Лев Гумилевский: Создатели двигателей

Опыты с турбиной Гольцварта продолжались и далее, с затратой больших денежных средств, но технические трудности построения удовлетворительно работающей газовой турбины не были преодолены, и опыты пришлось прекратить.

Большая доля заслуг в создании турбин внутреннего сгорания принадлежит русским инженерам и ученым. В конце прошлого века инженер-механик русского флота П. Д. Кузьминский сконструировал такую машину в качестве корабельного двигателя. Было немало и других интересных попыток. В 1912 году А. Н. Шелест указал на новый принцип работы тепловых машин, в виде механического генератора газов.

Шелест спроектировал даже локомотив с газовой турбиной постоянного давления. Он предусматривал возможность работы турбин на пылеобразном твердом топливе.

Теорию газовых турбин и современную газотурбинную установку с горением при постоянном давлении разработал советский ученый профессор В. М. Маковский.

Газовая турбина состоит в основном из центробежного воздушного компрессора, камеры сгорания, турбины смонтированной на общем валу с компрессором, и какого-либо вспомогательного двигателя для запуска турбины.

Введением в схему газовой турбины регенератора — подогревателя сжатого воздуха за счет тепла отработавших газов — повышается ее коэффициент полезного действия.

Хотя все перечисленные выше основные элементы газотурбинной установки были давно известны, инженеры, работавшие в этой области техники, натолкнулись на весьма серьезные практические трудности. В то время еще не было жаропрочных материалов, способных выдержать действие высоких температур, неизбежных в двигателе этого типа. В то же время коэффициент полезного действия как компрессоров, так и турбин был слишком низок, чтобы обеспечить получение удовлетворительных результатов.

Большинство инженеров считало эти трудности непреодолимыми, что вынудило некоторых из них обратиться к двигателям взрывного типа, как, например, турбина Гольцварта.

Характерная особенность турбины внутреннего сгорания заключается в том, что в ней механической работе предшествует преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую.

Другая особенность этой турбины состоит в разделении процессов сжатия и расширения газа по отдельным агрегатам. В самой турбине совершается расширение газа, сжатие же производится в компрессоре. Образование рабочего тела (газа) также происходит в отдельном агрегате — камере сгорания.

Турбина внутреннего сгорания оставляет далеко позади паровую машину с ее поршневым механизмом, громоздким паровым котлом и конденсационным устройством. Отсутствие котла и всей паровой аппаратуры ставит ее также впереди паровой турбины, а отсутствие поршня и кривошипно-шатунного механизма является существенным преимуществом по сравнению с двигателем внутреннего сгорания.

Таким образом, газовая турбина представляет собой новый и наиболее совершенный тип теплового двигателя, обладающего всеми преимуществами своих предшественников и свободного от их недостатков. От паровой турбины в ней заимствована идея преобразования потенциальной энергии газа в равномерное вращательное движение рабочего колеса без промежуточных механизмов. От двигателя внутреннего сгорания заимствована идея непосредственного преобразования топлива в рабочее тело путем сжигания его в камере сгорания.

Недостатком простейших турбин, работающих по открытой схеме, является невысокий коэффициент полезного действия. Турбины с регенерацией тепла, промежуточным охлаждением воздуха и повторным подогревом газа обладают повышенной экономичностью, хотя теряют простоту и компактность конструкции из-за наличия больших теплообменных поверхностей.

Создание эффективных газовых турбин стало возможным лишь после того, как металлургия освоила производство сплавов, способных более или менее длительное время работать с большими напряжениями и при высокой температуре.

Сейчас металлургическая промышленность поставляет жаропрочные сплавы для газовых турбин, которые работают при температурах 700–800 градусов и выше. В то же время успехи аэродинамики дали возможность изготовлять компрессоры с высоким коэффициентом полезного действия. Они дают значительное увеличение отношения полезной работы к потерянной на компрессоре.

Для повышения экономичности газотурбинных установок применяются регенераторы где часть тепла рабочего тела, выходящего из турбины, отдается рабочему телу, поступающему в камеру сгорания.