На высоких скоростях

На высоких скоростях

На электростанциях, на многих кораблях и на самолетах действуют тепловые двигатели без поршней — турбины. Они бывают па­ровыми и газовыми.

Вспомним: поршневые двигатели использо­вали давление пара или газа, т. е. их потенци­альную, внутреннюю энергию. Турбины же работают благодаря кинетической, скоростной энергии паровой или газовой струи. Значит, прежде всего нам нужно разогнать пар или газ до высокой скорости. Это легче всего сделать, выпуская их из какого-то сосуда, где давление очень высокое, в окружающее пространство через небольшое отверстие.

Чем выше внутреннее давление, тем быстрее помчится пар (мы сначала будем говорить о па­ровых турбинах). А если к отверстию приста­вить конический насадок — сопло, ско­рость выходящего пара может стать больше скорости звука. При этом, конечно, давление в паровой струе очень резко упадет. Энергия давления, потенциальная, перейдет в скорост­ную, кинетическую.

Если теперь струю пара направить на лопат­ки колеса, сидящего на оси, колесо начнет бы­стро вращаться. Такая простейшая турбина — она называется активной одновенечной — на практике, к сожалению, непри­годна. Паровая струя мчится из насадка гораз­до быстрее звука — около 1 км/сек! Чтобы ис­пользовать такую скорость, лопатки турбинного колеса должны проходить в секунду около 500 м. Колесо будет при этом вращаться со ско­ростью 30—40 тыс. об/мин. Гигантские центро­бежные силы просто-напросто разнесут машину!

Колеса современных паровых турбин вра­щаются со скоростью 3000 об/мин. А чтобы пол­нее использовать энергию пара, турбины делают не с одновенечными рабочими колесами, а с длинными валами — роторами — с несколь­кими рядами лопаток. Каждый ряд лопаток называется рабочим венцом. Между венцами вводятся неподвижные диафраг­мы — тоже ряды лопаток, только укрепленные на внутренних стенках корпуса турбины и не касающиеся ротора. И происходит вот что.

Свежий, «острый» пар из котла под давле­нием 150—250 атм проходит между непо­движными лопатками. Каналы между ними — это сопла. Здесь пар успевает превратить в ско­рость только часть своего давления. Лопатки первого венца ротора пришли в движение.

Затем пар попадает в каналы первой диаф­рагмы. Вновь часть его давления переходит в скорость, и эта скорость срабатывается на вто­ром венце. Так повторяется 10—12 раз, пока давление пара станет небольшим.

Но современные турбины часто используют и реактивный принцип работы. Это зна­чит, что соплами для разгона паровой струи служат не только каналы между лопатками диафрагм, но и каналы между лопатками рабо­чих венцов ротора. Каждой лопатке рабочих венцов придают форму запятой, и каналы между ними становятся похожими на сопла. Поэтому в реактивной турбине пар одновре­менно и теряет скорость, отдавая ее лопаткам, и приобретает скоростную энергию за счет поте­ри части давления в соплах рабочих венцов. Всего несколько рабочих венцов — и началь­ное давление израсходовано плавно и экономно.

На Харьковском и Ленинградском турбин­ных заводах строят мощнейшие в мире паровые турбины — на 500 тыс. квт. И проектируют еще более мощные — на 750—800 тыс. квт. Эти двигатели, разумеется, гораздо сложнее, чем те, о которых мы рассказали.

Газовые турбины по принципу дей­ствия стоят близко к реактивным паровым. Но только по принципу, потому что газовая тур­бина — это двигатель внутреннего сгорания, ей не нужен тяжелый паровой котел.

Важная часть газовой турбины — мощный компрессор. Он всасывает воздух и сжи­мает его до 10—15 атм. Затем сжатый воздух подогревается в теплообменнике отходящими газами и идет в камеру сгорания. Туда же не­прерывно подается мелкораспыленное топливо, например керосин. Огонь в камере сгорания бушует все время — топливо горит в воздуш­ной струе. Лишь в начале работы, для запуска, оно поджигается электрической свечой, а по­том свечу выключают.

Поток горячих газов идет в сопла и потом на лопатки ротора — обычно на нем не боль­ше трех-четырех рядов лопаток. Отработав на турбине, газы омывают теплообменник, где подо­гревается сжатый воздух, и покидают турбину.

Двигатели такого типа ставят чаще всего на самолеты. При этом газовая струя, вылетаю­щая из хвостовой части двигателя, дополни­тельно толкает самолет вперед, создает, как го­ворят специалисты, реактивную тягу. А глав­ную тягу дает воздушный винт, сидящий на одном валу с турбиной и компрессором. По­добными турбовинтовыми двигателями осна­щены, например, такие советские воздушные лайнеры, как ТУ-114, ИЛ-18, АН-10, АН-24.

Но инженеры стремятся переселить газовую турбину «с небес на землю» — сделать ее дви­гателем электростанций, локомотивов-газотур­бовозов, морских судов. Она легка, экономична, способна работать даже на дешевом природном горючем газе — все это очень заманчиво. Однако раскаленные газы, несущиеся в турбине с огромной скоростью, быстро изнашивают ра­бочие лопатки. Предстоит еще трудная работа, прежде чем будет создана мощная, экономич­ная и долговечная газовая турбина.

Если вы разобрались в том, как работает га­зовая турбина, то нетрудно понять и действие воздушно-реактивных двигателей. Но в этой статье мы не будем о них рассказывать. И вот почему.

Двигатели, о которых здесь говорится, многоцелевые: они могут работать на транспор­те, вращать ротор генератора, приводить в дви­жение станок. А реактивные двигатели можно применять только на транспорте. Они могут приводить в движение космический корабль, самолет, автомобиль и т. п. Если такой двига­тель закрепить на фундаменте (как, например, паровую машину), он не сможет производить полезную работу. В отличие от остальных дви­гателей главная его техническая характеристи­ка — сила тяги. Именно поэтому инженеры выделяют их в особую группу, а мы рассказы­ваем о них в разделе «Транспорт» (см. ст. «Реактивные двигатели»).