Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Но и это еще не все.
Поток газов, устремляющийся с огромной скоростью, обычно превышающей скорость звука, из соплового аппарата на лопатки турбинного колеса, несет с собой страшный жар в сотни градусов. Понятно, что лопатки мгновенно раскаляются докрасна. Если издали заглянуть сквозь выходное отверстие работающего турбореактивного двигателя внутрь его, то можно увидеть огненно-красное кольцо. Это кольцо — след, оставляемый лопатками вращающегося колеса турбины. Температура лопаток достигает 700—750° С. При такой температуре все известные железоуглеродистые сплавы, обычно применяющиеся в тех случаях, когда требуется особая прочность, перестают быть прочными. Их прочность уменьшается в десятки раз, и повышение температуры на каждый лишний градус может привести к быстрому разрушению лопаток. Нагруженная мощной центробежной силой, колеблющаяся лопатка не выдерживает этих условий работы; ослабленный жарой металл рвется, и турбина выходит из строя.
Чтобы создать надежные лопатки турбины, понадобились новые металлы повышенной прочности, причем прочности не при обыкновенной температуре, а при нагреве до красного каления. Такие металлы называются жаропрочными. Но даже высокая жаропрочность металла еще не решает всех проблем создания лопаток, полностью удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям. Дело в том, что лопатка турбины при работе двигателя подвергается страшной болезни, которая носит несколько необычное для техники название — «ползучесть». Пусть даже найден металл, способный выстоять под объединенным натиском жары и нагрузок, — эго еще не значит, что задача решена до конца. Лопатка, изготовленная из такого жаропрочного материала, может начать постепенно, сначала медленно, а потом все быстрее, удлиняться, вытягиваться под действием постоянно приложенной к ней центробежной силы: материал лопатки будет «ползти». Это очень опасно для турбины: удлинившаяся лопатка ослабевает и обрывается либо задевает за корпус турбины и ломается.
Очевидно, материал, из которого можно изготовить лопатки газовой турбины, должен обладать по крайней мере двумя качествами: быть исключительно жаропрочным и вместе с тем не обладать склонностью к ползучести.
Готовых металлов с такими свойствами в природе нет, их нужно было создавать заново. Поэтому борьба за газовую турбину шла двумя путями. Ученые и конструкторы совершенствовали компрессор и турбину, ибо чем они совершеннее, чем больше их коэффициент полезного действия, тем меньше минимальная температура газов, при которой турбина в состоянии не только вращать компрессор, но и развивать полезную мощность. Металлурги же создавали новые сплавы для лопаток турбины.
Наконец, задача была решена. В настоящее время компрессор и турбина стали высокосовершенными машинами с небывало высоким к. п. д. (к. п. д. компрессора достигает 80—82 %, а к. п. д. турбины — почти 90 %). Были получены замечательные сплавы различных редких металлов — никеля, хрома, кобальта, молибдена, вольфрама, тантала, ниобия; эти сплавы обладают большой жаропрочностью и малой ползучестью. Изготовленные из них лопатки турбины надежно работают в течение сотен часов при температуре газов 750—800° С и более.
Интересно отметить, что немалый вклад в решение задачи создания газовой турбины сделали ученые, конструкторы и технологи, работавшие над усовершенствованием... поршневого авиационного двигателя. Вот как это произошло.
Более трети века назад ученые и конструкторы стали задумываться над тем, чтобы научиться использовать теряющуюся энергию отходящих газов поршневого двигателя. Ведь из двигателя через выхлопные патрубки вытекают в атмосферу продукты горения топлива — газы, обладающие температурой до 1000° С. Тепловая энергия этих газов вдвое — втрое превышает мощность двигателя; это значит, что на каждую лошадиную силу мощности, которую развивает двигатель, 2—3 л. с. «вылетают в трубу», теряются с выхлопными газами. Предлагались и исследовались различные методы использования этой теряющейся энергии газов, но наиболее широкое применение нашли турбокомпрессоры.
Идея турбокомпрессора была очень простой. На большинстве авиационных поршневых двигателей, в особенности в предвоенное десятилетие, стали устанавливаться компрессоры для сжатия засасываемого из атмосферы воздуха перед его подачей в цилиндры двигателя. Такой метод подачи в цилиндры поршневого авиационного двигателя предварительно сжатого воздуха называется наддувом, а компрессор, сжимающий воздух,— нагнетателем. Применение нагнетателей позволило значительно улучшить характеристики поршневых авиационных двигателей. В результате наддува в тех же цилиндрах двигателя помещается больше (по весу) воздуха; но это значит, что больше образуется и рабочей топливовоздушной смеси, больше выделяется тепла при ее сгорании и увеличивается, следовательно, мощность двигателя. Наддув очень важен и для обеспечения высотности двигателя, т. е. сохранения его мощности с увеличением высоты полета, — без наддува мощность двигателя с высотой быстро уменьшается из-за того, что на большой высоте воздух разрежен.
Рис. 22. Применение турбокомпрессора на поршневом двигателе:
а — поршневой авиационный двигатель с приводным центробежным нагнетателем; б—поршневой авиационный двигатель с турбокомпрессором, 1 — двигатель, 2—всасывающий воздушный патрубок; 3 — карбюратор; 4 — крыльчатка приводного нагнетателя, 5 — выхлопной трубопровод; 6 — крыльчатка турбокомпрессора; 7 — турбинное колесо турбокомпрессора; 8 — выход выхлопных газов в атмосферу
В качестве нагнетателей поршневых двигателей применяются центробежные компрессоры. Привод во вращение крыльчатки компрессора осуществляется обычно от коленчатого вала двигателя с помощью шестеренчатой передачи, причем число оборотов крыльчатки достигает 20 тысяч в минуту и более.
Рис. 23. Конструкция турбокомпрессора (рядом для сравнения изображен обычный настольный вентилятор):
1 — выход отработавших газов из турбины в атмосферу; 2 — выход охлаждающего воздуха в атмосферу, 3 — колесо турбины; 4 — корпус турбины, 5 — корпус компрессора; 6 — крыльчатка компрессора, 7 — отвод сжатого воздуха к двигателю, 8 — подвод выхлопных газов от двигателя к турбине, 9 — подвод воздуха для охлаждения турбины
На вращение крыльчатки нагнетателя приходится затрачивать значительную часть мощности, развиваемой двигателем, в то время как огромная энергия, заключенная в выхлопных газах двигателя, не используется. Поэтому и родилась идея турбокомпрессора, идея использования газовой турбины для вращения крыльчатки нагнетателя.
Турбокомпрессор представляет собой смонтированные на общем валу крыльчатку компрессора и газовую турбину, которая работает от выхлопных газов двигателя и развивает мощность, необходимую для привода во вращение компрессора (рис. 22). В этом случае мощность, развиваемая двигателем, на привод крыльчатки нагнетателя уже не расходуется. Устройство одного из современных турбокомпрессоров показано на рис. 23.
Шли годы, постепенно совершенствовался турбокомпрессор, значительно улучшая общие характеристики поршневого авиационного двигателя. И вместе с тем все надежнее и лучше становилась газовая турбина, без которой нельзя было создать нового двигателя.
Так в развивающемся старом, поршневом двигателе зарождались ростки нового, турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя.
Глава четвертая
Достоинства и недостатки турбореактивного двигателя
Турбореактивный двигатель уже давно вышел из «младенческого возраста» и стал совершенной и надежной машиной. Послевоенные годы были годами невиданного по размаху и быстроте технического перевооружения авиации — перехода на самолеты с реактивными двигателями.
Первой начала перевооружаться военная истребительная авиация, так как в воздушном бою при прочих равных условиях шансов на победу всегда больше у того самолета, который обладает большей скоростью полета.
Вслед за истребителями турбореактивные двигатели стали устанавливаться и на другие самолеты военной авиации. Появились реактивные самолеты-бомбардировщики сравнительно небольшого радиуса действия (так называемые фронтовые), разведчики, штурмовики и, наконец, тяжелые дальние бомбардировщики.
Появились реактивные двигатели и в гражданской авиации. Пассажирские и транспортные реактивные самолеты совершают регулярные рейсы на авиалиниях гражданской авиации. Не далеко то время, когда можно будет попасть из Москвы в Ленинград за полчаса, затратив больше времени на то, чтобы добраться из города до аэродрома. Перелет же из Москвы до Владивостока возможно будет совершать всего за один день.
