Юный техник, 2002 № 03

НОВАЯ ЖИЗНЬ ЗАБЫТЫХ ИДЕЙ Маховик и пар

В 1831 году известный физик Майкл Фарадей поставил опыт, о котором помнит сегодня далеко не каждый учитель физики. Между полюсами магнита он поместил вращающийся металлический диск. Одна проволока прикасалась к оси вращения диска, другая — к его ободу. Присоединенный к этим щеткам гальванометр показал наличие тока (рис. 1).

Этот опыт послужил толчком к созданию новых по тем временам генераторов электрического тока, получивших название униполярных. На рисунке 2 изображено одно из конструктивных решений такого генератора.

Рис. 2 Униполярный генератор:

_{1 — постоянный магнит; 2 — ртутный контакт; 3 — ротор.}

Между полюсами постоянного магнита, похожими по форме на блюдца, размещен вращающийся дисковый ротор. На оси и ободе ротора — скользящие контакты, снимающие ток во внешнюю цепь. Ротор при вращении пересекает силовые линии магнитного поля, поэтому возникает ЭДС, направленная вдоль его радиуса, пропорциональная скорости вращения, диаметру диска и напряженности магнитного поля.

В обычных коллекторных генераторах постоянный ток постоянен лишь по направлению, но по величине сильно пульсирует. Униполярные же генераторы дают ток, строго постоянный по величине и направлению. Одна беда: скорости вращения, свойственные турбинам обычных электростанций, малы для униполярных генераторов. Поэтому они дают токи очень низкого напряжения (5–7 В), силой в десятки тысяч ампер. Передавать их можно лишь на короткие расстояния по очень толстым проводам. Поэтому униполярные генераторы устанавливали непосредственно там, где они были нужны, например, в цехах электрохимических производств.

А вскоре о них и вовсе забыли. И лишь в конце 1910-х годов профессор Б.И.Угримов обратил внимание на то, что униполярный генератор Фарадея и турбина Лаваля как бы созданы друг для друга. Паровые турбины Лаваля известны были с 1889 года.

Они хорошо работали только при очень высоких (30 000 оборотов в минуту и более) скоростях вращения. Обычному электрогенератору нужна скорость в 10–12 раз меньше. Несмотря на это, с 1890-х годов выпускались небольшие (0,5 — 200 кВт) электростанции. Их генераторы работали от турбин Лаваля через замедляющие передачи. На рисунке 3 показан один из таких агрегатов в разобранном состоянии.

Крохотный диск турбины едва заметен слева от шестерен, и не случайно: ротор турбины Лаваля мощностью 10 л.с. весил меньше килограмма, а шестерни — более сорока! Вот эту турбину и решил соединить профессор Угримов с униполярным генератором.

Сделать это оказалось непросто: линейная скорость на окружности ротора генератора достигала сотен метров в секунду, и это приводило к очень быстрому износу медно-графитовых щеток. Попробовали сделать их из специальной бронзы, а обод ротора — из отполированной как зеркало закаленной стали. Износ продолжался, причем металлические щетки порою даже плавились. А стоит ли ждать, когда щетки расплавятся, решил профессор Угримов, сделаем их… из жидкого металла.

Сделали на статоре особую канавку. Придали краю обода специальную форму, а зазор между ними заполнили жидким металлом — ртутью. Износ практически исчез.

Униполярный генератор с жидкометаллическим контактом профессор Угримов построил в начале 20-х годов. Он был напрямую соединен с турбиной Лаваля и выдал рекордно высокое для таких машин напряжение — 110 В, почти в 20 раз выше, чем достигали ранее униполярные генераторы. Более того, полученное напряжение соответствовало принятому в то время стандартному напряжению для городских осветительных сетей постоянного тока. А отсутствие механической передачи и появившаяся возможность не стараться делать турбину тихоходной повысили экономичность установки в целом почти на 20 %.

Увы, новинка запоздала. Начался переход к переменному току. Турбины, впрочем, совершенствовать не перестали.

Сегодня паровые турбины, подобные турбинам Лаваля, достигли высочайшего совершенства. Применяют их в основном для подачи топлива в реактивные двигатели. Скорость вращения турбин превышает 100 000 оборотов в минуту, а мощность достигает тысячи киловатт при весе турбины в несколько килограммов.

Оснащенные турбинами Лаваля легчайшие атомные электростанции мощностью в несколько кВт неоднократно выводились на околоземную орбиту и по многу лет работали в космосе. Повысили и КПД: турбины Лаваля начала века работали с водяным паром давлением 10,5 атм и температурой 190 градусов. При этом их КПД достигал 10–14 %. Подняв температуру пара до 550 градусов, КПД турбин почти удвоили. Однако на этом не остановились. В некоторых установках воду заменили парами ртути и щелочных металлов, а температуру довели до 700 градусов. За счет этого КПД подскочил до 40 %, стал почти как у дизеля! Однако КПД сидящего на валу турбины быстроходного электрогенератора не превышает 60 %. В итоге КПД электростанции в целом не выше 24 %! Много это или мало?

Для сравнения можно вспомнить, что КПД автомобильного двигателя сегодня превышает 40 %. Чуть не вдвое выше. Однако за счет потерь на трение и резкого роста расхода топлива на частичных нагрузках среднее значение КПД автомобиля в городском цикле не превышает 8 %. В смешанном цикле, когда водитель часто и подолгу движется без остановок, КПД тоже невелик — 12,5 %. Выходит, поставив на автомобиль паровую электростанцию, можно еще получить выигрыш. По существу, получится электромобиль, в котором роль аккумуляторных батарей выполняет электростанция. Существуют специальные электромоторы, предназначенные для электрических автомобилей. Их КПД всегда высок, лежит в пределах от 60 до 95 %. Это означает, что в самых худших случаях, когда электромоторы работают наименее эффективно (разгон и троганье с места), КПД нашего автомобиля не будет опускаться ниже 15 %, а расход топлива в городском цикле получится в 2–3 раза ниже, чем у лучших современных автомобилей. Но это еще не все.

Движение по городу сопровождается частыми остановками. При торможении обычного автомобиля вся его энергия переходит в тепло. Полагают, что на это расходуется более половины энергии топлива. На электромобилях при торможении электродвигатели переходят в режим генератора. Энергией, которую они при этом вырабатывают, подзаряжают аккумуляторы. (Это называется рекуперативным торможением.)

Но за короткое время торможения аккумуляторы успевают «поймать» лишь незначительную часть поступающей к ним энергии. Гораздо лучше с этой задачей справляются конденсаторы. Экономия энергии от их применения на электромобиле достигает 30 %. Можно, конечно, поставить конденсаторную батарею и на наш, существующий пока лишь в воображении, автомобиль. Можно, но… не нужно. Вращающиеся с огромными скоростями роторы турбины и униполярного генератора сами по себе являются прекрасными накопителями энергии. В момент торможения автомобиль с паровой электростанцией профессора Угримова мог бы работать так: электродвигатели привода колес переводятся в режим генератора и посылают свой ток в генератор, стоящий на оси турбины. Подача пара в турбину прекращается. Сидящий на ее оси униполярный генератор превращается в двигатель. Он раскручивает сам себя и турбину. За счет накопления энергии торможения скорость их вращения возрастает. Некоторое время после нового старта автомобиль движется только за счет накопленной энергии. Затем подача пара на лопатки турбины возобновляется.

Таким образом, появляется возможность создать автомобиль, расходующий при езде по городу в 3–4 раза меньше топлива, чем лучшие из существующих, — 2–2,5 литра бензина на 100 км пути (рис. 4).

Рис. 4. Паротурбинный электромобиль:

_{1 — униполярный генератор; 2 — турбина; 3 — парогенератор; 4 — конденсатор пара; 5 — электродвигатель.}

При этом для получения пара бензин не обязателен. Можно сжигать мазут, газ, спирт. Выхлоп во всех этих случаях будет экологически абсолютно чист. Вообще-то в паровом котле можно сжигать даже каменный уголь. Его на 100 км потребуется всего 3–5 кг в зависимости от сорта. При современных способах сжигания даже самого плохого угля вы не почувствуете никакого запаха. А если еще достаточно аккуратно и точно выполнить силовую установку автомобиля, он будет шуметь не больше, чем хорошая кофемолка.

А.ИЛЬИН

Рисунки автора и художника В.ГУБАНОВА