|
О ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ
Инж. С. Ратнеръ
("Двигатель" № 13, 14 за 1911 г.)
Поделимся с вами радостью, которую при желании можно воспринять как новогодний подарок: многолетние архивные изыскания привели к несомненному успеху. Благодаря помощи сотрудников Политехнической библиотеки в фондах ее читальных залов был найден журнал "Двигатель", который издавался группой энтузиастов под руководством спортсмена и журналиста А.П. Нагеля с 1907 по 1917 годы. Этой находкой мы обязаны директору библиотеки Г.В. Спириной, организовавшей работы, Т.С. Устиновой, обнаружившей этот раритет, а также всем сотрудникам библиотеки, помогавшим нам в поисках. Изучая раритеты, мы были приятно удивлены почти полным совпадением целей, задач, методов их решения и даже способов подачи материала наших предшественников и нас самих.
С этого номера мы начинаем печатать, практически без ремарок
и правок, с сохранением авторского стиля некоторые статьи из найденных
журналов разных лет. Думается, что нам эти материалы будут не менее любопытны
и полезны, чем современникам их авторов.
Итак: журналу "Двигатель" скоро 100 лет. Неожиданно
для нас самих, но похоже это - старейший из действующих отечественных
научно-технических журналов.
Потенциал нашей промышленности велик, и надо только способствовать
его реализации. Для этого мы и работаем. Как и сто лет назад, наш "Двигатель"
предназначен для всех, кому не безразлично будущее нашей Родины. Мы будем
стараться и дальше не обмануть ваших надежд.
Пишите. Останемся друзьями и впредь!
Всегда Ваши: Александр Бажанов, Дмитрий Боев, издатели журнала "Двигатель"
Существующие в настоящее
время конструкции газовых турбин внутреннего сгорания и турбин, действующих
взрывами, распадаются на категории: активных, реактивных и активно-реактивных
турбин. Принципы, положенные в основу конструкций всех этих типов машин,
будут приведены ниже.
Принцип газовой турбины
внутреннего сгорания известен: в хорошо изолированную камеру вдувается
струя воздуха компрессором, приводимым в действие турбиной; воздух вместе
с поступающим туда бензином или газом образует горючую смесь. Продукты
горения расширяются в сопле Лаваля и приводят во вращение колесо Лаваля.
Эта крайне простая по конструкции турбина не имеет однако никаких шансов
на существование: наличность компрессора является ее убийственным недостатком.
До сих пор не удалось еще построить центробежный, беспоршневой компрессор,
который давал бы мало-мальски сносный коэффициент полезного действия;
следовательно, на одно сжатие воздуха и газа уходило бы очень много энергии.
Если бы даже и существовал вполне хороший компрессор, то рабочее колесо,
сопло и самая лучшая камера не вынесут высокой температуры, развивающейся
в последней. Несостоятельность газовой турбины внутреннего сгорания, таким
образом, вполне ясна, поэтому мы к ней больше возвращаться не будем.
Турбина, работающая вспышками,
заслуживает гораздо больше внимания. Колесо Лаваля соединено непосредственно
с маленьким эксгаустером. Газовый клапан входит в воздушный и управляется
кулачком, получающим движение от вала турбины. Воздушный клапан действует
автоматически и поддерживается в открытом состоянии посредством рычажка
c пружиной. Сила эксгаустера такова, что давление воздуха в камере сгорания
E составляет, по крайней мере, 30 мм водяного столба.
Действие турбины таково:
как только колесо Лаваля начинает вращаться, эксгаустер посылает струю
воздуха через клапан в камеру сгорания, откуда воздух попадает через сопло
на колесо Лаваля и выходит наружу. После некоторого числа оборотов кулачок
открывает газовый клапан, а в камеру начинает притекать газ вместе с воздухом,
образуя взрывчатую смесь. В момент закрывания клапана происходит вспышка,
газы расширяются, отдавая свою энергию лопаткам колеса Лаваля. Давлением
взрыва запирается автоматический воздушный клапан, и открытие его снова
наступает только тогда, когда в камере давление понижается до атмосферного.
Поступающий через открывающийся клапан свежий воздух охлаждает внутренность
турбины и очищается от остатков горения, после чего рабочий цикл возобновляется.
Для того, чтобы такая машина
могла работать, необходимо, чтоб работа, производимая вспышками, превышала
потери, обусловленные трением и другими вредными сопротивлениями. Но для
получения излишка работы требуется много большая быстрота следующих одна
за другой вспышек, нежели та, которая осуществима в единственной камере.
Поэтому в турбине устраиваются несколько камер. Чем больше последних (от
2 до 10), тем легче пустить в ход машину и тем выше будет ее мощность.
Но в том виде, как турбина описана, она не может дать коэффициента полезного
действия, имеющего практическое значение. И вот почему. При одной только
камере, когда число вспышек невелико, турбина не особенно сильно нагревается,
так как части, наиболее подверженные действию вспышки, успевают охладиться
током воздуха, пробегающими через машину в промежуток между двумя вспышками.
Но машина с одной камерой немыслима на практике, так как условием правильности
и экономичности работы ее является равномерность давления газовой струи.
В многокамерных же турбинах колесо так накаляется, что оно не в состоянии
сопротивляться возникающим в нем напряжениям. Это нежелательное явление
можно было бы устранить искусственным охлаждением рабочего колеса: стенки
камеры можно сделать двойными и заполнить промежуток их водой, получающийся
пар отводится к лопаткам колеса и охлаждает их. Такой способ охлаждения
требует конденсатора, через который пропускались бы уходящие газы для
того, чтобы вновь добывать затраченную на охлаждение воду. Но такой конденсатор
усложняет и делает все охладительное устройство непрактичным. Пробовали
также пускать на лопатки воду в мелкодисперсном состоянии, а стенки камер
сгорания охлаждать воздухом. Но этот способ оказался еще худшим, так как
испаряющаяся водяная пыль производит вихри и деформации рабочего колеса.
Пробовали также делать рабочее колесо полым и пропускать через него воду,
но и это не дало положительных результатов. Воздушное же охлаждение колеса
требует сильной струи холодного воздуха, который пропускался бы через
лопатки, но производство такой воздушной струи требует слишком большой
затраты энергии.
Описанная турбина хоть и
превосходит турбину внутреннего сгорания, но все-таки до практического
ее применения еще далеко. Коэффициент полезного действия ее всего 4-7
%. Причину неэкономичности ее, прежде всего, надо искать в камерах сгорания,
рабочий процесс в которых отличается от такового в поршневых двигателях.
Во-первых, происходит равномерный приток слабо сжатого воздуха, который
прерывается только действием вспышек; во вторых, происходит правильное
всасывание и сжатие. Требования, предъявляемые к клапанам, также поэтому
совсем другие, чем у турбин. Устройство двух отдельных впускных отверстий
для газа и воздуха неподходяще, ибо если взрывчатую смесь изготовлять,
как в поршневых двигателях - впереди клапана, то силой вспышки автоматически
клапан не закроется, так как содержимое в трубке под клапаном также воспламеняется
и расширяется прежде, чем клапан может закрыться. В поршневом двигателе
этого не может быть, так как предшествующее вспышке сжатие держит всасывающий
клапан закрытым. Управляемый клапан, вместо автоматического, мог бы устранить
обратные удары вспышек в подводящие трубки, если бы вспышка происходила
после закрытия клапана. Но такой клапан совершенно неприемлем, так как
в момент запирания последнего незначительное давление газов, распространяясь
и на сопло, совсем упадет: в большинстве случаев не произойдет, поэтому
никакой вспышки в камере или же весьма слабая. Таким образом, воздушный
клапан должен быть автоматическим, и он отличается от такового в поршневом
двигателе тем, что он не придерживается слегка пружиной, но уравновешивается
рычажком и противовесом. Если бы для турбины стали применять нормальный
впускной клапан, то давления воздуха из эксгаустера не хватало бы для
его поднятия. Уравновешенный клапан производит такое же действие, как
и легко открывающийся, так как, хотя он представляет для сжатого воздуха
большее сопротивление, но силой вспышки он легко и быстро закрывается,
легко же открывающийся клапан сжатый воздух свободно пропускает, но зато
он труднее закрывается силой вспышки и притом с потерей продуктов горения.
Вообще клапан в трубках является весьма чувствительным источником потерь.
Скорость вспышки всегда больше, нежели та, с которой клапан закрывается.
Следствием этого является просачивание продуктов вспышки в воздухоподводящую
трубу, и воздух загрязняется. Загрязненный воздух, попадая в камеру сгорания,
ослабляет силу вспышки или замедляет скорость ее. Дальнейшая потеря происходит
от просачивания у сопла; приходится поэтому работать с большим избытком
воздуха. Кроме того, теряется много хорошего газа, что влечет за собой
весьма вредные вспышки в кожухе турбины.
При увеличивающемся числе
вспышек степень наполнения камеры уменьшается. При дальнейшем увеличении
числа вспышек в секунду сжигание смеси получает характер непрерывного
горения, и все промежуточные между отдельными вспышками давления отпадают.
Опыты Ганзена показывают, что кривая давлений может быть значительно улучшена.
Эти опыты были произведены
Ганзеном над построенной им турбиной. Вращающаяся камера турбины, имела
емкость всего 1,2 метра и состояла из трех отдельных цилиндров. Воздух
подводится к камере через полую ось, а горючее - через полый стержень
клапана посредством насоса.
Продукты горения из сопел
попадают на колесо с лопатками и выходят наружу через отверстие. Охлаждение
достигается быстрым вращением камеры; кроме того, имеется еще вентилятор,
сидящий на оси турбины. Охлаждающий воздух, давление которого составляет
24 мм водяного столба при 1200 оборотах турбины, проходит через кожух
в трубу, ведущую к впускным клапанам.
При этом Ганзен имел в виду,
что подогретый всасываемый воздух повысит тепловой коэффициент полезного
действия двигателя. Но на деле это не оправдалось, так как теплый воздух
менее плотен и тем понижает действие центробежной силы. Если же в горячие
камеры сгорания впускать холодный воздух, то он там будет расширяться
и повысит давление в камерах. Поэтому с холодным воздухом турбина дает
лучшие результаты. Ось турбины сделана полой в целях лучшего охлаждения
и связана с камерой только в трех точках. Охлаждение машины оказалось
удовлетворительным.
Недостатками описанной турбины
является центральный впуск горючего (через полый стержень воздушного клапана),
отсутствие регулятора, теплый воздух для горения.
Все эти недостатки устранены в новейшей турбине Ганзена, с которой он обещает выступить в ближайшем будущем и которая, как он утверждает, вполне применима для обслуживания автомобилей и аэропланов.
[Подготовка к печати
- Андрей Червяков, к.т.н.]
