§ 2. СТУПЕНИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В РАБОТУ
Процесс преобразования теплоты в работу в теплоэнергетической установке включает несколько ступеней. Сначала теплота первичных энергетических ресурсов передается рабочему телу (газу или пару), энергия которого затем превращается в механическую работу в тепловом двигателе. Механическая работа передается при соответственном назначении установки непосредственно исполнительному механизму, соединенному с ним, например рабочей машине (компрессору, насосу и др.), колесам локомотива, винту судна и т. д.
Схема ТЭУ локомотива трехзвенная, если тепловой двигатель связан непосредственно с движущими колесами: I — топливо; II — рабочее тело; III — тепловой двигатель (механическая работа). Это имеет место, например, у паровозов, где двигатель (паровая машина) с помощью механических связей приводит во вращение колеса локомотива. Схема некоторых газотурбовозов, оборудованных двухвальной газотурбинной установкой (см. главу IV), также является трехзвенной: вращение от турбины к колесам передается через карданные валы и редукторы (рис. 2).
В тех случаях, когда механический привод от двигателя к колесам выполнить трудно, например при использовании на локомотиве дизеля или одновальной газотурбинной установки, а также многовальной относительно большой мощности, приходится вводить четвертое звено в виде специальной передачи (электрической, гидромеханической и др.). В последнем механическая энергия преобразуется в электрическую, а затем электрическая снова преобразуется в механическую в тяговых электродвигателях, соединенных с движущими осями локомотива, или же механическая энергия теплового двигателя передается осям локомотива через гидропередачу (рис. 3).
Рис. 2. Схема газотурбинного локомотива:
1 — газовая турбина; 2 — коробка скоростей; 3 — карданный вал
Рис. 3. Схемы привода движущихся осей локомотива:
1 — гидравлическая передача с многоступенчатой коробкой скоростей; 2 — электрическая передача; Н — гидротрансформатор; Р — коробка скоростей; К — карданное соединение; R— реверсивный механизм; G— генератор; Af — тяговый электродвигатель
Рис. 4. Схема МГД-генератора:
1 — ионизированный газ; 2 — электрод; 3 — электромагнит; 4 — обмотка возбуждения
Ведутся большие работы по созданию магнитогидродинамических электростанций. Магнитогидродинамический (МГД) метод заключается в индуктировании электрического тока в движущемся (со скоростью порядка 1000 м/с) потоке ионизированного газа при пересечении им сильного магнитного поля (рис. 4). МГД-генераторы разрабатывают двух типов: открытого цикла, в которых рабочим телом являются продукты сгорания органических топлив с легкоионизируемыми добавками (калия, натрия, цезия), обеспечивающими высокую проводимость при температурах 2000—3000° С, и закрытого цикла, в которых поток инертного газа (аргона, водорода) нагревается до плазменного состояния в специальных теплообменниках поверхностного типа продуктами сгорания топлива. В МГД закрытого цикла присадка указанных веществ более эффективна, чем в схемах открытого цикла, проще решаются вопросы удаления газов в атмосферу, в плазме отсутствуют примеси, ухудшающие ее электропроводимость. В закрытом цикле нагрев до плазменного состояния проводится до меньшей температуры, чем в открытом цикле. Благодаря этому упрощается задача создания МГД- генератора с применением современных термостойких материалов, а также оказывается возможным использование ядерного горючего в атомном реакторе. Задача создания МГД-генераторов открытого цикла на ядерном горючем для столь высоких температур на базе атомных реакторов до сего времени не решена. Разрабатываются также МГД-генераторы с жидкометаллическими проводниками.
В отличие от обычной теплоэнергетической установки электростанции МГД-генератор не имеет, как видно, вращающихся элементов, свойственных обычному электрическому генератору. Здесь отсутствует тепловой двигатель с вращающимся ротором. При этом роль теплового двигателя выполняет сопло, в котором рабочее тело расширяется и приобретает значительную кинетическую энергию в виде располагаемой работы, которая далее преобразуется в канале МГД-генератора в электроэнергию.
Ввиду небольшого падения температуры газа (до 2000° С) в МГД- генераторе, принимаемого по условиям недопустимости падения его электропроводимости, дальнейшее использование теплоты газа предназначается в обычной теплоэнергетической установке по принципу бинарного термодинамического цикла. Применение МГД-генератора на магнитогидродинамической электростанции бинарного цикла с паротурбинной установкой в нижней ступени позволит повысить общий к. п. д. до 50 и в перспективе до 60%.
МГД-генератор на локомотиве вероятно найдет применение в сочетании с газовой турбиной, так как использование паросиловой установки, как известно, связано с большими трудностями. От внедрения МГД-генератора с газовой турбиной на локомотиве можно ожидать повышение к. п. д. установки также до высоких значений — порядка 50—60%.
В СССР создана впервые в мире под руководством академика Кириллина опытно-промышленная установка с МГД-генератором мощностью 25 000 кВт (У-25). МГД-генератор использован в качестве надстройки в бинарном цикле с паротурбинной установкой в нижней ступени мощностью 50 000 кВт. Используется топливо — природный газ. Температура воздуха, обогащенного кислородом до 40%, равна при входе в камеру сгорания топлива 1200° С. Начальная температура продуктов сгорания 2500° С, абсолютное давление на входе 2,75 кгс/см2, а на выходе 1,07 кгс/см2. Ведутся опытные исследования МГД-генератора для включения в проект электростанции на твердом топливе мощностью около 2,4 млн. кВт с целью определения возможности реализации идеи МГД-генератора в крупной энергетике.
В 1976—1980 гг. среди подлежащих решению основных научно- технических проблем намечено создать энергетические блоки с МГД- генератором большой мощности на газообразном, жидком и твердом топливе для работы в базовой и пиковой нагрузках энергосистем. Новые направления в энергетике могут иметь в перспективе значение для прогресса железнодорожной техники. В Англии уделяется внимание созданию локомотива, работающего на топливных элементах кислородно-водородного типа. Предполагают, что к. п. д. превысит к. п. д. существующих локомотивов вдвое.
В СССР ведутся работы по использованию топливных элементов, в которых в качестве горючего применяются органические соединения (углеводороды) и воздух в качестве окислителя. Эти недорогие и удобные для транспортировки топливные элементы смогут найти широкое применение. Использование термоядерной реакции также обеспечит практически неисчерпаемый источник электрической энергии. Уже имеются значительные успехи в области решения термоядерной проблемы благодаря созданию в Советском Союзе установки «Токамак» (тороидальная камера в магнитном поле). Это необычайно перспективная экспериментальная установка для изучения горячей плазмы и управляемых термоядерных реакций. К ожидаемым преимуществам термоядерной проблемы относится снижение себестоимости 1 кВт-ч, применение безграничных сырьевых ресурсов — дейтерия, содержащегося в воде океана. Кроме того, будет иметь место отсутствие радиоактивных загрязнений, свойственных использованию атомной энергии, так как образующиеся конечные продукты H3 и Н4 безвредны.