Эпоха Стирлинга

Николай Кириллов: Вы правы, с конструктивной точки зрения этот двигатель довольно прост, и есть огромное количество роликов в Интернете, когда умельцы буквально на коленях делают разные его модификации, работающие от горячего чая или от солнечной энергии. Но у них невысокая эффективность. 
Впервые промышленный двигатель Стирлинга был сделан в 1834 году. Паровые машины появились чуть раньше, но широкого распространения не получили – автомобилестроение только начинало развиваться. И двигатель Стирлинга появился как один из вариантов паровых машин. То и другое – двигатели с внешним подводом теплоты. В паровой машине мы подводим тепловую энергию, вода испаряется, образуется пар и более высокое давление, которое срабатывает на каком-то рабочем органе, и вы получаете механическую энергию. В двигателе Стирлинга рабочее тело – газ. Это может быть азот, а в те времена – и просто воздух. Так вот, первый промышленный двигатель Стирлинга был достаточно мощный – 50 лошадиных сил, это даже по нынешним меркам прилично! И начиная с этого времени он серийно производился в европейских странах. Были разные модификации и мощности. Самая большая мощность – около мегаватта – размещалась на одном из пароходов; это была одна из разновидностей двигателя Стирлинга – двигатель Эриксона. Тогда не было технологии расчета двигателей, поэтому все, что выпускалось серийно, имело невысокий КПД, максимум 10–12 %. Естественно, при таких КПД, с учетом использования воздуха в качестве рабочего тела, для получения приемлемой мощности на валу должны были создаваться большие диаметры и большие ходы поршней. Машины получались не очень эффективные, но громоздкие. Топливо могло быть любое – уголь, древесина, – так что они были надежны в работе и просты в эксплуатации. Но это были мастодонты! Большущие машины, которые применялись в различных отраслях. 
АН: Значит, расчет больших машин все-таки был? 
НК: Расчет был. Но в 1894–1895 годах появился первый дизель, который по массогабаритным характеристикам и эффективности оказался лучше. А к началу 1900-х появились нефтепродукты и двигатель внутреннего сгорания, которые за 10 лет выдавили двигатели Стирлинга с рынка. Но у тех было неоспоримое преимущество – возможность использования любого топлива, актуальная для солнечных стран Африки или Южной Америки. И эту особенность с успехом использовала голландская компания «Филипс», которая поставляла энергобытовое оборудование в эти страны. В 1957 году на рынке было порядка 30 модификаций двигателя Стирлинга. В это же время созданы так называемые криогенные поршневые машины Стирлинга. 
С начала 1960-х и почти до конца века нефть была дешевой, и никто не был заинтересован в том, чтобы расширять линейку двигателей Стирлинга. Зачем, если есть дешевая нефть? Соответственно, все предприятия были «заточены» под это. 


АН: Насколько эффективен двигатель Стирлинга по сравнению с ДВС?
Еще двигатели Стирлинга имеют такое преимущество, как высокий ресурс. У первой машины, которую я привез в Россию, он составлял 60 тысяч часов работы. Если учесть, что в год тратится 8 тысяч часов, то это примерно 8 лет работы, при этом расхода масла почти нет: всего пол-литра на 15 тысяч часов, и оно никогда не попадает во внутренний контур – соответственно, на выходе нет всех этих «прелестей», которые есть в дизельном топливе или в карбюраторах. Двигатели Стирлинга экологически чистые, потому что процесс горения идет в отдельной топке, его можно регулировать. 

АН: Мне кажется, наоборот: как раз в ДВС подачу топлива можно регулировать точнее. При внешнем сгорании как вы отрегулируете – если дровами греть?

НК: Ну, смотрите. Если бензин или дизельное топливо отправляется внутрь цилиндра, то по ходу его сгорания вы все время черпаете масло из картера. И у вас получается богатая, с точки зрения углеводородов, смесь, там очень много примесей. Причем надо обратить внимание на то, что до сих пор нет общепринятой теории горения топлива в дизеле. 
Ну и, безусловно, это двигатель с внешним подводом теплоты, то есть можно преобразовывать энергию из источников, которые недоступны или немыслимы для ДВС. 

АН: Тем не менее, двигателя Стирлинга я так и не вижу в житейском обиходе. Почему? 
НК: До 1991 года его исследовали около 20 научных организаций. Тогда эти темы широко не освещались, потому что разработки были связаны с военно-промышленным комплексом (их делали для подводных лодок). С 91-го года в России почти не осталось таких организаций. В политехнических вузах курса по двигателям Стирлинга нет, читаются одна-две лекции, чисто информационные. 
АН: До сих пор?
НК: До сих пор. Я недавно ездил в компанию «Стирлинг Криогенис», которая сейчас серийно производит криогенные машины Стирлинга. И мне показали большой проект – Т-образную криогенную машину для ксеноновой ванны. Ее сделала немецкая компания, а проверить, правильно или нет, никто не может – нет подходящих специалистов. Я нашел в установке несколько ошибок. Предложил переговорить с инженерами, на что мне сказали: «А это не наше, это нам делали в университете в Эссене. Мы платим деньги, но не понимаем, как они делают». Я убедился, что у них тоже нет науки. Когда они отпочковывались от «Филипса», то просто поставили в серийное производство удачные образцы, закрыв научно-исследовательские подразделения. И превратились в простых производителей. Конечно, у них есть определенный навык, инженерная сноровка, но пересчитать, скажем, тот же двигатель или криогенную машину они не могут. И это характерно практически для всех компаний.

АН: Есть ли сегодня математическая теория расчета двигателя Стирлинга, чтобы можно было его тиражировать с разной мощностью и разным КПД?
НК: Есть, но, как правило, это засекречено. В Интернете можно найти различные методики расчета, но это либо публикации уровня студентов третьего-пятого курсов, либо упрощенные модели. Вы сможете произвести по ним расчеты, но эффективность вашего двигателя составит 12–15 %. 
АН: Получается, что, если двигатели Стирлинга догоняются до 20 %, они могут конкурировать с ДВС. 
НК: Да. Есть сегменты, где их потребительские свойства превосходят свойства конкурентов. Если его использовать для запуска вентиляции, то ни вибрации, ни шума не будет. Почему такие двигатели стали широко применяться в подводных лодках? 
При выборе схемы учитываются нюансы – мощность, требования к вибрации, массе и т. д. Бета-схема более сложная с точки зрения расчета и конструктивного исполнения. Альфа-схема проще, большинство двигателей идут именно по ней, но если взять криогенику, то там практически все машины сделаны по бета-схеме. 
Я вообще считаю, что двигатель Стирлинга – это русская машина. 
АН: Разность температур?
НК: Совершенно верно. Если я в системе охлаждения понижаю уровень системы на 10 °С, это соответствует тому, что я уменьшил температуру в верхнем цикле на 100 °С. У двигателя Стирлинга чем ниже температура охлаждения, тем лучше! Чем меньше топлива, тем меньше температура в камере сгорания.
АН: А мы как раз топливо тратим на борьбу с этим холодом.
НК: Я недавно был в Красноярске и встречался там с главами муниципальных образований маленьких поселков. И они говорят: эти регионы не развиваются потому, что нет электроэнергии. Даже если взять то же самое дизельное топливо в качестве топлива для сжигания…
АН: Ну, понятно, что холод – это тоже энергия, как и тепло. 
НК: А он даровой! И если нам дан такой колоссальный энергетический потенциал, надо его использовать.
АН: Кстати, в Китае используют двигатели Стирлинга?
НК: Я дважды был в Китае, консультировал одну компанию. В первый раз я к ним приехал где-то в 2008-м; тогда они купили американские двигатели двойного действия, разобрали их и созвали инженерный состав из разных стран, чтобы узнать теорию расчетов, какую литературу использовать. Две недели я там провел и, уезжая, подумал: «Ну, ребята, вам еще очень далеко до нас!» Но когда я к ним приехал через три года, меня поразило, что у них уже был свой, китайский двигатель. 
А почему бы этот подход не использовать для российского рынка? Хотя бы воспроизвести в чистом виде. 
Ему практически нет конкурентов и при освоении лунных баз. Все американские лунные программы строятся только на Стирлинге. 
АН: Тогда я не понимаю, почему мы не занимаемся двигателями Стирлинга. У нас же тоже есть космические программы и все остальное. Да быть такого не может, чтобы мы это игнорировали!
НК: Подводные лодки – характерный пример. До 1991 года мы занимали 40 % этого рынка, а сейчас его потеряли. А подводный флот – это визитная карточка страны. И наш провал здесь говорит о том, что какая-то отрасль у нас начала выпадать. 
АН: А почему мы этого не делаем до сих пор?
НК: А это ответ на тот же самый вопрос – почему у нас не делаются Стирлинги. Первые грузовики на СПГ были сделаны еще в 1985 году, и парадокс в том, что эту технологию разработали мы, а сейчас ее развивают зарубежные страны. Крупные компании-моторостроители – «Вольво», «Мерседес» – уже выпускают грузовики на сжиженном природном газе. Порядка семи тысяч китайских автобусиков «Ютонг» тоже на нем. В Китае три тысячи заправок СПГ, и китайцы же собираются построить у нас завод грузовиков на сжиженном природном газе. Экономия – раз, экология – два. Есть жесткие законодательные требования, под которые предприятия начинают подстраиваться, их заставляют заниматься инновациями. 
АН: Но пока это только разговоры. Есть ведь и другая точка зрения: строительство одной большой электростанции дешевле с точки зрения трудозатрат и эксплуатации. Есть тут еще и политические моменты, и экономические. Но мы их затрагивать не будем. Поживем, увидим.