Шестьдесят пять лет назад в США началась опытная эксплуатация седельного тягача Kenworth 500-серии. Его особенностью был газотурбинный двигатель, а испытания проходили в рамках совместного проекта Kenworth Trucks и Boeing. Мотор развивал 175 л.с., но весил всего 90 кг! Автопоезд сделал несколько коммерческих рейсов между Сиэтлом и Лос-Анджелесом (≈1850 км), но, увы (и среди прочих замечаний): на трассе расход топлива достигал… 240 л/100 км! Однако…
1. Однако в сентябре 2015 года на дороги США вышли первые турбоэлектрические грузовики с моторами компании “Wrightspeed Powertrans” Иана Райта (Ian Wright), сооснователя Tesla Motors. Один из них на фото. По сравнению с дизельными машинами такой же массы здесь: экономия топлива составляет более 60%, а уровень вредных выбросов намного ниже самых строгих стандартов, включая калифорнийский. Грузовики находятся в опытной эксплуатации, а массовое производство энергоустановок нового типа ожидается в ближайшее время… На второй картинке: перспективный магистральный седельный тягач
2. Микротурбины по определению это компактные газотурбинные двигатели. Они неплохо прижились в энергетике в составе микротурбогенератов (далее – МТГ), которые применяются для автономного электроснабжения зданий и сооружений. Более того, в отличие от ДВС, практически все тепло, выделяющееся при сгорании топлива, сосредотачивается в выпускной системе, посему для самого двигателя система охлаждения не нужна, а энергетики научились его использовать в тех же системах горячего водоснабжения, посему теоретический КПД МТГ-установок достигает 80 процентов и более. На фото принципиальная схема автомобильной микротурбины с тепловой схемой
3. Микротурбогенератор выполнен в виде конструкции с одной движущейся деталью – вращающимся валом, на котором соосно расположены генератор, компрессор и непосредственно турбина. Вал вращается со скоростью до 100’000 оборотов в минуту при номинальной нагрузке и поддерживается воздушными подшипниками, которые не требуют жидкой смазки и периодического обслуживания. Кроме того. В одном небольшом по габаритам блоке размещены компрессор, камера сгорания, рекуператор, непосредственно турбина и постоянные магниты электрогенератора. Последний охлаждается набегающим потоком воздуха, что исключает необходимость в его системе охлаждения. В целом установка работает без вибраций и с низким уровнем шума даже без применения специальных экранов. Кстати, по последнему пункту. Расчетный уровень шума для МТГ – не более 60 дБ, для турбированного “большого” дизеля коммерческого грузовика – не менее 72-75 дБ. Для справки (к сожалению, “Википедия”): “60 дБ: умеренно шумно, обычный разговор, норма для контор”…
Для понимания (фото): так выглядит микротурбина от Wrightspeed мощностью 184 кВт и весом в 41 кг вместе с генератором. Вам напомнить, как выглядит (и сколько весит) дизельный двигатель стандарта Euro-6 мощностью в 250 л.с. вместе со сцеплением и коробкой передач?
4. Особенности для практической эксплуатации
– Простота конструкции. Она понятна из описания, приведенного выше и, например, принципиальная схема микротурбины Capstone C30: 1. Входной воздушный патрубок; 2. Генератор с воздушным охлаждением; 3. Выходной патрубок для отработавших газов; 4. Рекуператор (теплообменник); 5. Инжектор; 6. Камера сгорания; 7. Корпус с теплозащитой; 8. Рабочее колесо турбины; 9. Лепестковый подшипник; 10. Колесо компрессора; 11. Вал. Это все…
– Высокая теоретическая надежность. В отличие от ДВС, где приходится преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное коленчатого вала, здесь есть только вращение вала. Также в конструкции нет знакопеременных нагрузок, вибраций, сложной системы газообмена и ее привода (газораспределительного механизма). Посему ресурс микротурбин может достигать 80-90 тысяч часов или порядка 8-9 лет в режиме работы 24х365.
– Пониженные требования к системе смазки. В микротурбинах последних поколений, как правило, используются лепестковые газовые подшипники, в теории вообще не требующие наличия смазывающей жидкости: работает несущий газовый (воздушный) слой между неподвижным корпусом и вращающимся валом, причем – не требующий специального поддува (нагнетания воздуха в рабочую зону). Правда проблема в том, что до “всплытия” вала на воздушную подушку (в начальный момент времени) такой подшипник работает в режиме сухого трения. Это решается использованием антифрикционных материалов либо сменных антифрикционных прокладок. Но сохраняются проблемы с подшипниками, работающими в “горячей” зоне турбины (в том числе и у Capstone Turbine Corporation)…
– Топливо. Не уходя в тонкости (и на примере Capstone – раз уж начал упоминать), МТГ может работать на высокосернистом топливе с содержанием сероводорода (H2S) до 7%. А значит, подразумеваются: газовое – сжатый, сжиженный газ и биогаз; жидкое: бензин, дизель, керосин, этанол, метанол, бутанол, диметиловый эфир, биодизель – простите, если что-то забыл…
5. Уровень вредных выбросов. Для иллюстрации – таблица. Вместе с тем. Цифры по Capstone C30 получены на “открытом выхлопе”: без использования любых технологий/систем нейтрализации отработавших газов
6. Не все так просто… Например, по отзывам специалистов-энергетиков, использующих МТГ, они нуждаются в достаточно регулярном ТО. Например, каждые 8000 ч должны меняться все фильтры, свеча, термопары, каждые 20 000 ч – форсунки… Вопрос о ресурсе аккумуляторных батарей остается открытым. Необходим осмотр либо специалистами производителя, либо его дилера 1 или 2 раза в год. Значит, вы навсегда будете привязаны к официальному сервису со всеми его расценками. Далее…
– Пыль. Считается, что расход воздуха у газовой турбины минимум в 2 раза выше, чем у дизеля такой же мощности. Однако МТГ устанавливаются на крышах зданий и сооружений, либо на земле, но специальных закрытых боксах. И их производители не лимитированы компоновочной схемой, посему система очистки воздуха может быть достаточно объемной. Чего не скажешь, например, о легковом автомобиле, который более того – движется по пыльным дорогам. Иными словами нам, как минимум, вдвое придется сократить интервал замены воздушного фильтра.
– Тепло. Температура отработавших газов после рекуператора (теплообменника) может достигать 300 °С. В энергетике оно используется в системах горячего водоснабжения либо в системах кондиционирования (абсорбционно-холодильные машины). Вероятно, можно допустить нечто похожее для городского автобуса, автомобиля с изотермическим кузовом (правда, холодильный агрегат должен быть нового, неведомого типа), но уже с трудом – для легкового автомобиля. Ибо тепла слишком много. Выбросить в атмосферу 200-250 градусов? А борцы с глобальным потеплением что скажут?
– Топливо. Микротурбины действительно многотовливные, но этого нельзя сказать о топливной системе автомобиля. И если на нем стоят баллоны для сжатого газа, то солярку в них не залить, как не заправить их сжиженным газом. Если говорить только о жидком топливе, турбине все равно, какой будет бензин – 80-й или 98-й. Но нефтяникам-то явно не все равно: они деньги вложили в модернизацию НПЗ, а производители МТГ им говорят: “Лучше бы вы их в карты проиграли, нам ваши супер-бензины больше не нужны”
– Расход топлива. Если честно настоящих данных нет, посему что имеем. На фото с сайта fotobus.msk.ru. гибридный автобус ТролЗА-5250 “ЭКОбус”, опытная эксплуатация: ГУП “Мосгортранс” 24.12.2010-20.03.2011 г. Топливо – сжатый газ. Из выводов по опытной эксплуатации: “Расход газа автобусом «Тролза-5250» в зимнее время превышает расход автобуса ЛиАЗ-52937 (норма Евро-4) в среднем на 12-18 %”. выхлопная труба газовой турбины на крыше и обратите внимание на предупреждающую надпись: “Соблюдать дистанцию 60 метров”. Но здесь штрих: МТГ с турбиной Capstone С65 имеет электрическую мощность 65 кВт. Тяговый электродвигатель ТролЗА-5250 “ЭКОбус” – 120 кВт. Последовательная схема ГСУ подразумевает зарядку АКБ и от них питание привода ведущих колес. Недостаточная эффективность накопителей привела к тому, что в процессе подзарядки, МТГ пытался еще и обеспечить энергией тяговый двигатель. Что и привело к повышенному расходу топлива.
– Ресурс микротурбины. Все производители упоминают цифры от 60 до 100 тысяч часов в режиме номинальной мощности. Как второй показатель для расчета ресурса упоминается число запусков, но цифры более 5000 не встречал в любых источниках. Иными словами один запуск эквивалентен 12-20 часам работы микротурбины… Таким образом, если вы будете заводить двигатель 4 раза в день, то его придется (не ремонтировать), а менять через 3,5 года, а не через 8-9 лет. И это существенно…
7. Немного экзотики… Концепт кар Jaguar C-X75 оснащен гибридной силовой установкой с двумя микротурбинами Bladon Jets мощностью по 70 кВт при 80’000 оборотов в минуту, причем каждая вместе с реактивным генератором весит по 35 кг. Топливо: бензин, дизель, биотопливо, возможен вариант с газовым. МТГ могут работать как последовательно, так и параллельно. Система смазки и охлаждения отсутствуют. Вес АКБ – 185 кг. Запас автономного хода (только на АКБ) с режимом рекуперации энергии до 50 км. Четыре мотор-колеса (колесная формула 4х4) весом по 50 кг позволяют обеспечить мощность на колесах до 780 л.с. при моменте в 1600 Н•м. Время разгона до скорости 100 миль/ч (160 км/ч) составляет 5,5 с, при максимальной в 320 км/ч (ограничена принудительно)
8. Если говорить о перспективах, а внедрение микротурбин затронет интересы многих производителей автокомпонентов и расходных материалов, позволю себе напомнить “баянистый” анекдот:
В Париже в патентное бюро обращается человек. Говорит, что изобрел мотор для автомобилей, который работает не на бензине, а на воде. Проверили – действительно работает. Стали оформлять изобретение, говорят ему:
– В принципе, можем вам два альтернативных варианта предложить – или оформить как одно изобретение, или как два – мотор на воде и вода как горючее. Вы же специалист по горючему?
– Да, я очень много лет работал с нефтью в Саудовской Аравии. Там, кстати, и сделал свое изобретение.
– А почему вы там свое изобретение не запатентовали?
– Я пытался. Но когда я описал им свое изобретение, они мне тоже предложили два альтернативных варианта.
– Каких?
– Побить камнями или закопать заживо…
Для понимания: электромобили ОНИ простили: с нынешним запасом хода и при ценах на них – они не конкуренты массовой продукции мирового автопрома. Но это совсем другая тема…
