Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота
Важное преимущество турбины – чрезвычайная простота преобразования поступательного движения воды во вращательное движение. Поэтому этот принцип широко используется в двигателях, внешне совершенно не напоминающих водяные колеса. Когда на лопатки давит пар, то мы имеем паровую турбину. Нам уже известно, что для повышения КПД необходимо повышать температуру рабочего тела. На современных тепловых электростанциях (ТЭЦ) в турбины пускается пар, имеющий температуру 580 °C и давление 240 атм. Теоретический предел КПД такой турбины, если считать, что холодильник имеет температуру 20 °C, равен 66 %. Практически достигается КПД, равный 42 %. Таким образом, паровые турбины – это хорошие современные двигатели. Они имеют мощность до 300 000 кВт в одной установке. Такая турбина расходует более 900 т пара высокого давления в час. Но совершенно ясно, что получение подобных количеств пара – сложная техническая задача. Паровые котлы высокого давления и система подготовки и подачи топлива занимают большую часть объема современной тепловой электростанции. Поэтому для транспортных целей паровые турбины употребляются лишь на крупных судах – турбоходах.
За последние годы в печати стало появляться слово «турбоэлектроход». Смысл этого названия выясняется просто: на таком корабле пар приводит в движение турбины, турбины в свою очередь приводят в движение мощные генераторы постоянного тока, а винты размещаются на валах электромоторов. Не лишнее ли это усложнение? Почему бы не поместить винт прямо на вал турбины? Здесь мы сталкиваемся с новым вопросом – тяговой характеристикой двигателя.
Дело в том, что паровая турбина развивает максимальную мощность лишь при строго определенных оборотах. Так, мощные турбины наших электростанций делают 3000 оборотов в минуту. При замедлении вращения мощность падает. Ясно, что если бы винты находились прямо на валу турбин, то корабль, снабженный такой силовой установкой, обладал бы неважными ходовыми качествами. Электрический же мотор постоянного тока имеет идеальную тяговую характеристику: чем больше силы сопротивления, тем большее тяговое усилие он развивает, причем такой мотор может отдавать большую мощность при малых оборотах, в момент трогания с места.
Таким образом, генератор и мотор постоянного тока, стоящие между турбиной и винтом турбоэлектрохода, играют роль бесступенчатой автоматической коробки передач, обладающей высоким совершенством. Может показаться, что такая система несколько громоздка, но при больших мощностях современных турбоэлектроходов любая другая была бы столь же объемистой, но менее надежной.
Значительно усовершенствовать силовую установку турбоэлектрохода можно с другой стороны: весьма выгодно заменить громоздкие паровые котлы атомным реактором. При этом достигается огромная экономия на объеме топлива, которое приходится брать в рейс.
Мировую известность получил первый советский атомный ледокол «Ленин». Мощность его двигателей равна 44000 л.с., водоизмещение 16000 т. Ядерная силовая установка этого турбоэлектрохода обеспечивает автономность плавания более года.
Итак, для паровой турбины нужен мощный посторонний источник теплового потока. Будь то топка парового котла или урановый реактор, – на нынешнем уровне развития техники эти источники имеют настолько значительные размеры и вес, что установка паровой турбины на автомобиле или самолете совершенно нецелесообразна: слишком велик будет суммарный вес двигателя и нагревателя в пересчете на одну лошадиную силу. Нельзя ли избавиться от постороннего нагревателя, перенести его внутрь турбины?
Такая установка сконструирована и уже широко используется. Это – газовая турбина. В ней рабочим телом непосредственно являются раскаленные продукты сгорания высокотеплотворного топлива. Этим определяются и важные преимущества газовой турбины перед паровой, и большие технические трудности, связанные с обеспечением ее надежной работы.
Преимущества очевидны: камера сгорания для сжигания топлива имеет малые размеры и может быть размещена под кожухом турбины, а продукты сгорания горючей смеси, состоящей, например, из распыленного керосина и кислорода, имеют температуру, недосягаемую для пара. Тепловой поток, образующийся в камере сгорания газовой турбины, очень интенсивен, что дает возможность получить высокий КПД.
Но эти преимущества оборачиваются и недостатками. Стальные лопатки турбины работают в струях газа, имеющих температуру до 1200 °C и неизбежно насыщенных микроскопическими зольными частицами. Легко себе представить, какие высокие требования приходится предъявлять к материалам, из которых изготовляют газовые турбины. При попытке же сконструировать газовую турбину мощностью около 200 л.с. для легкового автомобиля пришлось столкнуться с совсем уже своеобразной трудностью: турбина получалась столь малых размеров, что обычные инженерные решения и привычные материалы и вовсе отказались служить. Однако технические трудности уже преодолеваются. Первые экспериментальные автомобили с газовыми турбинами проходят испытания.
Легче оказалось использовать газовую турбину на железнодорожном транспорте. Локомотивы с газовыми турбинами – газотурбовозы – уже получают права гражданства.
Но широкую дорогу газовой турбине проложили совсем другие двигатели, в которых газовая турбина является хотя и необходимой, но подчиненной составной частью. Речь идет о турбореактивном двигателе – основном в настоящее время типе двигателя в реактивной авиации.
Принцип реактивного двигателя крайне прост. В прочной камере сгорания сжигается горючая смесь; продукты сгорания, имеющие чрезвычайно большую скорость (3000 м/с при сжигании водорода в кислороде, несколько меньше для других видов топлива), выбрасываются через плавно расширяющееся сопло в сторону, противоположную движению. Даже сравнительно небольшие количества продуктов сгорания при таких скоростях уносят из двигателя большой импульс.
С созданием реактивных двигателей люди получили реальную возможность осуществить полеты между планетами.
Большое распространение получили жидкостные реактивные двигатели (ЖРД). В камеру сгорания такого двигателя впрыскивают определенные порции топлива (например, этиловый спирт) и окислителя (обычно жидкий кислород). Смесь сгорает, создавая тягу. В высотных ракетах типа V-2 тяга имеет величину порядка 15 тонн. В ракету заливается 8,5 т топлива и окислителя, которые сгорают за 1,5 минуты. Эти цифры достаточно красноречивы. ЖРД целесообразны только для полетов на большие высоты или за пределы земной атмосферы. Не имеет смысла заливать в самолет, предназначенный для полетов в нижних слоях атмосферы (до 20 км), где достаточно кислорода, большие количества специального окислителя. Но тогда возникает проблема нагнетания в камеру сгорания громадных количеств воздуха, необходимых для интенсивного горения. Решается эта проблема естественно: часть энергии газовой струи, созданной в камере сгорания, отбирается для вращения мощного компрессора, нагнетающего воздух в камеру. Мы уже говорили, при помощи какого двигателя можно совершить работу за счет энергии струи раскаленных газов, – конечно, это газовая турбина. Вся система называется турбореактивным двигателем (рис. 135). ТРД не имеют конкурентов при полетах со скоростями от 800 до 1200 км/ч.
Для полетов на большие расстояния со скоростью 600–800 км/ч на валу ТРД устанавливают дополнительно обычный авиационный винт. Это – турбовинтовой двигатель (ТВРД).
При скоростях полета около 2000 км/ч или более напор разрываемого самолетом воздуха настолько силен, что нужда в компрессоре отпадает. Тогда, естественно, не нужна и газовая турбина. Двигатель превращается в трубу переменного сечения, в строго определенном месте которой происходит сгорание топлива. Это прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Ясно, что ПВРД не может поднять самолет с земли, он становится работоспособным лишь при очень высокой скорости полета.
При полетах на малых скоростях реактивные двигатели совершенно нецелесообразны из-за больших расходов горючего.
При движении по земле, воде или в воздухе со скоростями от 0 до 500 км/ч верно служат человеку поршневые двигатели внутреннего сгорания, бензиновые или дизельные. В соответствии с названием главной частью такого двигателя является цилиндр, внутри которого перемещается поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение вала при помощи шатунно-кривошипной системы (рис. 136). Движение поршня передается через шатун на кривошип, являющийся частью коленчатого вала. Движение кривошипа и вызывает вращение вала. Наоборот, если прокручивать коленчатый вал, то это вызовет качание шатунов и смещение поршней внутри цилиндров.
