Машина-двигатель

Как домового работать заставили

Итак, мы начинаем рассказ о тех двигателях, которые в наши дни переживают свой детский или юношеский возраст и которым предстоит в недалеком будущем сыграть очень важную роль в дальнейшем развитии техники.

Но разговор об одном из двигателей будущего мы хотим начать с… домового. Да, да, с того самого домового, который теперь живет только в народных сказках и который сравнительно недавно жил… в печке или дымоходе почти каждой крестьянской избы. Вы улыбаетесь? Но забитым и замученным крестьянским ребятам тех времен казалось, что это правда, что действительно кто-то живой завывает в трубах. Да и не только ребятам…

Представьте себе харчевню XVII века, стоящую на перекрестке оживленных дорог. В темные зимние вечера, когда на улице лютая стужа, к гостеприимному огоньку стекаются запоздалые путники.

В большом очаге, на вертеле, жарится жирная баранина… Путник с удовольствием вдыхает в себя вкусные запахи, торопясь разматывает свой башлык и, желая скорее согреться, направляется к очагу…

Каково же его удивление! Он вдруг замечает, что баранья туша вместе с вертелом непрерывно поворачивается без всякой помощи человека. Да, вертел нужно поворачивать, чтобы равномерно прожарить тушу, но обычно это делает человек, а тут…

И, наверно, немало находилось простаков среди путников, которые верили хитрому хозяину, что на него работает сам домовой, что домового он заставил вращать вертел.

Как же удавалось такому хитрому хозяину заставлять работать домового? Да так, как об этом писал еще в XV веке Леонардо да Винчи. В дымоходе ставили вертушку с лопастями, а от нее вниз на вертел шла передача, состоящая из валиков и так называемых цевочных колес. Кто же вращал эту вертушку? Конечно же, не домовой, а… дым! Поток проходящего от очага по трубе дыма, оказывается, обладает достаточной энергией, чтобы вращать вертел с тушей. Итак, вовсе не домового, а энергию дыма использовал хитрый хозяин харчевни для несложной, но всё же полезной работы.

Но, конечно, не дымовая вертушка является двигателем завтрашнего дня… Она лишь прообраз того двигателя, который теперь именуют: «газовая турбина».

Понятно, и не те газы, не тот дым, что выходит из печки через обычную трубу, заставляет работать современную газовую турбину.

Но идея нового двигателя имеет началом своего развития примитивную дымовую вертушку.

«Механический домовой» — газовая турбина, вращающая вертел с бараньей тушей.

Еще один зигзаг

Мы уже говорили, что развитие техники подчас идет зигзагами. Появится интересная мысль, с величайшим трудом построят одну машину, работающую на новом принципе, а потом окажется, — не пришло еще время для таких машин. Или материалы плохие, — быстро машина выходит из строя, или не могут ее наладить, чтобы хорошо работала, — чего-то еще не изучили. А тут в жизнь всё прочнее и прочнее входит другая машина — пусть с точки зрения теории и менее совершенная, но зато надежная. Глядишь, и забыли про первую.

Но проходят годы, всё больше и больше накапливается человечеством технических знаний, находятся новые прочные материалы, открываются новые физические законы, появляются новые задачи и перспективы.

И вот снова всплывает старая идея, но теперь, на более высоком уровне техники, ее можно осуществить полностью. Она как бы вновь рождается, по-новому звучит и по-новому воплощается в жизнь.

Так получилось с паровой турбиной: сначала шар Герона, колесо Бранка, а потом паровая машина и, наконец, снова паровая турбина — уже работоспособный, мощный двигатель.

Так получилось с двигателем внутреннего сгорания: сначала пороховая машина Гюйгенса-Папена, затем паровые машины и, наконец, двигатель внутреннего сгорания во многих разновидностях.

Так получилось и с газовой турбиной.

Дымовая вертушка Леонардо да Винчи была первой газовой турбиной, — она вращалась от потока газа, полученного при сгорании топлива. В течение XVIII–XIX веков было заявлено много патентов на более усовершенствованные газовые турбины, которые могли бы не только вращать вертел, но и выполнить любую другую работу. Для этого такие турбины должны были иметь свои «печки», в которых бы сгорало топливо при повышенном давлении и высокой температуре, — высокая температура, как нам уже известно, необходима, чтобы от газа можно было бы получить большую полезную работу.

Разные изобретатели предлагали разные конструкции таких «печек» и разные конструкции самих турбин. Однако первой построенной газовой турбиной была турбина русского инженера Кузьминского.

Вы помните, как в магазин Шопена часто захаживал молодой инженер Павел Кузьминский? Это было в 1861 году, когда только-только появился двигатель Ленуара. Вы, наверное, помните и критическую заметку Кузьминского в журнале «Морской сборник», где автор предлагал путь к созданию более экономичного двигателя с предварительным сжатием воздуха? Обо всем этом говорилось уже в этой книге.

И вот, продолжая много и упорно работать над поставленной им же самим задачей, через тридцать с лишним лет, в 1897 году, умудренный опытом инженер построил новый двигатель внутреннего сгорания, но уже не поршневой, а турбинный. Это была первая в мире построенная в металле газовая турбина.

Если мы вспомним, что первая паровая турбина Лаваля была построена лишь немногим ранее (в 1890 г.), то нам станет понятным, что идея перехода от поршневых двигателей к турбинам, не покидавшая инженеров и прежде, вновь настоятельно требовала своего воплощения.

И если так много обещала в будущем паровая турбина, то еще больше надежд следовало возлагать на газовую турбину.

Действительно, обладая всеми преимуществами паровой турбины, она не требовала сооружения громоздких котлов и конденсаторов. Камера сгорания газа («печка») могла быть сделана малых размеров, а выброс газов мог так же, как и у поршневых двигателей внутреннего сгорания, производиться прямо в атмосферу.

Кроме того, чтобы получить пар с высокой температурой, как советовал Карно, нужно испарять воду в котле при высоких давлениях. Об этом мы говорили, вспоминая свойства пара. Между тем газы при сгорании топлива внутри камеры газовой турбины оказываются нагретыми до больших температур при сравнительно невысоких давлениях. Поэтому газовая турбина может быть легче по весу и проще по устройству, чем паровая турбина.

Но…

Высокие температуры! Карно доказывал, что, чем выше начальная температура рабочего тела в двигателе и чем ниже конечная его температура, тем лучше используется тепло для механической работы.

А вот практически материалы, из которых обычно делались лопатки турбин, не выдерживали высоких температур. Нужно было найти новые материалы. При низких же температурах коэффициент полезного действия газовых турбин оказывался тоже низким и строить их было невыгодно.

И еще одна причина мешала развитию газотурбостроения. В камеру газовой турбины надо всё время подавать сжатый воздух. Значит, всё время надо приводить в действие от той же турбины и компрессор. И вот вначале не умели рассчитывать турбины и компрессоры так, чтобы на свои нужды в этих установках тратилось мало энергии. Получалось, что машина громоздкая, а пользы от нее мало — полезная мощность невысокая.

И пока не были преодолены эти затруднения, развитие газовых турбин шло медленно. Зигзаг еще не мог сделать своего нового поворота.

Паровая же турбина, работавшая при более низких температурах и без компрессоров, пробивала тем временем себе дорогу и, как нам известно, стала основным двигателем тепловых электростанций.

А вот газовая турбина — та только в наши дни вновь начинает свой путь.

Газовая турбина внутреннего сгорания

Вы помните, Сади Карно предлагал осуществлять работу двигателя внутреннего сгорания так: сжимать воздушным насосом воздух, пропускать его затем через закрытую камеру, где происходит непрерывное сгорание топлива, и, далее, предоставлять этому воздуху действовать в цилиндре поршневого двигателя.

Вы знаете, что техника нашла иной способ создания непрерывного рабочего цикла поршневой машины — четырехтактный и двухтактный процессы. При этом воздух сжимается в том же цилиндре, куда подается топливо и где, расширяясь, он производит работу.

Однако идея Карно всё же нашла свое воплощение в схемах, по которым работают газовые турбины внутреннего сгорания.

Познакомимся с наиболее распространенным типом такой турбины, которая отличается тем, что сгорание топлива происходит при постоянном давлении в камере.

Посмотрим на рисунок. На нем в одну линию расположены четыре машины, составляющие газотурбинную установку. Машина, где при вращении вала происходит сжатие воздуха, всасываемого так, как показано стрелками «а», называется осевым компрессором, — воздух сжимается, проходя вдоль оси машины, с помощью лопаточных колес.

Схема работы газовой турбины внутреннего сгорания.

Компрессор подает сжатый воздух в специальную «печку» — камеру сгорания. Часть воздуха попадает внутрь жаровой трубы, куда бьет из форсунки струя жидкого топлива. Топливо здесь сгорает, — внутри жаровой трубы всё время горит факел.

Другая часть воздуха проходит между стенками жаровой трубы и наружного кожуха камеры сгорания. Таким способом охлаждается труба, и так как этот воздух далее смешивается с горячими газами, идущими изнутри жаровой трубы, то он несколько снижает также и температуру этих газов, — иначе в турбину их нельзя было бы пускать.

Теперь нагретые газы поступают в турбину. Там они расширяются, заставляя вращаться вал турбины. Таким образом, тепло, полученное газами при сгорании топлива, превращается прямо в механическую работу вращения. Поэтому к валу турбины можно непосредственно присоединять и вал компрессора и вал электрического генератора. Машина, обозначенная на рисунке, как «пусковое приспособление», — это пусковой электромотор, который нужен для того, чтобы раскрутить компрессор при пуске.

Итак, мощность, развиваемая турбиной, будет частично затрачиваться на вращение компрессора, но от этого еще толку мало. Ведь компрессор обслуживает самое же турбину. Вот та другая часть мощности, которую турбина отдает электрогенератору, — эта мощность будет полезной, ее можно использовать на внешние нужды.

Значит, задача инженеров состоит в том, чтобы создать установку, где как можно меньше мощности затрачивалось бы на привод компрессора и как можно больше — на привод электрогенератора.

Такая простейшая схема установки не позволяет получить коэффициент полезного действия турбины свыше 15–22 % даже при температуре газа в 500–700 °C.

Обычно нет смысла менять дизели или паровые турбины, где коэффициент полезного действия выше, на установки этого типа.

Но вот, если между компрессором и камерой сгорания поместить простой теплообменный аппарат — «регенератор», в котором всасываемый воздух подогревался бы выхлопными газами турбины, тогда будет использовано тепло и этих газов, отчего коэффициент полезного действия установки может даже превышать 30 % и приблизиться к коэффициенту полезного действия лучших паровых турбин.

Ну, а если добавить еще некоторые устройства, то коэффициент полезного действия такой газовой турбины можно довести до 35 %, то есть догнать некоторые типы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Турбинная установка, о которой только что было рассказано, называется еще установкой открытой схемы. Так она называется потому, что рабочее тело — воздух — поступает из атмосферы (по стрелке «а»), а отработавшие газы тоже выбрасываются в атмосферу (по стрелке «б»).

Посмотрим, как работает газотурбинная установка закрытой схемы.

Газовая турбина внешнего сгорания

Такая турбина тоже имеет компрессор, который нагнетает воздух. Но нагнетание происходит не в камеру сгорания, а в змеевик воздушного котла.

Воздушный котел имеет почти такую же топку, что и паровой котел. Только здесь теплом сгорания топлива нагревается не вода, а воздух, проходящий по трубам змеевика через топку.

Таким образом, компрессор, нагнетая воздух через котел, заставляет этот воздух нагреваться, отчего увеличивается его способность производить работу. Затем воздух проходит в полость турбины, совершает работу, расширяется и дальше не выбрасывается в атмосферу, а проходит через регенератор, холодильник и обратно к компрессору.

Здесь, на рисунке, показана одна из первых газотурбинных установок с регенератором, построенная нашими заводами.

Обратим внимание на два устройства: регенератор и холодильник.

Вы уже знаете, зачем нужен регенератор. Так же как отработавшие газы в турбине внутреннего сгорания, отработавший воздух здесь выходит еще с достаточно высокой температурой и своим теплом может подогреть воздух, поступающий из компрессора в котел. Этот подогрев и происходит в регенераторе.

А вот зачем холодильник?

Но мы ведь уже знаем, что для работы теплового двигателя, кроме «источника тепла», должен иметься и «источник холода». То есть тепло должно не только подводиться, но и отводиться.

Вот холодильник и отводит от рабочего тела то тепло, которое осталось неиспользованным в турбине и регенераторе. При этом воздух перед поступлением в компрессор охлаждается, и мощность, которую надо затратить на привод компрессора, снижается.

Схема газотурбинной установки замкнутого цикла (внешнего сгорания).

Таким образом, рабочий воздух турбины совершает замкнутый путь: холодильник — компрессор — регенератор (подогревается) — котел (нагревается до высокой температуры) — турбина (расширяется и охлаждается, совершая внешнюю работу) — регенератор (отдает тепло воздуху, поступающему в котел) — холодильник.

А что же является «источником холода», охладителем, в разомкнутой схеме? Там ведь нет холодильника!

Так же как и для двигателей внутреннего сгорания, этим источником является здесь наружная атмосфера.

Газотурбинную установку замкнутой схемы можно назвать еще и турбоустановкой внешнего сгорания, так как топливо здесь не соединяется с рабочим воздухом и сгорает в отдельном котле.

Настоящее и будущее газовой турбины

Не правда ли, — газотурбинные установки, с которыми мы только что познакомились, существенно отличаются от дымовой вертушки? А между тем первые промышленные турбины, которые появились лишь в 1936–1937 годах, работали, почти повторяя принцип этой вертушки.

Дело в том, что на некоторых химических заводах при получении основного продукта выделяется много горячих газов, уходящих в атмосферу. Вот и появилась идея — использовать энергию этих газов, поставить на их пути турбину.

Таким образом, первые современные газовые турбины не имели своей камеры сгорания, работали на энергии газов — отходов химического производства — и по существу повторяли «дымовую вертушку» Леонардо да Винчи…

Однако эти «вертушки» были уже весьма мощными двигателями, — они развивали энергию около 7000 лошадиных сил.

Без собственной камеры сгорания работает и еще один тип газовых турбин — газотурбовоздуходувки двигателей внутреннего сгорания.

В 1905 году инженер Бюхи предложил использовать энергию выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в специальной турбине, которая приводила бы во вращение компрессор — воздуходувку, а та, в свою очередь, нагнетала бы в двигатель воздух для продувки (если двигатель двухтактный) и для наддува.

Что такое продувка, — вы знаете. А вот что такое наддув?

Если в цилиндр двигателя газ или воздух будет не просто засасываться под атмосферным давлением, а принудительно нагнетаться отдельным компрессором, то в цилиндре окажется за тот же такт всасывания больший по весу заряд свежей рабочей смеси, то есть произойдет «наддув» цилиндра.

Значит, и топлива при этом может сгорать больше, и тепла выделиться больше, и давления газов на поршень будут выше, и в целом возрастет мощность двигателя.

Теперь очень много таких двигателей, главным образом дизелей, которые работают с наддувом. В большинстве случаев этот наддув — газотурбинный.

Если говорить об области техники, где газовая турбина уже сегодня заняла прочное место, то речь должна идти именно о газотурбовоздуходувках для дизелей.

Газотурбовоздуходувка для дизелей (верхняя половина корпуса снята).

С помощью наддува удается значительно повысить мощность двигателя — почти в полтора раза, а иногда и больше.

Есть уже сейчас — и не мало — газотурбоустановок полного цикла, то есть работающих так, как было сказано ранее, — по разомкнутой или по замкнутой схеме. А в дальнейшем они будут распространяться всё шире и шире.

Где находят и будут находить применение газотурбоустановки полной схемы?

Посмотрите на рисунок. Вы видите разрез подземной газотурбоэлектростанции мощностью 4000 киловатт (почти 5500 лошадиных сил).

Подземная электростанция с газовой турбиной.

Небольшие размеры и небольшая потребность газотурбоустановок в воде позволяет создавать достаточно мощные электростанции под землей. А такие электростанции имеют оборонное значение, — они не прекратят работу при бомбежке или артиллерийском обстреле. Да и в мирное время очень удобно размещать тепловые электростанции под землей, — не занимают места на поверхности, не шумят, не загрязняют воздух выхлопными газами или дымом, который по подземным коридорам отводится далеко за черту города.

Но даже и для наземных теплоэлектростанций двигатель меньших размеров, конечно, следует предпочесть более громоздким — паровой турбине или двигателям внутреннего сгорания.

Например, в Америке, в штате Техас, работает тепловая электростанция на двигателях внутреннего сгорания, Дело в том, что воды в этом районе мало, — гидростанцию не поставишь, а вот из земли можно добывать естественный, природный, горючий газ. На этом газе и могут работать двигатели внутреннего сгорания. Так как энергия нужна для крупных заводов, то электростанция должна быть достаточно мощной. А мы знаем, что даже современные дизели свыше 7000 лошадиных сил строятся редко, для газовых же двигателей мощность в одном агрегате еще меньше. Вот и пришлось американским предпринимателям сооружать электростанцию, на которой установлено 194 двигателя и столько же электрогенераторов с общей мощностью 350 000 лошадиных сил!

А газовую турбину можно построить больших мощностей в одном агрегате. Уже сейчас есть установки до 50 000 киловатт, а в будущем будут и еще более мощные. Значит, взамен 194 двигателей можно было бы установить 7–8 турбоустановок и получить ту же мощность.

Мощный двигатель, который мог бы работать на подземных газах, технике очень необходим. Особенно нашей социалистической технике.

Еще в 1888 году Дмитрий Иванович Менделеев предложил, вместо того, чтобы с огромными трудностями добывать каменный уголь в недрах земли и подавать наверх, сжигать этот уголь прямо под землей. При этом будут образовываться горючие газы, которые сами легко поднимутся по трубам.

Владимир Ильич Ленин в 1913 году в статье «Одна из великих побед техники» горячо одобрил идею Менделеева. Ленин думал о том, сколько тяжелого труда в будущем социалистическом обществе можно будет сберечь методом подземной газификации.

Капиталисты-промышленники не очень-то заботились об облегчении труда углекопов. Им не хотелось вкладывать большие средства на освоение подземной газификации, тем более, что и потребители требовали не газы, а уголь. И лишь после Октябрьской революции, следуя указаниям великого Ленина, наши инженеры приступили к разработке методов подземной газификации.

Правда, эта очень сложная задача еще и до сих пор окончательно не разрешена.

Ведь требуется создать по существу огромные подземные газогенераторы, работающие без людей и подающие наверх газ нужного качества. Усилиями ученых и инженеров уже найдены способы газификации углей без прорытия специальных шахт. Подземные газогенераторы сейчас подготовляются к работе только с помощью скважин.

Возле города Тулы уже 12 лет успешно работает одна такая станция, снабжая предприятия города угольным газом.

В шестом пятилетии и в последующие годы подземная газификация получит у нас широкое распространение. И тогда-то газовые турбины сослужат неоценимую услугу нашему народному хозяйству.

Первый мощный газотурбинный агрегат для работы на подземном газе в 12 000 киловатт (16 320 лошадиных сил) уже построен на Ленинградском Металлическом заводе и в 1956 году устанавливается в районе подземной газификации. Это сложный агрегат. Газовая турбина здесь будет работать на газах с температурой 650 °C, с коэффициентом полезного действия 27 %, то есть не уступая по экономичности многим паровым турбинам.

Очень нужен мощный двигатель, сравнительно малого веса и размера, и для морских судов. Уже сейчас есть корабли, на которых работают газотурбоустановки. А в дальнейшем таких кораблей будет много.

Но что же пока мешает газовой турбине прочно занять то место, которое уже приготовлено для нее жизнью?

Этому несколько причин.

Во-первых, вы уже знаете, что газовая турбина должна работать при высоких температурах газов. И вам известно, что современная техника уже имеет материалы, которые длительно выдерживают значительные температуры — 500–700 °C. Однако, для того чтобы газовая турбина была экономичнее других двигателей, то есть, чтобы у нее был более высокий коэффициент полезного действия, надо доводить рабочую температуру газов до 800–900 °C. А таких металлов, чтобы долго работали при подобных температурах, еще не создано, — это дело ближайшего будущего.

Надо сказать, что работать не очень долго на таких температурах уже можно и теперь, — авиационные газотурбинные двигатели используют газ с температурой 700–900 °C. Об этих двигателях мы поговорим потом.

Во-вторых, еще не научились пока использовать твердое топливо для газовых турбин. Здесь, правда, можно легче осуществить сгорание угольной пыли, но вред от твердых частиц золы оказывается не меньшим, чем в двигателях внутреннего сгорания. А было бы важно овладеть способом сжигания твердого топлива! Тогда газовая турбина получила бы универсальное применение. Для газотурбоустановок замкнутой схемы эта задача, как вы уже догадываетесь, может быть решена скорее, и в этом направлении сейчас работают инженеры.

У нас в Советском Союзе над созданием газовых турбин работает ряд научных организаций и ряд заводов. Первая в СССР газотурбинная промышленная установка была создана Ленинградским заводом имени Ленина.

Сейчас этот завод и Ленинградский Металлический завод строят газотурбоустановки с полезной мощностью от 3000 киловатт (4080 лошадиных сил) до 12 000 киловатт (16320 лошадиных сил).

За годы шестой пятилетки на обоих этих заводах выпуск турбин резко возрастет. Так, например, на Металлическом заводе в 1960 году будет изготовлено газовых турбин в 11,8 раза больше, чем в 1950 году.

Интересно отметить, что и теперь строятся газовые турбины без собственных камер сгорания. Так, например, на заводе имени Ленина изготовляется мощная турбина для работы на доменных газах, которые пока еще не используются, уходят в атмосферу.

Большие работы ведутся в Советском Союзе по созданию судовых и тепловозных газотурбинных установок.

Таким образом, газовая турбина, которая еще совсем недавно казалась двигателем скорее интересным, чем полезным, теперь уже уверенно входит в жизнь.

Появились газотурбинные электростанции, корабли, тепловозы и даже автомобили. Газовая турбина стала авиационным двигателем.

Пройдет еще немного времени, и газовая турбина — легкий и мощный тепловой двигатель — займет прочное место в технике.

Газотурбинный автомобиль.