З усіх кінських сил
Ірік Імамутдінов, Авдію Кирпичников
У 1765 році англієць Джеймс Ватт винайшов парову
машину, поклавши початок довгому ланцюжку інновацій в двигунобудування. У 1860
році французький механік Етьєн Ленуар розробляє перший поршневий двигун
внутрішнього згоряння. У 1889 році швед Карл Густав Патрік Лаваль, удосконалюючи
молочний сепаратор, приходить до ідеї парової турбіни. Марення Костянтина
Ціолковського про міжпланетні польоти на початку нашого століття стимулюють створення
рідинно-реактивного двигуна. Усі ці винаходи, значно
вдосконалені, тією чи іншою мірою визначають сьогоднішній
технологічний ландшафт людської цивілізації.
Поршневі, газотурбінні і рідинно-реактивні
двигуни виробляють понад 60% усієї вироблюваної людством енергії.
Незважаючи на численні альтернативні варіанти на зразок атомних реакторів,
паливних елементів, сонячних батарей та ін., левова частка корисної роботи
проводиться установками, в основі яких лежать ідеї сторічної давності.
Виробники двигунів у цілому скептично ставляться до можливості радикально
змінити технології. Тому, коли в редакції прийшов черговий винахідник,
запевняв, що він зробив революцію в світовому двигунобудування, нам нічого не
залишалося, як ховати іронічні посмішки. Втім, коли з'ясувалося, що
новою розробкою цікавляться такі серйозні компанії, як
«Даймлер-Крайслер», «Ман» і деякі російські інвестори з вищої ліги
середнього бізнесу, ми вирішили провести експертне опитування на предмет
доцільності інвестицій у доведення цього винаходу до серійного випуску.
Виявилося, що «черговий винахідник» не божевільний і навіть не мрійник.
Колишній вепекашний інженер Михайло Кузнєцов розробив установку «Перун», яка
мовою фахівців називається об'ємно-струменевих двигуном (ДОС).
Запропонована ним інновація, що об'єднала істотні риси своїх
двигунів-попередників - поршневого внутрішнього згоряння, газотурбінного і
рідинно-реактивного, цілком закономірний крок у ході розвитку
двигунобудування (див. також «Двигун працює» книги «Грюндери і
грюндерство », гол. 16).
Від машини до ракети
Поки поршневі двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ)
залишаються найпоширенішим класом теплових машин. За рік у світі їх
випускають понад 40 млн. Вони використовуються в більшості транспортних засобів і
рідше - в енергоустановках. Цікаво, що всі основні деталі, з яких цей
двигун складається - циліндр, поршень, свічки запалювання, існували вже в
ленуаровском варіанті. Звичайно, сучасний поршневий ДВС з ефективним ККД,
що досягає в дизельних моторах 50%, істотно відрізняється від свого
прабатька, який палив 95% палива вхолосту, але в цілому принцип роботи
залишився тим самим.
Перевага поршневих ДВС в тому, що вони забезпечують
великий крутний момент при різних швидкостях обертання мотора і різних
режимах знімання з нього потужності. Але у цих установок низький показник виходу
потужності на одиницю ваги - 0,8 кг/кВт, відносно низький ефективний ККД --
близько 30%, а питома ефективний витрата палива складає в середньому близько 250
г/кВт • ч. Незважаючи на всі хитрощі конструкторів, ці двигуни залишаються одними
з основних забруднювачів навколишнього середовища: паливо повністю в циліндрі не згорає,
і цей недолік не ліквідується ні за рахунок комп'ютерного управління
створенням і уприскуванням паливної суміші, ні за рахунок допалювання вихлопних газів.
Ще один поширений тип ДВС - газотурбінні
двигуни (ВМД). Струмінь пари або продуктів горіння палива закінчується з сопла на
лопаті турбіни, викликаючи її обертання; ККД таких двигунів досягає 90%.
Проте значну частину (до 60%) виробляється механічної енергії
доводиться витрачати на привід компресора, який стискає потік повітря,
що надходить в камеру згоряння для її ж охолодження і для збільшення повноти
згоряння палива. Наприклад, автомобільний ВМД "Ровер" розвиває близько 265 кВт
потужності, а її ефективна складова в три рази менше - близько 90 кВт. Високий
в таких двигунах і ефективний питома витрата палива: 300 ... 400 г/кВт • ч. До
того ж, чим менше турбіна, тим вона спритний, а значить, потрібна більш
громіздка система редукторів. Так, у двигуні потужністю 40 кВт турбіна
розкручується зі швидкістю 60 тис. обертів на хвилину. Відповідно,
виготовлення ВМД економічно невигідно, якщо його потужність складає менше 110
кВт. Це обмежує область застосування ВМД, і вони вкрай рідко використовуються в
як, наприклад, автомобільних моторів. З іншого боку, вони незамінні в
стаціонарній енергетиці та авіації, де необхідно виробництво таких потужностей,
отримання яких на поршневих силових пристроях було б економічно
недоцільним.
Якщо вважати ККД головним критерієм визначення
ефективності двигунів, то далі створення рідинних реактивних двигунах
(ЖРД) йти було вже нікуди. Паливо згорає в камері повністю при температурах
в тисячі градусів. Це забезпечує максимальний ККД при самому чистому вихлопі
робочого тіла, що створює реактивну тягу. Але з ряду причин - висока
температура вихлопних газів, вкрай низький ресурс самого двигуна і, головне,
економічна недоцільність використання при невеликих потужностях - сфера
їх застосування обмежується ракетно-космічною технікою.
«Перун» кидає виклик
Справедливості заради варто відзначити, що перша спроба
поліпшити характеристики двигуна внутрішнього згоряння за рахунок кардинального
зміни одного з основних елементів - поршня - була зроблена задовго до
винаходи Кузнецова. Фелікс Ванкеля ще в 1936 році отримав патент на
роторну силову установку (перший автомобіль з таким мотором зійшов з конвеєра
в 1963 році), в якій вже не було зворотно-поступального руху поршня.
Його потужність виявлялася рівній потужності поршневого мотора з удвічі більшим
робочим об'ємом. Можливість створення потужного, але легкого і малогабаритного
двигуна викликала величезний інтерес з боку автомобілебудівників, десятками
що стояли в черзі за купівлею ліцензії на його виробництво (до речі, одним з
останніх відзначився там і ВАЗ). Але конструктори, за великим рахунком, так і не
змогли зменшити питомі витрати палива, а ресурс роботи двигуна залишався
вкрай низьким, тому великого поширення він не отримав.
Після цього були спроби (у середині 50-х їх
зробили американські інженери, а в 70-х - японські) розробити
принципову схему сферичної роторної машини (CPM), який поєднував принципи
роботи поршневого і газотурбінного двигунів. Але особливим успіхом вони не
увінчалися.
Незабаром після серпня 1998 року втратив роботу Михайло
Кузнєцов вирішив зайнятися втіленням ідеї, почерпнутої їм з публікації в
журналі «Техніка - молоді» 35-річної давності. Саме там тодішній студент
авіаційного технікуму вперше побачив схему об'ємної сферичної роторної
машини. У березні 1999 року винахід було зареєстровано Російським
агентством по патентах і товарних знаках, а московський Міжнародний інститут
промислової власності оцінив інтелектуальну власність Кузнецова в
5,64 млн доларів.
Кузнецов знайшов просте і красиве рішення: виніс
камеру згоряння, що працює за принципом ЖРД, за межі СРМ. Це значно
підвищувало ресурс роботи двигуна. Професор МАІ, завідувач кафедри теорії
авіаційних двигунів Валентин Рибаков бачить в цьому одне з головних
переваг нового пристрою: «Окрема камера згоряння дозволяє
використовувати всі переваги рідинно-реактивних і газотурбінних двигунів ».
Можна досягти високих - до 2900 градусів за Цельсієм - температур робочого тіла,
при цьому паливо буде вигорати повністю. До того ж, на думку професора,
«Таке рішення дасть можливість удосконалювати камеру згоряння окремо від
інших складових двигуна, що, безумовно, важливо, коли проект почне
реалізовуватися практично ».
Роторний вузол утворює в порожнині корпусу СРМ два розширювальних
контуру. Кожен з них складається з двох камер змінного об'єму. За один оборот
всі вони роблять повний робочий цикл (стиснення і розширення). Зміна робочих
циклів відбувається автоматично за рахунок перекриття впускних і випускних каналів
ротора.
При використанні в двигуні однієї СРМ один контур
працює як двигун, а камери другого контуру - у якості
компресора, завдання якого подавати стиснене повітря в камеру згоряння. Ще один
родзинка винаходи Кузнецова полягає в тому, що можливі варіанти, в яких
можна використовувати одночасно кілька роторних машин в одному двигуні.
Просте збільшення їх числа дозволить керувати «літрової потужністю» всієї
установки. Скажімо, в літаку всі силові компоненти двигуна будуть включатися
при зльоті, а при крейсерському режимі частину з них можна вивести в режим
очікування. Це істотно збільшує надійність і ресурс рухової
установки в цілому, що особливо важливо в авіації.
Професор Технічного університету імені Баумана,
завідувач кафедрою поршневих і комбінованих рухових установок Микола
Іващенко відзначає, що «Перун» особливо привабливий для малої авіації.
Співробітники його кафедри провели розрахунок математичної моделі двигуна, який
підтвердив його працездатність. Бауманський двигунниками довели, що «Перун»
володіє низькою питомою вагою на одиницю ефективної потужності і,
відповідно, невеликими габаритами. До речі, за розрахунками фахівців, якщо
такий двигун помістити в обсяги існуючого моторного відсіку сучасного
танка, то його потужність збільшиться в п'ять разів - з 2 тис. до 10 тис. кВт.
Валентин Рибаков зазначив, що роторна машина в
двигуні Кузнецова при порівнянних з газотурбінними пристроями потужностях
здійснює значно менше число оборотів (40-кіловатний ВМД обертається зі
швидкістю 60 тис. обертів на хвилину, а СРМ досягає тієї ж потужності при 12
тис. обертів на хвилину), що спрощує редукційний механізм. Професіонали
особливо підкреслюють наступні переваги винаходу: відсутність зворотного механізму,
високий механічний ККД і можливість використання встановлення в якості
компресора або гідронасос.
Природно, не всі технічні проблеми вирішені:
великі втрати при перетіканні продуктів спалювання палива з камери в камеру,
дорого обходиться необхідність точної обробки деталей СРМ, міцність
конструкції ротора при високих оборотах викликає сумніви. Але, як говорить
Микола Іващенко, «дуже багато питань - характерна риса всього нового». А
Валентин Рибаков упевнений, що технічні питання можна було б вирішити, якби
справа дійшла до стендових випробувань хоча б одного досвідченого зразка. З цим як
раз і сталася заковика. По-перше, впровадження інновації такого рівня вимагає
великих інвестицій і часу. Сам Кузнецов стверджує, що для доведення його
проекту до розуму знадобиться сім-десять років і не менш 100 ... 200 млн доларів.
Перший етап - проектно - може зайняти півтора роки і коштуватиме близько 100 тис.
доларів. Наступний крок - виробництво декількох працюючих зразків - займе
не менше року. Їх випробування повинні внести корективи в розрахунки конструкторів і,
відповідно, стати основою для подальшого виробництва. Обійдеться це не
менше ніж у мільйон доларів. Потім, якщо двигун дійсно покаже
гарні характеристики, підуть іншого порядку витрати - на виведення продукту в
серійне виробництво.
А по-друге, «Перун» кидає серйозний виклик
традиційному двигунобудування. Авіаційні, автомобільні та
енергобудівний концерни вже витратили чимало грошей на доведення старих ідей,
для них це занадто радикальний спосіб підвищити конкурентоспроможність своєї
продукції. Може бути, тому переговори з потенційними інвесторами поки так
ні до чого й не привели.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані
матеріали з сайту http://www.nt.org.ru
