Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня
Но совершенно яснр, что такие возможности увеличения расхода воздуха через двигатель ограничены, хотя именно за этот счет и шло до сих пор главным образом увеличение тяги турбореактивных двигателей.
Очевидно, что для увеличения тяги, без чего нельзя повысить скорость полета, остается лишь вторая возможность — увеличение скорости истечения газов из двигателя.
Все видели, как из чайника со свистом вырывается струя пара. Почему она появляется только тогда, когда вода закипает? Ответ очевиден: только в этом случае пара образуется так много, что давление внутри чайника повышается и пар, приподнимая крышку, с силой устремляется наружу.
3* Об устройстве и работе различных авиационных двигателей (в частности, о двигателях с осевым и центробежным компрессором) подробнее рассказано в научно- популярной брошюре К. Гильзина «Воздушно-реактивные двигатели», Военгиз, 1956.
Большой и маленький — сравнение размеров мощного турбореактивного двигателя тягой 7–8 тонн и маломощного двигателя тягой примерно 200 килограммов.
Значит, чтобы скорость истечения была высокой, нужно увеличить давление. Поэтому первой напрашивается мысль — для повышения скорости истечения нужно увеличить давление воздуха, выходящего из компрессора, то есть сильнее сжимать воздух в нем.
Однако такой вывод оказывается поспешным. В действительности, если сильнее сжать воздух в компрессоре, то скорость истечения либо увеличится очень незначительно, либо даже… уменьшится. Это объясняется тем, что более сильное сжатие воздуха в компрессоре требует большей затраты работы. Но чтобы турбина двигателя, приводящая компрессор в действие, развивала большую мощность, должно быть большим и расширение газов в ней. Поэтому может оказаться, что давление воздуха после компрессора и, следовательно, давление газов перед турбиной возрастет, а давление и температура газов з а турбиной в результате более сильного расширения в ней не только не возрастут, а даже снизятся. Снизится поэтому и скорость истечения газов, а значит — и тяга. Если все же развитие турбореактивных двигателей связано с непрерывным увеличением сжатия воздуха в компрессоре, то это делается не для повышения тяги, а для снижения расхода топлива на 1 килограмм тяги, то есть для повышения экономичности двигателя.
Для увеличения скорости истечения газов практически остается один путь — повышение их температуры. Чтобы увеличить скорость вдвое, температура газов должна возрасти в четыре раза 4*. Чтобы, например, увеличить скорость истечения с 600 до 800 метров в секунду, то есть на одну треть, надо повысить температуру газов перед турбиной с 850 примерно до 1700°.
Такое увеличение тяги на одну треть было бы решающим успехом в штурме «звукового барьера»!
Однако именно в этом направлении за прошедшие годы сделано сравнительно мало — ведь уже в первых турбореактивных двигателях температура газов перед турбиной достигала 800°, а сейчас она все еще не превышает обычно 900–950°. Очевидно, должны быть весьма серьезные причины такого медленного роста.
Может быть, более высокие температуры газов в двигателе вообще не могут быть получены из-за малой калорийности топлива?
Нет. При сгорании керосина в воздухе температура газообразных продуктов горения может достигать и даже превышать 2000°.
Тогда, может быть, причина заключается в невыгодности такого метода увеличения тяги — из-за ухудшения экономичности двигателя, то есть увеличения расхода топлива на килограмм тяги?
И опять нет! Ведь, если это невыгодно в длительном полете, то при кратковременном увеличении тяги, или так называемом форсировании двигателя (нужда в нем часто возникает в летной эксплуатации), расход топлива, естественно, не играет такой большой роли. Более того, при больших сверхзвуковых скоростях полета расход топлива не только не возрастает с ростом температуры газов, но даже уменьшается!
4* Как учит термодинамика — наука о преобразовании тепла в работу, — скорость истечения пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газов.
Турбинное колесо-«ахиллесова пята» газотурбинного двигателя.
Истинное объяснение связано с одной из основ ных особенностей работы турбореактивного да и любого другого газотурбинного двигателя. Речь идет о важнейшей, еще не преодоленной пока его слабости, его «ахиллесовой пяте» — газовой турбине, точнее — о ее лопатках.
Турбинные лопатки работают в исключительно тяжелых условиях, и в этом отношении вряд ли их можно с чем-нибудь сравнить. Они прикреплены к турбинному диску, диаметр которого в новых мощных турбореактивных двигателях достигает метра. Это колесо делает много тысяч оборотов в минуту, и при работе двигателя на лопатки действует огромная центробежная сила, в десятки тысяч раз превосходящая вес лопатки. Только самые прочные металлы могут выдержать подобные нагрузки.
Но мало того. Из сопел турбины на лопатки вырывается стремительный поток газов, несущийся со скоростью многих сотен метров в секунду. Под действием этого потока лопатки начинают вибрировать. Они изгибаются, скручиваются, трепещут неизмеримо сильнее, чем кленовые листья на ураганном ветру. Под действием этих колебаний металл и без того сильно перегруженных лопаток «утомляется», не выдерживает — лопатка разрушается. Немало усилий приходится затрачивать, чтобы изменением конструкции двигателе избавить лопатки хотя бы от самых опасных и неприятных колебаний.
Но и это не все. Поток газов, вырывающийся из сопла на лопатки, нагрет до 850–900°. Естественно, что лопатки, представляющие собой, по существу, тонкие длинные полоски металла, быстро раскаляются докрасна, их температура лишь на 100–150° ниже температуры газов. Самые прочные металлы катастрофически теряют прочность при таком нагреве. Неудивительно, что сильно нагруженные, вибрирующие лопатки, даже изготовленные из металлов, обладающих изумительной, ни с чем не сравнимой прочностью, не выдерживают и обрываются. Чтобы сохранить огромную прочность при высоких рабочих температурах, лопатки газовой турбины изготовляют из особых сплавов, в которые входят многие ценные и редкие металлы — вольфрам, кобальт, никель, ванадий, ниобий и другие. Эти металлы придают сплаву не простую прочность, а прочность при высокой температуре, жаропрочность. Но даже и такие сверхжаропрочные лопатки, оказывается, недостаточно хороши для турбореактивных двигателей.
В условиях работы газовых турбин проявляется еще одна слабость металла, еще одна его болезнь — «ползучесть», или крип. Оказывается, под действием громадных центробежных сил раскаленная лопатка постепенно удлиняется, сначала медленно, а затем все быстрее. Эта пластическая деформация может перерасти в грозную опасность для турбины. Достаточно лопатке немного удлиниться, чтобы задеть за корпус, и она немедленно сломается. Ведь радиальный зазор между лопатками и корпусом очень мал: иначе произойдет значительная утечка газов, и турбина будет плохо работать. Иной раз лопатка ломается вследствие ползучести, даже и не задевая за корпус, а просто оттого, что чересчур ослабляется.
Значит, материал для изготовления лопаток должен быть не только сверхжаропрочным, но и крипоустойчивым. Материалов с подобными качествами природа не знала, людям пришлось их создавать. Только замечательные достижения металлургии позволили осуществить давнишнюю мечту инженеров — создать газовую турбину.
Вот почему и кажущееся таким небольшим повышение температуры газов перед турбиной с 800 до 900°, о котором шла речь выше, было в действительности огромной победой техники — ведь повышение температуры на один градус приводит к уменьшению жаропрочности материала примерно на один процент!
Понятно, почему дальнейшее повышение температуры газов перед турбиной оказывается крайне сложным дедом. И все же резервы для такого повышения есть огромные. Мы уже говорили, что при сгорании керосина в воздухе температура газов может достигать и даже превышать 2000°. Чтобы снизить эту температуру до 800–900°, к продуктам сгорания приходится добавлять более холодный воздух. Таким образом, только часть воздуха, выходящего из компрессора, не более 1/3-1/4 от общего количества, участвует в сгорании топлива в современных турбореактивных двигателях. Другая, большая часть служит лишь для охлаждения продуктов сгорания. Если бы лопатки турбины позволили, то в том же двигателе можно было сжигать в 3–4 раза больше топлива, что и привело бы с ростом температуры газов к увеличению тяги двигателя. Но, увы, это пока невозможно.
Стоит подать в камеру сгорания чуть-чуть больше топлива, как температура газов сейчас же увеличится и может превысить максимально допустимую, а это грозит выходом из строя турбинных лопаток и аварией двигателя.
