Реактивная гидропаровая турбина В.А.Зысина

В качестве потенциально «сверхъединичного» устройства иногда называют гидропаровую турбину, которую В.А.Зысин описал в параграфе с интригующим названием «О возможности автономного осуществления оптимального треугольного цикла» монографии «Комбинированные парогазовые установки и циклы» (М.-Л., Государственное энергетическое издательство, 1962, с.68–71, §2-9). Посмотрим, оправдано ли такое мнение?

Конструкция гидропаровой турбины
О сверхъединичности гидропаровой турбины

Конструкция гидропаровой турбины

В своей книге В.А.Зысин отмечает, что реализация оптимального треугольного цикла возможна только в двигателе, способном «работать на капельной жидкости, вскипающей в процессе расширения». Подача потока такой жидкости на лопатки турбинного колеса из неподвижного сопла неэффективна, поскольку канал для движения двухфазного потока в таких конструкциях неизбежно оказывается криволинейным, а это вызывает необратимые потери и порождает износ обтекаемых поверхностей.

В качестве альтернативы была предложена реактивная турбина с вращающимися соплами Лаваля, из которых истекает вскипающий поток перегретой воды. Этот поток создаёт реактивную тягу, разгоняющую сопло и раскручивающую турбину. При этом Зысин обращает внимание на необходимость соблюдения следующих условий:

• a) процесс парообразования должен осуществляться только в расширяющейся части сопла Лаваля;
• б) до минимального сечения сопла давление и форма канала потока должны быть такими, чтобы не было ни кавитации, ни парообразования при локальных падениях давления;
• в) за соплом Лаваля двухфазный сверхзвуковой поток не должен встречать движущихся частей, подверженных износу.

Перегретая вода должна поступать в ротор турбины через полый вал и двигаться сначала вдоль его оси, а затем к соплам на периферии.

Рисунок 2-26 «Cхема движения потока в гидропаровой турбине» из книги В.А.Зысина «Комбинированные парогазовые установки и циклы» (с.70).

Термодинамический процесс, происходящий в такой установке, показан на рисунке в координатах «давление-объём». По большому счёту, он является разновидностью классического процесса для тепловых машин.

Рисунок 2-25 «Идеальный процесс в гидропаровой турбине» из книги В.А.Зысина «Комбинированные парогазовые установки и циклы» (с.70).

Участок  1' → 1  соответствует сужающейся части сопла Лаваля (падение давления при ускорении потока из-за сужения сечения канала в соответствии с законом Бернулли), а участок  1 → 2  — его расширяющейся части, где происходит интенсивное парообразование, на участке  2 → 3  происходит конденсация образовавшегося пара, участок  3 → 4  — это повышение давления воды и её перегрев перед ротором турбины до состояния, близкого к равновесию между паром и жидкостью (с сохранением жидкого агрегатного состояния), участок  4 → 4'  — повышение давления воды за счёт центробежных сил при её движении от оси ротора к периферийным соплам.

Таким образом, вся полезная работа турбины совершается за счёт внешней энергии, затраченной на повышение давления и нагрев воды на участке  3 → 4. В самом конце параграфа Зысин оценивает «возможный к.п.д.» в 40-50% и отмечает, что в таком случае это будет «перспективный элемент схем производства электроэнергии».

О сверхъединичности гидропаровой турбины

Откуда же возникли предположения о возможной «сверхъединичности» гидропаровой турбины Зысина? Помимо необычности конструкции реактивной турбины, этому способствует и интригующее название параграфа — «о возможности автономной работы...». Однако под «автономностью» Зысин понимает совсем не то, что обычно имеют в виду разработчики «генераторов свободной энергии».

Дело в том, что вся книга посвящена именно комбинированным энергетическим установкам, т.е. установкам, первая ступень которых рассчитана на использование высокотемпературного тепла (как правило, с помощью газовых турбин), а другая предназначена для утилизации более «холодного» тепла на выходе первой ступени (обычно с помощью паровых турбин). Поэтому, говоря об «автономной работе», Зысин имеет в виду возможность использования гидропаровой турбины в качестве не вспомогательного, а основного и единственного турбинного элемента энергетической установки.

Наконец, следует сказать, что сам принцип подобных турбин отнюдь не нов. Ещё во II веке до н.э. Герон изобрёл её паровой вариант под названием «эолипил», а жидкостной вариант, известный под названием «сегнерово колесо», в 1750 г. изобрёл венгерский учёный Янош Сегнер. Однако Зысин одним из первых предложил использовать наиболее энергоэффективный вариант, когда рабочее тело почти весь путь проходит в форме жидкости, а в сопле превращается в пар.

В наши дни подобные турбины изготавливаются в Калуге ООО «Турбокон». Однако их КПД также намного меньше 100%. Тем не менее, подобные установки весьма перспективны, — ведь они позволяют использовать относительно «холодное» тепло с температурой порядка 110–125°С, которое в «большой» энергетике считается «бросовым» и обычно «отапливает небо» через градирни, ведь большинству тепловых машин для хоть сколько-нибудь эффективной работы требуется гораздо больший перепад температур.

Следует заметить, что при некотором внешнем сходстве с конструкциями Виктора Шаубергера, и прежде всего его «домашнего генератора», в эолипиле и гидропаровых турбинах используются совсем другие принципы: Шаубергер никогда не предполагал нагрев в качестве основного источника полезной работы и всегда подчёркивал важность вихревого и пульсирующего движения рабочего тела в отличие от стремления к постоянному и как можно более ламинарному потоку у конструкторов гидропаровых турбин. ♦