С каждым годом быстрее вращаются валы машин, быстрее двигаются станки, быстрее летают самолеты. Кто же дает жизнь машинам, приводит их в движение?
Двигатели, или приводы, как их называют машиностроители. Без них мир машин был бы мертв. Не было бы и быстроходных машин без быстроходных двигателей.
Тысячи оборотов в минуту стали привычной меркой в технике сегодня. Со скоростью 10 тысяч оборотов в минуту вращается вал токарного станка-автомата. 20–30 тысяч оборотов делают современные прядильные веретена. Число оборотов авиационной газовой турбины, установленной на скоростном реактивном самолете, достигает 15 тысяч в минуту.
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].
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.
Развитие авиации настоятельно требовало нового двигателя для больших скоростей полета. Таким двигателем могла стать газовая турбина — мощная, быстроходная, легкая. Авиация и явилась первой областью техники, где начали широко применять газовые турбины.
Впервые они появились на самолете уже давно, но как вспомогательные двигатели.
Еще в конце первой мировой войны в военной авиации испытывались турбокомпрессоры, подающие воздух в авиационный двигатель.
Плотность воздуха с подъемом на высоту уменьшается. Поэтому в двигатель попадает все меньше кислорода, нужного для сгорания топлива. Двигатель «задыхается».
На помощь ему приходит турбокомпрессор. Он подает в двигатель столько воздуха, сколько необходимо для нормального сгорания.
Турбокомпрессор — это небольшая турбина, работающая на выхлопных газах авиадвигателя, с компрессором, сжимающим воздух.
На пути создания надежно работающих турбокомпрессоров стояли большие трудности. Выхлопные газы, вытекающие со сверхзвуковой скоростью, бывают нагреты до температуры около 1000°. Турбина турбокомпрессора делает до 30 тысяч оборотов в минуту, и на лопатку ее действует огромная центробежная нагрузка. Она в десятки тысяч раз превышает вес лопатки.
Нужны поэтому особо прочные материалы и, кроме того, охлаждение лопаток и колеса турбины.
Советские инженеры преодолели эти трудности и создали ряд конструкций турбокомпрессоров, вполне оправдавших себя в работе.
Теперь высотные моторы завоевали право гражданства в авиации. Наддув воздуха стал необходимым для работы таких авиационных двигателей.
Во время второй мировой войны газовая турбина применялась на самолете уже не как помощник поршневого мотора, а как основной двигатель.
Этот двигатель, мощный, быстроходный, легкий, компактный, быстро завоевал себе прочное место в авиации. Он помог авиации шагнуть далеко вперед, подойти вплотную к звуковому барьеру. Газовая турбина открыла новую эру в истории авиации — эру больших скоростей.
И ежегодно в День Воздушного Флота любуемся мы стремительным полетом реактивных самолетов, догоняющих звук.
Газовая турбина появилась на самолетах, появляется на судах и тепловозах, она начинает проникать на фабрики энергии — электростанции.
Не надо, конечно, думать, что рождение нового двигателя — газовой турбины — означает конец всех других «старых» двигателей. Каждому из них — свое место. Мы строим и паровые турбины, и поршневые двигатели внутреннего сгорания, и газовые турбины — и все они служат нам.
Газовую турбину считают двигателем будущего, но из будущего она уже перешла в настоящее, и на ее примере я хочу рассказать о сложном и трудном пути создания быстроходного двигателя. Здесь особенно отчетливо видно, как трудна борьба за новую машину.
Займемся сначала турбокомпрессорной частью нашей газотурбинной установки — турбинным колесом и компрессором. Она состоит из похожих по устройству, но работающих по-разному частей.
Это диски с лопатками. Лопатки компрессора имеют такую форму, что воздух, двигаясь вдоль оси компрессора и обтекая их, сжимается.
Есть и «центробежные» компрессоры, где воздух сжимается центробежной силой: лопатки отбрасывают его от центра диска к краям.
Компрессору приходится иметь дело с чистым воздухом, а турбине — с продуктами сгорания топлива, разбавленными воздухом. Поэтому для турбины нужны самые прочные, самые жаростойкие марки стали. Для компрессора же достаточно алюминиевого сплава или обычной стали, способных, однако, выдержать значительные центробежные нагрузки.
Авиационный турбокомпрессор.
С большими трудностями пришлось столкнуться создателям газотурбинного двигателя. Работы хватило всем: и металлургам, и конструкторам, и технологам.
Очень сложную форму, напоминающую раковину улитки, имеет лопатка центробежного компрессора. Это наивыгоднейшая форма, и отклониться от нее — значит, ухудшить работу компрессора.
А как сделать такую лопатку?
Каждую лопасть изгибали вручную молотком на болванке соответствующей формы. Сразу сделать лопатку так не удавалось. Приходилось изгибать ее три-четыре раза, а после каждого изгиба металл отжигать — нагревать, чтобы он сохранил необходимые механические качества.
Нетрудно себе представить, насколько это было сложно и длительно. Самый совершенный двигатель — и самый несовершенный способ его производства. «ЗИМ», изготовляемый в кустарной мастерской!
Руки рабочего заменил пресс, а чтобы не приходилось вытаскивать и отжигать детали, некоторые станки, обрабатывающие лопатки, приспособили для работы при высоких температурах.
Лопатки должны быть изготовлены нужной формы весьма точно. По весу и форме они могут отличаться одна от другой лишь на очень малую, строго определенную величину.
Когда ротор готов, проводят специальные испытания для того, чтобы проверить, как точно он сделан.
Сначала добиваются того, чтобы центр тяжести ротора совпадал с его осью. Если такого совпадения нет, то на диске укрепляют добавочный груз — «противовес» или снимают лишний металл. Иногда бывает достаточно снять или добавить всего несколько граммов металла, и ротор паровой турбины весом в несколько тонн уравновесится.
Но этого еще не достаточно. Неподвижный ротор уравновешен. Однако, вращаясь, он может начать колебаться. Этого допустить нельзя. Колебания в машине, там где их быть не должно, — зародыш аварии. И на специальной балансировочной машине уравновешивают ротор, добиваясь плавного его вращения.
Попробуйте слегка толкнуть отбалансированный ротор, установленный на опорах. Он сделает несколько десятков оборотов. Это говорит о точности его изготовления и сборки.
В роторе компрессора не должно быть ни малейших дефектов.
Компрессор выполняет очень важную задачу — обеспечивает двигатель воздухом. А газотурбинному двигателю нужно большое количество воздуха. Если поршневому мотору требуется на килограмм топлива 15 килограммов воздуха, то авиационной газовой турбине — в 4 раза больше!
Однако если бы весь подаваемый компрессором воздух использовать для сгорания топлива, двигатель не стал бы работать.
Дело в том, что при горении топлива в камере сгорания выделяется очень много тепла. Чем его больше, тем выше получится температура. Она может доходить почти до 1800°.
Из каких бы сверхтугоплавких материалов не была сделана турбина — она не выдержит такой высокой температуры.
Самые стойкие материалы пока что переносят температуру не выше 900°, и то в таких турбинах, которые рассчитаны на непродолжительный срок службы. Лопатка же современной газовой турбины, не предназначенной для службы в авиации, выдерживает температуру не больше 650°.
Поэтому нужно снизить температуру горячих газов.
Теперь вы, наверное, догадываетесь, почему нельзя весь воздух из компрессора использовать для сгорания. Воздух нужен и для того, чтобы разбавить им горячие газы, снизить их температуру до безопасной для турбины.
И потому поток воздуха из компрессора разделяется в камере сгорания на две ветви: одна, меньшая, идет для сгорания топлива, другая — для снижения температуры газов.
Начиная от входа воздуха в двигатель и далее по воздушно-газовому тракту, температура возрастает. Чистый воздух засасывается компрессором и, сжимаясь, разогревается. Но это не сравнить с тем, что происходит в камере сгорания. Тут уже не обойдешься алюминиевыми сплавами! Камера сгорания делается из жаропрочной стали и обязательно охлаждается воздухом снаружи и внутри.
Кстати, нужно заметить, что чаще всего в газотурбинном двигателе бывает не одна камера сгорания, а несколько — иногда даже полтора десятка. Они «опоясывают» двигатель.
Вместо многих отдельных камер сгорания в авиационных газотурбинных двигателях иногда применяют одну — кольцевую.
Каждая камера — двойная цилиндрическая труба, отдаленно напоминающая самовар. Внутренняя труба называется пламенной. Внутри нее сгорает топливо, а воздух попадает через ряд каналов или кольцевых щелей. В днище установлены форсунки, впрыскивающие топливо.
Воздуха в пламенную трубу подается больше, чем нужно для сгорания. Этот «избыточный» воздух охлаждает внутренность трубы.
Охлаждается труба и снаружи. Ведь она помещается внутри другой трубы, называемой воздушной камерой. Из кольцевого пространства между обеими трубами воздух и направляется в пламенную трубу, которая оказывается, таким образом, в воздушной «рубашке». У стенок температура не превышает поэтому примерно 800°.
Не только от высокой температуры приходится защищать металл.
Горячие газы и кислород, которого немало в избыточном воздухе, могут разрушить нагретые стенки камеры. Для изготовления пламенных труб идет специальная жароупорная, химически стойкая сталь.
Нельзя забывать и того, что при нагревании металл расширяется. Если камеру сгорания закрепить с двух концов, то поломка неизбежна. Поэтому ее закрепляют только одним концом, а другой имеет возможность скользит, удлиняться.
Воздух в камере тщательно перемешивается с горючим. Раскаленные газы встречают струю впрыскиваемого топлива и зажигают его. Однажды зажженное, топливо будет само продолжать гореть.
Продукты сгорания, выходящие из пламенной трубы, смешиваются с потоком воздуха из воздушной камеры, и температура их понижается.
Для нормальной работы камеры необходимо распылить топливо форсунками, зажечь струю топлива, обеспечить устойчивое горение, равномерную подачу воздуха и топлива и перемешивание воздуха о газами.
Чтобы создать удовлетворительно работающую конструкцию камеры сгорания, пришлось производить многочисленные и сложные исследования.
Вот, например, как изучали распыливание топлива. Жидкую частицу трудно измерить. Поэтому через распылительную форсунку вместо топлива разбрызгивали расплавленный парафин и затем собирали быстро затвердевшие мельчайшие его капельки. Просеиванием разбивали частички на группы разных размеров. Надо было определить размеры нескольких тысяч частиц, чтобы решить, как лучше подавать топливо в двигатель и как лучше распылять ею.
При испытаниях камеры сгорания инженеры встретились с непонятными, на первый взгляд, явлениями. Сварной шов на камере после непродолжительной работы двигателя разрывался, как будто стенка была сделана не из прочной стали, а из жести.
Сначала думали, что в этом виновата сварка. Эту мысль, однако, скоро пришлось оставить: разрывы появлялись и там, где швов поблизости не было. Решили сделать стенки потолще, но… аварии продолжались.
Тогда стали внимательно исследовать места поломок и заметили, что металл там уставал, прочность ею падала. Наблюдения за давлением воздуха, идущею из компрессора, объяснили причину усталости металла. Оказалось, что воздух пульсировал, давление его менялось много раз в секунду. Это и было причиной поломок. Когда воздушную камеру сделали из мягкой стали, лучше переносящей частые колебания давления, аварии прекратились, и срок службы камеры намного увеличился.
Тщательно, шаг за шагом изучают инженеры работу камеры сгорания. И если современные газотурбинные двигатели служат десятки и сотни часов, этим могут гордиться наряду с конструкторами, металлургами и инженеры-химики, физики, теплотехники — творцы «огненного дыхания» газовой турбины.
Наиболее ответственная деталь турбины — это лопатка.
Каждая лопатка растягивается центробежной силой, превосходящей ее вес в десятки тысяч раз. Да вдобавок она еще все время находится в потоке горячих газов и нагревается до высокой температуры. Лопатка может поэтому «поползти», удлиниться и довольно значительно. Тогда она заденет за кожух и авария неизбежна.
Даже камеру сгорания, где непрерывно бушует поток раскаленных газов, нельзя сравнить по условиям работы с турбиной. Тем более нельзя сравнить с нею компрессор, хотя как в турбине, так и в компрессоре, развиваются большие центробежные силы.
Турбине приходится гораздо тяжелее, чем другим частям газотурбинного двигателя — вот какой можно сделать вывод. Значит, материал для нее должен быть особо прочным и способным сохранять свои свойства при высоких температурах.
Чтобы яснее себе представить, насколько трудной была эта задача, ознакомимся с требованиями трех инженеров.
Инженер-металлург скажет нам: металл для турбины при высоких температурах не должен разрушаться и изменять своих свойств.
Инженер-технолог предъявит свои требования: нужно, чтобы металл для турбины можно было ковать, прокатывать, отливать, сваривать и обрабатывать на станках.
А инженер-конструктор потребует, чтобы этот самый металл выдержал как можно более высокую температуру: чем выше температура, тем лучше работает двигатель.
Когда изыскания материалов для газовых турбин еще только начинались, существовали сплавы, выдерживающие температуру «всего» около 500° и пригодные только для паровых турбин.
Дальнейшая работа над этими сплавами была по существу сражением за каждый лишний десяток градусов. Об этой борьбе мы с вами говорили, когда речь шла о рождении материалов. Правда, в авиационных турбокомпрессорах, турбины которых работают на отходящих газах двигателя, температура доходит до тысячи градусов. Но их жизнь коротка. Для газотурбинных же двигателей долговечность — важнейшее требование. Срок их службы должен исчисляться сотнями часов, а у газовых турбин электростанций — десятками тысяч часов.
Поведение металла стали исследовать при постепенно повышающейся температуре и больших центробежных нагрузках.
Перепробованы были всевозможные варианты различных добавок, которые могли бы придать сплавам нужные свойства, и в результате удалось создать жаропрочные сплавы для газовых турбин.
В настоящее время для изготовления лопаток применяются сплавы никеля и хрома, а также сталь с добавками никеля, хрома и марганца.
Диски турбин, которым приходится работать в более легких условиях, делаются из стали, содержащей небольшие добавки хрома, марганца, никеля, молибдена.
Для лопаток турбины испытывались и другие материалы. В Германии пытались, например, из-за недостатка дефицитных металлов применять керамические материалы и даже армированный фарфор с металлической решеткой внутри для увеличения прочности, подобно железобетону. Они смогли бы выдержать значительно более высокую температуру, чем металл. Однако прочную керамическую лопатку, не разрушающуюся при огромных центробежных нагрузках, создать нелегко, и дальше опытов пока дело не пошло.
Для уменьшения нагрева лопатки можно устроить полыми и через них пропускать поток воздуха.
Охлаждающий воздух подводится к диску турбины, омывает его с двух сторон, а затем поступает внутрь лопатки через отверстие у ее основания. Полые лопатки изготовлять, конечно, сложнее, чем сплошные. Зато при опытах удавалось повысить таким образом допустимую температуру газов до 1000° и более.
Очень сложно охлаждение лопаток жидкостью.
Можно применить газовое охлаждение, создавая защитную газовую пленку со стороны нагреваемой поверхности. Лопатка изготовляется тогда из пористого материала, полученного спеканием металлической пудры. Газообразный водород или азот под давлением вытесняется на поверхность и защищает лопатку от перегрева.
На бумаге все это выглядит, конечно, несравненно проще, чем на деле. Пока что применялось лишь воздушное охлаждение лопаток авиационных газотурбинных двигателей.
Теперь предоставим слово технологам.
Как сделать лопатку точно и быстро, придав ей нужную форму, и обеспечить высокую чистоту поверхности? Типичная лопатка турбины — это изогнутая поверхность с хвостовиком, которым она вставляется в паз на диске.
Такая форма нужна для плавного обтекания газовой струей. Так как при этом струя еще и поворачивает, то возникает сила, действующая на лопатку и движущая турбину.
Для обработки лопаток сложных форм сконструировали специальные станки; существовавшие ранее не удовлетворяли инженеров. Новые станки позволили вести обработку значительно быстрее.
Но на этом не остановились. Лопатки изготовляют также штамповкой и литьем высокой точности — прецизионным.
Для проверки, насколько правильно они сделаны, применяются различные способы. Расскажем об одном из них, где используется оптика, своеобразное кино.
На экране вычерчена лопатка в профиль. Настоящую лопатку ощупывают наконечники, двигающиеся один сверху, другой снизу. Тени их видны на экране. И если наконечники точно идут по изображению на экране, лопатка сделана правильно.
Далее надо изготовить турбинный диск. Для него тоже разработаны жаропрочные сплавы.
Затем диск и лопатки надо соединить между собой. Их можно соединить, например, «елочкой». Хвостовик лопатки делают с трапецевидными зубцами, а в ободе диска турбины устраивают вырезы такой же формы, так что лопатка плотно входит в диск. Иногда лопатки прикрепляют сваркой.
Теперь остается укрепить направляющие лопатки на кожухе турбины. Они неподвижны и размещены между каждой парой ступеней турбины — рядов лопаток. Есть они и в осевом компрессоре. Их назначение — выпрямить поток воздуха или газа при ею движении от ступени к ступени.
Когда турбина готова, смонтирован компрессор, камеры сгорания и все вспомогательные механизмы, можно приступить к испытаниям.
Как же производятся испытания газотурбинных двигателей?
Мы в испытательной лаборатории, в кабине наблюдения, напоминающей дот.
Это железобетонная труба, с полуметровыми стенками, со звуконепроницаемой прослойкой, с двойными смотровыми окнами из бронестекла.
Закрытые переходы соединяют кабину с машинными залами и другими помещениями лаборатории — для защиты от шума и возможного взрыва или пожара.
Из кабины наблюдения управляют на расстоянии всеми установками. Приборы показывают, что происходит в машинном зале.
Обороты, давления, температуры, скорости — все это мы узнаем, не выходя из железобетонной крепости.
На силовой станции лаборатории имеется несколько мощных паровых турбин, которых хватило бы для целого миноносца.
Турбины вращают компрессоры, подающие сжатый воздух, и те компрессоры, которые надо испытывать.
На прочном железобетонном фундаменте установлена газовая турбина. Сжатый воздух идет в камеру сгорания, и горячие газы поступают в турбину. Выхлопные газы из нее отводят по круто изогнутой трубе, чтобы быстрее затормозить поток.
Турбины с очень большим числом оборотов — свыше 30 тысяч — испытывают на разрушение в толстостенных стальных камерах.
Растут обороты… Диск вращается все быстрее, пока, наконец, не разлетается на куски. Обломки ударяются в стенку камеры и замыкают контакт. В тот же момент включается яркая лампа и кинокамера, приспособленная для съемки с большой скоростью. На снимках видно, где началось разрушение, какое оно. Счетчик показывает, сколько оборотов выдержала турбина.
Отдельно испытываются на разрушение и лопатки турбин. Лопатку помещают между двумя электромагнитами. То в один, то в другой магнит посылают ток. Магниты попеременно ее притягивают, пока от быстрой вибрации она не разрушится.
В лаборатории испытания камер сгорания воздуходувки подают воздух, а мощные насосы — топливо из подземного хранилища. Точные приборы отмечают расход топлива и бдительно следят за поведением пламени. Затухает пламя — и они автоматически выключают подачу топлива, чтобы случайно не взорвались остатки его в камере, стенки которой сильно нагреты.
Испытываются и другие части газотурбинного двигателя — подшипники, регуляторы, топливная и масляная аппаратура, а затем и весь двигатель в целом. Его устанавливают на стенде. Две-три сотни измерений одновременно приходится производить при испытаниях.
Авиационную турбину можно заставить работать на разных «высотах» в «высотной» камере, откуда постепенно выкачивается воздух.
Можно заставить двигатель работать во влажном и сухом воздухе, чистом и засоренном, теплом и холодном.
Все это нужно для того, чтобы знать, как поведет он себя в самых различных условиях.
Но вот испытания окончены, устранены все неполадки.
Остается еще один серьезный экзамен — проработать несколько часов подряд, как на настоящем самолете: «набирать высоту», «летать», «снижаться», давать самую малую и самую большую мощность.
Устраивают и летные испытания на «летающих лабораториях» — специально оборудованных самолетах.
Затем двигатель полностью разбирают и осматривают, изучают «отчет» о его работе — записи приборов.
И если все в порядке — он получает «путевку в жизнь».
Ведется работа и над другими газовыми турбинами — для железнодорожного, речного и морского транспорта.
Пока газовая турбина на электростанции еще помощник паровой. Но газотурбостроение шагает вперед, и скоро мы увидим газовую турбину там как полноправного хозяина. Это не значит, конечно, что в будущем паровая турбина не будет применяться в энергетике.
Не надо забывать, что теперь электростанции используют дешевое — твердое топливо, а газовые турбины пока нуждаются в более дефицитном — жидком топливе.
Вот почему газовая турбина только тогда будет широко применяться на фабриках энергии, когда она сможет работать на твердом топливе — угле.
В нашей стране ведутся успешные работы по подземной газификации угля. Советские ученые и инженеры построили первые станции подземной газификации, снабжающие промышленность газом. У нас впервые была построена турбина для работы на газе, получаемом из угля.
И недалеко то время, когда осуществятся пророческие слова Ленина:
«Газ приводит в движение газовые моторы, которые дают возможность использовать вдвое большую долю энергии, заключающейся: в каменном угле, чем это было при паровых машинах. Газовые моторы, в свою очередь, служат для превращения энергии в электричество, которое техника уже теперь умеет передавать на громадные расстояния».
Газовая турбина на каменном угле — дешевом топливе — будет двигателем будущего.
Быть может, газовая турбина будет одним из первых двигателей, использующих атомную энергию. Возможно, со временем турбинные установки, работающие на «атомном» горючем, будут широко применяться в промышленности и на транспорте.
Атомная энергия даст тепло, нужное для получения пара или горячего воздуха, питающих паровые или газовые турбины. Турбины смогут вращать воздушные винты, гребной винт судна, колеса локомотива или автомобиля.
Газовая турбина — новая глава в истории тепловых двигателей. Эта глава еще только начинается, и невозможно предугадать, сколько трудностей предстоит преодолеть, пока мы дойдем до последней ее страницы.
Нужно будет строить мощные турбины для электростанций, для промышленности и транспорта, совершенствовать их, создавать турбины на твердом топливе.
Газовая турбина, дающая нам новые скорости и мощности, займет вскоре свое место в новой технике нашей страны, победоносно строящей коммунизм.
Продолжается борьба за скорость и в других областях техники, создающих двигатели для наших машин.
Во многих машинах встретим мы электромотор — основной промышленный привод. Огромные станки и портативный ручной инструмент, центрифуга и гироскоп, шлифовальный шпиндель и веретено приводятся в движение электромотором.
Ручные инструменты со встроенными электромоторами.
Как же электротехники заставили якорь электромотора делать те тысячи и десятки тысяч оборотов в минуту, которые нужны быстроходным машинам? Ведь еще сравнительно недавно можно было говорить всего о 3 тысячах оборотов — не более.
Быстроходный электромотор работает на токе повышенной частоты. 50 раз в секунду меняет свое направление ток в осветительной сети. 50 периодов в секунду — его частота. 3 тысячи оборотов дает мотор на токе такой частоты.
Электротехники повышали частоту в 2, 3, 4 раза — и во столько же раз вырастало число оборотов мотора. А вместе с тем конструкторы снижали вес мотора, уменьшали его размеры. Быстроходный мотор более компактен и легок, чем тихоходный. Почти в 8 раз меньше стал весить мотор, работающий на токе повышенной частоты.
И это позволило мотору забраться туда, куда он раньше попасть не мог, — в ручной инструмент. Это позволило ему «врасти» в быстроходные машины — появились электромашины, где мотор и машина соединились в одно целое.
Электрошпиндель и электродрель, электросверло и электрометчик, электрогравировальный и полировальный инструмент применяются в цехах автомобильных, самолетных и других заводов.
Быстроходные электромоторы работают теперь в станках для обработки дерева и металла.
Инженерам-электрикам пришлось, создавая такие моторы, решать сложные задачи. Раньше, например, им не нужно было особенно заботиться об охлаждении — мотор не нагревался слишком сильно. А теперь быстроходный — мотор так нагревается, что иногда требуется охлаждение водой.
Чтобы корпус мотора быстрее охлаждался, его делают снаружи ребристым. Ребра увеличивают поверхность, а это ускоряет отдачу тепла в воздух. Устраивают «вентиляцию»: канавки для воздуха в якоре мотора, вырезы-окна для «проветривания» в корпусе электромашины. На ее вал, кроме того, сажают вентилятор. Сама себя обдувая воздухом, она лучше охлаждается.
Потребовалось разработать надежные подшипники для быстроходных моторов, обеспечить их точную установку, хорошую смазку, обезопасить эту смазку от перегрева.
И появились моторы невиданных еще скоростей, дающие 18 тысяч, 48 тысяч оборотов в минуту. Созданы промышленные образцы моторов на 120 тысяч оборотов.
Сверхбыстроходный электромотор на 120 000 оборотов в минуту.
Сверхскоростные моторы — большое достижение нашей техники. Из лабораторий и институтов они придут на заводы.
Высокие и сверхвысокие скорости — это новый рост производительности труда, новые технологические процессы, которых не было раньше.
Для того чтобы получить большие окружные скорости, можно воспользоваться не одним электрическим током.
Там, где ток, — там и нагрев. А где нагрева быть не должно, нужен и другой привод, не электрический, а пневматический.
Силой воздушной струи воспользовались инженеры, чтобы получить огромные числа оборотов. Очень легкие воздушные турбинки небольших размеров вращают шпиндели шлифовальных станков и авиационные гироскопы. Их широко применяют и в ручных инструментах.
Турбинный диск с лопатками делается из алюминиевого сплава. Прочность и легкость сочетает в себе такой сплав. Он выдерживает нагрузки от центробежной силы при вращении маленькой турбинки со скоростью от 10 тысяч до 100 тысяч оборотов в минуту — в разных машинах по-разному.
При работе турбинка почти не нагревается. В этом ее преимущество перед электромотором. Но есть у нее и недостаток — она не выдерживает строго постоянного числа оборотов. Ее и применяют там, где с этим можно мириться.
Подшипники, приспособленные для больших скоростей, точно изготовленные, с надежными сепараторами, стойко выдерживают огромные числа оборотов. В воздушных турбинках встречаются и упрощенные быстроходные подшипники без сепараторов и внутренних колец. В них можно применить также подшипники с газовой смазкой.
Особо быстроходные турбинки для центрифуг дают, как и электромоторы, до 150 тысяч оборотов при подшипниках с жидкой смазкой.
Всего несколько капель смазки в час достаточно для таких подшипников. Ее можно подать и без масленки: струя воздуха большой скорости распыляет смазку и одновременно охлаждает подшипник.
Воздух вращает турбину, помогает смазке и может сам служить для смазки.
При небольшом диаметре вращающегося ротора можно получить чрезвычайно большие, сверхвысокие скорости — до четверти миллиона оборотов в минуту!
А в одном из опытов с крошечным ротором диаметром около сантиметра с газовой смазкой удалось получить свыше миллиона оборотов в минуту!
Это показывает, как велик может быть рост скоростей. Но, конечно, лишь в опытах с миниатюрными приборами можно пока что получать такие сверхвысокие скорости вращения.
Строились воздушные турбинки, рассчитанные на 600–700 тысяч оборотов. Но чем больше оборотов, тем сильнее закручивается воздушный поток, тем труднее становится устойчивая работа. И не выдерживает турбинка, если увеличивается нагрузка, — падает число оборотов.
Практически нам нужны пока обороты в десятки и одну-две сотни тысяч в минуту. Их обеспечивают электромотор и воздушные турбинки там, где нагрузки невелики. Для больших нагрузок на больших скоростях нужны уже не воздушные, а иные турбины — паровые и газовые, вращаемые силой струи пара или газа.
Быстроходный привод — часть высокоскоростной машины, ее сердце.
Какую бы из отраслей современного машиностроения мы ни взяли, везде создание быстроходного привода есть часть — и важнейшая — борьбы за скорость.
Электрические, воздушные и тепловые двигатели служат приводами самых разнообразных быстроходных машин, — от электрического генератора до шлифовального станка, от центрифуги до переносного ручного инструмента, от компрессора до гироскопа.
Нужно не только получить высокую скорость, но и передать ее, чтобы заставить работать все эти машины.
Высокоскоростной внутришлифовальный электрошпиндель.
Машина, по классическому определению Маркса, состоит из трех частей: двигателя, передаточного механизма и машины-орудия.
Двигатель создает движение, передача передает его, а орудие использует, чтобы выполнять полезную работу.
И нужно соединить генератор с паровой турбиной, электромотор — с центрифугой или станком, гироскоп — с воздушной турбинкой, компрессор — с газовой турбиной, чтобы использовать полученное с таким трудом вращение.
Для этого и нужна передача.
Мотор и машину соединяют ремнем, надетым на шкивы, — колеса с ободом. Такую простую передачу видели, конечно, все. Она исправно работает на небольших скоростях, но капризничает, если скорости растут.
Ремень начинает быстро истираться. Он «проскальзывает», «буксует», как колеса автомашины на скользком месте, вытягивается и провисает. От былого натяжения не остается и следа.
Вдобавок, вокруг быстро вращающегося шкива возникают воздушные вихри, сильно мешающие работе. С ними трудно справиться.
Сопротивление воздуха вообще ощутительно мешает при больших скоростях. Опытным путем установлено, что при 2 600 оборотах в минуту мощность привода расходуется так: на борьбу с трением в подшипниках 3,5 процента, а на борьбу с сопротивлением воздуха — все остальное, 96,5 процента! Комментарии, как говорят, излишни.
Лишь примерно до 100 оборотов в минуту с сопротивлением воздуха можно не считаться. Но при сотнях и тысячах оборотов — это серьезный противник.
Шлифовальный шпиндель с воздушной турбинной.
Вот что произошло, когда испытывали впервые новую быстроходную передачу.
Ремень отказывался совсем работать без поддержки натяжным роликом. Он беспомощно провисал, быстро растягиваясь и не поспевая за шкивом, буксовал, а от трения о шкив нагревался так сильно, что резина на нем плавилась. Закапризничав, ремень не хотел сцепляться со шкивом, отпрыгивал от него и, провисая все больше и больше, задевал верхней частью нижнюю и рвался мгновенно.
Стоило ремню чуть-чуть перекоситься, как он начинал задевать за выступ — бортик шкива, и вскоре края его превращались в лохмотья. В местах, где были швы, появлялись обрывки ниток. Быстро истираясь, ремень рвался сначала с краев, а затем и весь, как будто он был сделан не из прочного материала, а из бумаги.
На большой скорости разрыв ремня грозит большими осложнениями.
Недаром приходилось помещать при опытах всю передачу в специальном помещении, а за работой ее следить на расстоянии по приборам, как будто испытывался какой-нибудь новый двигатель, вот-вот готовый взорваться.
Опыты показали, как построить быстроходную ременную передачу. Начали с того, что стали испытывать, какие ремни можно для нее применить. Тут ведь не всякий ремень годится.
Ремень нужен прежде всего прочный.
Это, однако, не значит, что можно сделать его толстым. Взять, скажем, да устроить слоеным из нескольких лент. Он должен быть прочным, но тонким и легким. Легкость уменьшает центробежную нагрузку.
Центробежная сила зависит не только от скорости, но и от удельного веса материала — чем он меньше, тем меньше и эта сила.
Изнашиваться быстро ремень не должен. И вытягиваться тоже — иначе и прочный ремень забастует и работать не сможет.
Про скольжение также забывать нельзя. Это один из главных недостатков обычного ремня, если его заставить вращаться с большой скоростью. Нужно, чтобы ремень со шкивом сцеплялся надежно.
Опыты делали с самыми различными материалами: кожей и резиной, кордом и хлопчатобумажной тканью, шелком и трикотажем. Ремни сшивали или склеивали. И лучше всех оказался ремень из ткани или шелка, покрытый лаком.
Но и другие ремни тоже работают неплохо — каждый для своих условий. Скорость примерно до 45 метров в секунду выдерживает кожаный ремень. Тонкий прорезиненный ремень из ткани может служить на скоростях до 50 метров в секунду, а лакированный шелковый или тканевый ремень без швов работает и при 70 метрах в секунду. Такой ремень применяют в быстроходных шлифовальных станках.
Прочным должен быть не только ремень, но и шкив. Стальной шкив выдерживает скорость 150 и даже 200 метров в секунду.
Затем стали искать способ борьбы с провисанием ремня. Какой бы прочный и хороший он ни был, провисания, как и трения, не избежать. Надо постараться сделать провисание как можно меньше. Для этого ремню в помощь дают специальный натяжной ролик.
В быстроходных передачах призвали для этого на помощь и сам мотор. Его устанавливают на площадке, которая может поворачиваться. Под тяжестью мотора площадка опускается, и ремень натягивается.
Сопротивление воздуха уменьшали довольно простым способом, преграждая воздуху путь в передачу, на которую надевали кожух. Шкивы делали сплошные, без спиц.
Пытались не только передачу, но и саму машину сделать такой, чтобы сопротивление воздуха было наименьшим.
Самолету, его частям придают удобообтекаемую, каплеобразную форму. Похож на каплю быстроходный гоночный автомобиль.
Пробовали и шпиндель быстроходного шлифовального станка сделать похожим на каплю. А такой особо быстроходный прибор, как гироскоп, помещают иногда в специальную камеру, откуда выкачан воздух: тогда уж он вообще не страшен.
Быстроходные ременные передачи сейчас применяют в станках, центрифугах и других машинах.
Наряду с ними все шире встречаются в технике машины, где нет ременных передач, где машина и двигатель — одно целое.
Это электромашины, такие, например, как электрошпиндель, в котором электромотор — часть конструкции самой машины.
Это такие машины, как шлифовальная воздушная турбинка, электросверло, в которых привод и машина — одно неразрывное целое.
В них для передачи вращения вал двигателя и вал машины прочна соединяют быстроходной муфтой.
Муфты бывают разные — жесткие и эластичные, пружинные и зубчатые, магнитные, гидравлические и другие, но одинаково в них одно: они связывают оба вала либо наглухо, либо так, чтобы, допуская небольшие смещения, не разорваться, если такое смещение случится.
Муфты должны быть прочными и надежно работать при больших окружных скоростях. В них пришлось отказаться от прокладок из резины или кожи.
В муфтах высокоскоростных приводов отказались от соединения из двух половин, а соединяют прямо один вал с другим: в одном валу выступ, в другом углубление, как отвертка и вырез в головке винта. Сверху надевают металлическую втулку, плотно охватывающую концы валов. Такая муфта выдерживает до 100 тысяч оборотов в минуту.
Но если один вал соединяется прямо с другим, то нельзя ли и вовсе избежать муфты — вместо двух валов сделать один?
Так нередко делают в небольших быстроходных машинах — шлифовальных шпинделях. На конце вала воздушной турбинки или электромотора помещают шлифовальный круг.
Области применения высокоскоростных приводов.
Мы получили вращение и передали его. Сколько оборотов дал привод, столько же ременная передача или муфта сообщили и машине. Сколько оборотов получено, столько и передано.
Бывают, однако, в технике случаи, когда требуется получить одно, а передать другое число оборотов, иначе говоря, замедлить или ускорить вращение. Это может делать ременная передача. Это делает и зубчатая передача — редуктор.
Авиационная газовая турбина вращается со скоростью, скажем, 15–18 тысяч оборотов. Но если она служит приводом воздушного винта, то такая большая скорость для винта не годится. Винт не выдержит ее и разорвется в куски от огромной центробежной нагрузки. Поэтому обороты нужно уменьшить. Между валом турбины и винтом ставят редуктор.
Редуктор понижает обороты газовой турбины, вращающей генератор электрического тока. Такой редуктор нужен при передаче вращения валу станка, насосам или судовым винтам, колесам паровоза или автомобиля.
Но иногда бывает нужно не понижать, а повышать обороты.
На высотных поршневых авиационных моторах устанавливают нагнетатели, помогающие мотору «дышать». Воздух сжимается крыльчаткой, вращающейся с большой скоростью. Вращаясь, крыльчатка отбрасывает воздух от центра диска, и он сжимается центробежной силой.
Чтобы сжать воздух, нужна скорость 20–30 тысяч оборотов в минуту, а вал поршневого мотора делает всего около 3 тысяч оборотов. И крыльчатку соединяют с валом через зубчатую передачу — редуктор, повышающий обороты в несколько раз.
Быстроходные редукторы широко применяются теперь в технике. Но и здесь большие скорости поставили новые трудности перед инженерами.
Малейшая, вполне допустимая раньше неточность в изготовлении деталей становится грозным врагом при больших скоростях.
Редуктор ведь состоит из нескольких зубчатых колес, и дефекты каждой шестерни сказываются на работе всех остальных. В конце концов может случиться, что редуктор не будет работать.
Шестерни при работе нагреваются, смазка разжижается, увеличивается износ зубьев. Их «заедает», начинается «шелушение», истирание, скалывание, излом металлических поверхностей. В трещинки может попасть масло — и подобно тому, как это бывает в подшипнике — расклинить и разрушить поверхность.
Кроме того, шестерни, даже и весьма точно изготовленные, сильно шумят при работе, потому что под нагрузкой они изменяются в размерах. Хотя эти изменения ничтожно малы, но их бывает достаточно, чтобы появился шум.
Борьба с шумом быстроходных зубчатых передач стала серьезной проблемой.
Инженеры разрабатывают конструкцию редукторов, шумящих как можно меньше, подбирая наиболее благоприятные размеры колес, зубьев, их форму.
Иногда, при небольших нагрузках, применяют бесшумные шестерни из пластмассы.
Испытания шестерен помогают увидеть, как распределяются напряжения в местах зацепления зубьев, как они там концентрируются. Это помогает инженерам проектировать шестерни не «громкоговорящие», а шумящие как можно меньше.
Теперь существуют редукторы, где окружная скорость доходит до 140 метров в секунду. Они могут передавать мощность в несколько десятков тысяч лошадиных сил.
Тщательным изготовлением, испытаниями и опытами, повышением качества материалов добиваются надежной работы быстроходных зубчатых передач.
Быстроходные передачи для быстроходных станков, приборов, механизмов — это часть борьбы за скорость, идущей в машиностроении и металлообработке, приборостроении и авиации. От них во многом зависит наилучшее использование мощности сверхскоростных двигателей — турбин и электромоторов, все шире применяющихся в технике больших скоростей.
