ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

наши дни тепловые двигатели получили широкое рас­пространение. Они работают всюду в самых различ­ных отраслях народного хозяйства. Но до XVIII века единственным источником энергии в промышленности слу­жили водяные силовые установки. Тогда все крупные фабрики и заводы строились по берегам рек.

Одним из первых людей, взявшихся за создание тепло­вого двигателя, был русский теплотехник Иван Иванович

Ползунов. Он работал механиком на Барнаульском меде­плавильном заводе, на Алтае. В 1763 году Ползунов по­дал начальнику Колывано-Воскресенских заводов свой проект огнедействующей машины — машины, в которой. используется энергия водяного пара. Через два года она была построена. Это была первая паровая машина непре­рывного действия. Испытания показали ее работоспособ­ность. В течение нескольких месяцев она успешно рабо­тала на Барнаульском заводе, приводя в действие разно­образные механизмы.

Самозабвенная работа над изготовлением машины стоила изобретателю жизни. Ползунов заболел скоротеч­ной чахоткой и умер за несколько месяцев до того, как его машина была пущена в ход.

За границей успешно работающая паровая машина для промышленных нужд была построена английским изобретателем Джемсом Уаттом лишь через 20 лет после Ползунова.

Машины И. Ползунова и Д. Уатта были предвестни­ками новой эры в технике. Наступил век пара. Уже к концу XVIII столетия сотни паровых машин работали на шахтах, рудниках, металлургических заводах, текстиль­ных фабриках. А в XIX столетии постройка паровых ма­шин стала ведущей отраслью промышленности. Новый, тепловой, двигатель привел к созданию паровозов и паро­ходов. Изучение техники паросиловых установок, или, как ее называют, теплотехники, стало необходимым для каж­дого инженера. В техническом мире появилась даже кры­латая фраза: «Тот не инженер, кто не теплотехник».

К концу XIX века теплотехника достигла уже очень высокого уровня развития. Возросли мощность и коэф­фициент полезного действия паросиловых установок[31]).

Однако, как ни быстро совершенствовалась паровая машина, потребности общества увеличивались еще бы­стрее. Если первые пароходы имели машины мощностью в десятки лошадиных сил, то в начале XX века строились океанские корабли, для которых уже требовались силовые установки в десятки тысяч лошадиных сил. Паровая ма­шина не могла удовлетворить этим требованиям. Пар сравнительно медленно движется в цилиндре машины. А ведь работа паровой машины совершается за счет энер­гии пара. И если через машину проходит мало пара, то и работа ее невелика. Возникла необходимость в новом, бо­лее легком и быстроходном двигателе.

Такой двигатель был создан. Это была паровая тур­бина.

Имеются сведения, что еще в 1813 году алтайский ма­стер Поликарп Залесов построил на Сузунском заводе не­большую паровую турбину. В последующие годы много изобретателей в России и за рубежом трудились над со­зданием паровых турбин. Но широкое промышленное применение получили лишь турбины, построенные швед­ским инженером Густавом Лавалем в 90-х годах прош­лого века.

Главной рабочей частью турбины является ротор — вал с насаженным на него рабочим колесом. Рабочее ко­лесо представляет собой диск, на ободе которого укреплен ряд лопаток. Пар, войдя в турбину, поступает в узкие ка­налы, называемые соплами. В каналах давление пара снижается, а за счет этого резко возрастает его скорость. Вылетая с большой скоростью из сопел, струя пара с си­лой воздействует на лопатки турбины. При этом энергия движения пара передается лопаткам, которые начинают быстро двигаться, вращая вал турбины. Пар непрерывно поступает в турбину, и ее лопатки движутся все время в одном направлении. Поэтому турбина работает более быстро и плавно, чем поршневая паровая машина. Само название «турбина» говорит о том, что ее основные ра­бочие части совершают вращательное движение. Слово турбина происходит из латинского «турбо», что означает вихрь, волчок.

Пар проходит через турбину с большой скоростью. По­этому даже турбина малых размеров способна пропустить много пара. А чем больше пара пройдет через турбину, тем выше ее мощность.

Г. Лаваль нашел удачную форму сопла, по которому пар подается на лопатки турбины (рис. 1). В первых турбинах пар подавался со сравнительно небольшой ско­ростью, не превышавшей скорости распространения звука в водяном паре, которая при температуре пара 300° С рав­няется примерно 600 м/сек. А с помощью сопла Лаваля стало возможным разгонять пар до больших скоростей, превосходящих в несколько раз скорость звука. Тем самым удалось повысить мощность турбины и ее коэффициент по­лезного действия. Лаваль внес также ряд усовершенство­ваний в конструкцию турбины, повысивших ее прочность.

Первую судовую паровую турбину построил инженер русского военно-морского флота П. Д. Кузьминский. Он одним из первых понял, что паровые поршневые машины не могут обеспечить пароходу большой скорости движе­ния. «...Существующий тип паровых машин,— писал Кузь­минский,— при которых нет возможности получать таких

Огромных скоростей вращения двигателя (гребного винта),... должен отойти и на место его явится тип бы - стровращающихся турбинных двигателей».

В начале XX века начинается бурное развитие паро­вых турбин. Везде, где были нужны мощности в десятки тысяч лошадиных сил — на крупных электростанциях, на больших морских судах,— стали применяться паровые турбины.

Мощность паровой турбины, построенной в 1884 году, составляла всего 5 киловатт. Через двадцать лет уже строились турбины мощностью в 5000 киловатт. А через десятилетие их мощность достигла 50 тысяч киловатт. Перед Великой Отечественной войной Ленинградский ме­таллический завод выпустил паровую турбину в сто тысяч киловатт. После войны коллектив этого завода создал еще более совершенную турбину, в 150 тысяч киловатт.

Однако у паровых турбин есть одно слабое место. Они, как и обычные паровые машины, нуждаются для своей работы в паровых котельных установках. При этом раз­меры парового котла и его вес в десятки раз превосходят размеры и вес турбины. На изготовление паровых котлов приходится затрачивать очень много высококачественной стали. Паросиловая установка в целом — громоздкое и дорогостоящее сооружение.

Развитие промышленности и особенно транспорта вызывало потребность в новом, легком и дешевом двига­теле.

В паросиловом двигателе энергия топлива, выделяю­щаяся при его горении, передается пару, а энергия пара в цилиндре паровой машины или в турбине преобразуется в механическую энергию. В этом преобразовании пар иг­рает роль посредника.

Уже давно возникла мысль создать двигатель, кото­рый не нуждался бы в посредничестве пара, сделать так, чтобы процесс горения топлива происходил внутри самого двигателя. Тогда отпала бы необходимость в устройстве паровых котлов. Такой двигатель — двигатель внутрен­него сгорания — был создан еще в конце прошлого века.

Этот двигатель уже не нуждается в паре. В цилиндры двигателя поступает воздух и сжимается с помощью поршня.

Туда же подается горючее. При его горении выде­ляется большое количество энергии, которая идет на на­гревание образующихся в цилиндре газов. Сжатый и сильно нагретый газ стремится расшириться и давит на поршень, заставляя его двигаться по цилиндру. С по­мощью шатуна поршень вращает вал двигателя, переда­вая ему ту энергию, которую он получил от газа. Когда процесс расширения заканчивается, в цилиндре откры­вается клапан, и газы выходят наружу, а на их место в цилиндр через другой клапан поступает новая порция атмосферного воздуха.

Сжигание топлива в цилиндрах двигателя позволило отказаться от пара, а значит, и от громоздкого парового котла. Получился весьма легкий двигатель. При неболь­ших размерах и малом весе двигатель внутреннего сгора­ния способен развивать большую мощность.

Чтобы питать паром турбину мощностью в 10 тысяч лошадиных сил, требуется паровой котел размером с трех­этажный дом. Такую же мощность дают четыре современ­ных авиационных двигателя внутреннего сгорания раз­мером с небольшой письменный стол каждый.

Правда, первые двигатели внутреннего сгорания не были столь совершенны, как современные, но и они были несравненно легче паросиловых установок.

Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания?

Трудно назвать имя одного человека.

Первый двигатель внутреннего сгорания, получивший практическое применение, был построен французским ме­хаником Жаном Лену аром в 1860 году. Двигатель Ле - нуара работал на светильном газе, почему и получил на­звание газового двигателя. По своей конструкции он был весьма несовершенен. Перед вспышкой газ не сжимался, поэтому максимальное давление в цилиндре достигало всего лишь 4 атмосфер. Неудивительно, что двигатель Ленуара имел крайне низкий коэффициент полезного действия. А расходовал он громадное количество газа — по 3 кубических метра в час на одну лошадиную силу.

В дальнейшем над усовершенствованием двигателей внутреннего сгорания работали многие зарубежные и наши, отечественные, изобретатели. В 1877 году немецкий инженер Н. Отто изготовил газовый двигатель, в котором горючая смесь перед сгоранием подвергалась сжатию. Благодаря этому давление газа после вспышки достигало большой величины, и коэффициент полезного действия двигателя повысился. Усовершенствованный газовый дви­гатель получил высокую оценку; двигатели этого типа стали называть двигателями Отто.

Принцип работы такого двигателя был дан еще в 1862 году французским инженером Бо де Роша. Бо де Роша изложил физические основы рабочего процесса дви­гателя и показал, что полный цикл его работы совер­шается за четыре хода поршня, почему эти двигатели и по­лучили в дальнейшем название четырехтактных.

Крупный шаг в развитии двигателей внутреннего сго­рания был сделан моряком русского флота О. С. Косто- вичем. Он создал двигатель, работающий не на горючем газе, а на жидком топливе — на бензине.

Двигатель Костовича имел уже все основные детали, которые имеют современные двигатели внутреннего сго­рания: испаритель, где приготовляется горючая смесь паров бензина и воздуха, систему электрического зажига­ния, коленчатый вал, клапанное распределение, водяное охлаждение цилиндров. Двигатель работал по четырех­тактному циклу, то есть так, как действует сейчас боль­шинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания[32]).

В конце XIX столетия бензиновые двигатели внутрен­него сгорания стали изготовляться в большом количе­стве и быстро вытеснили газовые. Изобретение и усовер­шенствование этих двигателей привело к развитию авто­мобилестроения. Пока не было легкого и мощного дви­гателя, все попытки изобретателей создать самодвижу - щиеся экипажи не давали практических результатов. Но как только был создан бензиновый двигатель, такие эки­пажи были созданы.

Такую же роль сыграли двигатели внутреннего сгора­ния и в развитии авиации. Если автомобиль нуждался в легком двигателе, то для самолета это требование было еще более важным.

Первые авиационные двигатели строились по об­разцу автомобильных. Они изготавливались из чугуна и низкосортных сталей, имели водяное охлаждение ци­линдров. Однако постепенно в авиационных двигате­лях начали применяться легкие алюминиевые сплавы и высококачественные стали. Появились двигатели с воз­душным охлаждением цилиндров — потоком встречного воздуха.

В XX веке во всех крупнейших странах мира началось бурное развитие авиационной промышленности. И осно­вой для этого послужил бензиновый двигатель внутрен­него сгорания. Современные авиационные двигатели внутреннего сгорания — это двигатели очень большой мощности.

Приведем в качестве примера двигатель, созданный в нашей стране коллективом конструкторов, руково­димым А. Д. Швецовым, перед Великой Отечественной войной — 14-цилиндровый двигатель марки «АШ-82». Мощность его достигает 1700 лошадиных сил. Весит он 850 килограммов, а диаметр его равняется всего 126 сан­тиметрам.

Однако и двигатели внутреннего сгорания, как и паро­вые машины, тоже не лишены недостатков. Ведь порш­невой двигатель работает неравномерно. Под давлением газов поршень движется по цилиндру с нарастающей скоростью. Но вот он достиг наибольшей скорости. Те­перь его движение начинает замедляться. Дойдя до конца цилиндра, поршень на мгновенье останавливается; это так называемая нижняя «мертвая» точка. Затем он на­чинает двигаться обратно. Снова следует разгон поршня, потом замедление и остановка уже в верхней «мертвой» точке. Если двигатель делает 3000 оборотов в минуту, то это значит, что за одну секунду поршень 100 раз из­меняет направление своего движения.

Можно ли при таком режиме работы поршня заста­вить его двигаться с большой скоростью? Конечно, нет. Поэтому даже в самых совершенных авиационных двига­телях скорость поршня достигает всего 15—17 метров в секунду. Поршень движется в двадцать раз медленнее, чем лопатки паровой турбины. Значит, поршневой двига­тель гораздо тихоходнее, чем турбина.

Но мы знаем уже, что тихоходность двигателя препят­ствует росту его мощности. Вот почему приходится де­лать двигатели внутреннего сгорания с большим числом цилиндров. Например, авиационные двигатели мощно­стью в 3—4 тысячи лошадиных сил делают с 24 или 28 цилиндрами. Такой двигатель получается сложным, громоздким и очень тяжелым.

Перед учеными встала задача создать двигатель, об­ладающий быстроходностью паровой турбины и в то же время не требующий для своей работы парового котла. Иными словами, необходимо было создать двигатель, ко­торый сочетал бы в себе лучшие качества паровой тур­бины и поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Таким двигателем и явилась газовая турбина.

Отмечая исключительно большое значение газовых турбин, Президент Академии наук СССР А. Н. Несмея­нов писал: «К числу важнейших достижений современной науки и техники относится новый тепловой двигатель — газовая турбина. Она несет с собой технический прогресс ряду отраслей народного хозяйства. Газотурбинные уста­новки отличаются и простотой устройства, соединением высокой экономичности и большой мощности в одном агрегате».