Деньги есть,

нет прорывных идей и достаточного доверия

Тезис, вынесенный в заголовок статьи, часто повторяют те, кто готов убедить всех в технологическом отставании России от передовых стран. А на самом деле прорывные идеи есть, как есть и активные носители технологий мирового уровня, которым могут довериться обладатели финансовых ресурсов. Сопряжение тех и других может плодотворно состояться в формате интеллектуального бизнеса, о чем неоднократно упоминалось в “ЭФГ” (см., например, № 19 и № 47 за 2008 год), а также в журнале “Промышленная политика в Российской Федерации” (№ 9, 2008 г.).

Мне не хочется повторять то, о чем приходилось писать ранее. Однако для пользы дела слегка повторюсь. Потенциал нашей научно-технической элиты авиационно-космического комплекса (АКК) очень высок. В частности, успешными испытаниями в 1991 году гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя русские на 13 лет опередили американцев. Аббревиатура ГПВРД неоднократно упоминалась в публичных выступлениях В.В. Путина. Ныне в рамках МАКС-09 на стенде ЦИАМ имени П.И. Баранова были продемонстрированы образцы ГПВРД нового поколения. Более того, американские ракеты «Атлас-3» и «Атлас-5» много лет успешно стартуют на русских жидкостных ракетных двигателях РД-180, созданных в конце прошлого столетия за рекордно короткие сроки (2,5 года) при использовании всего восьми доводочных двигателей.

Высочайший интеллектуальный и технологический потенциал АКК, перенесенный в общую промышленность, дает удивительные результаты. Достаточно упомянуть достижение российских железнодорожников последнего времени – газотурбовоз, работающий на сжиженном природном газе (СПГ). Это прорывное инновационное решение реализовано благодаря научно-техническому заделу коллектива СНТК им. академика Н.Д. Кузнецова (г. Самара) и научному сопровождению ЦИАМ, то есть тех специалистов, которые в свое время изумили весь мир успешными полетами в 1988–1989 годах самолетов ТУ-155 и ТУ-156 соответственно при применении в качестве топлива жидкого водорода и СПГ.

ЦИАМ – плацдарм инноваций

Центральный ордена Ленина и ордена Октябрьской революции институт имени П.И. Баранова (ЦИАМ в дальнейшем) является государственным научным центром России и уже на протяжении почти 80 лет возглавляет комплексные научные исследования и разработки в области авиадвигателестроения (АД), от фундаментальных исследований физических процессов до совместной работы с опытно-конструкторскими бюро по созданию, доводке и сертификации АД.

Мировую известность ЦИАМ получил уже в 1937 году, когда экипажами В.П. Чкалова и М.М. Громова были совершены беспосадочные перелеты из Москвы в США через Северный полюс на одномоторных самолетах АНТ-25. Мотор М-34, созданный и испытанный в ЦИАМ, устанавливался в дальнейшем (кроме АНТ-25) на штурмовике ИЛ-2 и бомбардировщике ИЛ-4. Ныне ЦИАМ награжден дипломом Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам в номинации “100 лучших изобретений России” за разработку рабочего колеса (РК) высокооборотного осевого вентилятора или компрессора (патент РФ № 2354854). Использование упомянутого РК позволяет при сверхзвуковом течении воздуха повысить эффективность нагнетателей с существенным уменьшением их массы, что важно не только для АД, но для технических объектов наземного применения.

Среди наиболее продвинутых технических решений можно назвать лазерный аэрозольный тестер, получивший Золотую медаль на Брюссельской выставке объектов интеллектуальной собственности, воздушные турбокомпрессорную и турбоэжекторную системы для получения электричества, холода и тепла, низкоэмиссионную камеру сгорания для наземных газотурбинных энергетических установок (ГТУ), теплогенераторное устройство нового поколения, высокоэкологичный и эффективный энергопреобразователь продукт-газа при утилизации мусора, турбодетандер нового поколения и др.

Рассмотрим более подробно возможности инновационного решения, основанного на использовании турбохолодильных машин (ТХМ) с раздельными валами турбины и компрессора. Следует подчеркнуть, что разработка ТХМ основана на мощном фундаменте приоритетно созданного в России так называемого (в зарубежной литературе) “русского цикла”.

Русский термодинамический цикл

 – основа для создания тепловых машин нового поколения

Воздух как холодильный агент более 150 лет назад стал объектом исследования в экспериментальных установках для получения низких температур – до минус 40 градусов по Цельсию. Наибольшее распространение воздушные холодильные машины нашли в западных странах в конце XIX века: в 1877 году они даже выставлялись на выставке в Париже, а с 1880 года серийно выпускались в Англии. Однако из-за малой эффективности компрессоров и турбин того времени они на рубеже ХХ века были преимущественно вытеснены парокомпрессионными холодильными машинами, использующими в качестве хладагентов аммиак, углекислоту и фреон. В те времена проблемы экологии оказались в тени более главной проблемы – экономичности.

Однако бурное развитие авиации привело, с одной стороны, к заметному повышению эффективности лопаточных машин, а с другой – к потребности создания компактной и экологически чистой системы жизнеобеспечения салонов самолета. В конце 50-х годов прошлого века по письму в Совет Министров СССР академиков П.Л. Капицы, А.М. Люльки, С.К. Туманского и др. была организована группа, которая под руководством профессора М.Г. Дубинского разработала для авиации в 1961 году турбохолодильную машину ТХМ-300 на основе нового оригинального цикла, что под названием “русский цикл”, зафиксировано в монографии Р. Тевено “История создания искусственного холода”, изданной в 1979 году в Париже Международным институтом холода. На базе ТХМ-300 была серийно запущена в производство турбохолодильная машина ТХМ1-25 для нужд народного хозяйства, и это послужило началом широкого развития нового направления холодильного машиностроения, устанавливающего приоритет нашей страны в этой области техники. Приоритет России зафиксирован патентом РФ на изобретение № 2123647, а также получением патентов в десяти промышленно развитых странах: США, ФРГ, Японии, Великобритании, Франции, Италии, Канаде, Швейцарии, Швеции и Бельгии.

Патентообладателем является ОАО “Турбохолод” (г. Москва) – правопреемник знаменитого, созданного в 1970 году специального конструкторского бюро (СКБ ТХМ) по разработке воздушных и газовых турбохолодильных машин. Ныне руководителями указанного акционерного общества являются соратники профессора Дубинского – В.А. Хетагуров, К.К. Соколов, которые достаточно активно для нынешних условий продолжают развивать достижения СКБ ТХМ в направлении создания отечественных холодильных машин нового поколения.

Вниманию читателей предлагается опыт частной разработки одной из разновидностей ТХМ с раздельными валами турбины и компрессора, а именно воздушной турбоэжекторной системы, которая может быть использована в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в газовой промышленности, и которая основана на использовании ОИС по базовому патенту РФ № 2148195.           

Сжатый воздух является одним из универсальных энергоносителей. Он может служить аккумулятором избыточной электроэнергии, что широко используется на воздушно-аккумулирующих электростанциях – ВАЭС. Широкое применение ВАЭС в Германии и США привело к заметному повышению надежности, экономичности и экологичности энергоснабжения потребителей за счет того, что базовое генерирующее оборудование функционирует всегда в постоянном режиме при переменности энергопотребления. Это достигается путем использования накопленных (в период избытка вырабатываемой электроэнергии) запасов сжатого воздуха, на котором работает маневренное оборудование в период дефицита электроэнергии, преимущественно в дневное время суток.

Аккумуляторами сжатого воздуха являются его накопители в виде баллонных рамп многих предприятий, использующих воздух для различных технологических нужд, а также для проведения экспериментальных исследований, главным образом в научно-исследовательских учреждениях. В таких случаях на каждом предприятии функционирует автономная компрессорная станция так называемого заводского воздуха с давлением не более 0,6 МПа. При работе энергооборудования, например воздушного компрессора с приводным электродвигателем, происходит значительное тепловыделение и нагрев воздуха закрытого помещения. В частности, при температуре окружающей среды вблизи 288 К температура воздуха в помещении объемом около 1000 куб. м без принудительного охлаждения, но с открытой наружу дверью может повышаться до значения 300 К за 3–4 часа функционирования энергооборудования мощностью до 150 кВт. Очевидно, что использование при этом агрегатов кондиционирования является достаточно дорогостоящим мероприятием, в силу чего оно далеко не всегда реализуется на упомянутых компрессорных станциях.

Вместе с тем при неизменном режиме работы воздушного компрессора, заполняющего баллонную рампу сжатым воздухом, происходит неравномерное его потребление, что может приводить к переполнению баллонной рампы и срабатыванию предохранительного клапана. В таких случаях часть накопленной сжатым воздухом энергии бесполезно рассеивается в атмосферу. Предлагается для достижения повышенной вентиляции воздуха в помещении с одновременным снижением температуры в нем использовать воздушную турбоэжекторную систему (ВТЭС), представленную на рисунке. Принцип действия ВТЭС заключается в следующем.

При подаче сжатого воздуха из баллонной рампы 6 в эжектор 3 происходит снижение давления воздуха на выходе из турбины, которая входом соединена со средой помещения, контуры которого обозначены на рисунке пунктирными линиями. За счет разрежения, создаваемого на выходе турбины 1, происходит засасывание воздуха помещения через ее вход и выработка мощности, передаваемой на электрогенератор 2, который соединен с аккумулятором 4. В результате функционирования турбины 1 происходит наряду с выработкой электроэнергии и снижение температуры воздуха, поступающего в пассивную часть эжектора, со смешением с воздухом, поступившим из баллонной рампы. В результате этого температура воздуха, выходящего из эжектора, будет ниже температуры воздуха в помещении.

Изготовлен опытный образец ВТЭС и получено снижение температуры воздуха, выходящего из эжектора 3 со скоростью примерно 30 м/с, на 10–12 градусов по сравнению с температурой воздуха в помещении. Причем расход воздуха, поступающего в эжектор 3 из баллонной рампы 6 с температурой 288 К достигал 2 нм куб./мин (около 0,04 кг/с) при давлении 0,4 МПа, а мощность, вырабатываемая турбиной 1, достигала 1 кВт. Следует обратить внимание на то, что высокая скорость выхода воздуха из эжектора (около 30 м/с) не только способствует обдуву приводного мотора воздушного компрессора 5, но и осуществляет наряду с турбиной 1 интенсивную циркуляцию воздуха помещения.

Стоимость ВТЭС может быть достаточно снижена за счет использования автомобильных электрогенераторов, в которых взамен вентилятора устанавливается рабочее колесо (РК) турбины 1, выполненное из алюминиевого сплава, что позволяет достигнуть массы РК, меньшей массы упомянутого вентилятора.

Известно, что высокотехнологическая разработка, каковой, безусловно, является ВТЭС, характеризуется многофункциональностью применения. В частности, потенциал высокого давления природного газа, поступающего к потребителю, можно использовать в качестве активной среды эжектора с получением электричества и гомогенной газовоздушной среды с последующим ее сжиганием для получения тепла, полезно используемого на газораспределительных станциях. Такой возможностью ВТЭС уже заинтересовались некоторые организации газовой промышленности. По своей стоимости система ВТЭС при серийном изготовлении будет доступна и частным лицам, имеющим твердый финансовый достаток, и тем более предприятиям, широко использующим сжатый воздух для различных технологических нужд. Техническое решение, представленное на рисунке, имеет высокий потенциал усовершенствования. Это создает надежное основание для перспективного сотрудничества с потенциальными сообладателями объекта интеллектуальной собственности на начальной стадии разработки изобретения с его последующей защитой и выставлением на рынок продажи интеллектуальной продукции. Причем продажи по рыночному уровню стоимости ОИС ввиду наличия успешно апробированных опытных образцов различного исполнения.

Сопряжение турбины и компрессора

 – мощный резерв прорывных инновационных решений

Величайшим изобретением человечества после колеса стало объединение в ходе развития техники двух процессов – сжатия и расширения. Компрессор и турбина в совместной работе реализуют фундаментальный жизненный цикл – процесс колебания, ибо жизнь – это непременно движение, а самое экономное движение – колебательный процесс. На этот счет Творец дал нам много аналогий для восприятия такой гениальной истины. Вспомните, например, как движется самое мудрое и самое древнее из живых существ – змея!

Мое упоминание «русского цикла», реализованного в турбохолодильных машинах, дало основание для подробного описания одной из разновидностей ГХМ с раздельными валами турбины и компрессора, а именно воздушной турбоэжекторной системы, в которой сжатый воздух расширяется в эжекторе, заставляя вращаться турбину с электрогенератором за счет создаваемого разрежения воздуха на ее выходе.

За десять лет с момента регистрации приоритета России в ЦИАМ проведен комплекс испытаний различных опытных образцов ВТЭС с получением порою уникальных результатов, что частично отражено в патенте РФ № 2365827 от 20.06.2008 г. Показаны широкие возможности использования ВТЭС взамен станций катодной защиты газопроводов. В этом случае взамен сжатого воздуха используется природный газ высокого давления и получаемая гомогенная газовоздушная смесь экологически чисто сжигается в специальных теплогенераторных устройствах (ТГУ), успешно апробированных при эффективном сжигании попутного нефтяного газа при давлении его ниже атмосферного. Упомянутые ТГУ созданы с применением высоких технологий, разработанных в авиационно-космическом комплексе.

Три в одном. Маркетинговый ход? Нет – прорывная идея!

По моим наблюдениям, творцы интеллектуальных объектов прорывного уровня являются, как правило, людьми с достаточно высоким уровнем помыслов, и им можно доверить возможность распоряжения капиталом. В опровержение заглавия статьи уверенно повторяю: в России есть деньги, есть прорывные идеи и есть носители высоких технологий, которым можно доверить капитал. Отсюда конкретное предложение об объединении финансовых ресурсов и ресурсов прорывных идей, конкурентная способность которых подтверждена испытаниями опытных образцов. Конкретное предложение заключается в совместной разработке энергосистемы по получению электричества, холодного и теплого воздуха на основе ТХМ с раздельными валами турбины и компрессора суммарной мощностью вблизи 300 кВт при стоимости основного высоколиквидного комплектующего оборудования 1,5 млн. рублей. Изготовление энергосистемы в течение 10 месяцев, ее окупаемость – 1–1,5 года. Планируется включение инвестора в соавторы ОИС с заранее оговоренной долей участия. Указанная энергосистема может быть также успешно использована для сжигания биогаза или продукт-газа при утилизации мусора.

Хотите эффективно и экологически чисто получать электричество, холод и тепло в требуемых соотношениях – обращайтесь в редакцию “ЭФГ” за дополнительными разъяснениями. В условиях нынешнего кризиса деньги можно надежно размещать путем вложения в объекты интеллектуальной собственности. В частности, на продажу выставляется упомянутый патент № 2365827 со сроком действия на территории России в течение 19 лет.

 Валерий Игнатьевич Гуров, доктор технических наук