Большинство инженеров считало эти трудности непреодолимыми, что вынудило некоторых из них обратиться к двигателям взрывного типа, как, например, турбина Гольцварта.
Характерная особенность турбины внутреннего сгорания заключается в том, что в ней механической работе предшествует преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую.
Другая особенность этой турбины состоит в разделении процессов сжатия и расширения газа по отдельным агрегатам. В самой турбине совершается расширение газа, сжатие же производится в компрессоре. Образование рабочего тела (газа) также происходит в отдельном агрегате — камере сгорания.
Турбина внутреннего сгорания оставляет далеко позади паровую машину с ее поршневым механизмом, громоздким паровым котлом и конденсационным устройством. Отсутствие котла и всей паровой аппаратуры ставит ее также впереди паровой турбины, а отсутствие поршня и кривошипно-шатунного механизма является существенным преимуществом по сравнению с двигателем внутреннего сгорания.
Таким образом, газовая турбина представляет собой новый и наиболее совершенный тип теплового двигателя, обладающего всеми преимуществами своих предшественников и свободного от их недостатков. От паровой турбины в ней заимствована идея преобразования потенциальной энергии газа в равномерное вращательное движение рабочего колеса без промежуточных механизмов. От двигателя внутреннего сгорания заимствована идея непосредственного преобразования топлива в рабочее тело путем сжигания его в камере сгорания.
Недостатком простейших турбин, работающих по открытой схеме, является невысокий коэффициент полезного действия. Турбины с регенерацией тепла, промежуточным охлаждением воздуха и повторным подогревом газа обладают повышенной экономичностью, хотя теряют простоту и компактность конструкции из-за наличия больших теплообменных поверхностей.
Создание эффективных газовых турбин стало возможным лишь после того, как металлургия освоила производство сплавов, способных более или менее длительное время работать с большими напряжениями и при высокой температуре.
Сейчас металлургическая промышленность поставляет жаропрочные сплавы для газовых турбин, которые работают при температурах 700–800 градусов и выше. В то же время успехи аэродинамики дали возможность изготовлять компрессоры с высоким коэффициентом полезного действия. Они дают значительное увеличение отношения полезной работы к потерянной на компрессоре.
Для повышения экономичности газотурбинных установок применяются регенераторы где часть тепла рабочего тела, выходящего из турбины, отдается рабочему телу, поступающему в камеру сгорания.
Можно без преувеличения сказать, что создание газовой турбины явилось одним из основных условий, обеспечивших развитие турбореактивных и турбовинтовых двигателей, находящих широкое применение в современной авиации. Газовые турбины турбореактивных двигателей отличаются исключительной несложностью конструкции. Турбина в них используется непосредственно для создания тяги.
Однако газовые турбины в стационарных установках и на транспорте применяются еще очень мало.
В авиации насчитываются тысячи газовых турбин. Стационарных газовых турбин во всех странах имеется не более двухсот, а газотурбовозов — лишь несколько десятков.
Коэффициент полезного действия газовой турбины зависит от температуры газа перед соплами: чем выше температура, тем выше коэффициент. Однако по условиям жаропрочности применяемых сплавов современные турбины не допускают высоких температур газа, что приводит к сравнительно невысоким коэффициентам полезного действия. По этим причинам развитие стационарных и транспортных газовых турбин задерживается.
Другим препятствием развитию газотурбостроения служат малоэффективные способы сжигания твердого топлива в камерах турбин.
До сего времени как промышленные, так и транспортные газотурбинные установки работают или на жидком топливе, или на природном газе. Результаты проведенных повсюду опытов сжигания твердого топлива в газотурбинных установках внушают надежду на успех. Надо только усилить исследовательскую и конструкторскую работу в этой области, что и делается в настоящее время с большим размахом.
Газообразное топливо — одно из самых удобных топлив как для поршневого двигателя внутреннего сгорания, так и для газовой турбины. Но с точки зрения тепловой экономичности использование газогенераторного газа в цилиндре двигателя более рационально, чем в камере газовой турбины при низких температурах перед турбиной.
Иное дело непосредственное сжигание угля в камерах газовых турбин. Попытки сжигания угля непосредственно в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания к успеху не привели.
Дизель, проектируя свой двигатель, рассчитывал питать его угольной пылью, но не достиг успеха. Ближайший его сотрудник, Рудольф Павликовский, в течение сорока лет после Дизеля продолжал работать над созданием угольного двигателя, работающего по циклу Дизеля. Накануне войны ему удалось построить такой двигатель, названный им «рупамотор», то есть мотором Рудольфа Павликовского. Секрет оказался будто бы не в слабой прочности материалов, не в плохой конструкции, а в недостаточной размельченности угольной пыли, которую применял Дизель.
Однако дальнейших известий о рупамоторе не появилось. Совершенно ясно, что соединение процессов сжатия, сгорания и расширения в одном цилиндре, удачное для жидкого и газообразного топлива, оказалось непригодным для твердого. Разделение процессов должно оказаться благоприятным при использовании твердого топлива в газовой турбине.
Разделение процессов позволяет осуществить и очистку газов перед их расширением и избежать износа рабочих органов турбины, что помешало использованию угля в цилиндрах двигателей.
Самолеты с турбореактивными двигателями.
Газовых турбин на твердом топливе еще нет, имеются только проекты в США, Англии и СССР. Силовые установки такого рода в США и Англии испытываются на стендах уже в течение многих лет, но трудности поставленной задачи не преодолены, и работы не вышли из стадии экспериментов.
Однако при подземной газификации угля, быстро развивающейся у нас в Советском Союзе, вопрос о газовых турбинах на твердом топливе теряет свою остроту.
Газовые турбины нашли широкое применение в авиации в виде так называемых турбореактивных двигателей. Они работают по простому циклу и отличаются исключительной несложностью конструкции.
Двигатели внутреннего сгорания поршневого типа по экономичности и другим показателям работы приобрели сейчас сильнейших конкурентов в виде газовой турбины и компрессорного турбореактивного двигателя. Советское правительство приняло меры к широкому развитию производства подобных двигателей, особенно газовых турбин для стационарных и транспортных установок, а также для морских и речных судов.
В Советском Союзе уже работает Шатская газотурбинная электростанция, первая в мире установка на подземной газификации угля.
Мысль о возможности сжигания угля под землей высказал впервые Д. И. Менделеев, а затем к ней вернулся английский ученый Вильям Рамсей. Идею эту оценил В. И. Ленин. Он посвятил «одной из великих побед техники» статью в «Правде» и указывал, что подземная газификация угля ведет к революции в каменноугольном деле, высвобождая горняков от тяжкого труда под землей.
Опытных установок подземной газификации у нас много, и дело это идет к своему бурному развитию благодаря созданию газовых двигателей и газовых турбин большой мощности. Директивами XX съезда предусмотрено введение в действие как опытных, так и промышленных газотурбинных электростанций.
Газотурбинную установку для Шатской электростанции выполнил Ленинградский металлический завод. Турбина реактивная, мощностью в 12 ООО киловатт. Выходящий из-под земли газ охлаждается, очищается, поступает в камеры сгорания, куда одновременно подается воздух. Отсюда продукты сгорания, температура которых достигает 650 градусов, и устремляются под сильным давлением на рабочие лопатки турбины.
Создание газовой турбины трудно приписать тому или другому имени: так много конструкторов и инженеров теоретически и практически работало над ее осуществлением.
Газовая турбина есть плод общего труда ученых и техников многих стран и национальностей.
В такой же мере общим трудом является и создание турбореактивного двигателя, судьбу которого решила газовая турбина.
Однако в области реактивной техники особое место занимает известнейший русский ученый Константин Эдуардович Циолковский, о заслугах которого в этом деле нельзя не вспомнить.
