Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
Тщательно, шаг за шагом изучают инженеры работу камеры сгорания. И если современные газотурбинные двигатели служат десятки и сотни часов, этим могут гордиться наряду с конструкторами, металлургами и инженеры-химики, физики, теплотехники — творцы «огненного дыхания» газовой турбины.
Наиболее ответственная деталь турбины — это лопатка.
Каждая лопатка растягивается центробежной силой, превосходящей ее вес в десятки тысяч раз. Да вдобавок она еще все время находится в потоке горячих газов и нагревается до высокой температуры. Лопатка может поэтому «поползти», удлиниться и довольно значительно. Тогда она заденет за кожух и авария неизбежна.
Даже камеру сгорания, где непрерывно бушует поток раскаленных газов, нельзя сравнить по условиям работы с турбиной. Тем более нельзя сравнить с нею компрессор, хотя как в турбине, так и в компрессоре, развиваются большие центробежные силы.
Турбине приходится гораздо тяжелее, чем другим частям газотурбинного двигателя — вот какой можно сделать вывод. Значит, материал для нее должен быть особо прочным и способным сохранять свои свойства при высоких температурах.
Чтобы яснее себе представить, насколько трудной была эта задача, ознакомимся с требованиями трех инженеров.
Инженер-металлург скажет нам: металл для турбины при высоких температурах не должен разрушаться и изменять своих свойств.
Инженер-технолог предъявит свои требования: нужно, чтобы металл для турбины можно было ковать, прокатывать, отливать, сваривать и обрабатывать на станках.
А инженер-конструктор потребует, чтобы этот самый металл выдержал как можно более высокую температуру: чем выше температура, тем лучше работает двигатель.
Когда изыскания материалов для газовых турбин еще только начинались, существовали сплавы, выдерживающие температуру «всего» около 500° и пригодные только для паровых турбин.
Дальнейшая работа над этими сплавами была по существу сражением за каждый лишний десяток градусов. Об этой борьбе мы с вами говорили, когда речь шла о рождении материалов. Правда, в авиационных турбокомпрессорах, турбины которых работают на отходящих газах двигателя, температура доходит до тысячи градусов. Но их жизнь коротка. Для газотурбинных же двигателей долговечность — важнейшее требование. Срок их службы должен исчисляться сотнями часов, а у газовых турбин электростанций — десятками тысяч часов.
Поведение металла стали исследовать при постепенно повышающейся температуре и больших центробежных нагрузках.
Перепробованы были всевозможные варианты различных добавок, которые могли бы придать сплавам нужные свойства, и в результате удалось создать жаропрочные сплавы для газовых турбин.
В настоящее время для изготовления лопаток применяются сплавы никеля и хрома, а также сталь с добавками никеля, хрома и марганца.
Диски турбин, которым приходится работать в более легких условиях, делаются из стали, содержащей небольшие добавки хрома, марганца, никеля, молибдена.
Для лопаток турбины испытывались и другие материалы. В Германии пытались, например, из-за недостатка дефицитных металлов применять керамические материалы и даже армированный фарфор с металлической решеткой внутри для увеличения прочности, подобно железобетону. Они смогли бы выдержать значительно более высокую температуру, чем металл. Однако прочную керамическую лопатку, не разрушающуюся при огромных центробежных нагрузках, создать нелегко, и дальше опытов пока дело не пошло.
Для уменьшения нагрева лопатки можно устроить полыми и через них пропускать поток воздуха.
Охлаждающий воздух подводится к диску турбины, омывает его с двух сторон, а затем поступает внутрь лопатки через отверстие у ее основания. Полые лопатки изготовлять, конечно, сложнее, чем сплошные. Зато при опытах удавалось повысить таким образом допустимую температуру газов до 1000° и более.
Очень сложно охлаждение лопаток жидкостью.
Можно применить газовое охлаждение, создавая защитную газовую пленку со стороны нагреваемой поверхности. Лопатка изготовляется тогда из пористого материала, полученного спеканием металлической пудры. Газообразный водород или азот под давлением вытесняется на поверхность и защищает лопатку от перегрева.
На бумаге все это выглядит, конечно, несравненно проще, чем на деле. Пока что применялось лишь воздушное охлаждение лопаток авиационных газотурбинных двигателей.
Теперь предоставим слово технологам.
Как сделать лопатку точно и быстро, придав ей нужную форму, и обеспечить высокую чистоту поверхности? Типичная лопатка турбины — это изогнутая поверхность с хвостовиком, которым она вставляется в паз на диске.
Такая форма нужна для плавного обтекания газовой струей. Так как при этом струя еще и поворачивает, то возникает сила, действующая на лопатку и движущая турбину.
Для обработки лопаток сложных форм сконструировали специальные станки; существовавшие ранее не удовлетворяли инженеров. Новые станки позволили вести обработку значительно быстрее.
Но на этом не остановились. Лопатки изготовляют также штамповкой и литьем высокой точности — прецизионным.
Для проверки, насколько правильно они сделаны, применяются различные способы. Расскажем об одном из них, где используется оптика, своеобразное кино.
На экране вычерчена лопатка в профиль. Настоящую лопатку ощупывают наконечники, двигающиеся один сверху, другой снизу. Тени их видны на экране. И если наконечники точно идут по изображению на экране, лопатка сделана правильно.
Далее надо изготовить турбинный диск. Для него тоже разработаны жаропрочные сплавы.
Затем диск и лопатки надо соединить между собой. Их можно соединить, например, «елочкой». Хвостовик лопатки делают с трапецевидными зубцами, а в ободе диска турбины устраивают вырезы такой же формы, так что лопатка плотно входит в диск. Иногда лопатки прикрепляют сваркой.
Теперь остается укрепить направляющие лопатки на кожухе турбины. Они неподвижны и размещены между каждой парой ступеней турбины — рядов лопаток. Есть они и в осевом компрессоре. Их назначение — выпрямить поток воздуха или газа при ею движении от ступени к ступени.
Когда турбина готова, смонтирован компрессор, камеры сгорания и все вспомогательные механизмы, можно приступить к испытаниям.
Как же производятся испытания газотурбинных двигателей?
Мы в испытательной лаборатории, в кабине наблюдения, напоминающей дот.
Это железобетонная труба, с полуметровыми стенками, со звуконепроницаемой прослойкой, с двойными смотровыми окнами из бронестекла.
Закрытые переходы соединяют кабину с машинными залами и другими помещениями лаборатории — для защиты от шума и возможного взрыва или пожара.
Из кабины наблюдения управляют на расстоянии всеми установками. Приборы показывают, что происходит в машинном зале.
Обороты, давления, температуры, скорости — все это мы узнаем, не выходя из железобетонной крепости.
На силовой станции лаборатории имеется несколько мощных паровых турбин, которых хватило бы для целого миноносца.
Турбины вращают компрессоры, подающие сжатый воздух, и те компрессоры, которые надо испытывать.
На прочном железобетонном фундаменте установлена газовая турбина. Сжатый воздух идет в камеру сгорания, и горячие газы поступают в турбину. Выхлопные газы из нее отводят по круто изогнутой трубе, чтобы быстрее затормозить поток.
Турбины с очень большим числом оборотов — свыше 30 тысяч — испытывают на разрушение в толстостенных стальных камерах.
Растут обороты… Диск вращается все быстрее, пока, наконец, не разлетается на куски. Обломки ударяются в стенку камеры и замыкают контакт. В тот же момент включается яркая лампа и кинокамера, приспособленная для съемки с большой скоростью. На снимках видно, где началось разрушение, какое оно. Счетчик показывает, сколько оборотов выдержала турбина.
Отдельно испытываются на разрушение и лопатки турбин. Лопатку помещают между двумя электромагнитами. То в один, то в другой магнит посылают ток. Магниты попеременно ее притягивают, пока от быстрой вибрации она не разрушится.
