Машина-двигатель - [43]

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.