Состоится ли русская революция в двигателестроении?

В 1765 году англичанин Джеймс Уатт изобрел паровую машину, положив начало длинной цепочке инноваций в двигателестроении. В 1860 году французский механик Этьен Ленуар разрабатывает первый поршневой двигатель внутреннего сгорания. В 1889 году швед Карл Густав Патрик Лаваль, совершенствуя молочный сепаратор, приходит к идее паровой турбины. Грезы Константина Циолковского о межпланетных полетах в начале нашего века стимулируют создание жидкостно-реактивного двигателя. Все эти изобретения, значительно усовершенствованные,…Состоится ли русская революция в двигателестроении?Состоится ли русская революция в двигателестроении?
В 1765 году англичанин Джеймс Уатт изобрел паровую машину, положив начало длинной цепочке инноваций в двигателестроении. В 1860 году французский механик Этьен Ленуар разрабатывает первый поршневой двигатель внутреннего сгорания. В 1889 году швед Карл Густав Патрик Лаваль, совершенствуя молочный сепаратор, приходит к идее паровой турбины. Грезы Константина Циолковского о межпланетных полетах в начале нашего века стимулируют создание жидкостно-реактивного двигателя. Все эти изобретения, значительно усовершенствованные, в той или иной степени определяют сегодняшний технологический ландшафт человеческой цивилизации.
Поршневые, газотурбинные и жидкостно-реактивные двигатели производят более 60% всей вырабатываемой человечеством энергии. Несмотря на многочисленные альтернативные варианты вроде атомных реакторов, топливных элементов, солнечных батарей и проч., львиная доля полезной работы производится установками, в основе которых лежат идеи столетней давности. Производители двигателей в целом скептически относятся к возможности радикально изменить технологии. Поэтому, когда в редакцию пришел очередной изобретатель, уверявший, что он совершил революцию в мировом двигателестроении, нам ничего не оставалось, как прятать иронические улыбки. Впрочем, когда выяснилось, что новой разработкой интересуются такие серьезные компании, как «Даймлер-Крайслер», «Ман» и некоторые российские инвесторы из высшей лиги среднего бизнеса, мы решили провести экспертный опрос на предмет целесообразности инвестиций в доводку этого изобретения до серийного выпуска. Оказалось, что «очередной изобретатель» не сумасшедший и даже не мечтатель. Бывший вэпэкашный инженер Михаил Кузнецов разработал установку «Перун», которая на языке специалистов называется объемно-струйным двигателем (ДОС). Предлагаемая им инновация, объединившая существенные черты своих двигателей-предшественников — поршневого внутреннего сгорания, газотурбинного и жидкостно-реактивного, вполне закономерный шаг в ходе развития двигателестроения.От машины до ракеты
Пока поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) остаются самым распространенным классом тепловых машин. За год в мире их выпускают более 40 млн. Они используются в большинстве транспортных средств и реже — в энергоустановках. Интересно, что все основные детали, из которых этот двигатель состоит — цилиндр, поршень, свечи зажигания, существовали уже в ленуаровском варианте. Конечно, современный поршневой ДВС с эффективным кпд, достигающим в дизельных моторах 50%, существенно отличается от своего прародителя, который жег 95% топлива вхолостую, но в целом принцип работы остался тем же.
Преимущество поршневых ДВС в том, что они обеспечивают большой крутящий момент при различных скоростях вращения мотора и различных режимах съема с него мощности. Но у этих установок низкий показатель выхода мощности на единицу веса — 0,8 кг/кВт, относительно низкий эффективный кпд — около 30%, а удельный эффективный расход топлива составляет в среднем около 250 г/кВтщч. Несмотря на все ухищрения конструкторов, эти двигатели остаются одними из основных загрязнителей окружающей среды: топливо полностью в цилиндре не сгорает, и этот недостаток не ликвидируется ни за счет компьютерного управления созданием и впрыском топливной смеси, ни за счет дожигания выхлопных газов.
Еще один распространенный тип ДВС — газотурбинные двигатели (ГТД). Струя пара или продуктов горения топлива истекает из сопла на лопасти турбины, вызывая ее вращение; кпд таких двигателей достигает 90%. Однако значительную часть (до 60%) вырабатываемой механической энергии приходится расходовать на привод компрессора, который сжимает поток воздуха, поступающего в камеру сгорания для ее же охлаждения и для увеличения полноты сгорания топлива. К примеру, автомобильный ГТД «Ровер» развивает около 265 кВт мощности, а ее эффективная составляющая в три раза меньше — около 90 кВт. Высок в таких двигателях и удельный эффективный расход топлива: 300400 г/кВтщч. К тому же, чем меньше турбина, тем она оборотистее, а значит, нужна более громоздкая система редукторов. Так, в двигателе мощностью 40 кВт турбина раскручивается со скоростью 60 тыс. оборотов в минуту. Соответственно, изготовление ГТД экономически невыгодно, если его мощность составляет менее 110 кВт. Это ограничивает область применения ГТД, и они крайне редко используются в качестве, например, автомобильных моторов. С другой стороны, они незаменимы в стационарной энергетике и авиации, где необходимо производство таких мощностей, получение которых на поршневых силовых устройствах было бы экономически нецелесообразным.
Если считать кпд главным критерием определения эффективности двигателей, то дальше создания жидкостных реактивных двигателях (ЖРД) идти было уже некуда. Топливо сгорает в камере полностью при температурах в тысячи градусов. Это обеспечивает максимальный кпд при самом чистом выхлопе рабочего тела, создающего реактивную тягу. Но по ряду причин — высокая температура выхлопных газов, крайне низкий ресурс самого двигателя и, главное, экономическая нецелесообразность использования при небольших мощностях — сфера их применения ограничивается ракетно-космической техникой.«Перун» бросает вызов
Справедливости ради стоит отметить, что первая попытка улучшить характеристики двигателя внутреннего сгорания за счет кардинального изменения одного из основных элементов -поршня — была предпринята задолго до изобретения Кузнецова. Феликс Ванкель еще в 1936 году получил патент на роторную силовую установку (первый автомобиль с таким мотором сошел с конвейера в 1963 году), в которой уже не было возвратно-поступательного движения поршня. Его мощность оказывалась равной мощности поршневого мотора с вдвое большим рабочим объемом. Возможность создания мощного, но легкого и малогабаритного двигателя вызвала огромный интерес со стороны автомобилестроителей, десятками стоявших в очереди за покупкой лицензии на его производство (кстати, одним из последних отметился там и ВАЗ). Но конструкторы, по большому счету, так и не смогли уменьшить удельный расход топлива, а ресурс работы двигателя оставался крайне низким, поэтому большого распространения он не получил.
После этого были попытки (в середине 50х их предприняли американские инженеры, а в 70х — японские) разработать принципиальную схему сферической роторной машины (СРМ), совмещавшей принципы работы поршневого и газотурбинного двигателей. Но особым успехом они не увенчались.
Вскоре после августа 1998 года потерявший работу Михаил Кузнецов решил заняться воплощением идеи, почерпнутой им из публикации в журнале «Техника молодежи» 35летней давности. Именно там тогдашний студент авиационного техникума впервые увидел схему объемной сферической роторной машины. В марте 1999 года изобретение было зарегистрировано Российским агентством по патентам и товарным знакам, а московский Международный институт промышленной собственности оценил интеллектуальную собственность Кузнецова в 5,64 млн долларов.
Кузнецов нашел простое и красивое решение: вынес камеру сгорания, работающую по принципу ЖРД, за пределы СРМ. Это значительно повышало ресурс работы двигателя. Профессор МАИ, заведующий кафедрой теории авиационных двигателей Валентин Рыбаков видит в этом одно из главных преимуществ нового устройства: «Отдельная камера сгорания позволяет использовать все преимущества жидкостно-реактивных и газотурбинных двигателей». Можно достичь высоких — до 2900 градусов по Цельсию — температур рабочего тела, при этом топливо будет выгорать полностью. К тому же, по мнению профессора, «такое решение даст возможность совершенствовать камеру сгорания отдельно от других составляющих двигателя, что, безусловно, важно, когда проект начнет реализовываться практически».
Роторный узел образует в п

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.