Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ВВЕДЕНИЕ
О Директивах XX съезда Коммунистической партии Со" ветского Союза по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства нашей страны записано решение о постройке в ближайшие годы так называемых газотурбинных электростанций и о создании новых локомотивов — газотурбовозов, где будет работать новый тепловой двигатель — газовая турбина.
Газовая турбина уже нашла широкое применение в авиации. Благодаря газотурбинным авиационным двигателям современные самолеты способны развивать сверхзвуковые скорости полета. Появились также первые газотурбинные автомобили.
О том, что такое газовая турбина, как она была создана и совершенствовалась, рассказывается в нашей книжке.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
В
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).
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 ма-
шина 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, нс превышавшей скорости распространения звука
55И. А. Меркулов
5
5
в водяном паре, которая при температуре пара 300° С равняется примерно 600 м/сек. X 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.
Рис. 1. Принцип работы турбины: по трубкам, называемым соплами, пар с большой скоростью поступает к рабочему колесу. Воздействуя на укрепленные на ободе диска лопатки, пар заставляет рабочее колесо вращаться.
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 Ленуаром в 1860 году. Двигатель Ленуара работал на светильном газе, почему и получил название газового двигателя. По своей конструкции он был весьма несовершенен. Перед вспышкой газ нс 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. Костовичем. 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).
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 нс было легкого и мощного двигателя, все попытки изобретателей создать самодвижу- щисся экипажи нс 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».
КАК РАБОТАЕТ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
разовая турбина — это такой тепловой двигатель, рабо* чие части которого совершают лишь вращательное движение под действием струи газа.
Главной частью турбины служит рабочее колесо — диск, на ободе которого укреплены рабочие лопатки. Под действием газа лопатки двигаются, вращая диск. Последний жестко скреплен с валом. Рабочее колесо вместе с валом называется ротором турбины (рис. 2). Механическая энергия вращающегося ротора турбины передастся либо генератору электрического тока, либо гребному винту корабля, воздушному винту самолета и т. д.
Газовая струя может воздействовать на лопатки турбин двояко. В соответствии с этим и турбины принято делить на два класса: активные и реактивные турбины.
В активной турбине газ поступает на рабочие лопатки с большой скоростью. Благодаря инерции газ стремится
продолжать свое равномерное прямолинейное движение. Но на пути стоит изогнутая лопатка. Она отклоняет струю газа. При повороте быстро движущегося газа он развивает большую центробежную силу ). Эта сила и заставляет лопатки двигаться. Газ, отклоненный лопатками турбины в сторону, обратную первоначальному напра
Рис. 2. Ротор газовой турбины — диск с рабочими лопатками и соединенный с ним вал.Рис. 2. Ротор газовой турбины — диск с рабочими лопатками и соединенный с ним вал.влению его движения, выходит наружу с меньшей скоростью, чем та, с которой он вошел в колесо. Значит, про-
Рис. 2. Ротор газовой турбины — диск с рабочими лопатками и соединенный с ним вал.
Рис. 2. Ротор газовой турбины — диск с рабочими лопатками и соединенный с ним вал.
ходя между лопатками турбины, газ теряет часть своей энергии. Эта энергия и идет на вращение рабочего колеса и вала турбины. Следовательно, можно сказать, что чем больше энергия газа, поступающего в рабочее колесо, и чем она меньше при выходе газа из колеса, тем большую полезную работу может совершить турбина.
Отсюда сразу видны те задачи, которые встают при создании активной турбины. Во-первых, надо сообщить газу, поступающему в рабочее колесо, максимальную скорость. Во-вторых, надо выбрать такую форму лопаток и задать рабочему колесу такую скорость вращения, чтобы при выходе из колеса газ имел возможно меньшую скорость. Ясно также, что следует предельно уменьшить потери энергии на трение, на вихреобразование и другие непроизводительные расходы энергии газа.
В реактивной турбине газ поступает на рабочие лопатки с незначительной скоростью, но под большим да-
влением. Форма лопаток реактивной турбины подобрана такой, что образующийся между двумя лопатками канал сужается от передней кромки лопаток к задней (рис. 3). Значит, газ, проходя через рабочее колесо, течет по су-
Рис. 3. Лопатки газовой турбины: а — активной, б — реактивной. Вверху — вид сбоку, внизу— поперечные сечения лопаток. Черной краской изображены лопатки рабочего колеса, заштрихованы — неподвижные лопатки направляющего аппарата.Рис. 3. Лопатки газовой турбины: а — активной, б — реактивной. Вверху — вид сбоку, внизу— поперечные сечения лопаток. Черной краской изображены лопатки рабочего колеса, заштрихованы — неподвижные лопатки направляющего аппарата.
Рис. 3. Лопатки газовой турбины: а — активной, б — реактивной. Вверху — вид сбоку, внизу— поперечные сечения лопаток. Черной краской изображены лопатки рабочего колеса, заштрихованы — неподвижные лопатки направляющего аппарата.
Рис. 3. Лопатки газовой турбины: а — активной, б — реактивной. Вверху — вид сбоку, внизу— поперечные сечения лопаток. Черной краской изображены лопатки рабочего колеса, заштрихованы — неподвижные лопатки направляющего аппарата.
жающимся каналам. А для того, чтобы весь газ, вошедший в широкое входное сечение канала, мог выйти через узкое выходное сечение, он должен двигаться все быстрее. Поэтому при движении газа между лопатками реактивной турбины его скорость сильно возрастает.
Струя газа, выходя из рабочего колеса, создает так называемую реактивную силу. Чем больше скорость
1313И. А. Меркулов
13
13
вытекающих газов, тем большая сила реакции действует на лопатки турбины.
Вот простой пример, поясняющий, что такое реактивная сила. В закрытом сосуде находится сильно сжатый газ. Из физики известно, что в этом случае давление газа передается во все стороны с одинаковой силой: оно равномерно распределяется по стенкам сосуда, который при этом остается неподвижным. Но стоит нам удалить одну из стенок, как сжатый газ устремится через отверстие наружу. Давление газа на противоположную (по отношению к отверстию) стенку уже не будет уравновешиваться, и сосуд начнет двигаться.
С подобным же явлением мы сталкиваемся и при выстреле из огнестрельного оружия. Каждому, кто стрелял из ружья или пистолета, известно действие отдачи. В момент выстрела пороховые газы с огромной силой равномерно давят во все стороны. Давление пороховых газов на пулю выбрасывает се из ружья, а давление их на дно гильзы (реакция газов) является причиной отдачи.
Турбин, работающих на чисто реактивном принципе, на практике нс бывает. В реактивных турбинах используется и центробежная сила, которая наряду с силой реакции действует на лопатки, заставляя их вращаться.
Для эффективной работы газовой турбины к ее рабочему колесу необходимо подводить газ, имеющий определенную скорость. Для этого поступающий в турбину газ, прежде чем войти в рабочее колесо, проходит через специальный направляющий аппарат (иногда его называют также сопловым аппаратом). Он состоит из ряда неподвижных лопаток, жестко укрепленных на корпусе турбины. Форма и расположение лопаток направляющего аппарата подобраны таким образом, чтобы между лопатками образовывались сужающиеся каналы, поворачивающие поток газа в сторону вращения рабочего колеса. Газ, двигаясь по каналам между лопатками направляющего аппарата, увеличивает свою скорость и получает требуемое направление движения. Таким образом, задача направляющего аппарата — сообщить газу необходимую скорость и нужное направление движения.
В рабочем колесе газ проходит по кольцевому пространству между ободом колеса и кожухом турбины, то
есть там, где расположены лопатки. Поэтому сопловой аппарат также представляет собой кольцевой канал, в котором на равном расстоянии друг от друга установлены направляющие лопатки.
Ротор турбины и сопловой аппарат, заключенные в соответствующий кожух, и образуют газовую турбину.
Турбины различаются также по направлению газового потока. Если газ течет параллельно оси турбины,
Рис. 4. Осевая газовая турбина (в разрезе): 1 — подвод газа, 2 — рабочие лопатки, 3— лопатки направляющего аппарата, 4— вал, 5 — диск.
то турбина называется аксиальной или осевой, а если перпендикулярно, то радиальной.
Радиальная турбина, в которой газ движется от центра к внешней части колеса, носит название центробежной. Именно такой была первая газовая турбина, построенная в конце прошлого века. Если же газ движется от внешней части к центру, то такая турбина называется центростремительной. Подобная турбина
Рис. 5. Двухступенчатая газовая турбина (в разрезе): 1—рабочие лопатки, 2— лопатки направляющих аппаратов, 5—диски, 4— вал.Рис. 5. Двухступенчатая газовая турбина (в разрезе): 1—рабочие лопатки, 2— лопатки направляющих аппаратов, 5—диски, 4— вал.
Рис. 5. Двухступенчатая газовая турбина (в разрезе): 1—рабочие лопатки, 2— лопатки направляющих аппаратов, 5—диски, 4— вал.
Рис. 5. Двухступенчатая газовая турбина (в разрезе): 1—рабочие лопатки, 2— лопатки направляющих аппаратов, 5—диски, 4— вал.
была применена на одном из авиационных двигателей в 1944 году.
Подавляющее же большинство современных газовых турбин относится к осевому типу (рис. 4).
Скорость вращения ротора турбины должна быть согласована со скоростью движения газа через рабочее колесо. Теория турбин показывает, что для того, чтобы осуществить наивыгоднейший режим работы турбины, надо выдерживать определенную зависимость между скоростью движения газа и окружной скоростью лопаток турбины.
Однако скорость вращения ротора ограничена механической прочностью диска и лопаток. Поэтому должна быть ограничена и скорость движения газа в рабочем колесе. Этим самым ограничивается величина энергии газа, которую может использовать колесо турбины.
Как же быть, если газ, поступающий в турбину, имеет большой запас энергии? В таком случае надо разделить процесс преобразования внутренней энергии газа в механическую энергию вращения ротора на несколько
этапов, ступеней. Это достигается применением турбины с несколькими рядами рабочих лопаток (рис. 5). Между каждыми двумя рядами рабочих лопаток помещается ряд неподвижных лопаток направляющего аппарата. Газ последовательно проходит сначала через первый ряд на-
правляющих лопаток в первый ряд рабочих лопаток, затем через вторые ряды направляющих и рабочих лопаток и т. д.
Каждый ряд лопаток направляющего аппарата и следующий за ним ряд рабочих лопаток называют ступенью турбины. Когда газ проходит через первую ступень, его давление несколько снижается. Во второй ступени происходит дальнейшее снижение давления. И так до тех пор, пока давление газа не упадет до атмосферного.
ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
Пока мы говорили только о самой газовой турбине, не " * задавая вопроса, откуда берется газ, приводящий ее в действие.
В паровую турбину рабочий пар поступает из парового котла. Какие же устройства необходимы для того, чтобы питать рабочим газом газовую турбину?
Для работы газовой турбины необходим газ, имеющий большой запас энергии. Энергия газа — его способность совершать при определенных условиях механическую работу— зависит от давления и температуры. Чем сильнее сжат газ и чем выше его температура, тем большую механическую работу способен он совершить при своем расширении. Значит, для работы турбин необходим сжатый и нагретый газ. Отсюда понятно, какие устройства должны входить в газотурбинную установку (или газотурбинный двигатель). Это, во-первых, устройство для сжатия воздуха, во-вторых, устройство для его подогрева и, в-третьих, сама газовая турбина, преобразующая внутреннюю энергию сжатого и нагретого газа в механическую работу.
Сжатие воздуха — сложная задача. Осуществить ее значительно труднее, чем подать в камеру сгорания жидкое горючее. Например, чтобы подавать в камеру сгорания с давлением 10 атмосфер один килограмм керосина в секунду, необходимо расходовать около 2 лошадиных сил, а для сжатия до 10 атмосфер одного килограмма воздуха в секунду необходимо примерно 400 лошадиных сил. А в газотурбинных установках на один килограмм керосина приходится примерно 60 килограммов воздуха.
Значит, на подачу воздуха в камеру сгорания с давлением 10 атмосфер надо затрачивать в 12 тысяч раз большую мощность, чем на подачу жидкого горючего.
Для сжатия воздуха применяются специальные машины, называемые нагнетателями или компрессорами. Они получают необходимую для их работы механическую энергию от самой газовой турбины. Компрессор и тур-
Рис. 6. Схема центре- Рис. 7. Крыльчатка центробежного бежного компрессора.компрессора.
бина крепятся на одном валу, и турбина во время работы отдает часть своей мощности воздушному компрессору.
В газотурбинных установках используются компрессоры двух типов: центробежные и осевые.
В центробежном компрессоре (рис. 6), как показывает его название, для сжатия воздуха используется действие центробежной силы. Такой компрессор состоит из входного патрубка, по которому внешний воздух входит в компрессор; диска с рабочими лопатками, называемого
часто крыльчаткой (рис. 7); так называемого диффузора, в который поступает выходящий из крыльчатки воздух, и выходных патрубков, отводящих сжатый воздух к месту назначения, например к камере сгорания газотурбинной установки.
Воздух, входящий в центробежный компрессор, подхватывается лопатками быстровращающейся крыльчатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к окружности. Двигаясь по каналам между лопатками и вращаясь вместе с диском, он сжимается центробежными силами. Чем быстрее вращение крыльчатки, тем больше сжатие воздуха. В современных компрессорах окружная скорость крыльчатки достигает 500 метров в секунду. При этом давление воздуха на выходе из крыльчатки составляет примерно 2,5 атмосферы. Помимо повышенного давления, воздух, проходя между лопатками, приобретает большую скорость, близкую по величине к окружной скорости крыльчатки. Затем воздух пропускают через диффузор — постепенно расширяющийся канал. При движении по такому каналу скорость воздуха уменьшается, а давление растет. На выходе из диффузора воздух обычно имеет давление порядка 5 атмосфер.
Центробежные компрессоры просты по конструкции. Они имеют малый вес, могут сравнительно эффективно работать при различных числах оборотов вала и расходах воздуха. Эти качества обеспечили им широкое применение в технике. Однако у центробежных компрессоров недостаточно высок коэффициент полезного действия — всего 70—75%. Поэтому в газотурбинных установках, где на сжатие воздуха затрачивается очень много энергии, чаще применяются компрессоры осевого типа. Их коэффициент полезного действия выше, он достигает 85—90 %. Но по своему устройству осевой компрессор сложнее центробежного и имеет больший вес.
Осевой компрессор состоит из нескольких рабочих колес, жестко укрепленных на валу и помещенных в канал, по которому движется воздух. Каждое рабочее колесо представляет собой диск с лопатками на ободе. При быстром вращении рабочего колеса лопатки сжимают проходящий по каналу воздух и увеличивают его скорость.
За каждым рабочим колесом помещается один ряд неподвижных лопаток — направляющий аппарат, который еще более повышает давление воздуха и сообщает струе требуемое направление.
Рабочее колесо с расположенным за ним рядом неподвижных лопаток направляющего аппарата называется ступенью компрессора. Одна ступень осевого компрессора увеличивает давление воздуха примерно в 1,3 раза. Чтобы получить большее давление, применяют осевые компрессоры с несколькими ступенями. Для получения высоких давлений используются осевые компрессоры с
Рис. 8. Ротор пятнадцат^ступенчатого осевого компрессора.
14, 16 и большим числом ступеней. В многоступенчатых осевых компрессорах рабочие лопатки иногда крепятся не на отдельных дисках, а на общем пустотелом валу, так называемом барабане. Вращающуюся часть компрессора (барабан с рядами лопаток или рабочие колеса, укрепленные на валу) называют ротором (рис. 8), а неподвижные направляющие лопатки, укрепленные на кожухе компрессора,— его статором.
Свое название осевой компрессор получил потому, что воздух движется вдоль его оси, в отличие от центробежного компрессора, в котором воздух перемещается в радиальном направлении.
Воздух, сжатый в компрессоре до высокого давления, подается в камеру сгорания. Здесь в поток воздуха впрыскивается через распылители-форсунки жидкое топливо, которое воспламеняется таким же путем, как это делается в двигателях внутреннего сгорания,— с помощью
электросвечи. Электросвеча работает только в период запуска двигателя. Далее горение происходит непрерывно. При этом выделяется большое количество тепла. При сгорании одного килограмма керосина выделяется 10 500 калорий тепла.
Чем больше тепла выделится при сгорании топлива, тем выше будет температура газов в конце камеры сгорания. Если на 15 килограммов воздуха подать 1 килограмм керосина, то температура газов достигнет примерно 2500° С. При столь высокой температуре газов работа газотурбинной установки была бы весьма эффективной. Однако материал лопаток соплового аппарата и рабочих лопаток турбины не может выдержать такого нагрева. Лучшие современные жаропрочные сплавы, применяемые в авиационных газотурбинных двигателях, позволяют работать при температуре газов порядка 900° С. В турбинах, работающих на электростанциях, где требуется более длительный срок службы и используются менее дорогие сплавы, допустимая температура газов еще ниже. Поэтому в камерах сгорания газотурбинных установок на 1 килограмм керосина или нефти подастся 50—80 килограммов воздуха. При таком соотношении в конце камеры сгорания устанавливается температура газов, допускаемая прочностью лопаток.
Проектирование камеры сгорания для газотурбинных установок представляет собой сложную научно-техническую задачу. К камере сгорания предъявляется ряд строгих требований, от выполнения которых зависит работоспособность всей установки. Вот важнейшие из этих требований. Во-первых, необходимо обеспечить полное сгорание топлива. Если топливо не успеет полностью сгореть в камере сгорания, то часть его энергии будет напрасно потеряна. Экономичность газотурбинной установки понизится. Более того, топливо, не успевшее сгореть в камере сгорания, станет догорать между лопатками турбины, что приведет к прогоранию и поломке лопаток, то есть к аварии. Нельзя допускать также, чтобы поступающий в турбину газ вместо одинаковой температуры по всему поперечному сечению имел в одном месте, например, 600° С, а в другом — 1200°. Нужно поэтому обеспечить хорошее смешение газов перед выходом из
камеры, исключить возможность проникновения в турбину отдельных «факелов» газа с повышенной температурой. Наконец, необходимо хорошо охлаждать стенки камеры сгорания, чтобы защитить их от прогорания.
Для решения всех этих задач воздушный поток в камерах сгорания газотурбинных двигателей делят на две части (рис. 9). Меньшая часть потока направляется во внутреннюю часть камеры — в так называемую жаровую трубу. Там топливо сгорает при высокой температуре (высокая температура позволяет достигнуть достаточно
Рис. 9. Схема камеры сгорания газотурбинного двигателя.
полного сгорания). Остальная часть воздуха не участвует в горении. Она омывает с внешней стороны жаровую трубу и охлаждает ее. Затем происходит смешивание холодного воздуха с горячими газами. Для лучшего перемешивания в стенках трубы делается большое число мелких отверстий, через которые охлаждающий воздух небольшими порциями вводится внутрь и смешивается с горячими газами. Благодаря такой подаче охлаждающего воздуха температура газа около стенок оказывается ниже, чем в центре жаровой трубы. Это также способствует ее защите от прогорания.
Камера сгорания газотурбинной установки обычно располагается между компрессором и турбиной. При таком расположении поток газов идет прямо от входа установки к ее выходу. Но в центре установки проходит вал, соединяющий турбину с компрессором. Этот вал не должен сильно нагреваться, иначе его прочность понизится. Поэтому камеру сгорания делают кольцевой или одну
общую камеру заменяют 6—10 отдельными камерами, расположенными по окружности вокруг вала.
Вы познакомились с тремя основными частями газотурбинной установки: воздушным компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. На рис. 10 показана схема газотурбинного двигателя. Вот как он работает.
Компрессор засасывает воздух из атмосферы и сжимает его. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где благодаря сжиганию топлива его температура возрастает на несколько сот градусов. Давление же газа
Рис. 10. Газотурбинный двигатель: / — компрессор, 2— топливная форсунка, 3— свеча зажигания топлива, 4— камера сгорания, 5 — турбина.
остается примерно постоянным. Поэтому двигатели такого типа называют газотурбинными двигателями с постоянным давлением сгорания. Из камеры сгорания газ с высоким давлением и температурой, а следовательно, с большим запасом энергии идет в турбину. Там происходит процесс перехода энергии сжатого и нагретого газа в полезную работу.
Газ совершает в турбине работу в процессе расширения, то есть когда снижается его давление. В большинстве газотурбинных установок давление газа снижается до атмосферного. Значит, в турбине происходит процесс, обратный тому, который идет в компрессоре.
Если бы температура воздуха на выходе из компрессора и при входе в турбину была одинакова, то при расширении воздуха в турбине он совершал бы такую же работу, какая была затрачена на его сжатие в компрес-
cope — при том условии, что не было бы никаких потерь энергии на трение воздуха и на его завихрение. А с учетом этих потерь воздух совершал бы в турбине работу меньшую, чем работа, требуемая для вращения компрессора. Ясно, что от такой установки не было бы никакой пользы. Но в компрессоре сжимается холодный воздух, а в турбину поступает сильно нагретый газ. Поэтому работа расширения газа оказывается в 1,5—2 раза больше, чем требуется для компрессора. Например, если газовая турбина развивает мощность в 10 000 лошадиных сил, то на вращение соединенного с ней компрессора надо затрачивать примерно 6000 лошадиных
Рис. 11. Ротор газотурбинного двигателя.
сил. Оставшаяся свободная мощность в 4000 лошадиных сил может быть использована для вращения электрогенератора, судового винта, воздушного винта самолета или каких-либо иных механизмов.
Для работы газотурбинного двигателя необходим ряд вспомогательных агрегатов: топливные насосы, автоматические приборы, регулирующие его работу, система смазки и охлаждения, система управления и др.
Чтобы запустить газотурбинный двигатель, надо раскрутить его ротор (рис. 11) до нескольких сот оборотов в минуту. Для этой цели служит небольшой вспомогательный двигатель, называемый стартером. У больших газотурбинных двигателей стартером часто служат маленькие газотурбинные двигатели мощностью порядка 100 лошадиных сил, а иногда и более. Эти стартеры в свою очередь раскручиваются небольшими электромоторами, получающими питание от аккумулятора.
ИЗ ИСТОРИИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
Мысль о возможности использовать поток горячих газов для получения механической работы зародилась очень давно. Еще 450 лет назад великий итальянский ученый Леонардо да Винчи дал описание колеса с лопастями, установленного в дымоходе над очагом. Под действием газового потока такое колесо могло вращаться и приводить в действие вертел. Колесо Леонардо да Винчи можно считать прообразом газовой турбины.
В 1791 году англичанин Джон Барбер взял патент на газотурбинную установку. По рисунку, приложенному к патенту, можно было представить, что установка, по мысли автора, должна была работать на горючем газе, получаемом перегонкой твердого или жидкого топлива. Газ с помощью примитивного компрессора нагнетался в резервуар. Из него он поступал в камеру сгорания, где смешивался с воздухом, подаваемым вторым компрессором, и воспламенялся. Продукты сгорания поступали из камеры на колесо турбины. Однако при существовавшем тогда уровне развития техники осуществить газовую турбину не представлялось возможным. Первая газовая турбина была создана лишь в самом конце XIX века русским изобретателем П. Д. Кузьминским, который, как мы уже говорили, построил и первую паровую турбину для морских судов.
Газотурбинный двигатель, построенный в 1897 году по проекту П. Д. Кузьминского, состоял из воздушного компрессора, камеры сгорания и радиальной турбины (рис. 12). Кузьминский применил охлаждение камеры сгорания водой. Вода охлаждала стенки и затем поступала внутрь камеры. Подача воды снижала температуру и в то же время увеличивала массу газов, поступающих в турбину, что должно было повысить эффективность установки. К сожалению, работа Кузьминского не встретила никакой поддержки со стороны царского правительства.
Спустя 7 лет, в 1904 году, за границей была построена газовая турбина по проекту немецкого инженера Штольца, но практического применения она не получила, так как имела много недостатков.
В 1906 году французские инженеры Арманго и Лемаль построили газовую турбину мощностью в 25 лошадиных сил, а затем другую — мощностью уже в 400 лошадиных сил. Коэффициент полезного действия этой установки составлял всего 3%.
Испытания первых газотурбинных установок показали, что для повышения их эффективности необходимо добиться значительного увеличения коэффициента полезного действия компрессора и турбины, а также поднять
Рис. 12. Газовая турбина П. Д. Кузьминского: / — патрубок для подачи воды, 2 — патрубок для подачи сжатого воздуха, 5 — труба для подвода топлива к форсунке.
температуру газов в камере сгорания. Это побудило многих изобретателей искать другие конструкции газовых турбин. Возникло желание избавиться от компрессора, чтобы избежать больших потерь энергии при сжатии воздуха. Но турбина может работать лишь тогда, когда давление газов в камере сгорания выше, чем за турбиной. Иначе газ не потечет из камеры в турбину и не приведет в действие ее рабочее колесо. При непрерывном процессе горения в камере неизбежно применение компрессора, подающего сжатый воздух. Однако, если сделать процесс горения прерывистым, то можно отказаться
от компрессора или использовать компрессор, дающий небольшое сждтие воздуха и соответственно с этим потребляющий меньшую мощность. В такую пульсирующую камеру воздух подается в то время, когда в ней нет горения и давление очень низкое. После входа воздуха и впрыска
горючего входное отверстие камеры закрывается, происходит вспышка. Так как камера закрыта и газы расши
риться не могут, то давление в ней резко возрастает. После того как газы вытекут из камеры в турбину, впускной клапан открывается и в камеру входит новая порция воздуха. Так, осуществляя процесс горения при постоянном объеме газов, то есть в замкнутой камере, можно повысить их давление без помощи компрессора.
В 1908 году русский инженер В. В. Кароводин создал опытную модель такой газовой турбины (рис. 13). Закрытие камеры в период го-
Рис. 13. Устройство газовой турбины В. В. Цароводина: /—входной клапан, 2— камера сгорания, 3— свеча зажигания, 4 — сопло, 5 — лопатки рабочего колеса.Рис. 13. Устройство газовой турбины В. В. Цароводина: /—входной клапан, 2— камера сгорания, 3— свеча зажигания, 4 — сопло, 5 — лопатки рабочего колеса.рения топлива осу
Рис. 13. Устройство газовой турбины В. В. Цароводина: /—входной клапан, 2— камера сгорания, 3— свеча зажигания, 4 — сопло, 5 — лопатки рабочего колеса.
Рис. 13. Устройство газовой турбины В. В. Цароводина: /—входной клапан, 2— камера сгорания, 3— свеча зажигания, 4 — сопло, 5 — лопатки рабочего колеса.
ществлялось в ней с помощью специального клапана. Турбина имела четыре камеры сгорания, из которых газ по четырем длинным соплам шел к рабочему колесу. При испытаниях модель развивала мощность 1,6 лошадиной силы; коэффициент полезного действия равнялся всего 3%. Для промышленного применения эта турбина также
еще не годилась.
Над созданием газовых турбин с постоянным объемом сгорания долго работал и немецкий инженер Хольц- варт. По его проектам в период 1914—1920 годов было
построено несколько турбин мощностью от 500 до 2000 лошадиных сил. Однако ни одна из них не годилась для промышленной эксплуатации. Лишь в 30-х годах швейцарской фирме «Броун-Бовери» удалось создать несколько пригодных для практической эксплуатации турбин с горением при постоянном объеме. В настоящее время работы над подобными турбинами почти полностью прекращены.
Наши ученые пошли по другому пути. Инженер В. X. Абианц в своей книге «Теория авиационных газовых турбин» пишет о трудах советских специалистов:
«Одна из главных заслуг советских ученых заключается в том, что они обосновали целесообразность и перспективность развития турбин с постоянным давлением сгорания, в то время как зарубежные (в частности, немецкие) газотурбинисты работали в области турбин с постоянным объемом сгорания. Все последующее развитие газовых турбин, в том числе и авиационных, блестяще подтвердило прогнозы советских ученых, ибо столбовой дорогой развития газовых турбин оказался путь создания турбин с постоянным давлением сгорания».
Трудами советских ученых было доказано, что газотурбинные установки с постоянным давлением сгорания при достаточно высокой температуре газов могут иметь высокий коэффициент полезного действия.
В 1939 году профессором В. М. Маковским была построена на Харьковском турбогенераторном заводе газовая турбина с постоянным давлением сгорания. Ее мощность составляла 400 киловатт. Вал, диск и полые лопатки турбины охлаждались водой. Турбина Маковского предназначалась для работы на горючем газе, получаемом в результате подземной газификации каменного угля. Она была установлена и успешно испытана на одной из шахт в Горловке.
В настоящее время наши заводы производят различные типы высокоэффективных газовых турбин.
Хотя газотурбинная установка по своему устройству более проста, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания, для создания ее потребовалось провести огромную научно-исследовательскую работу. Вот почему только в наше время, на основе современных достижений науки
и техники, удалось создать эффективный газотурбинный двигатель.
Какие же научные проблемы надо было решить ученым, прежде чем сделать возможным создание газотурбинных установок?
При создании газовой турбины необходимо было стремиться к тому, чтобы возможно полнее использовать энергию газа, предельно снизить ее потери на трение и вихре- образование. Большая скорость движения газа через турбину позволяет получить и большую мощность небольшой по- размерам установки. Но в то же время такая скорость таит в себе опасность больших потерь энергии. Чем больше скорость движения жидкости или газа, тем больше потери энергии на трение и образование вихрей.
Чтобы построить газотурбинную установку с высоким коэффициентом полезного действия, надо было выбрать наивыгодные размеры, форму и взаимное расположение частей компрессора и турбины. А для этого требовалось изучить движение газов и узнать, как они воздействуют на обтекаемые ими твердые тела. Изучение движения газа требовалось для развития многих отраслей техники.
Первой задачей ученых в этой области было исследовать движение газа при сравнительно малых скоростях, когда он практически не сжимается. Поскольку движение несжимаемого газа подчиняется тем же законам, что и движение жидкости, этот раздел науки получил название гидродинамики («гидр» — по-гречески вода).
Одновременно развивалась наука о молекулярном строении газа, о процессах изменения его состояния под действием давления и температуры. Она называется термодинамикой (от латинского слова «термо» — теплота).
В процессе развития гидродинамики возникла необходимость учитывать характерные особенности газа, отличающие его от жидкости. И вот на базе гидродинамики возникла аэродинамика — наука о законах течения воздуха и обтекания тел воздушным потоком. В то же время появление паровых турбин побудило ученых-термодинамиков исследовать и такие вопросы, как истечение газов и паров из сопел.
В процессе своего развития гидродинамика и термодинамика, расширяя круг изучаемых вопросов, проникая
29294 И. А. Меркулов
29
29
все глубже и глубже в сущность физических явлений, приближались друг к другу. Так возник еще один новый раздел науки — газовая динамика, изучающая законы движения газа с большими скоростями и тепловые процессы, происходящие в газовом потоке.
Эта наука и послужила теоретической основой для развития газотурбинных двигателей. Первые фундаментальные работы по теории газовых турбин были выполнены выдающимся чешским ученым Стодола, советскими профессорами В. М. Маковским, В. В. Уваровым и рядом других ученых.
Разработка теоретических основ газотурбинной техники и начавшиеся во многих странах мира экспериментальные работы в этой области показали, что важнейшей задачей в развитии двигателей такого типа являлось усовершенствование их проточной части, т. е. тех элементов двигателя, по которым течет газ: воздухозаборника, компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. В первую очередь стоял вопрос о разработке теории компрессоров и турбин, которые часто называют одним термином «лопаточные машины». Именно решением этой фундаментальной задачи и занялись советские ученые. На основе гениальных трудов Эйлера, Бернулли, Жуковского, Чаплыгина советские ученые создали теорию газотурбинных двигателей.
Исключительно ценный вклад в теорию газотурбинных двигателей внес академик Б. С. Стечкин. Его трудами была создана стройная теория лопаточных машин. Им были разработаны методы расчета осевых и центробежных компрессоров. Он является творцом теории самых распространенных в современной авиации газотурбинных воздушно-реактивных двигателей.
Глубокие теоретические исследования и плодотворную экспериментальную работу по компрессорам провели профессора К. А. Ушаков, В. Н. Дмитриевский, К. В. Холщевников, П. К. Казанджан и ряд других ученых. Значительным вкладом в теорию лопаточных машин явился труд украинского академика Г. Ф. Проскура «Гидродинамика турбомашины», изданный еще в 1934 году.
Теории газовых турбин и газотурбинных двигателей в целом были посвящены работы профессоров Г. С. Жи- 30
рицкого, А. В. Квасникова, П, И. Кириллова, Я. И. Шнеэ, Г. П. Зотикова и многих других.
Большая работа была проделана учеными по созданию наиболее выгодной формы турбинных лопаток. Работа лопаток турбины имеет много общего с работой крыла самолета. Однако между ними имеются и существенные различия. Крыло работает изолированно, а турбинная лопатка — в соседстве с другими лопатками. В последнем случае получается, как принято говорить, «решетка профилей». Влияние соседних лопаток сильно изменяет картину обтекания газом профиля лопатки. Кроме того, крыло обдувается потоком воздуха, имеющим перед встречей с самолетом одинаковую скорость вдоль всего размаха крыла. А скорость газа относительно лопатки турбины нс одинакова по ее длине. Она зависит от окружной скорости лопаток. Так как лопатки делают довольно длинными, то окружная скорость у корня лопатки значительно меньше, чем у се конца. Значит, и скорость газа относительно лопатки у се корня будет иная, чем у внешней окружности рабочего колеса. Поэтому профиль лопатки должен быть таким, чтобы лопатка по всей своей длине работала с наибольшей эффективностью. Задача создания таких лопаток была решена трудами профессора В. В. Уварова и других ученых.
Важнейшей проблемой, от решения которой зависело создание экономичных газотурбинных двигателей, была проблема жаропрочных материалов. Экономичность газотурбинной установки увеличивается с ростом температуры газов. Но чтобы турбина могла надежно работать при высокой температуре, необходимо изготавливать ее лопатки и диск из таких сплавов, прочность которых сохраняется и при большом нагреве. Поэтому для развития газотурбинной техники требовался высокий уровень развития металлургии. В настоящее время металлургами созданы сплавы, способные выдерживать большие температуры. Лопатки турбины, изготовленные из таких сплавов, могут без специального охлаждения работать при температуре поступающих в турбину газов до 900° С.
Кроме сплавов, существуют и другие жаростойкие материалы, например особая керамика. Но керамика
довольно хрупка, это препятствует ее применению в газовых турбинах. Дальнейшие работы по усовершенствованию жаропрочной керамики могут оказать, однако, существенное влияние на развитие газовых турбин.
Конструкторы газовых турбин разрабатывают также лопатки с искусственным охлаждением. Внутри лопаток делают каналы, по которым пропускают воздух или жидкость. Диск турбины обычно обдувается воздухом.
Условия горения топлива в газотурбинных установках существенно отличаются от условий в топках паровых котлов или в цилиндрах поршневых двигателей. Газотурбинный двигатель способен при малых размерах производить громадную работу. Но для этого надо сжигать в малом объеме камеры большое количество горючего. Этого можно добиться лишь при очень большой скорости горения. Частицы топлива находятся в камере сгорания газотурбинного двигателя менее сотой доли секунды. За такое короткое время должно произойти хорошее перемешивание топлива с воздухом, его испарение и полное сгорание.
Чтобы успешно решить задачу, необходимо изучить физику горения. Над этим работают в наше время крупные коллективы ученых.
Учеными детально исследован и вопрос о максимальном использовании тепла, выделяемого при горении топлива в газотурбинных установках. Из рабочего колеса турбины газы выходят с высокой температурой и, следовательно, уносят с собой в атмосферу большое количество внутренней энергии. Возникло естественное желание использовать тепло отходящих газов. Для этого была предложена следующая схема установки. Газы из рабочего колеса, прежде чем выйти в атмосферу, проходят через теплообменник, где передают часть своего тепла сжатому воздуху, вышедшему из компрессора. Воздух, нагреваясь в теплообменнике, повышает свою энергию без расхода на это какого-либо количества горючего. Из теплообменника воздух направляется в камеру сгорания, где его температура поднимается еще выше. Устройством таких теплообменников можно значительно сократить расход топлива на нагревание газа и тем самым повысить экономичность установки. Теплообменник представ-
ляет собой канал, по которому текут горячие газы. Внутри канала помещается пучок стальных труб, расположенных по потоку газов или перпендикулярно к нему. Внутри этих труб течет воздух. Газ нагревает стенки труб и текущий внутри них воздух. Происходит возврат части тепла из уходящих газов в рабочий воздух. Этот процесс называется процессом регенерации тепла. И теплообменники часто называют регенераторами.
Газотурбинные установки с регенерацией тепла являются значительно более экономичными, чем обычные турбины. К сожалению, теплообменники очень громоздки по своим размерам, что затрудняет их применение на некоторых транспортных установках.
В числе научных проблем, лежащих в основе развития газотурбинной техники, следует отмстить и прочность конструкций. Для постройки прочных камер сгорания необходимо знать методы расчета тонкостенных оболочек. Этим занимается один из новых разделов науки о сопротивлении материалов. Сложной задачей является обеспечение прочности рабочих лопаток турбины. Ротор турбины совершает очень большое число оборотов (5000—10 000 оборотов в минуту, а в некоторых конструкциях и более), и на лопатки действуют большие центробежные силы (несколько тонн на каждую лопатку).
Мы рассказали здесь только о самых главных научных проблемах, решение которых потребовалось для развития газотурбинной техники. Ученые и инженеры продолжают работать над совершенствованием газотурбинных двигателей. Перед ними стоит еще много нерешенных вопросов, много интересных и важных проблем.
Например, исключительно большое значение имеют работы по созданию газовых турбин, использующих в качестве топлива каменный уголь. Известно, что каменного угля добывается больше, чем нефти, и он дешевле се. Сжигание угля в камере сгорания газовой турбины — трудная задача. Его приходится размельчать, превращать в угольную пыль. Газы, выходящие из камеры сгорания, надо очищать от золы. Если в газе содержатся частицы золы размером даже в 0,03—0,05 миллиметра, то лопатки турбины начнут разрушаться, и турбина выйдет из строя.
Создание очистителей газа — дело сложное. Но решить такую задачу для газотурбинного двигателя можно. У двигателей внутреннего сгорания сжатие воздуха, сгорание и расширение газа происходят в одном месте — в цилиндре. Установить в цилиндре какой-нибудь очиститель оказалось невозможным. Поэтому до сих пор попытки сжигания угля в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания ни к чему нс привели. В газотурбинной же установке сжатие, сгорание и расширение совершаются в разных местах. Сжатие воздуха осуществляется в компрессоре, нагревание — в камере, а расширение — в турбине. Очиститель можно поместить между камерой и турбиной. Нужно только, чтобы он не сильно снижал давление проходящих через него газов и не был слишком велик по размерам.
В наши дни ведутся исследования и по созданию атомных газотурбинных двигателей. В этих двигателях нагрев воздуха осуществляется не за счет сжигания топлива, а за счет тепла, выделяющегося в атомном котле. Много трудностей предстоит преодолеть ученым на этом пути. Но нет сомнения, что атомным газотурбинным двигателям предстоит большое будущее.
ГАЗОВАЯ ТУРБИНА В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Н
астало время, когда творческий труд ученых и изобретателей по созданию газотурбинных двигателей стал приносить свои замечательные плоды. Мы живем в годы, когда газовая турбина проникает во все новые и новые области техники. Она применяется теперь на электростанциях, в металлургической и химической промышленности и на транспорте.
Двигатели, предназначенные для работы на электростанциях или промышленных предприятиях, в отличие от транспортных двигателей называются стационарными. Стационарные газотурбинные установки, как правило, имеют большие теплообменники, позволяющие предельно снизить расход топлива. Современные газотурбинные установки с регенерацией тепла имеют коэффициент полезного действия 25—30%.
В настоящее время в различных странах построено и работает около 200 стационарных газотурбинных уста-
новок. Общая мощность всех этих установок уже превысила миллион лошадиных сил.
Познакомимся с одной из стационарных газотурбинных установок Невского машиностроительного завода имени Ленина (НЗЛ). Она имеет осевой шестнадцатиступенчатый компрессор, повышающий давление воздуха до 4,6 атмосферы. Коэффициент полезного действия компрессора равен 86%. Ротор турбины вращается со скоростью 5000 оборотов в минуту. Турбина питается газом с температурой 600° С и развивает мощность 6100 киловатт. Из них 4600 киловатт затрачивается на работу компрессора. Таким образом, полезная мощность установки, передаваемая электрогенератору, составляет 1500 киловатт.
Ленинградский металлический завод производит более мощные стационарные газовые турбины. Одна из таких установок имеет три компрессора (низкого, среднего и высокого давления) и две турбины, из которых одна высокого, а вторая низкого давления. Турбина высокого давления соединена общим валом с компрессором высокого давления и электрогенератором. Она развивает мощность 22 000 киловатт. Из них 10 000 киловатт идет на компрессор и 12 000 — на генератор. Выходящие из этой турбины газы с давлением в 3 атмосферы и температурой 420° С и направляют в промежуточную камеру сгорания, где их температура поднимается до 650° С, Оттуда они поступают в турбину низкого давления, которая развивает мощность 19 000 киловатт. Вся эта мощность расходуется на работу компрессоров низкого и среднего давления. Коэффициент полезного действия всей установки равен примерно 25%.
Приведенные здесь примеры советских стационарных газотурбинных установок говорят об их высокой эффективности. А ведь это только первые практические шаги нового двигателя. Перед ним еще простирается широкий путь усовершенствований. Например, повысив температуру газов на входе в турбину с 600—700° до 900° С, можно повысить коэффициент полезного действия установки примерно до 40%. Тогда газотурбинный двигатель по своей экономичности превзойдет не только паротурбинную установку, но и лучшие современные поршневые
двигатели внутреннего сгорания. «При современных технических средствах,— пишет автор ряда фундаментальных трудов по теории газовых турбин профессор П. П. Кириллов,— усовершенствование газовых турбин протекает такими темпами, которых не знала еще история теплотехники».
Очень широко развернулись работы по созданию газовых турбин и за рубежом. Так, на одной из швейцарских электростанций в течение последних шести лет работает мощная газотурбинная установка с коэффициентом полезного действия, равным 32%. В этой установке
Рис. 14. Стационарная газотурбинная установка.
воздух в процессе сжатия трижды охлаждается в специальных холодильниках. Охлаждение воздуха значительно снижает потребляемую компрессором мощность. Между турбинами высокого и низкого давления осуществляется дополнительное подогревание газа. Установка имеет регенератор тепла.
Швейцарская фирма «Броун-Бовери» построила около сорока газотурбинных установок для привода электрогенераторов. Суммарная мощность этих установок — примерно 300 тысяч киловатт. Начато изготовление и мелких газотурбинных двигателей для применения в промышленности и на транспорте. Один из таких двигателей показан на рис. 15. При весе в 128 килограммов он развивает мощность 450 лошадиных сил. На свою
работу двигатель расходует около 60 граммов топлива в секунду.
По надежности работы современные стационарные газовые турбины уже достигли весьма высоких показателей. Например, одна из газотурбинных установок в США проработала более 35 тысяч часов.
В качестве топлива для газовых турбин используют не только жидкое топливо, но и многие горючие газы. Нередко на химических заводах в виде отходов производства получаются газы, способные горсть. Вместо того
Рис. 15. Небольшой газотурбинный двигатель для применения в промышленности или на транспорте. Его вес 128 килограммов, мощность 450 лошадиных сил.
чтобы выпускать эти газы в атмосферу (что к тому же приводит к отравлению воздуха вблизи завода), их можно использовать для работы газотурбинных установок как «даровое» горючее.
С развитием газотурбинной техники растет мощность газовых турбин. Большое количество действующих газотурбинных установок имеет мощность свыше 10 000 лошадиных сил. Самая большая мощность работающей в настоящее время стационарной газотурбинной установки составляет 27 000 лошадиных сил. Возможно создание газовых турбин мощностью и в 100—150 тысяч лошадиных сил.
После второй мировой войны начали проводиться опыты с газотурбинными двигателями для судов. Был создан проект быстроходного пассажирского судна с двумя газотурбинными установками мощностью по 7100 лошадиных сил каждая. Установка состоит из двух компрессоров (низкого и высокого давления) и четырех газовых турбин. Две из этих турбин приводят в действие компрессоры, а две вращают гребной вал. Так как гребной вал делает всего 125 оборотов в минуту, то турбины соединяются с ним с помощью зубчатых механизмов.
Известны также проекты газотурбинных установок для военных кораблей, например проект эсминца с двумя газотурбинными двигателями по 16 000 лошадиных сил и двумя дизелями мощностью по 2000 лошадиных сил. Турбины работают при большой скорости корабля, когда требуется максимальная мощность.
В настоящее время первые судовые газотурбинные двигатели уже построены и испытаны. Например, английский танкер «Орис», оборудованный опытной газотурбинной установкой, четыре года находился в эксплуатации. В течение этого времени морская газовая турбина показала свою надежность в работе. Танкер совершал большие рейсы, такие, как Европа — Центральная Америка. Судно прошло около 300 тысяч километров.
Его газовая турбина имеет мощность в 860 киловатт; она установлена на корабле вместо одного из 4 дизелей. В этой установке воздух сжимается в 24-ступенчатом компрессоре и поступает далее в трубчатый теплообменник. Из теплообменника воздух направляется в две камеры сгорания. Нагретые газы расширяются сначала в семиступенчатой турбине, приводящей в действие компрессор, а затем в шестиступенчатой турбине, передающей свою мощность на вал винта. Коэффициент полезного действия турбины при полной нагрузке и при температуре наружного воздуха 20° С достигает 20%.
Железные дороги называют жизненными артериями страны. Миллионы тонн различных грузов перевозятся железнодорожным транспортом. Поэтому повышение экономичности локомотивов имеет исключительно большое значение. Современные локомотивы-газотурбовозы
(рис. 16) достигли коэффициента полезного действия в 15—20%, тогда как у паровозов он составляет всего лишь
Рис. 16. Газотурбовоз.
5—8%. На рис. 17 изображена силовая установка с генератором для газотурбовоза.
Газотурбовоз имеет и другие преимущества перед паровозом. Он нс требует для своей работы воды. Это особенно важно в южных маловодных районах.
Рис. 17. Силовая установка с генератором для газотурбовоза.
Как уже говорилось, газотурбинная установка работает с большим числом оборотов, а ведущие оси локомотива даже при очень большой скорости делают не более 1000 оборотов в минуту. Поэтому между валом турбины и ведущими осями необходимо вводить какую-то пере-
дачу. Эта передача может быть механической, гидромеханической и электрической.
Механическая передача представляет собой зубчатый механизм, работающий по такому же принципу, как, например, коробка скоростей на автомобиле. Но этот механизм очень сложен и громоздок. Поэтому на большинстве газотурбовозов применяется передача иного типа. Газотурбинная установка приводит в действие один или несколько электрогенераторов. Выработанный ими электрический ток питает электромоторы, вращающие оси локомотива.
Для запуска газотурбинной установки необходим внешний источник энергии. На газотурбовозах для этой цели обычно применяется вспомогательный дизель, соединенный с генератором. Ток от этого генератора питает электромоторы, раскручивающие ротор турбины. На газотурбовозах с электрической передачей в качестве такого мотора используется один из главных генераторов, который в период запуска турбины работает как электромотор.
Можно использовать для запуска турбины и ток от аккумуляторной батареи (так запускается двигатель автомобиля), но в этом случае надо иметь батарею значительной емкости.
Экономичность газотурбовоза зависит от развиваемой им мощности. Наибольший коэффициент полезного действия получается при мощности, равной примерно 75% от максимальной. При всяком изменении мощности коэффициент полезного действия снижается. Как же сохранить достаточно высокую экономичность при разных режимах? Предлагают, например, ставить на газотурбовоз две турбинные установки и при работе на малой мощности включать только одну из них. Когда же нагрузка велика, работают оба двигателя.
Коэффициент полезного действия газотурбинной установки сильно зависит от температуры окружающего воздуха. Чем она ниже, тем выше мощность и экономичность газотурбовоза.
Первый газотурбовоз был построен в 1941 году в Швейцарии. Он весил 100 тонн и имел газотурбинную установку мощностью в 2200 лошадиных сил. Этот газо-
турбовоз работал на швейцарских железных дорогах и показал хорошие результаты. Его коэффициент полезного действия при максимальной мощности составлял 16%, а при мощности 1750 лошадиных сил достигал 18%. Расход топлива был очень невелик — всего 0,176 килограмма на одну лошадиную силу в час при наиболее экономичном режиме работы и 0,195 килограмма при максимальной мощности. Полезная мощность газотурбинной установки, расходуемая на вращение электрогенератора, представляла собой небольшую долю — всего около 30%. Остальные 70% мощности затрачивались на работу компрессора.
При изменении температуры окружающего воздуха мощность этого газотурбовоза изменялась так: при повышении температуры до 40° С максимальная мощность снижалась до 1700 лошадиных сил, а когда температура наружного воздуха падала до 16° мороза, то мощность возрастала до 3000 лошадиных сил и коэффициент полезного действия увеличивался до 23%.
В Англии построен газотурбовоз для обслуживания тяжелых пассажирских поездов. Его вес 120 тонн. Он развивает максимальную силу тяги 27,2 тонны и рассчитан на движение со скоростью 150 километров в час. В силовую установку газотурбовоза входят: пятнадцатиступенчатый осевой компрессор, который при 7000 оборотов в минуту подает 22,5 килограмма воздуха в секунду с давлением 5,25 атмосферы, камера сгорания, состоящая из 6 отдельных камер, выполненных в виде труб из жаропрочной стали, и пятиступенчатая газовая турбина. Ротор этой турбины показан на рис. 18.
Газотурбинная установка приводит в движение три главных генератора. Каждый из генераторов питает электроэнергией два тяговых электродвигателя. Газотурбовоз имеет шесть ведущих осей.
Коэффициент полезного действия газотурбовоза — около 16%. Максимальная мощность его — 3500 лошадиных сил. Для запуска установки один из генераторов используется как мотор и питается током от аккумуляторной батареи. По достижении 1000 оборотов в минуту в камеры начинает подаваться топливо, и при 2100 оборотах в минуту питание электромотора током автоматиче-
ски отключается, и турбина сама повышает число оборотов до 4000. Продолжительность запуска составляет 65 секунд. После прогрева двигателя в течение 10 минут он включается на полную нагрузку.
Рис. 18. Ротор пятиступенчатой газовой турбины.
Известная фирма «Вестингауз» построила газотурбо- воз для вождения пассажирских поездов. Он имеет две
Рис. 19. Силовая установка газотурбовоза фирмы «Вестингауз»: 1 — газовая турбина, 2 -камеры сгорания, 3— компрессор, 4— редуктор, 5 — генераторы.
турбинные установки мощностью по 2000 лошадиных сил (рис. 19). Они имеют 23-ступенчатые осевые компрессоры, сжимающие воздух до давления 2,5—5,0 атмосферы в зависимости от развиваемой мощности. Сжатый
в компрессоре воздух идет в 12 отдельных камер, где нагревается до температуры 735° С и поступает в восьмиступенчатую газовую турбину. Ее мощность достигает 6000 лошадиных сил, из которых 4000 тратится на работу компрессора и 2000 лошадиных сил передается двум генераторам.
Запускается турбина от аккумуляторных батарей одним из генераторов, который в этом случае работает как пусковой двигатель. Работают установки на тяжелом топливе.
Газотурбовоз с такими силовыми установками обладает скоростью 160 километров в час.
Швейцарская фирма «Броун-Бовери», много лет работающая в области газотурбинной техники, также построила газотурбовоз. Его турбина развивает мощность 10 300 лошадиных сил, из них 7800 поглощает компрессор и 2500 лошадиных сил передастся генераторам. Наибольшая скорость локомотива — 150 километров в час. Весит он 115 тонн-.
У нас на Коломенском заводе строится газотурбовоз мощностью 6000 лошадиных сил.
Оценивая перспективы применения газотурбовозов, крупнейший советский специалист по газовым турбинам профессор В. В. Уваров писал: «Эффект от внедрения га- зотурбовоза будет огромный. Но, для того чтобы возможность стала действительностью, необходимо еще много работать и работать. Газовые турбины — это как бы «целинные земли» в технике, на освоение которых должны быть брошены крупные научные и производственные силы».
Надо сказать, что созданные газотурбовозы еще недостаточно совершенны. Они стоят дороже паровозов и расходуют дорогое жидкое топливо, в то время как в топках паровозов сгорает более дешевый каменный уголь. Однако нет сомнения, что дальнейшее развитие газотурбинной техники позволит усовершенствовать газотурбовозы и откроет им путь к широкому применению на железных дорогах.
Большое будущее за газотурбовозами, работающими на твердом топливе. В настоящее время значительная часть всего добываемого в нашей стране угля сжигается
в топках паровозов. И если заменить паровозы вдвое более экономичными газотурбовозами, то сэкономленного топлива хватит для работы всех тепловых электростанций Советского Союза.
Первые образцы газотурбовозов, работающих на твердом топливе, сейчас уже построены. Они имеют коэффициент полезного действия до 18%.
Газотурбинный двигатель можно успешно использовать не только на локомотиве, но и на автомобиле.
Важным преимуществом газотурбинного двигателя для автомобиля является его небольшой вес. Кроме того, у нового двигателя нет системы охлаждения, которая требует большого внимания, особенно в зимних условиях. Газотурбинный двигатель быстро запускается и может переходить на полную мощность без прогрева.
Газотурбинные двигатели могут работать на любых сортах жидкого топлива, включая тяжелое топливо для дизелей. Расход смазочного масла у этих двигателей ничтожно мал — всего около 0,05 грамма в час на одну лошадиную силу.
Газотурбинные двигатели универсальны: один и тот же двигатель может применяться и на автобусах,- и на грузовых, и на легковых автомобилях.
Положительное качество газотурбинного двигателя еще в том, что его выхлопные газы не имеют неприятного запаха. Температура газов примерно такая же, как у поршневого бензинового двигателя.
Предложение применять газотурбинный двигатель на автомобиле было высказано еще в 1906 году. Однако уровень развития техники того времени не позволил тогда осуществить эту идею. Практические работы по постройке газотурбинных автомобилей начались лишь в последнее десятилетие. В 1948 году английская фирма «Центракс» выставила на Бирмингамской промышленной выставке автомобильный газотурбинный двигатель мощностью 160 лошадиных сил, другая английская фирма, «Ровер», проводила испытания газотурбинных двигателей мощностью в 100 и 150—180 лошадиных сил. Второй из этих двигателей в 1950 году был установлен и испытан на автомобиле (рис. 20).
В 1951 году на автомобильной выставке в Париже демонстрировался десятитонный грузовой автомобиль с газотурбинным двигателем мощностью в 180—200 лошадиных сил. При испытаниях этот автомобиль развил скорость более 100 километров в час, а в 1952 году автомобиль фирмы «Ровер» с газотурбинным двигателем мощностью в 230 лошадиных сил развил скорость уже 244,5 километра в час.
В 1954 году в США фирмой «Крайслер» был создан газотурбинный двигатель мощностью 120 лошадиных сил
Рис. 20. Автомобиль с газотурбинным двигателем.
с теплообменником. Благодаря использованию теплообменника экономичность двигателя сильно возросла. При его испытаниях на легковом автомобиле расход бензина составил 15—16 литров на 100 километров пути, то есть приближался к расходу топлива поршневых автомобильных двигателей.
За последнее пятилетие в разных странах построено большое количество опытных автомобилей с газотурбинными двигателями.
Расчеты и испытания показывают, что, повысив рабочую температуру газа перед турбиной до 870—900° С,
можно создать автомобильный газотурбинный двигатель с теплообменником, у которого расход топлива будет такой же, как у поршневого двигателя. Однако создание небольших по размерам теплообменников с высоким коэффициентом возврата тепла — задача трудная. Это одна из основных причин, ограничивающих применение газотурбинных двигателей на автомобилях.
Как уже отмечалось, мощность и экономичность газотурбинных двигателей повышаются при понижении температуры окружающего воздуха. В автомобильных газотурбинных двигателях на каждые 10° снижения температуры расход топлива сокращается в среднем на 4—5%. Поэтому в северных и высокогорных районах применение газотурбинных автомобилей будет наиболее выгодно.
Наконец, еще одна область техники, где газотурбинный двигатель уже сейчас занял господствующее положение. Эта область — авиация. Подавляющее большинство вновь создаваемых самолетов имеют газотурбинные двигатели. Без этих двигателей мы не имели бы современной скоростной авиации.
Чем больше скорость полета, тем более мощная силовая установка требуется самолету. Например, 20-местному пассажирскому самолету для полета со скоростью 300 километров в час необходима силовая установка мощностью в 1000 лошадиных сил. Этому же самолету при сохранении его веса и внешних форм для движения со скоростью 600 километров в час потребуется установка примерно в 8000 лошадиных сил. А повышение скорости самолета до 1200 километров в час потребовало бы увеличить мощность моторной установки по меньшей мере в 20 раз, т. е. до 160 000 лошадиных сил.
Улучшая внешнюю форму самолетов, удается несколько уменьшить сопротивление воздуха и этим самым снизить величину потребной мощности. Но какие бы удо- бообтекаемые формы самолетов ни выбирались, для движения со скоростью более 1000 километров в час у поверхности земли из-за большой плотности воздуха пассажирскому самолету все-таки требуется мощность в десятки тысяч лошадиных сил. Поэтому вся история борьбы за скорость полета есть прежде всего история борьбы за повышение мощности авиационных двигателей.
Качество авиационных двигателей характеризуется в первую очередь величиной мощности, приходящейся на один килограмм веса конструкции, т. е. так называемой удельной мощностью двигателя. К концу второй мировой войны авиационные установки имели удельную мощность порядка 2 лошадиных сил на килограмм веса. Пока мощности не превосходили 2—3 тысяч лошадиных сил, такая величина удельной мощности удовлетворяла заспросам авиационной техники. Но когда скорости полета стали
Рис. 21. Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт, 2— воздухозаборник, 3— редуктор, 4— компрессор, 5 — камера сгорания, 6— турбина, 7 — сопло.
приближаться к скорости звука и потребовались мощности в десятки тысяч лошадиных сил, поршневые авиационные двигатели оказались не в состоянии обеспечить развитие авиации. Чрезмерный вес поршневых двигателей непомерно обременял скоростной самолет.
Для успешного развития авиации потребовался новый двигатель, способный при малых размерах и весе развивать мощность в десятки тысяч лошадиных сил. Таким двигателем и явилась газотурбинная установка.
В настоящее время создано много различных типов авиационных газотурбинных двигателей. Для полетов со скоростью до 800—900 километров в час применяются газотурбинные двигатели, которые приводят в движение воздушный винт. Это так называемые турбовинтовые двигатели, или, сокращенно, ТВД. Для движения со скоростью более 1000 километров в час применяются реактивные двигатели. Техника наших дней создала большое
количество различных типов реактивных двигателей. И среди них самым распространенным в авиации является газотурбинный реактивный двигатель, или, как его именуют, турбореактивный двигатель ТРД.
Рассмотрим оба эти типа современных авиационных газотурбинных двигателей).
Для знакомства с современными турбовинтовыми двигателями приведем технические данные одного из ТВД. Этот двигатель развивает мощность более 6000 лошадиных сил при весе немногим более одной тонны. Он имеет
Рис. 22. Внешний вид турбовинтового двигателя, схема которого показана на рис. 21.
осевой семнадцатиступенчатый компрессор, поднимающий давление воздуха в 6,3 раза, и четырехступенчатую газовую турбину. Мощность этого ТВД в три раза превосходит мощность поршневого двигателя такого же веса. Строятся турбовинтовые двигатели и еще большей мощности. Например, один из построенных в последние годы ТВД при весе около двух тонн развивает мощность в одиннадцать с половиной тысяч лошадиных сил.
Замечательным примером успешного применения турбовинтовых двигателей является пассажирский многоместный самолет «Украина», построенный по проекту конструктора О. К. Антонова. На этом воздушном корабле установлено четыре ТВД, благодаря которым он получил прекрасные летные качества. Самолет
«Украина» способен совершать дальние рейсы со скоростью 600 километров в час, являясь в то же время одним из самых экономичных пассажирских самолетов.
На рис. 23 приведена принципиальная схема современного ТРД.
В чем принципиальное отличие турбореактивного двигателя от турбовинтового?
Как было уже рассказано, во всех описанных раньше газотурбинных установках турбина развивает мощность значительно большую, чем та, которая требуется для привода компрессора. Избыточная мощность — ее иногда
Рис. 23. Схема турбореактивного двигателя: 1—компрессор низкого давления, 2— компрессор высокого давления, 3— камера сгорания, 4— первая ступень турбины, 5 — вторая ступень турбины, 6 — реактивное сопло.
называют «свободной» мощностью — используется для вращения ротора электрогенератора, вала гребного винта, колес локомотива или автомобиля.
В турбовинтовом двигателе газовая турбина приводит в действие компрессор и развивает свободную мощность. Последняя идет на вращение воздушного винта. А винт создает тягу, необходимую для продвижения самолета.
Реактивные двигатели не нуждаются в воздушном винте. Развиваемая ими тяга является результатом реакции газов, вылетающих из сопла двигателя с большой скоростью. Значит, в турбореактивном двигателе турбина должна развить только такую мощность, которая необходима для привода компрессора и нескольких вспомогательных механизмов (например, топливного насоса). Никакой избыточной (свободной) мощности от турбины ТРД нс требуется.
Как работает такой двигатель?
Во время полета встречный поток воздуха с большой скоростью входит в расширяющийся канал двигателя, называемый диффузором. В диффузоре скорость воздуха уменьшается, а его давление возрастает. Затем воздух поступает в компрессор, где давление повышается еще больше. В камере сгорания воздух нагревается и идет в газовую турбину. В газовой турбине ТРД, в отличие от газовых турбин других транспортных и стационарных установок, срабатывается не весь перепад давления между камерой сгорания и атмосферой, а только часть его, т. е. газы расширяются не полностью, их давление понижается не до атмосферного, а до некоторого избыточного давления, например до давления в 2—3 атмосферы.
Сравним работу газовых турбин в двух авиационных двигателях: ТВД и ТРД. Предположим, что в обоих случаях давление газа в камерах сгорания будет равно 12 атмосферам. В ТВД газ, проходя через турбину, потеряет почти все избыточное давление. С 12 атмосфер оно снизится до одной. Следовательно, перепад давления составит примерно 11 атмосфер. Величина работы расширения газа зависит от того, во сколько раз упадет давление, т. е. от отношения давления газа перед турбиной к давлению за ней. В рассматриваемом случае давление газа при его течении через турбину ТВД уменьшилось в 12 раз. А в турбине ТРД давление газа упадет лишь до 3 атмосфер и, значит, уменьшится всего в 4 раза. При таком расширении газа турбина получает от него меньшее количество энергии, чем при полном расширении, и развивает лишь такую мощность, которая требуется для вращения компрессора.
Выходящие из турбины газы, имея высокое давление и большую температуру, поступают в реактивное сопло. Там происходит дальнейшее расширение газа. Его давление снижается до атмосферного. За счет снижения давления сильно возрастает скорость газа. Вылетая из сопла с большой скоростью, газы создают реактивную силу. Эта реактивная сила газов и используется для движения самолета.
Турбореактивные двигатели могут эффективно работать при скоростях полета до 3000 километров в час и на высоте до 25—30 километров от поверхности земли.
Приведем характеристику одного из образцов ТРД (рис. 24). Этот двигатель имеет тринадцатиступенчатый осевой компрессор, состоящий из двух частей: компрессора низкого давления и компрессора высокого давления. Компрессор приводится в действие двухступенчатой турбиной и в 10 раз повышает давление воздуха. Двигатель развивает тягу в 5000 килограммов при расходе немногим более 1 килограмма горючего в секунду. Вес двигателя составляет примерно 1500 килограммов.
Рис. 24. Турбореактивный двигатель, схема которого показана на рис. 23.
Турбореактивные двигатели, как и все двигатели реактивного типа, характеризуются нс мощностью, а величиной развиваемой ими тяги. Но легко оценить и мощность, развиваемую реактивным двигателем. Для этого надо лишь знать скорость движения самолета. Известно, что полезная мощность, развиваемая двигателем на самолете, равна произведению силы тяги на скорость полета. Чтобы выразить мощность в лошадиных силах, полученное произведение делят на 75. В нашем примере ТРД при полете со скоростью 300 метров в секунду (1080 километров в час) даст полезную мощность 20 000 лошадиных сил. На каждый килограмм его веса придется около 14 лошадиных сил — в семь раз больше, чем у лучших поршневых двигателей.
В настоящее время турбореактивный двигатель занимает господствующее положение в военной авиации всех стран.
Для иллюстрации современного уровня развития реактивной авиации приведем данные одного из реактивных истребителей с ТРД. Скорость этого самолета около 1700 километров в час. Его «потолок» равен 20 километрам. Двигатель самолета развивает тягу в 7 тонн. Он имеет шестнадцатиступенчатый компрессор, повышающий давление воздуха в 12,5 раза. Для привода компрессора в двигателе установлена трехступенчатая турбина.
Применяются ТРД и на бомбардировщиках. В качестве примера можно указать на средний бомбардировщик
Рис. 25. Реактивный бомбардировщик с четырьмя газотурбинными двигателями.
с полетным весом 70 тонн. На нем установлены 4 турбореактивных двигателя с тягой по 3600 килограммов. Радиус действия этого самолета более 4000 километров. Максимальная скорость 1100 километров в час (рис. 25).
Для выяснения условий полета при больших сверхзвуковых скоростях строятся экспериментальные самолеты, которые играют роль летающих лабораторий. На рис. 26 показан один из таких самолетов. Силовая установка этого самолета состоит из двух турбореактивных двигателей. Он предназначен для полета со скоростью, в три раза превосходящей скорость звука, то есть более 3000 километров в час. Раньше с такой скоростью летали только артиллерийские снаряды, а теперь благодаря применению реактивных двигателей к ней подходят и само- 52
леты. Внешние формы таких самолетов, как видно из ри- сунка, приближаются к формам снарядов.
В последние годы строятся и гражданские самолеты с ТРД. Например, с 1955 года установлено регулярное почтово-грузовое сообщение на реактивных самолетах между Москвой и Новосибирском.
Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют большое внимание развитию гражданского воздушного флота. В директивах XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1956—1960 гг. записано решение: «Внедрить
Рис. 26. Экспериментальный самолет с двумя газотурбинными двигателями, предназначенный для полета со скоростью более 3 тысяч километров в час.
в эксплуатацию на магистральных воздушных линиях скоростные многоместные пассажирские самолеты». Одним из таких скоростных самолетов явился реактивный пассажирский самолет «ТУ-104» конструкции А. Н. Туполева (рис. 27).
Этот громадный воздушный корабль со взлетным весом в 70 тонн предназначен для перевозки 50 пассажиров с багажом (всего он может взять на борт до 70 пассажиров). Экипаж самолета «ТУ-104» состоит из 6 человек: двух летчиков, штурмана, радиста, борт-инженера, борт- проводника. Пассажиры и экипаж размещаются в двух герметических кабинах.
Силовая установка самолета «ТУ-104» состоит из двух турбореактивных двигателей. В случае остановки одного из них самолет может совершать полет и с одним работающим двигателем.
Двигатели, установленные на этом воздушном корабле, являются самыми мощными современными турбореактив-
ными двигателями. Через каждый из них за одну только секунду проходит примерно полтораста кубометров воздуха. На сжатие такого количества воздуха в компрессоре при полете на малой высоте затрачивается более ста тысяч лошадиных сил. Эту громадную мощность развивает установленная в двигателе газовая турбина. Пройдя через турбину, поток газа поступает в реактивное сопло, где его скорость увеличивается до 500 м/сек. Вылетая из сопла с такой скоростью, громадная масса газов создает силу тяги величиною в несколько тонн. Чтобы получить такую тягу при крейсерской скорости полета «ТУ-104»
Рис. 27. Пассажирский 50-местный самолет «ТУ-104» с двумя газотурбинными двигателями.
с помощью прежних винто-моторных установок, потребовалось бы установить на крыле самолета тридцать поршневых двигателей мощностью в тысячу лошадиных сил каждый.
Самолет оснащен современным радионавигационным и радиолокационным оборудованием, радиосвязью, средствами слепой посадки и автоматического пилотирования. Благодаря этому он может совершать полеты независимо от метеорологических условий и вести регулярные рейсы на дальние расстояния в любое время года.
Крейсерская скорость «ТУ-104» 800—830 км/час, высота полета свыше 10 000 метров.
Самолет «ТУ-104» используется на дальних магистральных линиях Аэрофлота, например на таких, как Москва — Хабаровск. Сейчас скорый поезд проходит этот путь за 9 суток, самолет с винто-моторной группой покры- 54
вает это расстояние примерно за 30 часов. А реактивный самолет «ТУ-104» прилетает в Хабаровск через 10 часов после вылета из Москвы.
Путь от Москвы до Пекина этот замечательный реактивный корабль может совершить всего лишь с одной остановкой в Новосибирске. Первый полет из Москвы в Пекин самолет «ТУ-104» выполнил с двумя остановками в Омске и Иркутске за 11 часов 30 минут, в том числе в воздухе он находился 8 часов 20 минут.
*
* *
Когда-то знаменитый русский ученый К. Э. Циолковский писал: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных, или аэропланов стратосферы». Теперь его слова сбылись. И эти замечательные успехи современной авиации стали возможны благодаря применению газовой турбины.
содержание
Введение 3
Тепловые двигатели 3
Как работает газовая турбина11
Газотурбинная установка 17
Из истории газовой турбины25
Газовая турбина в народном хозяйстве34
Цена 85 к.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВОТЕХНИ КО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
|
Вып. 65. А. П. ЛЕБЕДЕВ и А. В. ЕПИФАНЦЕВА. О чем рассказывают камни.
Выл. 66. Проф. К. Ф. ОГОРОДНИКОВ. Сколько звезд на небе.
Выл. 67. Проф. Н. С. КОМАРОВ. Искусственный холод.
Выл. 68. Проф. С. К. ВСЕХСВЯТСКИЙ. Как познавалась вселенная.
Выл. 69. Проф. В. Т. ТЕР-ОГАНЕЗОВ. Солнечные затмения.
Выл. 70. Ф. И. ЧЕСТНОВ. Загадка ионосферы.
Выл. 71. В. Д. ЗАХАРЧЕНКО. Мотор.
Выл. 72. В. А. ЛЕШКОВЦЕВ. Атомная энергия.
Выл. 73. А. Ф. ПЛОНСКИЙ. Радио.
Выл. 74. В. А. ПАНФЕРОВ. Редкие металлы.
Выл. 75. Ф. М. ИВАНОВ и Г. В. БЯЛОБЖЕСКИЙ. Искусственные камни.
Выл. 76. Л. К. БАЕВ. Вертолет.
Выл. 77. Ю. М. БОГДАНОВ. Наука о прочности.
Выл. 78. М. В. БЕЛЯКОВ. Атмосфера.
Выл. 79. С. МОРОЗОВ. Фотография в науке.
Выл. 80. И. А. КАЛИНИН. Катализ.
Выл. 81. К. П. БЕЛОВ. Что такое магнетизм.
Выл. 82. И. Л. ОРЕСТОВ. Холодный свет.
Выл. 83. А. А. ШТЕРНФЕЛЬД. Межпланетные полеты.
Вып. 84. М. ВАСИЛЬЕВ. Вода работает.
Вып. 85. И. Ф. ДОБРЫНИН. Электроприборы в быту.
Вып. 86. В. П. ЗЕНКОВИЧ. Морское дно.
Вып. 87. А. Ф. ПЛОНСКИЙ. Измерения и меры.
Вып. 88. Л. А. СЕНА. Светящиеся трубки.
Вып. 89. К. Л. БАЕВ и В. А. ШИШАКОВ. Всемирное тяготение.
Вып. 90. Д. Э. ГРОДЗЕНСКИЙ. Атомная энергия —медицине.
Вып. 91. А. А. ЖАБРОВ. Почему и как летает самолет.
Вып. 92. Ф. И. ЧЕСТНОВ. Незримый путеводитель.
Вып. 93. Б. ИВАНОВ и Б. БАРЩЕВСКИЙ. Объемные изображения.
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯБИБЛИОТЕКА
И.А.МЕРКУЛОВ
Газоваятурвина
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
ВЫПУСК 94
И. А. МЕРКУЛОВ
ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
ПОД РЕДАКЦИЕЙЗАСЛУЖЕННОГО ДЕЯТЕЛЯ НАУКИ И ТЕХНИКИпроф. А. В. КВАСНИКОВА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВОТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫМОСКВА 1957
16-2-1
Игорь Алексеевич Меркулов.
Газовая турбина.
Редактор А. Ф. Плонский.
Техн, редактор С. С. Гаврилов.Корректор Т. С. Плетнева.
Сдано в набор 13/11 1957 г. Подписано к печати 26/VII 1957 г.
Бумага 84 X 108*/з2. Физ. печ. л. 1,75. Условн. печ. л. 2,87. Уч.-изд. л. 2,78.
Тираж 75 000. Т-06672. Цена книги 85 коп. Заказ № 2518.
Государственное издательство технико-теоретической литературы.Москва, В-71, Б. Калужская ул., 15.
Типография «Красный пролетарий» Госполитиздата Министерства культуры СССР. Москва, Краснопролетарская, 16.
«Во что бы то нн стало надо добиться еще и еще успехов в деле производства двигателей».
(В. И. Ленин)