Паровой локомобиль – энергия на колесах

Немного истории

Много ли в России улиц Локомобильных? Известно, что в Сызрани Самарской области такая есть точно. Это название связано с историческим фактом: здесь раньше был локомобильный завод. Впрочем, столь необычные заводы работали также и в других местностях нашей страны, и за рубежом. А выпускали они локомобили.

Локомобиль – это единый агрегат, состоящий из парового котла (обычно горизонтального жаротрубного) и поршневой машины. Еще в начале прошлого столетия он был способен давать водяной пар (насыщенный либо перегретый), горячую воду, тепло, механическую и электрическую энергию там, где требовалось. Перемещать с места на место классический (передвижной) локомобиль можно было без особых проблем, поскольку он имел колесное шасси и примитивную сцепку.

Локомобильный котел работал на всем, что подпадало под понятие «топливо». Это могли быть дрова, хворост или солома. Локомобиль служил надежным приводом, в частности, для различных сельскохозяйственных и лесопромышленных механизмов (например, молотилки и лесопилки), обеспечивал вращение электромашинных генераторов на малых тепловых электростанциях колхозов, фабрик, строительных площадок.

Паровой локомобиль канул в Лету с начала 1960-х гг. Однако во второй половине минувшего века можно было встретить локомобильные котлы в ряде промышленных и коммунальных котельных. Тогда же еще колесили по железным дорогам страны и паровозы. А котлы локомобиля и паровоза – это практически близнецы!

А что сегодня?

Во-первых, в наш век высоких технологий локомобили можно увидеть, посетив музеи или частные коллекции (например, Государственный политехнический музей в столице, частные Переславский железнодорожный музей в поселке Талицы Ярославской области либо Музей техники Вадима Задорожного в поселке Архангельское Красногорского района Подмосковья). Силами реставраторов и энтузиастов, неравнодушных к технике пара и поршня, локомобили сегодня продолжают поддерживаться в отличной внешней форме, а некоторые даже в рабочем состоянии (см. рис. 1). В основном это происходит за рубежом, в частности в Великобритании и Германии. Там даже устраивают праздники и представления паровой техники, среди которой встречаются локомобили. Но с гордостью за Родину стоит отметить, что в Музее сельскохозяйственной техники частной компании «Бизон» (г. Ростов-на-Дону) пару лет назад организовали шоу с участием, в частности, раритетных действующих паровых локомобилей из коллекции этого музея.

Во-вторых, действующая и стендовая локомобильная техника XXI столетия – это объекты культуры по направлениям стимпанка и ретрофутуризма (рис. 2, 3). Стимпанк, или паропанк (steampunk – англ.) представляет собой стиль научной фантастики и искусства, творцов которого вдохновляет энергия пара Викторианской эпохи (Англия, вторая половина XIX в.) и альтернатива развития человечества с совершенным освоением механики и технологии паровых машин. Ретрофутуризм (retrofuturism, retrofuturistic, retrofuture – англ.) как жанр фантастики описывает мир будущего на базе технологий прошлого.

В-третьих, локомобиль как автомобильный прицеп или самоходное шасси на базе идей из эпохи пара в духе современной техники и технологии является одним из направлений прикладных научных работ. Этим занимаются в подмосковном космическом наукограде Королёве члены студенческого конструкторского бюро по направлению «Малая теплоэнергетика» и общественной научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского государственного областного технологического университета под научным руководством российских ученых В. Дубинина и С. Шкарупы.

Современный паровой локомобиль сможет вырабатывать электрическую и тепловую энергию из дешевого твердого топлива на месте ее потребления. Общий КПД или коэффициент полезного использования теплоты сгорания топлива составит, по средним оценкам, от 60 до 70% (при работе на твердом топливе). Плюс еще мобильность, феноменальная надежность (классические паровые машины работали веками), простота в обслуживании и ремонте. Никакой газификации не нужно в дачных поселках!

Рассмотрим кратко два основных элемента локомобиля: котел и паровую машину. В классических локомобилях паровой котел (паровик – устар.) был громоздкой и тяжелой частью. Он служил еще рамой и фундаментом для смонтированной на нем паровой машины, должен был экономично работать без тяжелой и механически непрочной обмуровки. Этим условиям тогда соответствовали только котлы с дымогарными трубами.

Сегодня локомобильный паровой котел может быть водотрубным, как хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации в котельных стационарные котлы. Реально изготовить по современным технологиям известные конструкции малогабаритных прямоточных (змеевиковых) передвижных паровых котлов. Чтобы котел не подлежал регистрации в Ростехнадзоре, объем его пароводяного пространства должен быть менее литра, а произведение этого объема (в литрах) и максимального давления пара (в манометрических атмосферах) не должно превышать 20. При таких жестких требованиях В. Дубинин предлагает повышать тепловую мощность котла за счет реализации технологии вибрационного горения и работы топки под наддувом.

Паровая машина, в отличие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работает на экологически чистом водяном паре. Грязный процесс сгорания топлива у паросиловой установки переносится из двигателя в топку либо горелку котла. Здесь этот процесс реализуется при низких давлениях, близких к атмосферному, а не при высоких, как в ДВС. Результат – значительно более экологически чистый выхлоп, чем у ДВС, особенно если применять для сжигания твердого топлива в топке котла российскую технологию высокотемпературного циркулирующего кипящего слоя.

Высокотехнологичные паровые машины или паропоршневые двигатели (ППД) для локомобилей можно создавать на базе ДВС (к примеру, автомобильных карбюраторных либо дизельных), как это придумали специалисты из упомянутой выше научной группы.

Нужно еще компактнее? Располагайте цилиндры радиально (звездообразно), как у авиационных моторов. А чтобы параллельно и лучше организовать защиту пара от загрязнения смазочным маслом, используйте бесшатунный механизм преобразования поступательного движения поршня во вращение выходного вала. Схем таких механизмов известно множество, как от отечественных, так и зарубежных изобретателей. Смазку трущихся поверхностей при работе ППД можно осуществить водой и без смазочного масла.

Корпус и основные детали ППД вполне реально изготовить из легких сплавов с антикоррозионными легирующими добавками либо со специальными покрытиями. Нужно использовать и современные композиционные материалы.

Устройство парораспределения может стать клапанным, как в газораспределительном механизме ДВС, а сами клапаны – самодействующими. Такая идея парораспределения была высказана в 1890-х гг. германским инженером Вильгельмом Шмидтом Высокого давления. Кстати, в 1921 г. он смастерил паровую поршневую машину, которая работала с 28%-ным КПД при мощности всего 110 кВт! Самодействующие клапаны работают без внешнего привода за счет воздействия на них пара. Они отличаются компактностью, надежностью и почти бесшумной работой. Гидравлические потери при впуске пара в случае использования таких клапанов оказываются не больше, чем у клапанов с приводом.

Техника для завтрашнего дня

В паровом локомобиле будущего, облик которого пока не представлен, можно будет, наверное, даже отказаться от классической автоматической системы стабилизации частоты вращения с датчиками. Здесь работа паровой и только поршневой машины с высокоточной самостабилизацией частоты вращения выходного вала будет осуществляться без обратных связей по методу Дубинина–Шкарупы при импульсной подаче или выработке пара через равные промежутки времени (рис. 4). Когда происходит самостабилизация частоты вращения вала ППД, приводящего электромашинный генератор ЭГ, то этот двигатель с источником пара (котлом) подобен при работе анкерному механизму в механических часах, а задающий генератор импульсов подачи пара действует аналогично маятнику, за счет которого часы сохраняют постоянную частоту своего хода (вращения).

В рассматриваемой схеме (см. рис. 4) локомобиля ЭГ питает электрические нагрузки: внешнюю (потребителей) и собственных нужд ЭНСН (например, программируемый логический контроллер и задающий генератор). Пунктиром показана резервная линия. В сам же ППД подается импульсный поток свежего водяного пара ИВП1 от источника с задающим генератором импульсов подачи пара (условно не показаны). Поток отработавшего водяного пара ВП2 поступает в пароводяной теплообменник (бойлер) для нагрева воды паром.

В процессе прохождения через этот теплообменник и отдачи тепла воде пар конденсируется, и конденсат подается насосом обратно в котел. Разумеется, на практике такой циклический процесс не является идеальным, поэтому в конструкции локомобиля должен быть предусмотрен подпиточный (расходный) бак с водой, либо локомобиль на месте работы необходимо подключать к трубе с холодной водой.

Подведем итоги

Приложив современное конструкторско-технологическое искусство к технике паровых локомобилей, возможно обеспечить их возрождение в облике транспортабельных микроТЭЦ – мобильных генерирующих установок электрической мощностью до 100 кВт для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. В этом классе мощностей работали и передвижные паровые локомобили прошлого.

Локомобильные микроТЭЦ смогут работать на «всем, что горит», включая торф, отходы деревообработки и очень перспективные быстрорастущие водоросли, с высокой надежностью и степенью автоматизации. А понадобится холод, так поможет абсорбционная холодильная «паровая» машина, потребляющая водяной пар, отработавший в ППД.