В небе завтрашнего дня - [5]
4* Как учит термодинамика — наука о преобразовании тепла в работу, — скорость истечения пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газов.
Турбинное колесо-«ахиллесова пята» газотурбинного двигателя.
Истинное объяснение связано с одной из основ ных особенностей работы турбореактивного да и любого другого газотурбинного двигателя. Речь идет о важнейшей, еще не преодоленной пока его слабости, его «ахиллесовой пяте» — газовой турбине, точнее — о ее лопатках.
Турбинные лопатки работают в исключительно тяжелых условиях, и в этом отношении вряд ли их можно с чем-нибудь сравнить. Они прикреплены к турбинному диску, диаметр которого в новых мощных турбореактивных двигателях достигает метра. Это колесо делает много тысяч оборотов в минуту, и при работе двигателя на лопатки действует огромная центробежная сила, в десятки тысяч раз превосходящая вес лопатки. Только самые прочные металлы могут выдержать подобные нагрузки.
Но мало того. Из сопел турбины на лопатки вырывается стремительный поток газов, несущийся со скоростью многих сотен метров в секунду. Под действием этого потока лопатки начинают вибрировать. Они изгибаются, скручиваются, трепещут неизмеримо сильнее, чем кленовые листья на ураганном ветру. Под действием этих колебаний металл и без того сильно перегруженных лопаток «утомляется», не выдерживает — лопатка разрушается. Немало усилий приходится затрачивать, чтобы изменением конструкции двигателе избавить лопатки хотя бы от самых опасных и неприятных колебаний.
Но и это не все. Поток газов, вырывающийся из сопла на лопатки, нагрет до 850–900°. Естественно, что лопатки, представляющие собой, по существу, тонкие длинные полоски металла, быстро раскаляются докрасна, их температура лишь на 100–150° ниже температуры газов. Самые прочные металлы катастрофически теряют прочность при таком нагреве. Неудивительно, что сильно нагруженные, вибрирующие лопатки, даже изготовленные из металлов, обладающих изумительной, ни с чем не сравнимой прочностью, не выдерживают и обрываются. Чтобы сохранить огромную прочность при высоких рабочих температурах, лопатки газовой турбины изготовляют из особых сплавов, в которые входят многие ценные и редкие металлы — вольфрам, кобальт, никель, ванадий, ниобий и другие. Эти металлы придают сплаву не простую прочность, а прочность при высокой температуре, жаропрочность. Но даже и такие сверхжаропрочные лопатки, оказывается, недостаточно хороши для турбореактивных двигателей.
В условиях работы газовых турбин проявляется еще одна слабость металла, еще одна его болезнь — «ползучесть», или крип. Оказывается, под действием громадных центробежных сил раскаленная лопатка постепенно удлиняется, сначала медленно, а затем все быстрее. Эта пластическая деформация может перерасти в грозную опасность для турбины. Достаточно лопатке немного удлиниться, чтобы задеть за корпус, и она немедленно сломается. Ведь радиальный зазор между лопатками и корпусом очень мал: иначе произойдет значительная утечка газов, и турбина будет плохо работать. Иной раз лопатка ломается вследствие ползучести, даже и не задевая за корпус, а просто оттого, что чересчур ослабляется.
Значит, материал для изготовления лопаток должен быть не только сверхжаропрочным, но и крипоустойчивым. Материалов с подобными качествами природа не знала, людям пришлось их создавать. Только замечательные достижения металлургии позволили осуществить давнишнюю мечту инженеров — создать газовую турбину.
Вот почему и кажущееся таким небольшим повышение температуры газов перед турбиной с 800 до 900°, о котором шла речь выше, было в действительности огромной победой техники — ведь повышение температуры на один градус приводит к уменьшению жаропрочности материала примерно на один процент!
Понятно, почему дальнейшее повышение температуры газов перед турбиной оказывается крайне сложным дедом. И все же резервы для такого повышения есть огромные. Мы уже говорили, что при сгорании керосина в воздухе температура газов может достигать и даже превышать 2000°. Чтобы снизить эту температуру до 800–900°, к продуктам сгорания приходится добавлять более холодный воздух. Таким образом, только часть воздуха, выходящего из компрессора, не более 1/3-1/4 от общего количества, участвует в сгорании топлива в современных турбореактивных двигателях. Другая, большая часть служит лишь для охлаждения продуктов сгорания. Если бы лопатки турбины позволили, то в том же двигателе можно было сжигать в 3–4 раза больше топлива, что и привело бы с ростом температуры газов к увеличению тяги двигателя. Но, увы, это пока невозможно.
Стоит подать в камеру сгорания чуть-чуть больше топлива, как температура газов сейчас же увеличится и может превысить максимально допустимую, а это грозит выходом из строя турбинных лопаток и аварией двигателя.
Как же ученые, конструкторы и инженеры пытаются повысить температуру газов в турбореактивном двигателе?
Следует отметить, что эта проблема важна не только для турбореактивного двигателя — еще более важна она для так называемого турбовинтового двигателя, в котором турбина вращает воздушный винт. Оказывается, при повышении температуры газов не только увеличивается мощность турбовинтового двигателя, но и улучшается его. экономичность, то есть уменьшается расход топлива на одну лошадиную силу. А ведь турбовинтовые двигатели привлекают к себе все большее внимание как превосходные двигатели для скоростных пассажирских самолетов, — кто не знает ниши замечательные самолеты «ТУ-114», «ИЛ-18» или «АН-10»? Понятно поэтому то внимание, которое уделяется проблеме создания высокотемпературной авиационной газовой турбины.
