Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Это основное отличие любого реактивного двигателя от любого другого двигателя (парового, двигателя внутреннего сгорания и т. д.) является очень глубоким. Любой из известных двигателей, кроме реактивного, может иметь широкое применение. Например, тот же поршневой авиационный двигатель внутреннего сгорания, установленный на самолете и приводящий во вращение воздушный винт, является действительно авиационным. Но его можно установить и на автомобиле — ведь поршневой авиационный двигатель отличается от обычных автомобильных двигателей главным образом своей большой мощностью. Известно, например, что на некоторых гоночных рекордных автомобилях устанавливались авиационные двигатели. Авиационный двигатель можно установить на танк — ему тоже нужна большая мощность. Впрочем, некоторые танковые двигатели являются очень близкими «родственниками» авиационных. Можно установить авиационный двигатель на быстроходном морском катере — и там нужна большая мощность и малый вес; двигатели этого «москитного флота» тоже обычно «родные братья» авиационных двигателей. Можно установить, при желании, авиационные двигатели и на гигантском теплоходе для привода во вращение его гребных винтов: ведь обычные двигатели теплоходов — тоже поршневые двигатели внутреннего сгорания, только гораздо более тяжелые. Можно установить авиационный поршневой двигатель и на железнодорожном локомотиве — тепловозе, и на тракторе, и на самоходном комбайне. Все это такие машины, на которых, как известно, поршневые двигатели внутреннего сгорания получили самое широкое распространение. Однако эти двигатели находят широкое применение не только в транспорте — воздушном, водном, наземном, но и в стационарных установках. Принципиально можно, например, установить авиационный двигатель на электростанции — он будет приводить во вращение генератор электрического тока. В этом случае мощность, развиваемая двигателем, будет преобразовываться в электрическую энергию. Электростанции с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (не авиационными, конечно) имеют довольно широкое применение. Можно также установить поршневой авиационный двигатель и на заводе или фабрике, допустим, текстильной, и тогда мощность двигателя будет затрачиваться на привод в движение ткацких станков. Конечно, этот перечень можно было бы продолжить.
Таким образом мы видим, что поршневой двигатель с успехом можно использовать в различных областях народного хозяйства.
Иное дело двигатель реактивный. Назначение этого двигателя — обеспечивать движение с большой скоростью, возможной лишь в воздухе, значит, в авиации и артиллерии. Конечно, можно и реактивный двигатель, например турбореактивный, установить и на катере, и на автомобиле, и на железнодорожном локомотиве. Но в этом случае от достоинств реактивного двигателя не останется и следа, а его недостатки станут нетерпимыми. Действительно, мы уже знаем, что полезная мощность двигателя есть произведение его силы тяги на скорость движения. Однако в водном и наземном транспорте скорости движения в общем так малы, что реактивный двигатель при этих скоростях может развить лишь очень малую мощность. Но это значит, что когда скорость мала, то реактивный двигатель оказывается невыгодным, так как он расходует чрезмерно много топлива на одну лошадиную силу мощности, гораздо больше, чем обычные двигатели внутреннего сгорания. В этом отношении превосходство на стороне поршневых двигателей; при малых скоростях движения они значительно экономичней. К этому следует добавить еще и те существенные эксплуатационные неудобства, которые представляли бы в наземном транспорте струи раскаленных газов, вытекающие из реактивного двигателя.
Но если в тихоходном транспорте реактивные двигатели все же можно применить, хотя они в этом случае и невыгодны, то совсем невозможно применить эти двигатели в стационарных установках, например, на электростанции или на текстильной фабрике. Использовать в этих случаях реактивную тягу, создаваемую вытекающей из реактивного двигателя струей газов, практически не представляется возможным. Когда реактивный двигатель неподвижен, то он вообще никакой полезной мощности не развивает.
Следовательно, реактивные двигатели—это двигатели, предназначенные для движения, двигатели транспортные. А точнее — это двигатели для движения стремительного, двигатели высокоскоростного транспорта, каким является авиация. При больших скоростях движения реактивным двигателям нет равных.
Как же создает турбореактивный двигатель тягу, необходимую для полета самолета? Чтобы ответить на этот вопрос, разберемся, как устроен этот двигатель. Оказывается, он представляет собой сложную машину, даже несколько сложных машин, составляющих единый комплекс. Что же это за машины?
Глава третья
Турбореактивный двигатель
Назначение одной из машин, составляющих турбореактивный двигатель, совершенно очевидно. Ведь из двигателя наружу через выходное отверстие должен вытекать с большой скоростью воздух (газы). Как же можно этою добиться? Очевидно, для этого давление воздуха внутри двигателя должно быть большим, чем в окружающей атмосфере.
Все, конечно, наблюдали, как со свистом вырывается пар из чайника, когда в нем в результате кипения воды увеличивается давление, или как с шумом вытекает под давлением вода из открытого водопроводного крана. Но как можно увеличить давление воздуха внутри турбореактивного двигателя?
Для повышения давления воздуха его необходимо сжать. Многие знают, как осуществляется сжатие воздуха, — для этого существуют специальные машины, так называемые компрессоры.
Поэтому воздух, поступающий через входное отверстие внутрь двигателя, прежде всего попадает в компрессор и сжимается там до давления в несколько атмосфер.
Компрессор — это важнейшая часть турбореактивного двигателя. От компрессора зависят и технические данные двигателя, и его внешний вид. В настоящее время широкое применение в турбореактивных двигателях получили компрессоры двух типов: центробежные и осевые. Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором изображен на рис. 9 и с осевым компрессором — на рис. 10.
Главной частью центробежного компрессора является крыльчатка, которая представляет собой большое, до 1 м в диаметре, колесо с тонкими лопатками, расположенными на одной или обеих торцовых (боковых) поверхностях (рис. 11). Эта крыльчатка вращается с большим числом оборотов внутри корпуса. Воздух, засосанный в двигатель, подводится к крыльчатке компрессора у ее средней части и сразу, попадая в каналы между лопатками крыльчатки, начинает вместе с ней вращаться с большой скоростью вокруг оси крыльчатки. В результате этого на молекулы воздуха начинает действовать большая центробежная сила и они отжимаются от центра к периферии крыльчатки, так что из компрессора выходит сжатый воздух.
Но сжатие воздуха происходит не только в крыльчатке центробежного компрессора, оно не прекращается и после того, как молекулы воздуха слетают с крыльчатки. Объясняется это тем, что воздух, отбрасываемый крыльчаткой, обладает не только повышенным давлением, но и большой скоростью, измеряемой сотнями метров в секунду, а следовательно, и большой кинетической энергией. Эта энергия и используется для дополнительного сжатия воздуха.
Один из основных законов течения всякой жидкости, а следовательно, и воздуха (этот закон носит имя открывшего его русского академика Даниила Бернулли) гласит, что кинетическая энергия может быть преобразована в потенциальную энергию, в энергию давления. Чтобы увеличить давление быстро текущего газа, его нужно плавно затормозить, постепенно уменьшить его скорость. Вот почему воздух, с огромной скоростью покидающий крыльчатку, поступает в так называемый диффузор, который является второй важнейшей частью центробежного компрессора. В диффузоре, кольцом охватывающем крыльчатку, установлены криволинейные, изогнутые лопатки, хорошо видные на рис. 11. Каналы между этими лопатками представляют собой как бы расширяющиеся трубы — их проходные сечения постепенно увеличиваются, а это как раз и нужно для того, чтобы затормозить воздух. Входя в каналы диффузора с большим давлением и большой скоростью, воздух покидает эти каналы с малой скоростью, но зато с еще большим давлением.
Наличие лопаток в диффузоре вовсе не является обязательным — торможение воздуха с повышением его давления можно осуществить и в безлопаточном диффузоре, представляющем собой просто кольцевой канал вокруг крыльчатки.
Центробежный компрессор имеет большой диаметр, а длина его сравнительно невелика. У осевого компрессора, наоборот, диаметр меньше, но длина значительно больше. Это объясняется тем, что осевой компрессор устроен совсем не так, как центробежный: воздух течет в нем не от центра к периферии, а вдоль оси компрессора; поэтому он и назван осевым.
