Николай Григорьев - Приключения крылатого колеса

Но что такое КПД?

Полностью, без сокращений, КПД читается так: коэффициент полезного действия. Однако и это не каждому понятно… Впрочем, зачем мудрствовать? Некоторые сложные понятия легко раскрываются через примеры. Итак, несколько примеров.

Когда первобытный человек разжигал костер, он использовал лишь ничтожную долю тепла, заключенного в дровах или хворосте. Все остальное тепло рассеивалось в воздухе и пропадало. Допустим, человеку доставалась от костра сотая доля тепла. Вот мы и скажем: КПД костра равен сотой доле, то есть одному проценту.

Шло время – сотни лет, тысячелетия… Медленно, очень медленно первобытный человек познавал мир. Однажды в костер случайно попал камень. Костер догорел и погас, а возле камня люди еще долго грелись… Счастливое открытие: камень – копилка тепла! Теперь первобытный человек, разжигая костер, уже нарочно тащил в огонь камни. Он научился лучше использовать тепло костра, а мы можем сказать, что КПД костра повысился: допустим, стал два процента.

А дальше новое открытие: если не кидать как попало в огонь, а сложить из камней клетку над костром и превратить костер в пленника, – тепла сохранится еще больше. Но у клетки щели. Наблюдая за своим очагом, человек догадался принести глины и эти щели замазать. Так появилась на свет печка. КПД печки, допустим, уже три процента… Вот какая любопытная штука КПД! Это всегда число, но в разные эпохи различное. Как зеркало, оно отражает достигнутый людьми уровень техники. И надо сказать, что в "век пара" (XIX век) люди по использованию энергии еще недалеко ушли от первобытного костра. Так, паровоз набирает в тендер и сжигает в пути горы топлива – и почти все на ветер; лишь ничтожная часть тепла – около семи процентов – преобразуется в полезную работу. КПД паровоза – семь процентов!

Те же паровые машины, но установленные на заводах, электрических станциях, рудниках, уже экономичнее. Это и понятно: здесь машины не на ветру, укрыты в помещениях, кроме того, их легче усовершенствовать, чем паровоз, который нельзя сделать ни слишком большим, ни слишком громоздким. И все-таки даже у лучших паровых машин старого типа КПД не превышает двадцати процентов. Ведь эта машина произошла от простого насоса. В своем первоначальном виде появилась она на рудниках, где горняки вели непрестанную и изнурительную борьбу с подземными водами. Основные части насоса – цилиндр и поршень – целиком перешли в конструкцию паровой машины. И сколько после этого ни совершенствовали машину, из цилиндра и поршня многого выжать не удалось.

Двадцатый век ознаменовался изобретением паровой машины нового типа. Здесь нет ни цилиндра, ни поршня. Основа новой машины – турбина, то есть колесо с лопатками; струя пара, ударяя в лопатки, приводит машину в движение. Паровая турбина показала КПД, недостижимый для машин старого, поршневого типа. У современных крупных паровых турбин КПД – тридцать и даже сорок процентов. Это много, по сравнению с тем, что осталось позади. И в то же время это еще мало, если смотреть вперед. Ведь КПД исчисляется до ста. Сто процентов – идеал, он неосуществим. Но к идеалу можно и надо приближаться.

И вот оказывается, что по величине КПД впереди всех современных машин стоят водяные турбины большой мощности. К тому же, эти машины не потребляют топлива.

Здесь КПД перевалил за девяносто… Огромная высота, но это еще не предел для современного инженерного искусства.

На мировые стадионы Олимпийских игр выходят спортсмены различных стран и наций. Они меряются мастерством, выносливостью, смелостью. И напряжение борьбы на этих состязаниях столь велико, что подчас десятая и даже сотая доля секунды знаменует победу, и мир увенчивает лаврами нового чемпиона.

Нечто подобное происходит среди машиностроителей. В странах капитализма за лучшую машину состязаются фирмы; в эту борьбу давно уже втянулись и сами капиталистические государства. С лагерем капитализма меряется силами социалистический лагерь.

Что такое хорошая машина? Это машина, которая производит изделия дешевле, чем другие подобные ей машины, будь то электрическая энергия, сахар, ситец, автомобиль, мебель или дом. А это и значит – машина с высоким КПД.

И если на спортивных стадионах мира успех оценивается в долях секунды, то в конструкторских бюро машиностроителей такой мерой служат доли процента КПД.

В материальном развитии человеческого общества для каждой эпохи характерен свой КПД. И можно заранее сказать, что наивысшего значения, близкого к слиянию с "сотней", КПД достигнет в машинах коммунистической эпохи… Так как же нам, советским людям, не драться за рекорды в мирном состязании чемпионов инженерного искусства?

В лаборатории добивались от будущей турбины не только высокого КПД. Важно и другое: чтобы турбина, которой жить под водой, чувствовала себя в подводном царстве как дома. Беда, если турбина и вода между собой не поладят. Нет в природе стихии, более разрушительной, чем водяная. Говорят: "вода и камень точит". Да что камень – вода беспощадно уничтожает могучие стальные лопасти турбины! Отлитые из крепчайшей стали, огромные лопасти превращаются в трухлявую губку, пнешь – и нога пробивает металл насквозь.

А виной всему пена воды, та самая искристая кружевная пена, из которой в сказках рождаются красавицы русалки…

Здесь надо представить себе, как действует турбина. Вода, накопленная выше плотины, падая, вращает колесо. Дальше проваливается вниз, в гигантскую бетонную шахту, откуда с ревом подземной рекой выливается наружу.

Вот тут под турбиной и возникает пена. Чтобы объяснить это явление, обычно ссылаются на бутылку лимонада. Лимонад прозрачен, но откупорьте бутылку – и напиток вспенился. Отчего? Это освобождается газ, растворенный в лимонаде.

Значит, если давление в жидкости падает, из нее выделяется газ? Да, таков физический закон. По этому закону вода, проваливаясь под турбину, где воздух разрежен, как бы вскипает. Лопасти турбины с нижней стороны покрываются бисером воздушных пузырьков. Но каждый пузырек живет ничтожное мгновение – он лопается, и на смену ему вздувается другой. Миллионы и миллиарды пузырьков нескончаемой чередой толкутся на лопастях турбины. И каждый наносит удар: превращаясь в капельку воды, пузырек ударяет по металлу, как молоточком.

Это разрушение металла водой ученые назвали кавитацией (от латинского слова "кавитас", что значит "углубление, полость").

Можно ли бороться с кавитацией?

Борются. Вот лопасть турбины. Оказывается, достаточно придать ей небольшой дополнительный изгиб – и кавитация ослабевает. Но что за изгиб надо сделать, в какой части крыла, на каком пространстве, какой крутизны?… Все это таинственно и неуловимо, пока могучая мысль ученого и зоркий взгляд исследователя не дадут решения.