Густав Лаваль

Турбина Лаваля

Впоследствии, вспоминая о клостерском периоде своей жизни и преследовавших его в это время идеях, Лаваль писал в одной из своих записных книжек:

«Я был всецело проникнут истиной: большие скорости — вот истинный дар богов! Я уже в 1876 году мечтал об успешном применении пара, направленного непосредственно на колесо для получения механической работы. Это было смелое предприятие. В те времена употреблялись лишь малые скорости. Скорости, позднее достигнутые в сепараторе, в то время казались невероятными, а в современных учебниках писалось о паре: жаль, что плотность пара так мала, что не допускает даже мысли о применении его на колесе для создания энергии… И все-таки мне удалось осуществить мои смелые мечты».

В этом признании, свидетельствующем, что Лаваль отдавал себе полный отчет в том, какое значение может иметь смутная идея, родившаяся в его сознании в Клостере во время неудачного опыта с пескоструйным аппаратом, нет ничего преувеличенного.

Следует напомнить, что в то время, когда идея паровой турбины впервые возникла у Лаваля, не было еще произведено достаточной подготовительной работы. Правда, паровая турбина, как мы уже видели, являлась древнейшим тепловым двигателем, существовавшим еще задолго до появления паровой машины, но, несмотря на массу проектов, возникавших в течение многих лет, никому еще не удавалось эту паровую турбину превратить в практически применяемый двигатель.

Только большая научная подготовка, настойчивость и неоспоримый изобретательский талант могли помочь Лавалю поставить на службу человечеству неслыханные дотоле большие скорости, даваемые паровой турбиной.

Первые работы Лаваля в области паровой турбины имели своей непосредственной целью создать простой и дешевый двигатель для сепаратора.

Для приведения во вращательное движение оси сепаратора с большим числом оборотов требовались специальные механизмы или же специальные двигатели. В ручном сепараторе Лаваля применялась зубчатая и червячная передача от рукоятки, делающей 40 оборотов в минуту, к шпинделю, делавшему 7 тысяч оборотов за то же время. В механических сепараторах, работавших от конного привода или от паровой машины, эта передача делалась ременной к промежуточному шкиву на горизонтальной оси, а от него уже шла канатная передача к шкиву на шпинделе.

Лаваль очень хорошо помнил, какую мускульную силу нужно было затрачивать ему и Зундбергу для приведения в действие сепаратора в те времена, когда на Регеринсгатане толпились любопытные, которым Лаваль должен был, обливаясь потом, демонстрировать свою машину.

Чтобы избавиться от сложной и неудобной передачи, требовавшей дополнительной механической энергии, Лаваль с самого начала пришел к мысли вращать шпиндель сепаратора с помощью реактивного турбинного колеса, являющегося не чем иным, как «эолипилом» Герона Александрийского.

Передачи Лаваля для увеличения числа оборотов сепаратора

В самом начале 1883 года Лаваль построил такой первый турбинный сепаратор. Английский патент, взятый им 2 апреля 1883 года, означенный № 1622, на турбину, «работающую паром или водой», и был первым патентом Лаваля в той области техники, которая принесла ему мировую известность.

Эта турбина представляла собой С-образное колесо, состоящее из двух изогнутых труб. Колесо было насажено непосредственно на оси сепаратора. Свежий пар, давлением не менее четырех атмосфер, выходил из этих изогнутых трубок и реактивным действием выходящей струи приводил в движение колесо.

Лаваль не придавал слишком большого значения этой своей работе и, демонстрируя турбинный сепаратор друзьям, заметил:

— Достоинство этой турбины — ее простота… Я думаю, что она поможет распространению наших машин, так как установка парового котла для нее легко может быть осуществлена даже в небольшом хозяйстве.

Вслед затем на рынок было выпущено несколько подобных турбинных сепараторов, однако они не получили распространения. Вопреки предположениям изобретателя, сепараторы эти оказались совсем неэкономичными: турбина расходовала слишком много пара. В то же время изготовление турбинных колес при тогдашнем состоянии машиностроительной техники обходилось очень дорого, и они были далеки от совершенства.

Турбинный сепаратор Лаваля и турбинное колесо

Впрочем, впоследствии подобные турбинные сепараторы в несколько усовершенствованном виде вновь начали строиться и получили распространение, так как удалось значительно понизить расход пара их турбинами.

Но кроме сепаратора, во всяком случае, эта первая турбина Лаваля нигде не применялась.

Раз занявшись турбиной, Лаваль все-таки хотел довести конструкцию турбинного сепаратора до совершенства, обеспечивающего таким сепараторам практическое применение. Неудача с первой турбиной к тому же затрагивала его самолюбие, и ему хотелось оправдать веру друзей в его конструкторский талант.

Продолжая разрабатывать конструкцию, он в 1886 году построил второй турбинный сепаратор с тем же реактивным колесом. Колесо состояло на этот раз из прямых каналов, снабженных конусообразными выходными насадками, с подводом пара через полую ось. Но и эта турбина, в принципе ничем не отличавшаяся от первой, также не помогла распространению турбинных сепараторов.

Однако в дальнейшем эти конические насадки сыграли решительную роль в истории создания турбины.

Дело в том, что эти насадки, как это заметил Лаваль при первых же опытах с ними, представляли собой замечательный аппарат для более совершенного использования кинетической энергии пара. Пар, под влиянием разности давлений в начале и конце этих насадок, проходя через них, получал ускорение вследствие перехода потенциальной энергии пара в его кинетическую энергию, живую «ветровую» силу.

Изобретательному уму Лаваля, сделав это наблюдение, легко было заключить, что если этот пар с полученной скоростью его истечения направить этим же самым аппаратом на лопатки рабочего колеса, то он произведет давление на лопатки, оказывающие ему сопротивление, и, отдавая им часть своей энергии, заставит колесо вращаться.

Таким образом, напав на мысль — это было в 1886 году, десять лет спустя после случая в Клостере — применить коническую насадку как аппарат для преобразования потенциальной энергии пара и поместить эту насадку как направляющий аппарат перед лопатками рабочего колеса, — Лаваль перешел от опытов с чисто реактивной турбиной к турбине чисто активной. Иными словами, мысль изобретателя от эолипила обратилась к другой готовой технической форме, к знаменитой машине Джиованни Бранка, той самой машине, о которой принято было думать, что струей пара никогда нельзя получить сколько-нибудь значительной силовой мощности.

Восставая против этого общепринятого мнения, Лаваль с гениальной простотой решил задачу, несмотря на чрезвычайные трудности, которые тотчас же встали перед ним, как только он взялся за осуществление идеи.

Теперь уже речь шла не о специальном двигателе для сепаратора, — Лаваль это отлично понимал. Перед ним стояла задача постройки того быстроходного двигателя, которого требовала современная промышленность.

Лаваль ни на минуту не сомневался в практическом успехе своего будущего создания. О закулисной борьбе против всякого нового двигателя, которую должен будет повести капитал, вложенный в паровые машины и в их производство, о сопротивлении предприятий, уже освоивших паровые машины и не расположенных тратить время и средства на освоение нового двигателя, он, конечно, не думал.

Все дело заключалось, как ему казалось, только в технических трудностях, а на преодоление их у него было достаточно теперь не только энергии, опыта, знаний, но и материальных средств в виде акций процветающего «Сепаратора», которым командовал изумительный Бернстрем.

Материальные условия для развития деятельности Лаваля были в это время очень благоприятными. Человек скромных потребностей, интересовавшийся лишь тем, что имело непосредственное отношение к технике, он тратил все свои огромные средства только на оборудование своих мастерских и лабораторий и ничего — на себя. Он не курил, он с отвращением, уступая просьбам, пил вино в редких и очень торжественных случаях; единственным его пристрастием было крепкое кофе. Он был расчетлив в житейских делах, но на свои опыты, он никогда не жалел никаких денег. Для этой цели он постепенно продавал принадлежавшие ему акции «Сепаратора», с каждым днем все выше и выше оценивавшиеся на бирже, и укреплял материальную базу для своих изобретательских работ. Он понимал, что готовое изобретение может вернуть ему все затраченные средства, но что капиталистическое хозяйство не даст ему ни одного гроша для предварительных опытов и изысканий.

К моменту возникновения идеи турбины Лаваль, осуществив свои мечты, имел прекрасную лабораторию и строящиеся мастерские. У него работал штат техников и инженеров. Весь тогдашний квартал между Хантверкарегатаном и озером Мелар, влево от Пильгатана, принадлежал Лавалю. Здесь располагались его мастерские и лаборатория, где производились самые разнообразные опыты, начиная от ветряных двигателей и кончая ацетиленовыми лампами.

С величайшим энтузиазмом Лаваль взялся за осуществление паровой турбины, мысль о которой так долго вынашивалась им.

Теоретически вопрос для изобретателя был ясен.

Полная работа пара в проектируемой им турбине разделялась на два процесса: во-первых, преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, и во-вторых, передача кинетической энергии пара движущимся частям машины — лопаткам колеса.

Первая часть работы пара, а именно преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, должна была совершаться в особом аппарате, построенном на принципе конической насадки. В нем давление пара наиболее полно преобразовывалось в скорость истечения. Этот аппарат, получивший впоследствии известность как «сопло Лаваля», представляет собой коническую трубу с постепенным расширением к выходу. Расширяющееся сопло позволяет понизить давление пара, подводимого из котла, и повысить скорость его истечения до скорости, значительно превышающей скорость распространения звука.

Получив 29 апреля 1889 года патент на применение этого аппарата в турбине, Лаваль перешел к решению всей проблемы в целом.

Этому предшествовали опыты в мастерских. Задача, которую он в эти годы решал, заключалась в том, чтобы превратить полученную при расширении пара энергию в механическую работу турбинного колеса с одним рядом лопаток на нем.

Турбина Лаваля

Задача эта, легкая на первый взгляд, оказывалась в действительности чрезвычайно трудной. Возбужденный, небритый, питавшийся едва ли не одним крепким кофе, Лаваль то просиживал целые ночи за письменным столом, то безвыходно с медвежьим терпением трудился в мастерских, то бродил, как помешанный, с пустыми глазами, из комнаты в комнату, снова садился к столу и считал и чертил и вновь пересчитывал, и вновь перечерчивал. Иногда он раскрывал старые руководства и новые теоретические исследования и бросал их с досадой, натыкаясь повсюду на ошибки расчетов, опытов и заключений.

«Что нужно?» спрашивал он самого себя, как строгий учитель растерявшегося школьника, и вслух заставлял себя твердить, как заданный урок:

— Прежде всего скорость турбинного колеса на окружности должна быть чрезвычайно значительной для того, чтобы результаты оказались экономически выгодными. Для достижения такой большой окружной скорости при колесе не слишком больших размеров нужно иметь неслыханное число оборотов колеса, порядка 20–30 тысяч оборотов в минуту…

О, эти скорости вполне соответствовали творческим стремлениям Лаваля! Но как сконструировать вал и подшипники, которые давали бы возможность без вибрации работать турбинному колесу с такой неслыханной скоростью? и как добиться прочности и уравновешенности турбинного диска?

В самом деле, если представить себе колесо, диаметром всего полметра, делающее 30 тысяч оборотов в минуту, т. е. имеющее окружную скорость в 340 метров в секунду, и допустить, что это колесо не сбалансировано на периферии хотя бы только на один грамм, то центробежная сила, которая при такой скорости возникнет, разнесет на куски все колесо!

Этот турбинный вал, это турбинное колесо теоретически готовой машины, но практически еще далекой от осуществления, преследовали Лакали даже во сне. Он видел, как диски разлетались на куски, разбивавшие стены противоположных домов, калечившие людей. Просыпаясь в ужасе, он опять садился за стол, пил кофе и думал. Не было сил, которые могли бы остановить творческое воображение этого упрямого человека, как ни велики были трудности, но ведь где-то в природе существовали же и законы их преодоления.

И Лаваль продолжал искать.

В мастерских опыты не прекращались. Применять для турбинного колеса обыкновенный жесткий, мощный вал оказывалось совершенно невозможно: во время опытов с такими валами в турбине при скорости 30–40 тысяч оборотов, машина легко приходила в дрожание, вал изгибался, и немыслимо было добиться хотя какой-нибудь надежности в эксплуатации. Опыты повторялись при самых разнообразных условиях, но вибрации машины устранить не удавалось. Надо было что-то принципиально изменить, и, бросая все, Лаваль снова и снова начинал искать выхода из положения.

Поиски были безуспешны до самого конца 1888 года. И как это часто бывает в трудных положениях, выход был найден, но совсем не там, где искал его Лаваль. Задача решалась не жесткостью, мощностью и прочностью системы, к чему стремился Лаваль сначала, а, наоборот, ее чрезвычайной гибкостью и податливостью.

Решению задачи предшествовало знакомство Лаваля с изобретателем этой системы, бароном Бетгольсгеймом, который в это время явился в Стокгольм по приглашению Бернстрема для переговоров о покупке его знаменитого патента «Альфа» акционерным обществом «Сепаратор».

Это был очень серьезный шаг нового директора общества. Хотя Лаваль, занятый в своих мастерских, давно уже отвлекся от непосредственного участия в делах «Сепаратора», но на этот раз, по настоянию друзей, он должен был принять живое участие в обсуждении стратегических планов Бернстрема, вступившего в решительную схватку со всеми конкурентами общества на мировом рынке.

Лаваль был нужен правлению и в качестве технического советника, так как в данном случае речь шла не только о чисто коммерческом предприятии, но и об изменении конструкции сепараторов, до сего времени выпускавшихся в продажу.

Планы Бернстрема сводились к тому, чтобы с патентом Бетгольсгейма выпустить на рынок машину, с которой вообще немыслимо было бы конкурировать.