Юный техник, 2000 № 11: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

На одном из американских лесопильных заводов начала прошлого века поставили реактивную турбину, подобную эолипилу Герона. Поскольку даровое топливо (древесные опилки) имелось в изобилии, да к тому же рядом, установка проработала немало лет. Но в большинстве случаев применение паровых турбин не представлялось возможным. Расход топлива у них был в десятки раз выше, чем у паровых машин. И причина транжирства долгое время была загадкой.

А заключалась она в том, что конструкторы первых паровых турбин пытались использовать опыт турбин водяных. Поскольку плотность пара в сотни раз меньше плотности воды, струе, бьющей на лопатки, старались сообщить большую скорость. А вот делали тем же способом, что и с водой. Пропускали поток пара через сужающееся сопло. Для жидкостей это верно. Их скорость легко достигала предела, обусловленного почти полным переходом потенциальной энергии в кинетическую. Но скорость пара росла лишь до некоторого значения. И ничто — ни повышение давления, ни температуры — ее существенно не увеличивало.

Измерения показывали, что при этом в кинетическую энергию превращалась лишь ничтожная часть энергии. Турбинное же колесо — не что иное, как устройство, перехватывающее кинетическую энергию потока пара. При таких условиях КПД турбины мог быть лишь очень низким.

Чтобы справиться с задачей, необходимо было понять, что же происходит при истечении пара.

В отличие от воды, которая практически не сжимаема, пар при прохождении через сужающееся сопло, значительно увеличивает свою плотность. Образно можно сказать, что пар как бы имеет возможность выбирать: увеличивать ли ему свою кинетическую энергию или потенциальную. В сужающемся сопле он явно отдает предпочтение последнему. За счет этого темпы роста скорости убывают. Когда скорость потока достигает скорости звука, дальнейший ее рост прекращается.

Пар, покидающий устье сопла, в дальнейшем расширяется и тем самым дополнительно совершает механическую работу. Но движется он при этом в разные стороны. Как же уловить всю его энергию?

Выход из положения — позволить газу продолжать течение в условиях, когда плотность его может уменьшаться. Для этого вслед за сужением надо бы установить расширяющийся раструб.

Такие рассуждения и приводят нас к соплу Лаваля. В нем скорость газа может в несколько раз превысить скорость звука. А его кинетическая энергия на 95–98 % соответствует той части тепла, которая теоретически может перейти в работу (рис. 2).

А теперь небольшое отвлечение. В 1990 году издательство «Знание» выпустило книгу «Огонь в упряжке», авторы А. Моравский и М. Файн. В ней говорится, что сопло такого типа было изобретено еще в 1848 году ван Ратеном (английский патент № 11800). Лавалю тогда было около трех лет. А свою турбину он создал лишь через сорок лет. Стало быть, сопло он изобрел хоть и самостоятельно, но заново. Однако надо учесть, что за такой срок авторские права перестают действовать, а заключенная в патенте идея становится достоянием всего человечества.

Так что сопло назвала именем Лаваля молва человеческая.

Ван Ратен в свое время не нашел полезного применения своему соплу. Во всяком случае, турбину на его основе он не создал. И вот. видимо, почему.

Скорость истечения пара из его сопла достигала 700–800 метров в секунду. Для того чтобы использовать эту энергию, такой же должна была быть и окружная скорость турбинного колеса. Но материалов, которые могли бы ее выдержать, не было в помине. Не появились они и во времена Лаваля. Однако он эту проблему сумел преодолеть.

Начал он с того, что придал лопаткам турбины особую форму. Теперь она могла «поймать» всю кинетическую энергию пара даже при скорости, в два раза меньшей.

Но и такую скорость обычный цилиндрический диск выдержать не мог. Тогда Лаваль додумался придать ему особую форму, при которой разрывающие его центробежные силы минимальны. Теперь ротор турбины мог выдерживать окружную скорость в 440 м/с. Но турбина еще не была работоспособна. При изготовлении ротора центр его масс всегда оказывался не на оси вращения, а где-то сбоку. Это приводило к вибрации, которая быстро разрушала вал. Казалось бы, отсюда следовало сделать вал как можно толще. Но Лаваль поступил наоборот. Насадил ротор на очень тонкий гибкий вал. И когда ротор начинал вращаться, вал изгибался до тех пор, пока центр масс не оказывался на оси вращения. Вибрация прекращалась.

Было в турбину заложено и много других технических хитростей. В свое время она производила большое впечатление на современников. И казалось, она должна была изменить мир. Но из-за громадных скоростей вращения места ей в большой энергетике так и не нашлось. Вероятно, турбина Лаваля стала бы со временем диковинным устройством. Однако многое изменилось, когда пришло время ракетной техники. Первым нашел применение соплу Лаваля К.Э.Циолковский в 1898 году, предложив космическую ракету с жидкостным реактивным двигателем.

Существовавшие в то время пороховые ракеты использовали простое сужающееся сопло. В результате скорость истечения продуктов сгорания была в 2–3 раза, а дальность полета в 4–9 раз ниже возможных. Использование же сопла Лаваля в ракетных снарядах наших «катюш» стало одной из главных причин успеха этого оружия.

Такими соплами оснащаются и все жидкостные реактивные двигатели. Правда, их форма несколько отличается от классического сопла Лаваля. Что позволяет уберечь их от расплавления и более полно использовать энергию продуктов сгорания (рис. 3).

Рис. 3

Ракетный двигатель — это, в сущности, комбинация камеры и сопла. Мощность одиночного двигателя большой ракеты может достигать 36 миллионов кВт при весе менее одной тонны! Мощность турбонасосного агрегата для подачи в него кислородно-водородного топлива более 80 000 кВт. Это крохотное, размером с ведро, устройство состоит из центробежного насоса и турбины Лаваля. Вот где она нашла себе достойное применение!

Огромная мощность реактивного двигателя, в сущности, мощность покидающего его потока газов. Он отдает ее ракете полностью, когда та движется со скоростью истечения газов. Сам поток в этом случае относительно Земли неподвижен. Но ракета, особенно космическая, использует двигатели только для разгона. Скорость ее постоянно меняется. По этой и другим причинам на пользу дела идет лишь небольшая часть энергии двигателей. КПД ракеты меньше, чем у паровоза.

Существуют и иные устройства, выполняющие роль улавливателя энергии. Еще в 1840 году Армстронг создал пароэлектрическую машину (рис. 4).

Водяной пар проходил через электрическое поле и, отдавая ему часть энергии, создавал ток. КПД устройства оказался ничтожно мал.

Другой способ был предложен М.Фарадеем. Если поток электропроводящего вещества движется между полюсами магнита, в нем точно так же, как и при движении обычного проводника, появляется ЭДС. Остается лишь использовать ее (рис. 5).

Сам Фарадей для проверки своей идеи воспользовался водами Темзы и магнитным полем Земли. Между парой проводов, опущенных в реку, возник ток, уверенно отклонявший стрелку гальванометра. Сегодня на таком принципе создаются магнито-гидродинамические генераторы (МГД). В них используется струя газов, вытекающих из сопла (разумеется, Лаваля) реактивного двигателя. Добавлением ионов щелочных металлов ее делают электропроводной, и, проходя через магнитное поле, она кратковременно дает электрический ток очень большой мощности. Правда, делать газ электропроводным достаточно сложно. Французы поступили более остроумно. В 1990 году они сделали МГД-генератор на парах олова (рис. 6).

Олово кипит в специальном котле. Его пар поступает в сопло Лаваля и разгоняется в нем до больших скоростей. Далее поток поступает в сильно охлаждаемую воронку. Здесь он конденсируется, превращается в жидкость, но скорости своей не теряет. Затем прекрасно проводящий электричество поток металла проходит между полюсами магнита, где и создает электрический ток. Выполнив эту задачу, металл попадает в котел, где подогревается вновь. КПД такой системы в целом 20 %. Совсем неплохо для устройства, не содержащего движущихся частей!