У паровой машины — славное прошлое. В 2010 году исполнилось 245 лет со дня первого пуска стационарной паровой машины по проекту русского механика Н.И. Ползунова. А 75 лет назад была построена первая советская высокооборотная паровая машина, которая могла «разгоняться» до 1800 об/мин!

Стоит ли вспоминать об этом в наш век высоких технологий? Оказывается, да. Потому что паровые поршневые двигатели вновь могут найти себе применение.

Интересная деталь: на самолете, разработанном А.Ф. Можайским в конце XIX в., стоял паровой двигатель. И тот паровой мотор, которому в этом году исполняется 75 лет, тоже предназначался для силовой установки самолета. Он был спроектирован в Московском авиационном техникуме и работал на перегретом паре с давлением 6,1 МПа (61 атм) и температурой 380 °C.

Придумали же его потому, что некоторые виды паровых моторов, вопреки распространенному мнению, обладают довольно высокими КПД и надежностью, хорошими тяговыми характеристиками и многими другими положительными качествами. Впрочем, несмотря на неоднократные попытки, паровые двигатели в авиации так и не прижились. Но это не значит, что им нельзя найти применение на земле.

В последнее время в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве инженеры все чаще задумываются о целесообразности комбинированного производства электрической и тепловой энергии на малых теплоэлектроцентралях (мини-ТЭЦ), расположенных в непосредственной близости от потребителя. Электроэнергия постоянно дорожает, а шквальные ветры летом и аномальные заморозки зимой все чаще приводят к обрывам линий электропередачи и перебоям в подаче электричества. Поэтому все чаще заводы, фабрики и муниципальные объекты, у которых есть свои котельные, добавляют к ним электрогенераторы с паровыми турбинами.

И котельная превращается в не зависимый от централизованного электроснабжения, выгодный источник не только тепла, но и электричества. Причем КПД таких установок достигает 80–85 %! А если потребителю не нужно много тепла, а только горячая вода для хозяйственных нужд — например, в летнее время, — то котельные оснащают еще и холодильными машинами для кондиционирования помещений, работающими на отработанном в турбине паре.

Так что все получается как будто неплохо. Однако наша промышленность практически не выпускает паровых машин малой мощности. Вот и возникла у российских умельцев идея переделать современный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в паровой мотор и приспособить его для работы в условиях мини-ТЭЦ. Поскольку ДВС дешевле паровой турбины, то при небольшой переделке можно получить значительную экономическую выгоду.

Так выглядит ротор маломощной паровой турбины.

Типовая схема включения паропоршневого электроагрегата и паровой котельной, работающей в режиме мини-ТЭЦ.

Решить эту задачу взялась группа ученых и инженеров объединения «Промтеплоэнергетика» при Московском авиационном институте под руководством старшего научного сотрудника B.C. Дубинина. Здесь уже несколько лет разрабатывают паропоршневые двигатели (ППД) — современные паровые моторы одностороннего давления. При этом в исходном ДВС переделке, по сути, подлежит только механизм подачи топлива. Специалисты из МАИ придумали, как переделать этот механизм в механизм подачи и выпуска пара.

Особых подробностей о конструкции сообщить пока нельзя: она составляет «ноу-хау» разработчиков и проходит процесс патентования. А потому скажем лишь, что дело в основном сводится к тому, что в цилиндры бывшего ДВС вместо бензиново-воздушной смеси поступает перегретый пар, который и толкает поршни.

ППД могут работать в широком диапазоне давлений пара — от 0,5 до 4,0 МПа (5 — 40 атм) и при температурах от 150 до 440 °C. И по частоте вращения вала двигатели превосходят своего «прадедушку», о котором говорилось в самом начале статьи: они могут «раскручиваться» до 3000 об/мин! Управление ППД полностью автоматическое.

Обычно в состав энергоагрегата, кроме одного или нескольких ППД и электрогенераторов, входит еще блок возбуждения, управления и защиты электрогенератора (БВУЗ), который, в свою очередь, состоит из блоков возбуждения и управления (БВУ), защитной автоматики (БЗА), системы управления (БСУ). На схеме показан вариант электроагрегата с асинхронным электрогенератором, поэтому для его работы блок возбуждения БВ снабжен еще и конденсаторами. Распределительное устройство связывает электроагрегат с потребителями энергии.

Пунктирной линией на схеме показаны электрические связи от других генераторов.

Такой паровой мотор, в отличие от турбины, может обеспечивать прямой привод электрогенератора. (Обычной турбине для этого требуется редуктор, так как для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать на высоких оборотах.) Паровой турбине требуется еще и система охлаждения, а это — дополнительный расход воды и потери энергии. ППД же достаточно просто теплоизолировать, а охлаждать его и вовсе не нужно, ведь температура в его цилиндрах сравнительно невелика.

Выше у ППД и ресурс работы — в 20 раз дольше, чем у паровых турбин. Не нужны здесь и дорогостоящие сплавы, обычно идущие на лопатки турбин.

Далее, для технического обслуживания турбин необходим высококвалифицированный персонал. Паровые моторы могут обслуживать специалисты менее высокой квалификации, а ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации.

Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нельзя сказать о турбинах. Открытие инженера B.C. Дубинина позволяет обеспечивать поддержание частоты вращения вала двигателя с такой точностью, что приводимый электрогенератор способен очень точно поддерживать частоту выходного напряжения.

Правда, справедливости ради надо заметить, что подавляющее большинство паровых моторов пока несколько уступают турбинам по массе и габаритам. Но это для котельных не существенно — свободного места там достаточно.

Паровые котлы, конечно, дороже водогрейных, но затраты на их содержание ниже, и они могут надежно работать не менее 35 лет, то есть примерно втрое дольше.

Кроме того, стоит отметить, что электрогенерирующие агрегаты с паровыми моторами как нельзя лучше подходят для экологически чистых солнечных мини-ТЭЦ, в которых для получения пара используются котлы не с топками, а с солнечными коллекторами. Вот уж получается воистину экологически чистая в работе электростанция — солнце, вода и пар!

И. ТРОХИН ,

инженер Института электрификации сельского хозяйства

Российской академии сельскохозяйственных наук