История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Первые газотурбинные установки были стационарными. Компания из Швейцарии Brown Boveri установила газовую турбину в Хамборне, Германия, в 1933 году, и тремя годами позже первый турбокомпрессор был установлен в Маркус-Хук, Пенсильвания. Первый газотурбинный электрогенератор имел мощность 2000 киловатт. Это была демонстрационная модель фирмы Escher Wyss в Цюрихе в 1940 году. К 1954 году в мире насчитывалось уже больше сотни стационарных газотурбинных электрогенераторов. Первый газотурбинный локомотив тоже был детищем Brown Boveri. Он начал работать на швейцарских федеральных железных дорогах в 1941 году. Десятилетием раньше, в 1930 году, Фрэнк Уиттл (1907–1996) запатентовал в Англии воздушно-реактивный двигатель с воздушным компрессором, приводимым в действие газовой турбиной. Таким образом, Уиттл создал базовый проект осевого турбореактивного двигателя, самого распространенного типа реактивных двигателей.

Рис. 12.19. Турбореактивный двигатель J-57. Всасывание воздуха и компрессоры наверху, камера сгорания в центре, турбина и выхлоп – внизу

Турбореактивный двигатель – это тепловой воздушнореактивный двигатель, состоящий из компрессора, камеры сжигания и турбины (рис. 12.19). Компрессор, приводимый в действие турбиной, создает давление входящего воздуха, который поступает в камеру сгорания, где часть его кислорода постоянно горит вместе с впрыснутым топливом. Продукты сгорания и расширившийся горячий воздух выводятся через реактивное сопло, но, прежде чем попасть в сопло, они проходят через лопасти турбины, которая приводит в действие компрессор. Реакция на выброшенную массу газов толкает самолет вперед. Турбовинтовой двигатель аналогичен турбореактивному, только имеет более крупную газовую турбину, которая приводит в действие не только компрессор, но и традиционный воздушный винт – пропеллер. В турбовинтовом самолете воздушный винт использует около 80 процентов вырабатываемой энергии. Турбокомпаунд – это традиционный винтовой поршневой двигатель, на отработанных газах которого работает турбина, соединенная с коленчатым валом, чтобы усилить мощность двигателя.

Все реактивные двигатели имеют больший расход топлива на единицу мощности, чем поршневые двигатели, однако турбореактивные двигатели обеспечивают более высокие скорости, особенно на больших высотах, их конструкция проще, и они весят примерно вдвое меньше, чем поршневые двигатели той же мощности. Потребление топлива в турбовинтовом двигателе также меньше, чем в крупном поршневом двигателе. Самый крупный в мире поршневой двигатель (по состоянию на середину XX века) – 28-цилиндровый звездообразный двигатель Wasp Major компании Pratt & Whitney мощностью 3500 лошадиных сил – потреблял 0,58 фунта топлива на лошадиную силу в час при взлете, но расход топлива уменьшается с набором высоты. Wasp Major обеспечивает около 1 лошадиной силы на фунт веса, а турбовинтовой двигатель – более 2 лошадиных сил. Рост значений мощности газотурбинных двигателей был весьма впечатляющим. За пятьдесят лет после первого полета братьев Райт максимальная мощность поршневых двигателей увеличилась с 12 до 3500, однако за пятнадцать лет значение мощности реактивных двигателей при рабочих скоростях взлетело до 25 000 лошадиных сил, более чем в семь раз превысив максимальную мощность поршневого двигателя. British Comet, первый коммерческий авиалайнер с турбореактивным двигателем, начал работать в мае 1952 года, а уже к 1954 году все крупные американские самолеты использовали или турбовинтовые, или турбокомпаундные двигатели.

Рис. 12.20. Первый успешный вертолет Игоря Сикорского, пилотируемый конструктором, 1939 г.