Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели

Нетрудно заметить, что непрерывность действия турбореактивного двигателя является его преимуществом по сравнению с поршневым двигателем. Действительно, в результате такой непрерывности через турбореактивный двигатель может протечь в секунду больше рабочего тела (воздуха), чем через поршневой двигатель, если даже отвлечься от конструктивных особенностей турбореактивного двигателя, способствующих дополнительному увеличению расхода воздуха. Увеличение расхода воздуха сопровождается увеличением мощности двигателя, ибо при прочих равных условиях с каждого килограмма протекающего через двигатель воздуха может быть получена определенная полезная работа. Этим и объясняется то, что мощность турбореактивного двигателя при больших скоростях полета во много раз превышает мощность поршневого двигателя.

Но возвратимся к турбореактивному двигателю. Мы знаем, что давление газов за турбиной больше давления атмосферного воздуха, так что окончательное расширение газов происходит в реактивном сопле; без этого двигатель не может развивать большой тяги. Очевидно, чем больше давление газов за турбиной, т. е. чем большее давление «срабатывается» в сопле, тем больше тяга двигателя. Следовательно, для увеличения тяги нужно повышать давление газов за турбиной.

Каким же образом можно этого добиться?

На первый взгляд кажется, что для этого проще всего увеличить давление газов перед турбиной, т. е. увеличить давление воздуха, выходящего из компрессора. Но в действительности этот путь не всегда приводит к желаемому результату. Если увеличивать сжатие воздуха в компрессоре, то на вращение компрессора придется затратить большую мощность турбины, а для увеличения мощности турбины потребуется увеличить степень расширения газов в ней. В результате этого давление газов за турбиной может не только не повыситься, а даже уменьшиться.

Чтобы найти правильный путь для повышения давления газов за турбиной и, следовательно, для увеличения тяги турбореактивного двигателя, обратим внимание на одну особенность его работы. Эта особенность имеет важный, принципиальный характер и является общей для всех воздушно-реактивных двигателей, а не только для двигателей турбореактивных.

Рассмотрим, как должна изменяться температура воздуха, протекающего через двигатель. Представим себе, что в двигателе нет камеры сгорания и воздух, выходящий из компрессора, сразу поступает в турбину и в ней расширяется. Сможет ли работать в этом случае турбореактивный двигатель? Конечно, нет. Даже в идеальном случае, т. е. при полном отсутствии каких бы то ни было потерь энергии в компрессоре и в турбине, мощность турбины в таком двигателе будет только равняться мощности компрессора. Но так как потери неизбежны, то турбина будет развивать в этом случае даже меньшую мощность, чем та, которая необходима для вращения компрессора. Следовательно, турбина не сможет вращать компрессор и двигатель работать не будет.

Чтобы мощность турбины была достаточной для привода во вращение компрессора, воздух (или газ), расширяющийся в турбине, должен иметь более высокую температуру, чем воздух, сжимающийся в компрессоре. Мало того, эта разница температур должна быть значительной, иначе турбореактивный двигатель не оправдает своего назначения — турбина будет вращать компрессор, двигатель будет работать, но вся энергия газов будет расходоваться при их расширении в турбине. В результате давление газов за турбиной будет небольшим и, следовательно, небольшой будет и тяга двигателя.

Таким образом, необходимо, чтобы воздух, выходящий из компрессора, был сильно подогрет до поступления в турбину. Для этой цели и служит камера сгорания двигателя. Тепло, выделяющееся в этой камере при сгорании топлива, подогревает проходящий через двигатель воздух примерно до 850—900° С. Выше говорилось о том, что из камеры сгорания вытекает, собственно говоря, уже не воздух, а раскаленные газы — перемешанные с воздухом продукты сгорания. Однако масса этих газов практически та же, что и масса воздуха, так как вес сгорающего в турбореактивном двигателе топлива не превышает 1,5% от веса воздуха.

Но почему турбина, работающая на горячих газах, способна развить большую мощность, чем турбина, работающая на холодном воздухе?

Это объясняется важнейшим свойством газов, в том числе и воздуха, свойством, лежащим в основе всей теплотехники, без которого нельзя было бы создать не только турбореактивного двигателя, но и любой другой тепловой машины.

Это важнейшее свойство всякого газа заключается в том, что горячий газ способен совершить большую работу, чем холодный, при одинаковом его расширении, т. е. при уменьшении давления в одно и то же число раз. Термодинамика, наука о преобразовании тепла в работу, учит, что при прочих равных условиях работа, совершаемая газом при расширении, прямо пропорциональна абсолютной температуре газа, которую он имеет перед расширением. Что более нагретый газ способен совершить большую работу, это совершенно очевидно. Каждый знает, что при нагревании все тела увеличивают свой объем; только для твердых и жидких тел это увеличение объема при нагревании невелико, а для газов оно может быть очень значительным. Начните нагревать газ, заключенный в каком-нибудь сосуде, так, чтобы его давление при этом не изменялось, например, так, как показано на рис. 21, т. е. нагрузив крышку сосуда гирей. В результате нагревания газ расширится, его объем увеличится, хотя давление и останется постоянным. Но всякое расширение газа связано с тем, что расширяющийся газ совершает работу; в нашем случае эта работа проявится в том, что гиря поднимется на большую высоту (в турбореактивном двигателе работа расширения газа в турбине затрачивается потом на сжатие воздуха в компрессоре). Поэтому нагретый газ и совершает в турбине большую работу, чем холодный; добавочная работа тем больше, чем сильнее нагрет газ.

Рис. 21. При нагревании воздуха его объем увеличивается (давление постоянно), при этом совершается работа

Как показывают теория и опыт, температура газов, поступающих на лопатки турбины в турбореактивном двигателе, должна быть значительно большей, чем температура воздуха, выходящего из компрессора. Без этого давление газов за турбиной будет лишь немного превышать атмосферное и двигатель не сможет развить большую тягу. Следует отметить, что повышенное давление газов за турбиной важно только для турбореактивного двигателя, который устанавливается на самолете. В других газотурбинных двигателях, например, предназначенных для морских судов, железнодорожных локомотивов, для установки на электростанциях и т. д., давление за турбиной практически равно атмосферному. Но турбина в этих случаях развевает мощность значительно большую, чем требуется для вращения компрессора. Избыточная мощность, которая при этом развивается, используется для совершения полезной работы — вращения генератора электрического тока, гребного винта корабля, ведущих колес железнодорожного локомотива или автомобиля. Двигатели такого типа применяются также и в авиации, мы о них упоминали выше. Они носят название турбовинтовых двигателей, ибо в них турбина приводит во вращение воздушный винт, с успехом заменяя поршневой двигатель. Турбовинтовым двигателям обеспечено прочное место в авиации; о них мы скажем несколько подробнее ниже.