Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Первые газотурбинные установки были стационарными. Компания из Швейцарии Brown Boveri установила газовую турбину в Хамборне, Германия, в 1933 году, и тремя годами позже первый турбокомпрессор был установлен в Маркус-Хук, Пенсильвания. Первый газотурбинный электрогенератор имел мощность 2000 киловатт. Это была демонстрационная модель фирмы Escher Wyss в Цюрихе в 1940 году. К 1954 году в мире насчитывалось уже больше сотни стационарных газотурбинных электрогенераторов. Первый газотурбинный локомотив тоже был детищем Brown Boveri. Он начал работать на швейцарских федеральных железных дорогах в 1941 году. Десятилетием раньше, в 1930 году, Фрэнк Уиттл (1907–1996) запатентовал в Англии воздушно-реактивный двигатель с воздушным компрессором, приводимым в действие газовой турбиной. Таким образом, Уиттл создал базовый проект осевого турбореактивного двигателя, самого распространенного типа реактивных двигателей.

Рис. 12.19. Турбореактивный двигатель J-57. Всасывание воздуха и компрессоры наверху, камера сгорания в центре, турбина и выхлоп – внизу

Турбореактивный двигатель – это тепловой воздушнореактивный двигатель, состоящий из компрессора, камеры сжигания и турбины (рис. 12.19). Компрессор, приводимый в действие турбиной, создает давление входящего воздуха, который поступает в камеру сгорания, где часть его кислорода постоянно горит вместе с впрыснутым топливом. Продукты сгорания и расширившийся горячий воздух выводятся через реактивное сопло, но, прежде чем попасть в сопло, они проходят через лопасти турбины, которая приводит в действие компрессор. Реакция на выброшенную массу газов толкает самолет вперед. Турбовинтовой двигатель аналогичен турбореактивному, только имеет более крупную газовую турбину, которая приводит в действие не только компрессор, но и традиционный воздушный винт – пропеллер. В турбовинтовом самолете воздушный винт использует около 80 процентов вырабатываемой энергии. Турбокомпаунд – это традиционный винтовой поршневой двигатель, на отработанных газах которого работает турбина, соединенная с коленчатым валом, чтобы усилить мощность двигателя.

Все реактивные двигатели имеют больший расход топлива на единицу мощности, чем поршневые двигатели, однако турбореактивные двигатели обеспечивают более высокие скорости, особенно на больших высотах, их конструкция проще, и они весят примерно вдвое меньше, чем поршневые двигатели той же мощности. Потребление топлива в турбовинтовом двигателе также меньше, чем в крупном поршневом двигателе. Самый крупный в мире поршневой двигатель (по состоянию на середину XX века) – 28-цилиндровый звездообразный двигатель Wasp Major компании Pratt & Whitney мощностью 3500 лошадиных сил – потреблял 0,58 фунта топлива на лошадиную силу в час при взлете, но расход топлива уменьшается с набором высоты. Wasp Major обеспечивает около 1 лошадиной силы на фунт веса, а турбовинтовой двигатель – более 2 лошадиных сил. Рост значений мощности газотурбинных двигателей был весьма впечатляющим. За пятьдесят лет после первого полета братьев Райт максимальная мощность поршневых двигателей увеличилась с 12 до 3500, однако за пятнадцать лет значение мощности реактивных двигателей при рабочих скоростях взлетело до 25 000 лошадиных сил, более чем в семь раз превысив максимальную мощность поршневого двигателя. British Comet, первый коммерческий авиалайнер с турбореактивным двигателем, начал работать в мае 1952 года, а уже к 1954 году все крупные американские самолеты использовали или турбовинтовые, или турбокомпаундные двигатели.

Рис. 12.20. Первый успешный вертолет Игоря Сикорского, пилотируемый конструктором, 1939 г.

Вертолет – вторая важная инновация в истории авиации. Вертолет – машина с вертикальным взлетом, главной особенностью которого является большой пропеллер, вращающийся на вертикальной оси. Леонардо да Винчи, часто рассуждавший о полетах в воздухе, на одном из своих набросков изобразил вертолет. В 1768 году французский математик Поктон (1736–1798) разработал проект летательного аппарата, приводимого в движение мускульной силой человека, с двумя винтами: один – чтобы поддерживать аппарат, другой – чтобы толкать его вперед. Много самых разных энтузиастов разрабатывали эту идею. В 1907 году француз Поль Корню (1881–1944) построил полноразмерный вертолет, который на несколько минут поднял его и пассажира над землей. В качестве силовой установки Корню использовал газолиновый двигатель мощностью 24 лошадиные силы, который приводил в действие два ротора с помощью ремней, двигавшихся в разных направлениях для противодействия крутящему моменту. Немецко-американский изобретатель Эмиль Берлинер (1851–1929), его американский сын Генри А. Берлинер, и многие другие инженеры в Соединенных Штатах, Франции и Испании в 1920-х и 1930-х годах экспериментировали с вертолетами. Эти люди строили разнообразные нескладные аппараты, которые при благоприятных условиях могли подняться на несколько футов над землей, однако были «очень чувствительны к возмущениям», а их поведение – непредсказуемым. Генри Берлинер в 1922 году пилотировал трехкрылую трехроторную машину в течение 1 минуты 25 секунд. В том же году русский изобретатель Георгий Ботезат поднял в воздух летательный аппарат с четырьмя подъемными роторами на 1 минуту 42 секунды. Годы упорных исследований и экспериментов принесли успех (рис. 12.20) русскому конструктору Игорю Ивановичу Сикорскому в 1939 году. Его вертолет развивался очень быстро. Одно из ограничений грузоподъемности машины заключалось в вертикальной оси, на которой был установлен пропеллер. С ростом мощности вес оси, необходимой для передачи вращательного движения, становится избыточным. Использование турбореактивных двигателей на концах лопастей, чтобы создать вращательное движение реакцией, устранило это ограничение.

Не такой зрелищный, как железнодорожный, водный, автомобильный и воздушный, трубопроводный транспорт все же является одним из самых важных видов транспорта. В 1950 году американские нефтепроводы перенесли больше тонно-миль, чем внутригородской автомобильный транспорт. Железные и стальные трубопроводы для транспортировки нефти были американским творением, которое распространилось на другие нефтедобывающие районы. По стальным трубам теперь перекачивают не только сырую нефть и нефтепродукты, но также природный газ.

Рис. 12.21. 26-дюймовый трубопровод, уложенный в траншею, прорытую дизельным канавокопателем Caterpillar Buckeye