Борьба за скорость

В небольших сверлильных станках число оборотов доходит до 20 тысяч. Турбина турбодетандера — аппарата для сжижения воздуха — вращается со скоростью 40 тысяч оборотов в минуту. Шпиндели фрезерных деревообрабатывающих станков и гироскопы в приборах делают до 60 тысяч оборотов в минуту.

Есть сверхскоростные приводы, у которых числа оборотов могут доходить до 120–150 тысяч в минуту. Они вращают шлифовальные шпиндели и ультрацентрифуги.

История создания двигателей больших скоростей — яркий пример той борьбы с трудностями, которую ведет современная скоростная техника.

Все, о чем мы говорили, рассказывая о задачах, возникающих перед творцами высокоскоростных машин, находит здесь свое применение.

Оглянемся в прошлое, познакомимся с биографией теплового двигателя.

«Огонь слугою машинам склонить», — мечтал великий русский техник Иван Ползунов, — чтобы «облегчить труд по нас грядущим».

Паровая машина, созданная Ползуновым, была первым двигателем, заставившим тепло работать на фабриках и заводах. Началось владычество «его величества пара». Паровая машина освободила фабрики от власти рек, от господства водяного колеса.

Но шло время. Наступал век электричества. Бурно растущей промышленности требовался новый мощный двигатель, быстроходный привод для генератора электрического тока. Появилась паровая турбина. Она и стала таким приводом, открыв электричеству широкую дорогу.

Осталось все, что связано с получением пара, — топка, котел и вспомогательные механизмы. Но у турбины нет цилиндра с поршнем, как в паровой машине. Пар вращает турбинное колесо.

Отпала надобность в громоздких стальных руках — шатунах с кривошипами, которые превращали движение поршня во вращение вала машины. Сразу, без этих посредников, получалось вращение. Слово «турбина» и происходит от слова «турбо», что значит «вихрь».

Быстроходнее стал паровой двигатель. Турбина, работающая непрерывно, без толчков, без вынужденных остановок поршня на его пути в цилиндре, смогла развивать большую мощность, лучше использовать тепло. На крупных кораблях, электростанциях, там, где нужны десятки тысяч лошадиных сил, появились паровые турбины.

Сейчас свыше четырех пятых всей электроэнергии в нашей стране дают станции, на которых работают паровые турбины.

На наших заводах строятся паровые турбины мощностью 100 тысяч киловатт.

Давление пара в котле доходит до 90 атмосфер. Нужно было научиться сваривать стальные листы толщиной в 10 сантиметров, чтобы изготовить детали мощной турбины высокого давления. Из таких листов сваривали детали весом около полусотни тонн.

Турбина делает 3 тысячи оборотов в минуту. Концы лопаток ее двигаются по окружности быстрее звука. Такой скорости — 420 метров в секунду — еще не было ни в одной из строившихся когда-либо ранее паровых турбин.

При постройке этой турбины были использованы новейшие достижения в обработке металла.

Штамповка, которая позволяет экономить металл; скоростное резание, которое дает чистую поверхность; электрические способы обработки; упрочение поверхности деталей — все это применяли технологи.

Все способы испытания металлов использовали они, чтобы построить надежную машину.

Вот лишь несколько интересных цифр. 43 тысячи деталей есть в турбине. Больше 8 тысяч инструментов — режущих и мерительных — потребовалось, чтобы их изготовить. 5 200 разных технологических процессов разработали технологи, чтобы построить турбину.

Конструкторы, технологи, рабочие успешно оправились с задачей создания быстроходной мощной паровой турбины.

Товарищ Сталин поздравил советских турбостроителей с выдающимся достижением и пожелал им дальнейших успехов «в деле обеспечения технического прогресса в советском энергомашиностроении».

На Ленинградском металлическом заводе имени И. В. Сталина изготовлена уникальная турбина сверхвысокого давления мощностью в 150 тысяч киловатт. «Турбиной мира» назвали ее строители.

«Турбина такой мощности создаётся впервые в мире, что свидетельствует о зрелости советской науки и техники», — сказал Л. П. Берия в докладе о 34-й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции.

Почти одновременно с паровой турбиной родился другой тепловой двигатель.

В паровой турбине нет стальных рук — шатунов, в ней непосредственно получается вращение.

Но есть ведь еще и другой посредник — сам пар, есть топка и котел.

Уже давно задумывались инженеры над тем, как бы от него избавиться. Однако идти здесь пришлось не прямым, а обходным путем.

Топку поместили внутри двигателя, в его цилиндре. В цилиндр подавали топливо и воздух. Получалась горючая смесь, ее зажигали, и газы, расширяясь, с силой двигали поршень. Так появились двигатели внутреннего сгорания — легкие и достаточно мощные. А с ними появились самолеты и автомобили, тепловозы и теплоходы, тракторы и многие другие машины. Огромная армия этих двигателей работает в каждой стране.

Мысль инженеров шла дальше. Перед ними было два двигателя — паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания. Один из них имел шатуны и кривошипы, другой — паровой котел с топкой.

Инженеры стремились создать двигатель, который не имел бы недостатков старых, а обладал их достоинствами.

У нового двигателя, как у турбины, не должно быть цилиндров и шатунов.

У него, как у двигателя внутреннего сгорания, не должно быть котельной, и пар ему не нужен.

Выходит, новый двигатель должен быть турбиной внутреннего сгорания, или, иначе, газовой турбиной [1] .

1

В разделе о газовой турбине использованы отдельные материалы книги Б. Ляпунова «Газовая турбина» (Госэнергоиздат, 1951).

Первая в мире газовая турбина была построена в 1897 году русским инженером П. Д. Кузьминским. Но прежде чем новый двигатель вышел из стен лабораторий и начал применяться в технике, прошло около 40 лет.

Авиационный газотурбинный двигатель.

Вряд ли есть машина, которой различные исследователи, специалисты и не специалисты, занимались бы больше, чем газовой турбиной.

Принцип действия ее несложен, но построить газовую турбину так, чтобы она хорошо работала, оказалось совсем не просто.

В газотурбинной установке три основные части: компрессор, камера сгорания и турбинное колесо.

Компрессор питает камеру сгорания воздухом.

Камера сгорания питает турбину горячими газами, которые вращают турбинное колесо.

Турбина вращает какой-либо механизм (например, генератор электрического тока или воздушный винт самолета), а заодно с ним и компрессор, сидящий на том же валу.

В газотурбинных реактивных двигателях газы, отработавшие в турбине, вытекают в атмосферу, создавая реактивную тягу, которая двигает самолет.