Текст книги "Густав Лаваль"

Автор книги: Лев Гумилевский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 13 страниц)

Турбины

В то время, как часть изобретателей всех стран и многих поколений работала над созданием двигателей с прямолинейно-возвратным движением, другая часть их, направляясь по иному пути, трудилась над созданием двигателей без цилиндра и поршня, двигателей с непосредственным вращательным движением, исходя из другой технической формы, также известной с древнейших времен.

Двигатели эти получили название турбин, и прототипами их являются водяное колесо и ветряная мельница.

Первую попытку более совершенного использования кинетической энергии воды для получения механической работы на водяном колесе следует отнести к 1750 году, когда в Геттингене Сегнером было сконструировано получившее его имя так называемое «сегнерово колесо», представляющее собой механизм, вращающийся вследствие реактивного действия струи, выходящей из концов загнутых по периферии круга трубок. Истинным же творцом водяной турбины, напоминающей по конструкции современные ее типы, был французский инженер Бенуа Фурнейрон, установивший первую водяную турбину на металлургическом заводе в Ду в 1827 году. Этот водяной двигатель тогда же и получил название турбины, предложенное профессором Бурденом, учителем Фурнейрона.

Сегнерово колесо

При всех конструктивных усовершенствованиях, внесенных в гидравлическую турбину Жонвилем, Жираром, Пельтоном, Френсисом и рядом других изобретателей, этот водяной двигатель, в силу своего органического порока, а именно зависимости от местонахождения эксплуатируемого им потока, никогда бы не смог удовлетворить крупную промышленность, если бы электротехника не перешла к соединению на одном валу с турбиной генератора электрического тока.

Крупнейшие технические революции во всех областях промышленности, начиная с восьмидесятых годов прошлого века, обязаны в первую очередь электрическому току. Внедрение электрической энергии в каждой отрасли народного хозяйства приводило к коренным изменениям как в производственно-техническом строении этих отраслей, так и в самых производственных процессах.

С гениальной прозорливостью, более полувека назад, по поводу брошюры Фольмара, в письме к Бернштейну Энгельс писал:

«Дело это имеет чрезвычайно революционный характер. Паровая машина учит нас превращать теплоту в механическое движение, но пользование электричеством открывает нам путь превращения всех форм энергии, теплоты, механического движения, электричества, магнетизма, света одной в другую и обратно и промышленного пользования. Круг замкнут. И новейшее открытие Депрэ, что электрические токи очень высокого напряжения со сравнительно слабой потерей силы могут передаваться по простой телеграфной проволоке на неслыханные до сих пор расстояния и быть примененными на конечном пункте – дело это находится еще в зародыше – окончательно освобождает промышленность почти от всех местных границ, делает возможным употребление даже самых отдаленных водяных сил. И если даже вначале этим воспользуются только города, в конце-концов, оно должно стать самым могущественным рычагом для уничтожения антагонизма между городом и деревней. Но что вместе с этим производительные силы примут такие размеры, при которых они перерастут руководство буржуазии, совершенно очевидно» [7]7
  «Архив К. Маркса и Ф. Энгельса». Т. I, стр. 342.


[Закрыть].

Это предвидение Энгельса полностью оправдалось в настоящее время.

Электроцентрали сделали доступными процессу индустриализации даже те районы, которые вовсе были лишены каких-либо энергетических ресурсов. Электроцентрали освободили источники водной энергии от их органического недостатка, поскольку стало возможным добытую электрической установкой энергию передавать по высоковольтной сети в потребительские районы, отстоящие на значительном расстоянии от установки.

Можно говорить с полным основанием, что главным производственно-техническим фактором, с которым непосредственно связывается путь развития производительных сил монополистического капитализма, является турбогенератор, т. е. агрегат, в котором двигатель непосредственно соединен на одном валу с генератором электрического тока.

Наиболее совершенным двигателем этих агрегатов являются паровые турбины, в создании которых совершенно исключительная роль досталась на долю Лаваля.

Возникновение водяных колес и ветряных мельниц, использующих живую силу потока и ветра, относится к глубокой древности, и уже на ранних ступенях развития народного хозяйства делались попытки овладения потоком воды для наиболее выгодного использования ее кинетической энергии. В современных водяных турбинах сила и направление потока находятся всецело под контролем человека, и регулирование работ турбин производится в очень широких пределах.

Но творческая фантазия человека никогда не посягала на живую силу ветра, не поддающуюся никакому регулированию, никакому контролю. Вид мельницы, осаждаемой заказчиками, но бездействующей из-за отсутствия ветра, скорее внушал мысль о применении искусственного ветра для приведения в движение этого двигателя.

Таким искусственным ветром становится водяной пар даже при невысоком давлении, если его выпускать из сосуда, в который он заключен. Уже при пяти атмосферах первоначального давления он вытекает в воздух со скоростью около 500 метров в секунду, т. е со скоростью, значительно превышающей скорость распространения звука, в то время как сила ветра даже при урагане не превышает 40 метров в секунду.

Идея использования ветровой силы водяного пара, т. е. его кинетической энергии, для получения вращательного движения возникла, очевидно, также в глубокой древности. По крайней мере в древнейшем из дошедших до нас трудов, в котором затронуты вопросы механики, а именно в труде Герона Старшего из Александрии, жившего две тысячи лет назад, описан прибор, называемый эолипилом: он представляет собой полый шар с двумя трубками, загнутыми в противоположных направлениях, из которых одна трубка расположена наверху, а другая – внизу шара. Осью, на которой вращается этот шар, служит полая трубка, концы которой соединены с сосудом, представляющим паровой котел. По этим осевым трубкам пар из котла наполняет шар и, вытекая в воздух из загнутых трубок, приводит шар в движение. Шар вращается благодаря реактивной, или противодействующей, силе вытекающего наружу пара.

Этот прибор представляет собой прототип так называемой реактивной паровой турбины.

Эолипил

Другая машина, использующая кинетическую энергию пара для своего вращения, известная под названием «машины Бранка», описана в труде Джиованни Бранка, выпущенном в Риме в 1629 году. Она состоит из парового котла, крышкой которого служит бюст человека с тонкой трубкой во рту: из этой трубки вытекал пар на лопасти горизонтального колеса с ячейками, которое от этой активно действующей силы пара вращалось с значительной быстротой. Машина Бранка, судя по рисунку, употреблялась даже в качестве двигателя для приведения в движение толчейного стана.

Машина Бранка

Эта машина представляет собой прототип так называемой активной турбины.

Надо заметить, что долгое, время при упоминании машины Бранка добавлялось, что струей пара никогда нельзя получить какой-либо значительной силовой мощности. Ошибочности этого мнения способствовало, конечно, отсутствие теоретических знаний о свойствах газа и пара и о законах их истечения.

Тем не менее мысль об использовании активной и реактивной силы пара для получения в двигателе непосредственно вращательного движения не покидала изобретателей. Однако все предлагавшиеся ими машины представляли лишь измененные типы эолипила и никакого практического значения не имели. Лишь с появлением водяных турбин и теоретически разработанных принципов их работы, данных Понселе, и после опытов Сен-Венана и Вантцеля над истечением газов и пара начали постепенно появляться правильные представления о скоростях, которые должны возникать в паровых турбинах, и о причинах неудач изобретателей в этой области.

Но, несмотря на прогресс в понимании работы паровых турбин, сопровождавшийся появлением целого ряда новых конструкций, построенные паровые турбины не имели практического применения, и турбостроение не выходило из стадии элементарных опытов. Причина этого лежала не только в отсутствии знаний и низком уровне техники, но и главным образом в том, что всякое изобретение появляется в результате ряда экономических условий. Паровые турбины появились только тогда, когда требование на них было предъявлено техникам всех наций со стороны промышленности монополистического капитализма.

Развитие электротехники и электрических станций потребовало быстроходных и мощных двигателей для генераторов электрического тока. В восьмидесятых годах прошлого века такими двигателями могли быть лишь паровые машины. Одновременно с развитием электростанций начали усиленно строиться быстроходные паровые двигатели, но число оборотов их достигало всего 400–500 в минуту, в то время как генераторам нужна была значительно большая скорость. К тому же эти быстроходные паровые машины не имели больших мощностей и большие электростанции обслуживались все теми же тихоходными паровыми машинами, пожиравшими огромное количество топлива, что удорожало стоимость электроэнергии.

Таким образом, острая потребность в специальном быстроходном и экономичном двигателе для электростанций возникла с первых же шагов, успешно сделанных электротехникой, и возрастала с каждым новым шагом вперед. Разумеется, к этому времени, когда потребность в новом двигателе назрела, значительно поднялся и уровень машиностроительной техники и возросли знания в виде теоретических исследований Цейнера и ряда других ученых о свойствах водяного пара и законах его истечения.

Всецело подтверждая на практике справедливость марксова положения об экономической обусловленности появления всякого изобретения, эту задачу решили одновременно, но совершенно независимо друг от друга и совершенно различными методами, в Англии – Чарльз Парсонс и в Швеции – Густав де Лаваль. И совершенно так же, утверждая марксово положение о том, что всякий научный труд, всякое открытие и изобретение являются общим трудом и очень мало принадлежат тому или иному отдельному лицу, – паровые турбины являются результатом предварительной работы многих лиц, живших в разные времена и в разных странах. Если же история современного турбостроения открывается биографией Лаваля, то лишь благодаря тому, что его гениальной находчивости обязано турбостроение разрешением труднейших технических задач.

Турбина Лаваля

Впоследствии, вспоминая о клостерском периоде своей жизни и преследовавших его в это время идеях, Лаваль писал в одной из своих записных книжек:

«Я был всецело проникнут истиной: большие скорости – вот истинный дар богов! Я уже в 1876 году мечтал об успешном применении пара, направленного непосредственно на колесо для получения механической работы. Это было смелое предприятие. В те времена употреблялись лишь малые скорости. Скорости, позднее достигнутые в сепараторе, в то время казались невероятными, а в современных учебниках писалось о паре: жаль, что плотность пара так мала, что не допускает даже мысли о применении его на колесе для создания энергии… И все-таки мне удалось осуществить мои смелые мечты».

В этом признании, свидетельствующем, что Лаваль отдавал себе полный отчет в том, какое значение может иметь смутная идея, родившаяся в его сознании в Клостере во время неудачного опыта с пескоструйным аппаратом, нет ничего преувеличенного.

Следует напомнить, что в то время, когда идея паровой турбины впервые возникла у Лаваля, не было еще произведено достаточной подготовительной работы. Правда, паровая турбина, как мы уже видели, являлась древнейшим тепловым двигателем, существовавшим еще задолго до появления паровой машины, но, несмотря на массу проектов, возникавших в течение многих лет, никому еще не удавалось эту паровую турбину превратить в практически применяемый двигатель.

Только большая научная подготовка, настойчивость и неоспоримый изобретательский талант могли помочь Лавалю поставить на службу человечеству неслыханные дотоле большие скорости, даваемые паровой турбиной.

Первые работы Лаваля в области паровой турбины имели своей непосредственной целью создать простой и дешевый двигатель для сепаратора.

Для приведения во вращательное движение оси сепаратора с большим числом оборотов требовались специальные механизмы или же специальные двигатели. В ручном сепараторе Лаваля применялась зубчатая и червячная передача от рукоятки, делающей 40 оборотов в минуту, к шпинделю, делавшему 7 тысяч оборотов за то же время. В механических сепараторах, работавших от конного привода или от паровой машины, эта передача делалась ременной к промежуточному шкиву на горизонтальной оси, а от него уже шла канатная передача к шкиву на шпинделе.

Лаваль очень хорошо помнил, какую мускульную силу нужно было затрачивать ему и Зундбергу для приведения в действие сепаратора в те времена, когда на Регеринсгатане толпились любопытные, которым Лаваль должен был, обливаясь потом, демонстрировать свою машину.

Чтобы избавиться от сложной и неудобной передачи, требовавшей дополнительной механической энергии, Лаваль с самого начала пришел к мысли вращать шпиндель сепаратора с помощью реактивного турбинного колеса, являющегося не чем иным, как «эолипилом» Герона Александрийского.

Передачи Лаваля для увеличения числа оборотов сепаратора

В самом начале 1883 года Лаваль построил такой первый турбинный сепаратор. Английский патент, взятый им 2 апреля 1883 года, означенный № 1622, на турбину, «работающую паром или водой», и был первым патентом Лаваля в той области техники, которая принесла ему мировую известность.

Эта турбина представляла собой С-образное колесо, состоящее из двух изогнутых труб. Колесо было насажено непосредственно на оси сепаратора. Свежий пар, давлением не менее четырех атмосфер, выходил из этих изогнутых трубок и реактивным действием выходящей струи приводил в движение колесо.

Лаваль не придавал слишком большого значения этой своей работе и, демонстрируя турбинный сепаратор друзьям, заметил:

– Достоинство этой турбины – ее простота… Я думаю, что она поможет распространению наших машин, так как установка парового котла для нее легко может быть осуществлена даже в небольшом хозяйстве.

Вслед затем на рынок было выпущено несколько подобных турбинных сепараторов, однако они не получили распространения. Вопреки предположениям изобретателя, сепараторы эти оказались совсем неэкономичными: турбина расходовала слишком много пара. В то же время изготовление турбинных колес при тогдашнем состоянии машиностроительной техники обходилось очень дорого, и они были далеки от совершенства.

Турбинный сепаратор Лаваля и турбинное колесо

Впрочем, впоследствии подобные турбинные сепараторы в несколько усовершенствованном виде вновь начали строиться и получили распространение, так как удалось значительно понизить расход пара их турбинами.

Но кроме сепаратора, во всяком случае, эта первая турбина Лаваля нигде не применялась.

Раз занявшись турбиной, Лаваль все-таки хотел довести конструкцию турбинного сепаратора до совершенства, обеспечивающего таким сепараторам практическое применение. Неудача с первой турбиной к тому же затрагивала его самолюбие, и ему хотелось оправдать веру друзей в его конструкторский талант.

Продолжая разрабатывать конструкцию, он в 1886 году построил второй турбинный сепаратор с тем же реактивным колесом. Колесо состояло на этот раз из прямых каналов, снабженных конусообразными выходными насадками, с подводом пара через полую ось. Но и эта турбина, в принципе ничем не отличавшаяся от первой, также не помогла распространению турбинных сепараторов.

Однако в дальнейшем эти конические насадки сыграли решительную роль в истории создания турбины.

Дело в том, что эти насадки, как это заметил Лаваль при первых же опытах с ними, представляли собой замечательный аппарат для более совершенного использования кинетической энергии пара. Пар, под влиянием разности давлений в начале и конце этих насадок, проходя через них, получал ускорение вследствие перехода потенциальной энергии пара в его кинетическую энергию, живую «ветровую» силу.

Изобретательному уму Лаваля, сделав это наблюдение, легко было заключить, что если этот пар с полученной скоростью его истечения направить этим же самым аппаратом на лопатки рабочего колеса, то он произведет давление на лопатки, оказывающие ему сопротивление, и, отдавая им часть своей энергии, заставит колесо вращаться.

Таким образом, напав на мысль – это было в 1886 году, десять лет спустя после случая в Клостере – применить коническую насадку как аппарат для преобразования потенциальной энергии пара и поместить эту насадку как направляющий аппарат перед лопатками рабочего колеса, – Лаваль перешел от опытов с чисто реактивной турбиной к турбине чисто активной. Иными словами, мысль изобретателя от эолипила обратилась к другой готовой технической форме, к знаменитой машине Джиованни Бранка, той самой машине, о которой принято было думать, что струей пара никогда нельзя получить сколько-нибудь значительной силовой мощности.

Восставая против этого общепринятого мнения, Лаваль с гениальной простотой решил задачу, несмотря на чрезвычайные трудности, которые тотчас же встали перед ним, как только он взялся за осуществление идеи.

Теперь уже речь шла не о специальном двигателе для сепаратора, – Лаваль это отлично понимал. Перед ним стояла задача постройки того быстроходного двигателя, которого требовала современная промышленность.

Лаваль ни на минуту не сомневался в практическом успехе своего будущего создания. О закулисной борьбе против всякого нового двигателя, которую должен будет повести капитал, вложенный в паровые машины и в их производство, о сопротивлении предприятий, уже освоивших паровые машины и не расположенных тратить время и средства на освоение нового двигателя, он, конечно, не думал.

Все дело заключалось, как ему казалось, только в технических трудностях, а на преодоление их у него было достаточно теперь не только энергии, опыта, знаний, но и материальных средств в виде акций процветающего «Сепаратора», которым командовал изумительный Бернстрем.

Материальные условия для развития деятельности Лаваля были в это время очень благоприятными. Человек скромных потребностей, интересовавшийся лишь тем, что имело непосредственное отношение к технике, он тратил все свои огромные средства только на оборудование своих мастерских и лабораторий и ничего – на себя. Он не курил, он с отвращением, уступая просьбам, пил вино в редких и очень торжественных случаях; единственным его пристрастием было крепкое кофе. Он был расчетлив в житейских делах, но на свои опыты, он никогда не жалел никаких денег. Для этой цели он постепенно продавал принадлежавшие ему акции «Сепаратора», с каждым днем все выше и выше оценивавшиеся на бирже, и укреплял материальную базу для своих изобретательских работ. Он понимал, что готовое изобретение может вернуть ему все затраченные средства, но что капиталистическое хозяйство не даст ему ни одного гроша для предварительных опытов и изысканий.

К моменту возникновения идеи турбины Лаваль, осуществив свои мечты, имел прекрасную лабораторию и строящиеся мастерские. У него работал штат техников и инженеров. Весь тогдашний квартал между Хантверкарегатаном и озером Мелар, влево от Пильгатана, принадлежал Лавалю. Здесь располагались его мастерские и лаборатория, где производились самые разнообразные опыты, начиная от ветряных двигателей и кончая ацетиленовыми лампами.

С величайшим энтузиазмом Лаваль взялся за осуществление паровой турбины, мысль о которой так долго вынашивалась им.

Теоретически вопрос для изобретателя был ясен.

Полная работа пара в проектируемой им турбине разделялась на два процесса: во-первых, преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, и во-вторых, передача кинетической энергии пара движущимся частям машины – лопаткам колеса.

Первая часть работы пара, а именно преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, должна была совершаться в особом аппарате, построенном на принципе конической насадки. В нем давление пара наиболее полно преобразовывалось в скорость истечения. Этот аппарат, получивший впоследствии известность как «сопло Лаваля», представляет собой коническую трубу с постепенным расширением к выходу. Расширяющееся сопло позволяет понизить давление пара, подводимого из котла, и повысить скорость его истечения до скорости, значительно превышающей скорость распространения звука.

Получив 29 апреля 1889 года патент на применение этого аппарата в турбине, Лаваль перешел к решению всей проблемы в целом.

Этому предшествовали опыты в мастерских. Задача, которую он в эти годы решал, заключалась в том, чтобы превратить полученную при расширении пара энергию в механическую работу турбинного колеса с одним рядом лопаток на нем.

Турбина Лаваля

Задача эта, легкая на первый взгляд, оказывалась в действительности чрезвычайно трудной. Возбужденный, небритый, питавшийся едва ли не одним крепким кофе, Лаваль то просиживал целые ночи за письменным столом, то безвыходно с медвежьим терпением трудился в мастерских, то бродил, как помешанный, с пустыми глазами, из комнаты в комнату, снова садился к столу и считал и чертил и вновь пересчитывал, и вновь перечерчивал. Иногда он раскрывал старые руководства и новые теоретические исследования и бросал их с досадой, натыкаясь повсюду на ошибки расчетов, опытов и заключений.

«Что нужно?» спрашивал он самого себя, как строгий учитель растерявшегося школьника, и вслух заставлял себя твердить, как заданный урок:

– Прежде всего скорость турбинного колеса на окружности должна быть чрезвычайно значительной для того, чтобы результаты оказались экономически выгодными. Для достижения такой большой окружной скорости при колесе не слишком больших размеров нужно иметь неслыханное число оборотов колеса, порядка 20–30 тысяч оборотов в минуту…

О, эти скорости вполне соответствовали творческим стремлениям Лаваля! Но как сконструировать вал и подшипники, которые давали бы возможность без вибрации работать турбинному колесу с такой неслыханной скоростью? и как добиться прочности и уравновешенности турбинного диска?

В самом деле, если представить себе колесо, диаметром всего полметра, делающее 30 тысяч оборотов в минуту, т. е. имеющее окружную скорость в 340 метров в секунду, и допустить, что это колесо не сбалансировано на периферии хотя бы только на один грамм, то центробежная сила, которая при такой скорости возникнет, разнесет на куски все колесо!

Этот турбинный вал, это турбинное колесо теоретически готовой машины, но практически еще далекой от осуществления, преследовали Лакали даже во сне. Он видел, как диски разлетались на куски, разбивавшие стены противоположных домов, калечившие людей. Просыпаясь в ужасе, он опять садился за стол, пил кофе и думал. Не было сил, которые могли бы остановить творческое воображение этого упрямого человека, как ни велики были трудности, но ведь где-то в природе существовали же и законы их преодоления.

И Лаваль продолжал искать.

В мастерских опыты не прекращались. Применять для турбинного колеса обыкновенный жесткий, мощный вал оказывалось совершенно невозможно: во время опытов с такими валами в турбине при скорости 30–40 тысяч оборотов, машина легко приходила в дрожание, вал изгибался, и немыслимо было добиться хотя какой-нибудь надежности в эксплуатации. Опыты повторялись при самых разнообразных условиях, но вибрации машины устранить не удавалось. Надо было что-то принципиально изменить, и, бросая все, Лаваль снова и снова начинал искать выхода из положения.

Поиски были безуспешны до самого конца 1888 года. И как это часто бывает в трудных положениях, выход был найден, но совсем не там, где искал его Лаваль. Задача решалась не жесткостью, мощностью и прочностью системы, к чему стремился Лаваль сначала, а, наоборот, ее чрезвычайной гибкостью и податливостью.

Решению задачи предшествовало знакомство Лаваля с изобретателем этой системы, бароном Бетгольсгеймом, который в это время явился в Стокгольм по приглашению Бернстрема для переговоров о покупке его знаменитого патента «Альфа» акционерным обществом «Сепаратор».

Это был очень серьезный шаг нового директора общества. Хотя Лаваль, занятый в своих мастерских, давно уже отвлекся от непосредственного участия в делах «Сепаратора», но на этот раз, по настоянию друзей, он должен был принять живое участие в обсуждении стратегических планов Бернстрема, вступившего в решительную схватку со всеми конкурентами общества на мировом рынке.

Лаваль был нужен правлению и в качестве технического советника, так как в данном случае речь шла не только о чисто коммерческом предприятии, но и об изменении конструкции сепараторов, до сего времени выпускавшихся в продажу.

Планы Бернстрема сводились к тому, чтобы с патентом Бетгольсгейма выпустить на рынок машину, с которой вообще немыслимо было бы конкурировать.