ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА ДЛЯ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Владимир Николаевич Костюков

Традиционно на крупных судах в качестве двигательной установки устанавливали в основном паровые турбины или двухтактные малооборотные дизели. Двухтактный малооборотный дизель - наиболее экономичный двигатель, но он, кажется, уже достиг предела своей агрегатной мощности. Охлаждение огромных камер сгорания и поршней диаметром более метра, обеспечение надежности возвратно-поступательно движущихся узлов весом в десятки тонн остаются нелегкими задачами для современной промышленности. Главное преимущество больших малооборотных дизелей - возможность вращать напрямую крупные винты, пропульсивный к.п.д. которых уменьшается с увеличением частоты вращения. А можно ли совместить достоинства турбины и двухтактного дизеля?

Такую попытку и сделали авторы статьи, решив совместить двухтактный дизель с гидравлической турбиной. Дизель обладает рядом неоспоримых преимуществ. Большое давление предварительного сжатия и высокая температура в начале расширения продуктов сгорания позволяют наиболее эффективно использовать топливо. Но с этим двигателем приходится применять массивный механизм передачи мощности на рабочий вал.

Гидравлические турбины широко распространены в современной энергетике и в крупных агрегатах достигают весьма высоких к.п.д. Если говорить о крупном малооборотном двигателе, то, полагаем, именно гидравлическая турбина - лучший агрегат для эффективного преобразования его кинетической энергии (например - в реактивной турбине) в механическую работу. Для этого нужно, чтобы окружная скорость турбины была близкой к скорости истечения рабочего тела из нее. Это условие легко выполняется при сравнительно невысокой частоте вращения вала гидравлической турбины, но газовая и паровая турбины должны вращаться с огромными окружными скоростями. При относительно небольших давлениях газа или пара в 4…5 бар эти скорости достигают уже нескольких сотен метров в секунду.

Например, турбина ГТД вращает лопаточный воздушный компрессор, в котором также процесс идет при больших окружных скоростях. Для авиационных двигателей это большой плюс - авиационные турбины обладают малым весом и огромной удельной мощностью. А что делать, если вал нужно вращать с частотой 80…100 об/мин? Можно строить, например, многоступенчатые паровые или газовые турбины, но все равно частота вращения их валов будет слишком высока: необходима массивная понижающая передача. И эффективность использования топлива у турбины ниже, чем у дизеля. В длительном плавании разница достигает сотен и тысяч тонн топлива.

Газогидравлический двухтакный двигатель, вид спереди: 1- корпус, 3- отсеки-цилиндры, 5- окна, 6- сопла, 7- направляющий аппарат

Другая картина получается, если давление продуктов сгорания передать жидкости, например, воде, а затем использовать в гидравлической турбине. Идея эта конечно не новая, еще в начале ХХ века пытались строить двигатели по этому принципу. Мы постарались конструкцию максимально упростить. Для крупных агрегатов любая дополнительная деталь означает ухудшение конкурентных свойств.

Предлагаемая нами схема газогидравлического двигателя внутреннего сгорания внешне довольно проста. В герметичном корпусе, частично заполненном жидкостью, например, водой, на валу отбора мощности установлен ротор. В нем выполнены радиальные лопасти, образующие по периферии криволинейные лопатки турбины. Между лопастями образованы отсеки-цилиндры. Со стороны вала в отсеках выполнены отверстия, выходящие к торцовому распределителю, который расположен в корпусе двигателя. По окружности ротор примыкает с гарантированным зазором к корпусу, в котором расположен ряд сопел, периодически выходящих к лопаткам по периферии ротора при его вращении. Сопла соединены с направляющим аппаратом. Принцип работы двигателя тот же, как у обычного двухтактного дизеля. Воспламенение и расширение продуктов сгорания - рабочий ход, затем продувка при помощи турбокомпрессора, сжатие и снова рабочий ход. Потенциальная энергия сжатого горячего газа преобразуется в гидравлическом сопле в кинетическую энергию жидкости, при этом на лопатки ротора действует реактивная сила по оси сопла в сторону, противоположную движению струи жидкости, заставляя ротор вращаться. После поворота в направляющем аппарате жидкость поступает в другое сопло, вновь разгоняется в нем и поступает на лопатки ротора. Благодаря повороту потока жидкости на лопатках на валу ротора возникает крутящий момент. Оставшаяся энергия жидкости используется для сжатия воздуха в очередном отсеке - цилиндре ротора.

Система охлаждения двигателя поддерживает температуру воды около 100 °С, при этом вода фильтруется и проходит химическую подготовку для снижения кислотности. Специальным сепаратором может отделяться несгоревшее топливо и вновь направляться в двигатель. При контакте воды с раскаленными продуктами сгорания во время рабочего хода часть воды превращается в пар и поступает в турбину турбокомпрессора, увеличивая ее мощность, что позволяет снимать с турбины избыток мощности для вспомогательного оборудования. В такте сжатия часть воды, поступающей в отсеки, испаряется и смешивается с воздухом, снижая температуру продуктов сгорания и сдерживая образование NOx. Можно охлаждать только выхлопные газы после газовой турбины, а полученный конденсат после очистки направлять обратно в двигатель. Конденсат смешивается с циркулирующей в двигателе водой, которая его охлаждает. Пополнить потери воды в корабельном двигателе не составляет большого труда.

Газогидравлический двухтактный двигатель, вид сбоку: 1- корпус, 2- ротор, 4- распределитель, 7- направляющий аппарат, 8- турбокомпрессор

Обычно наибольший к.п.д. двигатели демонстрируют при работе на номинальной мощности. В газогидравлическом двигателе имеется возможность регулирования номинальной мощности. В зависимости от требуемой мощности специальное устройство регулирует наполнение отсеков рабочей жидкостью, тем самым легко изменяя литровый объем цилиндров и, соответственно, мощность двигателя в широких пределах. Кроме того, сопла направляющего аппарата могут быть регулируемыми. Вместо одного турбокомпрессора можно установить несколько; они будут подключаться или отключаться по мере изменения объема цилиндров. Общая надежность от этого только вырастет. Компания Honda установила недавно на трехлитровый мотор V6 систему Variable Cylinder Management, с которой, в зависимости от нагрузки, двигатель может работать как шестицилиндровый или как трехцилиндровый. При работе с переменным литровым объемом трехлитровый двигатель получился заметно экономичнее и экологически чище двигателей даже меньшего литрового объема.

Особая тема - перспективные водородные двигатели. Газогидравлический двигатель как будто специально разработан для работы в водородном цикле.

Газогидравлический двигатель практически не потребляет моторное масло, за исключением того, что идет на смазку и охлаждение подшипников. Ломаться здесь особенно нечему, отсюда - надежность и длительный срок службы, которые можно считать одними из главных его преимуществ.

Кроме того, вода и пар гасят звуковые колебания, поэтому двигатель работает значительно менее шумно.

Возможность регулирования частоты вращения вала двигателя на номинальной мощности, высокая надежность и длительный срок эксплуатации - качества, необходимые и для наземных энергетических установок - электростанций. Нагрузка в электрических сетях в течение дня постоянно меняется, и газогидравлический двигатель смог бы легко под нее подстраиваться и работать на всех режимах при максимальном к.п.д. Горячая вода может пойти на отопительные цели. При конденсации пара из выхлопных газов и последующей очистке конденсата существенно повышаются экологические показатели двигателя.

Газогидравлический двигатель можно использовать как расширительную машину в качестве ступени высокого и среднего давления паровой или газовой турбины. Для этого сжатый пар или газ нужно подавать через распределитель в отсеки-цилиндры газогидравлического двигателя, где они будут расширяться, совершая необходимую работу. Конструкция при этом упрощается - такт продувки уже не нужен.

В 2005 г. мы изготовили опытную модель четырехтактного газогидравлического двигателя. В двигатель подавали пропан-бутановую газовую смесь, зажигание происходило от обычной автомобильной свечи. Но средства закончились, и доводку двигателя тогда пришлось прекратить.

В заключение отметим, что современное двигателестроение идет по пути создания гибридов. Находит все более широкое применение гибрид двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя для автомобиля. Известны гибриды паровой и газовой турбин в парогазовых энергетических установках. Гибрид двигателя внутреннего сгорания и гидротурбины в начале ХХ века не состоялся. Может быть, он состоится на новом уровне техники, в начале XXI века?