеси.

Во втором варианте радиальная турбина содержит ступени необъемного расширения. На боковых поверхностях ротора кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки рабочих ступеней, а на внутренних боковых поверхностях блоков цилиндров, также кольцами, – неподвижные сопловые лопатки. После сборки турбины подвижные лопатки ротора чередуются с неподвижными лопатками цилиндров, образуя ступени расширения. Подвод рабочего тела осуществляется не парциально, как в турбине объемного расширения, а по всей окружности.

Оба варианта турбин могут использоваться и как дорасширительные в ДВС, и в качестве расширительных с внешним подводом пара – вместо традиционных паровых турбин.

При использовании обоих вариантов турбин в составе двигателя внутреннего сгорания полости цилиндров в каждом блоке последовательно (от центра к периферии – от впускного окна до выпускного) сообщаются между собой с образованием проточной части. Проточная часть содержит одну (впрыск, карбюратор) или две (дизель) кольцевые полости сжатия, перепускной канал, полости дожатия, воспламенения и предварительного объемного бесступенчатого расширения рабочих газов. А также – центробежную, спиралеобразную проточную часть ступенчатого расширения газов или газопаровой смеси.

Непрерывный, радиально-центро­бежный, спиралеобразный характер движения рабочего тела при расширении позволяет резко улучшить эффективность преобразования потенциальной энергии непосредственно в механическую. А соответственно – резко снизить удельный расход горючего и габаритно-весовые характеристики двигателя.



Газопаровой турбодвигатель

В ГПТД реализуется гибридный непрерывный рабочий цикл, состоящий из двух известных, осуществляемых раздельно в ДВС и паровых или газовых турбинах. При этом объединение двух рабочих циклов в один непрерывный обеспечивает срабатывание почти всего избыточного давления и почти всего избыточного тепла рабочих газов и пара и, соответственно, обеспечивает их суммарный КПД.

По существу, на газовый цикл традиционных ДВС, остаточная энергия газообразных продуктов сгорания которых велика и не используется, наложен паровой цикл, использующий теплоту предварительно расширившихся газов для генерации пара и его дальнейшего объемного расширения с ними до атмосферного давления газов и начала конденсации пара в жидкость.

В ГПТД обеспечивается «паровозная» тяга – большой крутящий момент при малой частоте вращения ротора, т. е. минимальный скоростной коэффициент и линейная характеристика крутящего момента, что при использовании турбодвигателя в мобильных транспортных средствах исключит необходимость применения многоступенчатых коробок передач.

Регулировка крутящего момента и, соответственно, мощности может осуществляться изменением подачи горючего и воды (или только воды – для мощных турбодвигателей) перепуском газопаровой смеси через ступень (по аналогии с паровыми турбинами).

Использование в рабочем цикле ГПТД водяного пара позволит не только более полно использовать теплоту продуктов сгорания, но и резко снизить удельный расход горючего, воздуха и выхлопных газов, обеспечивая их полную экологическую чистоту.

Известно, что в ДВС на сжигание 1 килограмма горючего в среднем расходуется 15 килограммов воздуха, а в авиационных ГТД – в 6-7 раз больше. В ГПТД удельный расход воздуха в 8-10 раз меньше, чем в ДВС, и в 50-60 раз меньше, чем в авиационных двигателях.

Эффективность использования водяного пара в рабочем цикле ДВС для снижения токсичности выхлопных газов доказана исследованиями специалистов. Однако при этом не оценивается влияние попадающих в атмосферу токсичных паров воды, после конденсации которых растворенные твердые и газообразные токсичные вещества попадают в почву и атмосферу, т. е. в целом выхлоп остается токсичным.

При работе ГПТД обеспечивается полная экологическая чистота выхлопных газов. Токсичные газообразные и твердые вещества продуктов сгорания, растворенные в процессе расширения в водяном паре, остаются в контуре двигателя в конденсате, который периодически может сливаться, нейтрализовываться, а выделенные токсичные отходы утилизироваться.

В отличие от традиционных ДВС система охлаждения в ГПТД используется не для отвода избыточного тепла в атмосферу, а в качестве рекуперативного теплообменника. Она отводит тепло, образующееся при сжатии топливовоздушной смеси или воздуха, и избыточное тепло продуктов сгорания на предварительный нагрев второго рабочего тела – парообразующей жидкости.

В ГТД и ГПТД механические потери имеют место только в цилиндрах, в которых установлены лопасти и которые выполняют функции компрессора и предварительного расширения газообразных продуктов сгорания. При этом для герметизации стыков используются простые, надежные кольцевые торцевые уплотнения, характеризующиеся минимальным моментом трения и обеспечивающие высокий механический КПД.

В цилиндрах, которые выполняют функцию расширения газовой или газопаровой смеси и в которых перемещаются лопатки ротора, механические потери отсутствуют вообще, при этом в них создается основная доля крутящего момента и, соответственно, мощности турбодвигателя.

Расчеты показали, что фактически за счет тепловой энергии (теряемой в традиционных двигателях через систему охлаждения и с выхлопными газами) в газопаровом турбодвигателе объемного расширения до 70 процентов мощности, то есть больше половины, создается за счет нового газопарового термодинамического цикла и за счет оригинального механизма преобразования потенциальной энергии в механическую – турбины объемного расширения.

Турбодвигатель обеспечивает работу на всех видах углеводородного топлива, используемого для традиционных двигателей с внешним и внутренним подводом теплоты и, соответственно, реализацию всех известных рабочих циклов ДВС. Самым эффективным, как и в поршневых ДВС, является «дизельный» вариант ГПТД.

Предварительные расчеты основных технических характеристик ГПТД позволяют утверждать, что для создания мощности в 1 кВт он будет потреблять примерно в 8-10 раз меньше горючего, чем потребляют лучшие образцы современных ДВС, соответственно в 8-10 раз меньше потреблять атмосферного кислорода и выбрасывать в атмосферу нетоксичных выхлопных газов. Удельные потери тепла в атмосферу снизятся не менее чем в 15 раз.

Эффективный КПД может достигать 75-80 процентов, то есть в два раза выше, чем обеспечивают лучшие образцы современных тепловых двигателей. При использовании тепла пара или горячего конденсата потребителями тепловой энергии (промышленная ТЭЦ или автономная мини-ТЭЦ) термический КПД может достигать 90 процентов, в условиях космоса – до 92 процентов.

Обеспечить вышеуказанные показатели удалось, создав совершенные кинематический механизм преобразования давления в крутящий момент и комбинированный (бинарный) газопаровой термодинамический цикл с использованием в качестве рабочего тела газопаровой смеси.

Появление адиабатного газопарового турбодвигателя объемного расширения, по мнению автора, вполне может завершить эпоху существования всех типов поршневых и роторно-лопастных ДВС неполного расширения и неполного использования теплоты газообразного рабочего тела.

Владимир РОМАНОВ