Борьба за скорость

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.

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.