Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
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.
