Николай Глухов - Беседы о физике и технике

В паротурбинной установке почти вся мощность турбины является полезной и передается какому-либо приемнику, тогда как в газотурбинной установке при температуре на входе 550–600 °C около 75 % мощности расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и только 25 % может быть передано потребителю (электрогенератору или другому приемнику).

Пока не было жаропрочных сталей и не было конструкций компрессоров, обладающих высоким КПД, построить мощную и экономичную газовую турбину не было возможности, хотя еще в 1897 г. русский инженер П. Д. Кузьминский спроектировал и затем изготовил газовую турбину, работающую на керосине. Эта турбина работала по принципу, применяемому в газовых турбинах и в настоящее время, — при постоянном давлении в камере сгорания.

В конце второй мировой войны и после нее газовые турбины нашли широкое применение в авиации, где большая мощность, малый вес и малые габариты турбореактивных двигателей даже при их сравнительно малом КПД (20–25 %) обеспечивают скорости полета, недостижимые при других двигателях.

«РЕАКТИВНЫЙ» — ЭТО УЖЕ НОВЫЙ ТИП ДВИГАТЕЛЯ?

Можно удивляться той прозорливости, с которой великий ученый-самоучка К. Э. Циолковский еще в 30-х годах в статье «Реактивный аэроплан» предсказывал: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных, или аэропланов стратосферы». Первые авиационные реактивные двигатели были испытаны в дни Великой Отечественной войны. Тогда же появились и уже применялись в больших масштабах реактивные снаряды и мины. Прославленные гвардейские минометные части были вооружены специальными реактивными установками «Катюша», самолеты-штурмовики Ил-2 (конструкции С.В.Ильюшина), именуемые фашистами «черной смертью», несли под крыльями также реактивные снаряды.

Вспомним имена создателей нашей замечательной боевой техники. Это конструкторы самолетов А. С. Яковлев, С. А. Лавочкин, С. В. Ильюшин, В. М. Петляков, А. Н. Поликарпов, конструкторы авиационных двигателей А. А. Микулин, А. Д. Швецов, В. Я. Климов; конструкторы воздушного огнестрельного оружия Б. Г. Шпитальный, И. Д. Комарицкий, А. А. Волков, И. П. Шебанов и многие другие. Созданная в это время авиационная техника по своим технико-экономическим и тактическим показателям была лучшей в мире.

Для винтомоторных самолетов с поршневым двигателем получение скоростей, превышающих 1000 км/ч, невозможно, тогда как реактивные двигатели с увеличением скорости повышают свой КПД и при колоссальных скоростях становятся особенно выгодными. Кроме того, реактивный способ создания движения оказывается наиболее выгодным при полете на больших высотах и в космическом пространстве.

КАК РАБОТАЮТ ТУРБОРЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ?

В работе турбореактивных двигателей (двигателей с газотурбинной установкой) использован следующий принцип. Струя газа, вытекая из сопла со скоростью большей, чем та, с которой она в него вступила, создает силу реакции, направленную в сторону, противоположную направлению движения струи. Эта сила реакции и используется для перемещения самолета, ракеты, снаряда.

Турбореактивный двигатель (рис. 9) состоит из пяти частей: входного устройства (диффузора) 1 , компрессора 2 , камеры сгорания 4 , газовой турбины 5 и реактивного сопла 6 . При полете самолета на двигатель набегает встречная струя воздуха. В диффузоре воздух затормаживается, его давление увеличивается. В компрессоре происходит 8—10-кратное дальнейшее сжатие воздуха. Часть воздуха направляется в камеру сгорания (примерно 1/ 5), куда при помощи форсунок 3 впрыскивается топливо (обычно керосин).

Рис. 9. Турбокомпрессорный реактивный двигатель

При запуске двигателя топливно-воздушная смесь воспламеняется от запальной электрической свечи, а в дальнейшем самовоспламеняется от соприкосновения с раскаленными газами и пламенем. При открытой с обоих концов камере сгорания процесс образования газов происходит при постоянном послекомпрессорном давлении. Так как температура горящего керосина более 2000 °C и такую температуру не могут выдержать лопатки турбины, то газы при выходе из камеры сгорания перемешиваются с основным потоком воздуха и температура газов снижается до 800–900 °C. Они со скоростью 600–900 м/с поступают на лопатки турбины, расширяются и приводят ее во вращение.

Другая часть энергии газов идет на повышение их скорости в реактивном сопле двигателя.

При выходе газов из сопла и образуется реактивная тяга, необходимая для полета самолета.

В сопле двигателя устанавливается подвижный конус 7 , регулирующий выходное сечение, а следовательно, и скорость полета.

Сравнение работы турбореактивного двигателя с четырехтактным двигателем внутреннего сгорания показывает, что в двигателе внутреннего сгорания такты следуют друг за другом, тогда как в реактивном двигателе все процессы идут почти одновременно.

Сила тяги, развиваемая современными крупными воздушно-реактивными двигателями, огромна. Так, при расходе воздуха в 200 кг/с сила тяги составляет примерно 1,2∙10 5Н. А это значит, что при полете со скоростью 1100 км/ч полезная мощность составляет 37 МВт (50 000 л. с). Получение такой мощности при использовании поршневых двигателей практически невозможно.

Сейчас газовые турбины стали применять на железнодорожном транспорте и в промышленности; не исключено их использование на грузовых и легковых автомобилях будущего.

ЧТО ТАКОЕ ВИНТОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ?

Для умеренных скоростей полета более выгодна комбинированная винтореактивная установка (рис. 10).

Рис. 10. Схема винтореактивного двигателя:

1— компрессор, 2— камера сгорания, 3— турбина, 4— сопло, 5— редуктор, 6— воздушный винт

Мощность газовой турбины винтореактивной установки значительно превышает мощность, поглощаемую компрессором. Избыток мощности турбины в этом случае передается на воздушный винт, соединенный с валом турбины через редуктор. При такой схеме скорость самолета создается как реактивным соплом (толкающая сила), так и воздушным винтом (тянущая сила). Естественно, что при осуществлении полета космических кораблей и ракет за пределами земной атмосферы кроме горючего на борту устанавливается и резервуар с окислителем (жидкий кислород, перекись водорода).

Для иллюстрации научно-технического прогресса в авиации приведем небольшую таблицу параметров некоторых самолетов: лучших истребителей конца Великой Отечественной войны Як-7 и Ла-11, а также современных реактивных пассажирских самолетов. Разница в классе самолетов выбрана нами для контраста преднамеренно.