Юный техник, 2002 № 03 - [8]
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.
