Воздушно-реактивные двигатели

Рис. 21. При нагревании воздуха его объем увеличивается (давление постоянно), при этом совершается работа

Как показывают теория и опыт, температура газов, поступающих на лопатки турбины в турбореактивном двигателе, должна быть значительно большей, чем температура воздуха, выходящего из компрессора. Без этого давление газов за турбиной будет лишь немного превышать атмосферное и двигатель не сможет развить большую тягу. Следует отметить, что повышенное давление газов за турбиной важно только для турбореактивного двигателя, который устанавливается на самолете. В других газотурбинных двигателях, например, предназначенных для морских судов, железнодорожных локомотивов, для установки на электростанциях и т. д., давление за турбиной практически равно атмосферному. Но турбина в этих случаях развевает мощность значительно большую, чем требуется для вращения компрессора. Избыточная мощность, которая при этом развивается, используется для совершения полезной работы — вращения генератора электрического тока, гребного винта корабля, ведущих колес железнодорожного локомотива или автомобиля. Двигатели такого типа применяются также и в авиации, мы о них упоминали выше. Они носят название турбовинтовых двигателей, ибо в них турбина приводит во вращение воздушный винт, с успехом заменяя поршневой двигатель. Турбовинтовым двигателям обеспечено прочное место в авиации; о них мы скажем несколько подробнее ниже.

Итак, для того чтобы турбореактивный двигатель развивал большую тягу, газы в нем должны быть нагреты до очень высокой температуры.

Но здесь мы встречаемся с наиболее, пожалуй, существенной трудностью развития турбореактивного двигателя.

Температура газов — продуктов сгорания топлива — зависит от рода этого топлива. Более калорийные топлива, т. е. топлива, выделяющие больше тепла при сгорании, как правило, образуют при горении и газы более высокой температуры. Бензин и керосин представляют собой весьма калорийные топлива; так, например, 1 кгкеросина выделяет при сгорании более 10 000 килокалорий тепла. При сгорании керосина могут быть получены газы с весьма высокой температурой, почти до 2000° С. Однако такая температура является смертельной для двигателя, так как материалы, применяемые для изготовления деталей двигателя, не выдерживают и более низких температур.

Это и являлось главной причиной того, что в течение десятилетий мечта инженеров и ученых о создании газовой турбины не могла быть осуществлена.

Еще в конце прошлого века, после того как паровая турбина продемонстрировала свое конструктивное превосходство над тяжелой, вибрирующей паровой машиной, а двигатель внутреннего сгорания устранил необходимость в сложном, громоздком и малоэкономичном паровом котле, инженеры стали задумываться над двигателем, который совмещал бы в себе достоинства турбины и двигателя внутреннего сгорания. Таким двигателем должна была стать газовая турбина. В паровой турбине происходит расширение пара, который образуется в котле, где вода испаряется под действием тепла, выделяющегося при сгорании топлива. В газовой турбине расширяются непосредственно сами газы — продукты сгорания топлива. Однако все попытки создать газовую турбину заканчивались неудачей, наталкиваясь на, казалось, непреодолимую трудность: не удавалось решить проблему создания лопаток турбинного колеса.

Это не было неожиданностью, так как лопатки колеса работают в чрезвычайно трудных условиях. Представьте себе тонкую, длинную, изогнутую полоску металла (а ведь так именно выглядит лопатка турбины), укрепленную одним концом на колесе довольно большого диаметра, которое вращается с огромным числом оборотов, иногда значительно превышающим 10 000 об/мин.При таких условиях на эту полоску металла действуют большие центробежные силы, которые стремятся оторвать ее от колеса так же, как, например, камень в быстро раскручиваемой праще стремится разорвать удерживающую его веревку. Насколько велики эти силы, можно судить по тому, что иногда они в десятки тысяч раз превышают вес лопатки.

Но это не единственная нагрузка, которую воспринимает при работе двигателя лопатка турбины. Когда на лопатку устремляется поток газов, она начинает колебаться с очень большой частотой. При этом она изгибается и скручивается сотни и тысячи раз в секунду, так что даже прочные волокна — «металлические мышцы», наконец, не выдерживают и рвутся. Только самые высокопрочные металлические сплавы способны выдерживать в течение десятков и сотен часов тяжелый труд, который достается на долю лопаток, турбины.

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.