ЛОПАТОЧНЫЕ МАШИНЫ

Преобразователи энергии, в которых используются лопаточные машины, весьма распространены в технике. В качестве примеров можно привести паротурбинные и гидротурбинные приводы электростанций, газотурбинные установки силовых станций, приводы насосов и нефтяных качалок. Самое широкое применение лопатки нашли в конструкции газотурбинных двигателей (ГТД) транспортных устройств: самолетов, кораблей, автомобилей и танков. По времени появления ГТД относят к новейшим образцам техники: им нет еще и века. Однако история попыток создания лопаточных машин восходит к весьма отдаленным временам. Как ни удивительно, лопатки - одни из наиболее древних технических устройств, примененных человеком.

Собственно, сам термин "лопаточные машины" появился в результате симбиоза древней игрушечной вертушки типа "сегнерова колеса" и лопатки, взаимодействующей с потоком. Рабочее колесо лопаточной машины состоит из целого ряда одинаковых (и в этом отличие лопаточной машины от любой другой) лопаток, посаженных по диску рабочего колеса либо веером по окружности - у осевых компрессоров и турбин, либо по боковой поверхности диска - у центробежных или центростремительных лопаточных машин. В зависимости от того, что служит источником энергии перемещения лопатки в потоке, машины, содержащие оснащенные этими лопатками рабочие колеса, могут быть нагнетательными (компрессоры, вентиляторы, воздуходувки, насосы, в которых движение лопаток перемещает поток) или приводными (турбинными, мельничными, гидроприводными, ветрогенераторными и т.д.). У последних движение потока приводит во вращение оснащенный лопатками ротор. Такие роторы являются приводами для различных агрегатов - генераторов, насосов, нагнетателей, мельниц, качалок и прочего.
Упоминание об устройстве, которое приводилось во вращение энергией истекающего из него потока, содержится в работах древнеримских историков. Изобретение этой машинки ("эолипила"), приписывалось Герону Александрийскому, который жил в 1 в. н.э.

Герон был автором работ, сводящих в цельную систему основные достижения античного мира в области прикладной механики. Механизмы и автоматы Герона не нашли сколько-нибудь широкого практического применения. Они употреблялись, в основном, в конструкциях механических игрушек. Исключением, пожалуй, являлись лишь гидравлические машины, на основе которых были усовершенствованы античные водочерпалки.

Несмотря на то, что эолипил (о нем, впрочем, мы достаточно подробно писали в статье прошлого номера, посвященной паровым турбинам), пожалуй, наиболее близок по конструкции и принципу действия к современной паровой турбине, до XIX века это устройство было практически забыто инженерами. В истории это не новость: древнеамериканские цивилизации не знали колеса, а дети индейцев забавлялись с …игрушечными тележками.

Первым применил лопаточные машины к делу известнейший из изобретателей античности Архимед Сиракузский. Его водоподъемный "архимедов винт"- шнек, которым пользуются в разных приложениях уже третье тысячелетие не что иное, как лопаточная машина.

Различного рода водоподъемные машины (нории) использовались многими цивилизациями: европейскими, арабской, китайской. Одновременно с ними или чуть позже появились машины более универсального назначения - водяные и ветряные мельницы. Впрочем, в полном смысле лопаточными машинами их назвать нельзя, хотя именно на основе этих механизмов и была разработана вся гамма современных устройств такого рода.

Несомненно, первой лопаткой в истории было обыкновенное весло. Причем, по убеждению многих историков, работали с веслом задолго до того, как запрягли первую лошадь.

Более совершенный привод (и также для передвижения по воде) - парус - тоже, по существу, не что иное как лопатка, находящаяся в воздушном потоке. Заметим, что если весло можно считать прототипом нагнетающей (компрессорной) лопатки, то парус - яркий пример предка турбинной (приводной) лопатки.

Впрочем, предки - предками, но надо, конечно, учитывать, что приведенные примеры относятся не к двигателям, то есть преобразователям энергии, а к движителям.

Лопатка и машина смогли соединиться в лопаточную машину только после того, как лопасти - весла - "отобрали" у гребца и закрепили на оси мельничного ветряного или водяного колеса. Именно они были прототипами лопаточных машин, используемых сегодня.

Естественно, развитие конструкций мельничных колес, как и самих мельниц является результатом опытов и находок многих поколений создателей. К XIX веку ученые начали обобщать опыт использования подобной техники, анализировать и пытаться как-то классифицировать его.

Основы теории лопаточных машин как самостоятельной научной дисциплины были заложены российским академиком Леонардом Эйлером, впервые описавшим основную гидромеханическую схему их работы. К этому времени в работах Леонардо да Винчи, Бернулли, Ньютона, Лейбница и многих других были достаточно хорошо разработаны основы гидростатики и подготовлен математический аппарат, способный описать поведение сжимаемых и несжимаемых жидкостей в потоке. Опыт (эмпирика) оказывался все-таки ведущим методом при проектировании турбомашин. Ныне по теории и конструкции лопаточных машин, работающих как в газовой, так и жидкой среде, написано огромное количество трудов. Тем не менее, тема "не закрыта": исследования в этой области техники до сих пор продолжаются. Правда, дилетантам здесь больше делать нечего.

Итак, лопаточные машины, какого бы рода они не были, в качестве наиболее важного элемента содержат находящиеся на валу диски, оснащенные профилированными лопатками. Диски вращаются с большей или меньшей скоростью (это связано с типом и назначением машины), составляющей от единиц оборотов в минуту у ветрогенераторов и мельниц до десятков тысяч оборотов в минуту у газотурбинных двигателей и турбонагнетателей.

Лопатки современных лопаточных машин, в зависимости от назначения, выполняемой данным устройством задачи и среды, в которой им приходится работать, имеют самую различную конструкцию. Эволюцию этих конструкций можно проследить, скажем, сравнив лопатки средневековых мельниц - водяной и ветряной с лопатками их прямых наследников - ветродвигателя и гидротурбины ГЭС. Стоит заметить, кстати, что колеса ГЭС могут быть также весьма разнообразны по форме. У колесного парохода гребные колеса тоже представляют собой лопаточные машины, причем лопатки (тут они именуются "плицами") имеют весьма сложное крепление, хотя и самую простую форму - это просто пластины. Такая форма, кстати, значительно облегчала ремонт. Другое дело - лопасти современного винта. Они имеют весьма сложную форму и профиль. Настолько сложную, что самые совершенные из них похожи скорее на творения скульптора-модерниста. Лопасти лопаточного насоса, - по сути дела тот же винт, но заключенный в трубу. Его задача не отталкивать корабль от воды, а проталкивать саму воду. Или - нефть, или цементный раствор, или вообще, какую угодно жидкость. Иное назначение и форма у воздушных вентиляторов (вода примерно в 300 раз плотнее воздуха и намного более вязкая, а кроме того, практически несжимаема). Они имеют разные размеры - маленькие охлаждают процессор компьютера, побольше - нас самих в жаркую погоду, но бывают и огромные воздуходувки плавильных печей и систем промышленной вентиляции. Лопасти самолетного винта - тоже лопаточные машины весьма совершенной конструкции. Видно, что винты первых дирижаблей и самолетов разительно не похожи на многолопастные винтовентиляторы, которые поднимают в воздух современные пассажирские и транспортные самолеты. А вот военные самолеты обычно приводятся в движение газотурбинными двигателями разного рода.

Газотурбинные двигатели - "особая песня". И вся она о лопаточных машинах, поскольку сам по себе двигатель образован в основном многими рядами рабочих колес с лопатками. В газотурбинном двигателе есть и компрессорные, и турбинные лопатки. Этим он, кстати говоря, отличается от любой другой машины, где имеются либо компрессорные нагнетающие лопатки, как в нагнетателях и воздуходувках всякого рода, либо турбинные лопатки, как у паротурбинных силовых установок или на ГЭС.

Следуя логике поставленной задачи, конструкция ГТД может быть весьма различной, а набор компрессорных и турбинных колес - самым разным. У них есть общие "родовые признаки": любой газотурбинный двигателей содержит компрессор, камеру сгорания и турбину. Но разнообразие членов этого "рода" весьма велико. Все зависит от достигаемого эффекта. Задача компрессора ГТД - сжать воздух, чтобы обеспечить эффективное сгорание топлива в камере сгорания (в результате чего поток газа получает большой прирост энергии), а турбина обязана этот вновь приобретенный добавок снять, используя его для привода компрессора и для передачи мощности с вала потребителю (например, винту в случае турбовинтового двигателя).

Компрессор может быть осевым, у которого направление движения воздуха совпадает в основном с осью двигателя и центробежным. У последнего, как можно догадаться из названия, часть энергии передается воздуху появляющимися при вращении центробежными силами, следовательно, меняется и общее направление его движения: вектор действия центробежных сил перпендикулярен оси вращения вала. Напор, создаваемый центробежными колесами, существенно выше, чем у осевых компрессоров, которые приходится делать многоступенчатыми для достижения такого же напора, какой в центробежном создает одна ступень. Но на поворот потока от осевого направления тратится слишком много "лишней" энергии. Поэтому эффективность центробежных компрессоров ниже и в мощных двигателях их сейчас практически не применяют. Впрочем, первые реактивные истребители оснащались именно такими моторами. Сегодня центробежные компрессоры применяют в вертолетных ГТД, а также в малоразмерных двигателях крылатых ракет и самолетов-мишеней.

Лопатки осевых компрессоров авиационных ГТД также очень разнообразны. На первых входных ступенях они представляют собой сложное изделие, обладающее иногда внутренней структурой, напоминающей конструкцию самолетного крыла. Часто их изготовляют из композитных и неметаллических материалов, оснащают разного рода антивибрационными стяжками и бандажными полками. Лопатка последней ступени компрессора ГТД - это просто металлическая пластинка, специально профилированная и изогнутая.

Не менее сложна конструкция турбинных лопаток и велика номенклатура применяемых при их производстве технологических приемов. Турбинная лопатки ГТД выполняет те же функции, что и в лопатка паровой турбины; разница в основном состоит в существенно более высокой температуре газа. Турбина ГТД размещается непосредственно за камерой сгорания, поэтому механические напряжения на ней настолько же выше, насколько выше и температурные. Из-за этого лопатки турбин приходится делать пустотелыми и охлаждать. Сейчас лопатки охлаждают воздухом, а ранее существовали системы с охлаждением лопаток водой и даже жидким натрием. Расчет рациональной внутренней структуры турбинной лопатки и разработка технологии ее изготовления (с учетом предъявляемых требований к точности) представляют собой, пожалуй, наиболее трудные задачи при разработке современных ГТД.

Для каждой лопатки характерен собственный "аэродинамический профиль". Обычно он напоминает крыло летательного аппарата. По сути дела лопатка и является маленьким крылом. Самое существенное отличие лопатки от крыла состоит в том, что лопатки работают в потоке, параметры которого очень сильно изменяются по ее длине.

В компрессоре и турбине лопатки спрофилированы по-разному. Поскольку задача компрессора состоит в передаче энергии рабочему телу путем сжатия воздуха или газа и/или повышения скорости его течения, то лопатки обычно проектируют так, чтобы профиль межлопаточного канала был конфузорным (сужающимся). Турбины проектируют таким образом, чтобы они образовывали диффузорный (расширяющийся) канал. При прохождении такого канала давление газа уменьшается, и энергия его передается рабочему колесу турбины.

Впрочем, и в турбинах и в компрессорах есть не только вращающиеся рабочие колеса, о чем мы говорим, но и ряды неподвижных лопаток. В компрессоре это - направляющие аппараты, в турбине - сопловые аппараты. Эти устройства предназначены для организации "правильного" протекания газа по лопаточной машине и согласования параметров отдельных рабочих колес в многоступенчатых агрегатах. Существенное влияние на характер конструкции оказывают и свойства самого "перекачиваемого" рабочего тела. В первую очередь важно - газ это или жидкость.

В тепловых электроцентралях (ТЭЦ) и атомных электростанциях (АЭС) якорь электрического генератора также обычно приводится во вращение лопаточными турбинами, в которых срабатывается пар (чаще всего - водяной) высокого давления. Так что АЭС отличается от обычной ТЭЦ только тем, что в качестве подогревателя используется ядерный реактор. При штатной работе АЭС нет никаких вредных выбросов, поэтому в экологическом плане она гораздо чище всех других энергопроизводителей. Вот если бы еще не было головной боли с захоронением отходов отработанного ядерного топлива…

А что наши старые знакомые - первые "лопатки" - паруса? Им суждено дальнейшее развитие. Наверное, скоро уже дойдет дело до использования солнечного паруса в космических клиперах и яхтах.