Текст книги "Приключения крылатого колеса"

Автор книги: Николай Григорьев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 10 страниц)

Волга в корыте

Галя Орешникова работала чертежницей. Она третий год порывалась держать экзамены в вуз. Но все ужасно неудобно устроено! Летом разве есть время готовиться, когда надо и позагорать, и волейбол не пропустить, и погостить на даче, и успеть встретить белые ночи, и не опоздать их проводить… До учебников ли?

И вдруг в делах Орешниковой все переменилось. Не отец, не мать, не товарищи – Галю усадила за учебники средневолжская турбина. Да, вот так взяла и усадила! На электрических станциях, как известно, турбины вращают генераторы. А эта, средневолжская, подняла на заводе людей; покружила, покружила их – и всех усадила учиться. Между тем сама даже еще и не родилась… Вот какая это машина!

Едва отгудит гудок, как тысячи людей с тетрадками в руках заполняют помещения библиотеки, технические кабинеты, красные уголки в цехах. Здесь выступают с лекциями профессора, инженеры, а новаторы производства сами учатся и передают свое мастерство менее искусным товарищам. Заводской техникум вынужден был расширить прием, чтобы вместить рабочих, пожелавших получить законченное образование. И тут же при заводе открылось вечернее отделение института. Все считали, что выхлопотал это Белов, даже, говорят, в Москву ездил.

Сюда в числе нескольких товарищей по работе и посчастливилось попасть Гале Орешниковой. Сейчас она на студенческой практике. Галя никогда не бывала в гидравлической лаборатории – чертежнице из конструкторского там делать нечего, а без дела по заводу не ходят. Но лаборатория приметна с противоположного берега Невы. И по вечерам, возвращаясь домой, девушка не раз любовалась красивым зрелищем: казалось, будто перед глазами хрустальная шкатулка, внутри которой жаром горят самоцветы. Все это живым росчерком отражалось в темной вечерней воде…

И вот Галя сама в лаборатории. Нетрудно было заметить, что полно воды и внутри здания. Люди ходят посуху, но это всего лишь железные мостки и лестницы в окружении воды. Вода отстаивается в больших металлических баках возле окон, струится по лоткам и стекает в подполье, где устроена обширная водяная кладовая. Оттуда насосы вновь гонят ее наверх, в баки. Этот круговорот воды создан для испытания турбин.

– Вот наша Волга, знакомьтесь, – сказала Гале лаборантка, берясь за края металлического лотка, как взялась бы дома за корыто. Потом кивнула на высокий бак: – А наверху наше "Средневолжское море"…

Здесь все полуигрушечное. Совсем не так, как в конструкторском бюро. Орешникова привыкла мыслить натуральными величинами, которые в турбостроении всегда крупны. А здесь… Вот потеснили на столике "Днепровскую" турбину, чтобы поставить рядом графин; вот уборщица обмахнула щеточкой "Цимлянскую"…

Лаборантка, подобрав полы белого халата, села за пульт, который выглядел как часть парты.

– Я оператор, – сказала девушка. – Мое дело – ставить опыт. Главное – точность и никакой отсебятины. Вот программа. Смотри и запоминай.

Самый опыт прост. Вода из бака льется струйкой на лопасти турбинки и вращает ее. В действительной обстановке, на Волге, турбине предстоит титаническая работа. Ей придется вращать генератор, побуждая его вырабатывать ток, лавину энергии по три миллиона киловатт-часов ежесуточно!

Здесь, в лаборатории, только маленькая модель будущей турбины, и работа ее скромна. Чтобы испытать силу тяги турбинки, ее не приключают ни к какому генератору. Делают проще – тормозят деревянным клинышком. От клина идет рычаг, на длинном конце которого чашка весов. Оператор меняет гири, и от этого клин прижимается к колесу то плотнее, то слабее. Разнообразят и струю воды, вытекающую из бака. Все по программе. И турбинка от всех этих перемен то замирает под тяжестью непосильной нагрузки, то, почувствовав облегчение, начинает крутиться с такой скоростью, что песню поет, словно волчок, вырвавшийся на свободу. А оператор с бесстрастностью летописца обозревает приборы и показания их заносит в журнал.

Такое исследование длится много дней. Потом журнал забирают инженеры-аналитики и принимаются изучать записанное.

Это искусные и опытные люди. Им ведомы хитроумнейшие приемы обращения с числами. Вот инженер расстилает бумагу и заполняет всю ее числами, словно семена высевает в поле. Потом, вглядываясь в россыпь чисел, обнаруживает, что некоторые из них между собою родственники. Тут уже можно взяться за карандаш. Каждую группу чисел-родственников инженер соединяет линией. Линии то сходятся на бумажном поле, то разбегаются в стороны, прихотливо пересекаясь между собой, и это выглядит так, словно посев дал побеги. В этих хрупких побегах проницательный ум улавливает черты будущей машины.

Исследуют числа и другими способами: например, проставляют их в математические формулы и смотрят, что дает решение.

Словом, числам достается по-всякому. Загадочно-молчаливые в журнале, они – под руками инженеров – живо развязывают языки и начистоту выкладывают, что в испытанной турбинке хорошо, а что плохо.

Между тем аналитики не перестают допытываться:

– Скажите, друзья-числа, а каков у турбины КПД?

Это главный вопрос. И ответ на него, в сущности, решает: годна только что вышедшая из ванны моделька, или ее надо забраковать и готовить для испытания новую.

Но что такое КПД?

Говорящее число

Полностью, без сокращений, КПД читается так: коэффициент полезного действия. Однако и это не каждому понятно… Впрочем, зачем мудрствовать? Некоторые сложные понятия легко раскрываются через примеры. Итак, несколько примеров.

Когда первобытный человек разжигал костер, он использовал лишь ничтожную долю тепла, заключенного в дровах или хворосте. Все остальное тепло рассеивалось в воздухе и пропадало. Допустим, человеку доставалась от костра сотая доля тепла. Вот мы и скажем: КПД костра равен сотой доле, то есть одному проценту.

Шло время – сотни лет, тысячелетия… Медленно, очень медленно первобытный человек познавал мир. Однажды в костер случайно попал камень. Костер догорел и погас, а возле камня люди еще долго грелись… Счастливое открытие: камень – копилка тепла! Теперь первобытный человек, разжигая костер, уже нарочно тащил в огонь камни. Он научился лучше использовать тепло костра, а мы можем сказать, что КПД костра повысился: допустим, стал два процента.

А дальше новое открытие: если не кидать как попало в огонь, а сложить из камней клетку над костром и превратить костер в пленника, – тепла сохранится еще больше. Но у клетки щели. Наблюдая за своим очагом, человек догадался принести глины и эти щели замазать. Так появилась на свет печка. КПД печки, допустим, уже три процента… Вот какая любопытная штука КПД! Это всегда число, но в разные эпохи различное. Как зеркало, оно отражает достигнутый людьми уровень техники. И надо сказать, что в "век пара" (XIX век) люди по использованию энергии еще недалеко ушли от первобытного костра. Так, паровоз набирает в тендер и сжигает в пути горы топлива – и почти все на ветер; лишь ничтожная часть тепла – около семи процентов – преобразуется в полезную работу. КПД паровоза – семь процентов!

Те же паровые машины, но установленные на заводах, электрических станциях, рудниках, уже экономичнее. Это и понятно: здесь машины не на ветру, укрыты в помещениях, кроме того, их легче усовершенствовать, чем паровоз, который нельзя сделать ни слишком большим, ни слишком громоздким. И все-таки даже у лучших паровых машин старого типа КПД не превышает двадцати процентов. Ведь эта машина произошла от простого насоса. В своем первоначальном виде появилась она на рудниках, где горняки вели непрестанную и изнурительную борьбу с подземными водами. Основные части насоса – цилиндр и поршень – целиком перешли в конструкцию паровой машины. И сколько после этого ни совершенствовали машину, из цилиндра и поршня многого выжать не удалось.

Двадцатый век ознаменовался изобретением паровой машины нового типа. Здесь нет ни цилиндра, ни поршня. Основа новой машины – турбина, то есть колесо с лопатками; струя пара, ударяя в лопатки, приводит машину в движение. Паровая турбина показала КПД, недостижимый для машин старого, поршневого типа. У современных крупных паровых турбин КПД – тридцать и даже сорок процентов. Это много, по сравнению с тем, что осталось позади. И в то же время это еще мало, если смотреть вперед. Ведь КПД исчисляется до ста. Сто процентов – идеал, он неосуществим. Но к идеалу можно и надо приближаться.

И вот оказывается, что по величине КПД впереди всех современных машин стоят водяные турбины большой мощности. К тому же, эти машины не потребляют топлива.

Здесь КПД перевалил за девяносто… Огромная высота, но это еще не предел для современного инженерного искусства.

На мировые стадионы Олимпийских игр выходят спортсмены различных стран и наций. Они меряются мастерством, выносливостью, смелостью. И напряжение борьбы на этих состязаниях столь велико, что подчас десятая и даже сотая доля секунды знаменует победу, и мир увенчивает лаврами нового чемпиона.

Нечто подобное происходит среди машиностроителей. В странах капитализма за лучшую машину состязаются фирмы; в эту борьбу давно уже втянулись и сами капиталистические государства. С лагерем капитализма меряется силами социалистический лагерь.

Что такое хорошая машина? Это машина, которая производит изделия дешевле, чем другие подобные ей машины, будь то электрическая энергия, сахар, ситец, автомобиль, мебель или дом. А это и значит – машина с высоким КПД.

И если на спортивных стадионах мира успех оценивается в долях секунды, то в конструкторских бюро машиностроителей такой мерой служат доли процента КПД.

В материальном развитии человеческого общества для каждой эпохи характерен свой КПД. И можно заранее сказать, что наивысшего значения, близкого к слиянию с "сотней", КПД достигнет в машинах коммунистической эпохи… Так как же нам, советским людям, не драться за рекорды в мирном состязании чемпионов инженерного искусства?

Капля шипучей воды пробивает сталь

В лаборатории добивались от будущей турбины не только высокого КПД. Важно и другое: чтобы турбина, которой жить под водой, чувствовала себя в подводном царстве как дома. Беда, если турбина и вода между собой не поладят. Нет в природе стихии, более разрушительной, чем водяная. Говорят: «вода и камень точит». Да что камень – вода беспощадно уничтожает могучие стальные лопасти турбины! Отлитые из крепчайшей стали, огромные лопасти превращаются в трухлявую губку, пнешь – и нога пробивает металл насквозь.

А виной всему пена воды, та самая искристая кружевная пена, из которой в сказках рождаются красавицы русалки…

Здесь надо представить себе, как действует турбина. Вода, накопленная выше плотины, падая, вращает колесо. Дальше проваливается вниз, в гигантскую бетонную шахту, откуда с ревом подземной рекой выливается наружу.

Вот тут под турбиной и возникает пена. Чтобы объяснить это явление, обычно ссылаются на бутылку лимонада. Лимонад прозрачен, но откупорьте бутылку – и напиток вспенился. Отчего? Это освобождается газ, растворенный в лимонаде.

Значит, если давление в жидкости падает, из нее выделяется газ? Да, таков физический закон. По этому закону вода, проваливаясь под турбину, где воздух разрежен, как бы вскипает. Лопасти турбины с нижней стороны покрываются бисером воздушных пузырьков. Но каждый пузырек живет ничтожное мгновение – он лопается, и на смену ему вздувается другой. Миллионы и миллиарды пузырьков нескончаемой чередой толкутся на лопастях турбины. И каждый наносит удар: превращаясь в капельку воды, пузырек ударяет по металлу, как молоточком.

Это разрушение металла водой ученые назвали кавитацией (от латинского слова "кавитас", что значит "углубление, полость").

Можно ли бороться с кавитацией?

Борются. Вот лопасть турбины. Оказывается, достаточно придать ей небольшой дополнительный изгиб – и кавитация ослабевает. Но что за изгиб надо сделать, в какой части крыла, на каком пространстве, какой крутизны?… Все это таинственно и неуловимо, пока могучая мысль ученого и зоркий взгляд исследователя не дадут решения.

Еще о чайке

Однажды, придя в лабораторию, Орешникова увидела в раздевалке у зеркала приказ. В нем было сказано, что окончившие практику не будут отпущены из лаборатории, а зачисляются здесь же временно на работу. «Ну что ж… – И девушка почувствовала, что всем сердцем одобряет приказ. – Значит, так надо для средневолжской турбины…»

Лаборатория с односменной работы перешла на круглосуточную.

Иван Петрович Белов довольно часто бывал в лаборатории. Ведь это он направлял все программы исследований. Его плотную фигуру в белоснежном накрахмаленном халате можно было увидеть то внизу, у верстаков механиков, то под куполом, на антресолях, то в гуще змеившихся всюду труб. После такой пробежки главный конструктор обычно уединялся с начальником лаборатории и инженерами-аналитиками.

Орешникова снимала очередные показания с приборов, когда вдруг обнаружила, что профессор стоит рядом. Не поднимая глаз, она закончила работу и закрыла журнал.

– Здравствуйте, Иван Петрович.

– Здравствуйте, здравствуйте… – Профессор придвинул свободный табурет, сел. – Ну, как наши студенческие успехи?

Потом спросил, не огорчил ли Орешникову вывешенный приказ, очень обрадовался ответу и похвалил девушку за комсомольскую сознательность.

Он поднялся так же внезапно, как подошел.

Галя храбро задержала его руку.

– Иван Петрович, погодите уходить… Ну, сядьте, пожалуйста. Говорят, что с проектом у нас плохо. Это правда?

– Ну, что вам сказать? – профессор задумался. – Трудно рождается проект, очень трудно. Чайка задает-таки жару!

Из разговора девушке стало ясно, во-первых, что турбина-великан сможет жить, если будет выполнена с такой точностью, какой турбостроение еще не ведало, и, во-вторых, что ныне существующая теория расчета турбин для великана оказалась непригодной – устарела.

Вскоре по заводу прошел слух, что главный конструктор заказал новую математику. Люди пожимали плечами: "Что за чудачество? Заказать можно костюм, торт к именинам, билет в театр. Но математику… Это же одна из древнейших наук человечества!"

Однако слух подтвердился. Заказ на математику был сделан. Белов послал его в Академию наук.

Заказали новую математику

Всякий знает таблицу умножения. Но представьте, что в ней не хватало бы какой-нибудь строки, например 5x5 = 25 или 7x7 = 49? Вот бедовали бы школьники! Ведь многие задачи из задачника превратились бы в неразрешимые загадки… Пример шуточный. Но конструкторам Завода водяных колес было не до шуток, когда в математике не досчитались нескольких строк, причем таких, которые как раз были нужны для расчета турбины-великана.

Слов нет, математика – одна из важнейших наук, гордость победоносного разума человека. Математика – как могучее дерево с кроной из тысячелетней, неувядающей листвы. Только еще не все почки на этом дереве распустились: иные дремлют в зародыше. Вот от таких математически невызревших почек и страдает наука о турбинах.

Конечно, в свое время дойдут и эти почки… Но конструктор великана не может дожидаться даров математического дерева. Некогда. Торопит срок.

Рассказывают, что одна из шведских фирм (а Швеция славится турбинами) изготовила в поисках высокого КПД сто моделей рабочего колеса. Усердие шведских лаборантов похвально. Но сколько же они сидели у ванны? Пожалуй, не один год.

Нет, нам это не подходит. Не может Великан нежиться в ванне, годами пребывая в младенческом возрасте. Час его возмужания определен коэффициентом К – потребностями коммунистического строительства: восемь месяцев – и турбина должна быть уже в чертежах.

Как же поступить?

Орешникова, под впечатлением профессорского заказа, размечталась: "Вот бы Академии наук изобрести в математике такую формулу, чтобы конструктор – раз-раз! – покрутил арифмометр – и готов ответ, какими делать лопасти турбины! Сразу по формуле делай чертежи турбины – ив производство".

Мечты, мечты… Такой спасительной формулы создать невозможно. Уже школьник, начинающий изучать геометрию, знает, что в математике не все ясно и просто, как дважды два – четыре. В формуле окружности (2?R) или круга (?²) величина я не имеет точного значения. Для грубого решения задачи величину ограничивают тремя знаками: 3,14. Более точное значение: 3,1415. Еще более точное: 3,14159… и так далее.

Среди людей, выполняющих ответственные расчеты, существует даже стишок (в старой орфографии): "Кто и шутя и скоро и пожелаетъ ? узнать число, – ужъ знаетъ". Переводя количество букв в цифры, без труда напишем: 3,1415926536. Здесь одиннадцать знаков. Можно написать л при помощи сотни знаков и тысячи знаков, и все-таки оно не будет таким точным, как 2x2 = 4.

А что такое лопасть гидротурбины, если посмотреть на нее математическим глазом? Это геометрическое тело, очень сложное, представляющее собой комбинацию различных сферических поверхностей. Значит, без участия ? к расчету лопасти не приступить. А где ? – там неточность. Вот и получается, что конструкторы турбин могут получить от математики лишь приближенный ответ.

Без ванны не обойтись. Только в воде, на модельке, путем многократных проб удается восполнить неточность математических формул.

Но если от ванны не уйти, к чему это обращение к Академии наук? Может быть, и вправду заказ Белова на математику – всего лишь стариковское чудачество?

Нет, Белов и не помышлял об упразднении ванны. Важно, чтобы программа у ванны не затянулась: не сто шведских, а четыре – пять образцов в воду – и достаточно: в журнале засияет наивысший КПД!

Но такой короткий эксперимент возможен только в результате очень солидного теоретического расчета. А для солидного расчета нужны надежные формулы. Таких не существовало. Вот их и заказал Белов.

Стало известно, что в академии к заказу Завода водяных колес отнеслись с полным пониманием. Вскоре на завод к Белову приехали видные математики – москвичи и ленинградцы, побеседовали с главным конструктором и уточнили существо задачи.

Глава вторая

Упрямый волжанин

На завод явился посланец с берегов Волги от строителей станции. Похоже, второпях и переодеться не успел: на плечах его коробился брезентовый плащ, подметавший подолом тротуар; сапоги тусклые, серые от въевшейся в них цементной пыли; шляпа с рваными полями.

Там, на Волге, со дна ее поднимался новый в геологии горный хребет. Только не стихийные вулканические силы были тому причиной. Гору делали по чертежу. Строитель нажимал кнопку подрывной машинки, и на берегах реки в дыму и пламени рушились и дробились скалы, превращаясь в строительный материал. Строители садились в диковинные машины – сосущие, роющие, сверлящие, гребущие, – трогали рычаги управления, и послушные человеку стальные помощники перемещали необозримые пласты земной поверхности. Все это сваливалось в Волгу, чтобы наращивать и наращивать подводный хребет… Когда этот хребет поднимется до отметок, указанных в чертеже, он станет плотиной. Запруженная Волга разольется, как море.

Чтобы соорудить плотину, надо было кроме земли и камня готовить бетон. Для этого построили бетонные заводы. Им – задание: замесить семь миллионов кубических метров бетона. Много это или мало?

В летописях человеческой культуры, с древнейших времен до наших дней, увековечены "семь чудес" строительного искусства. Среди них – египетская пирамида Хеопса. Каждый знает ее с детских лет по картинке в учебнике. Это величайший в мире намогильник. Высота пирамиды 140 метров. Ширина у подошвы – почти полкилометра. Пирамида видна караванам, сколько бы они ни углублялись в пустыню: сперва – как гора над горизонтом, а если глядеть совсем издалека – синеет в небе, как туча… И вот, оказывается, одного только бетона на строительство станции замешивается столько, что можно сложить без малого Хеопсову пирамиду. Да камня идет на стройку восемнадцать миллионов кубометров, да земли сто пятьдесят миллионов кубометров… Ссыплем все это в общую с бетоном кучу. Тут встанет такая пирамида, что рядом с нею намогильник фараона будет выглядеть заурядным холмом…

Вот с этого волжского строительства и прилетел в Ленинград посланец. Профессор Белов тотчас принял его, отложил все текущие дела и заперся с гостем в кабинете. Волжанин, даже не передохнув с дороги, развернул перед Беловым свои строительные чертежи.

На обширном листе ватмана – голубая лента Волги и плотина, как упавшая в воду подкова. Будто сказочный конь, промчавшись над рекой, обронил ее. Своими концами подкова упиралась в берега Волги.

Стоимость гидростанции на Средней Волге исчислялась в миллиарды рублей. Огромные народные деньги; и строителям станции, естественно, захотелось удешевить работы. Подсчитали, что будет экономия, если набраться смелости и отказаться от некоторых общепринятых построек. Всякая гидростанция, как известно, состоит из двух главных частей: плотины, подпирающей воду, и здания, где располагаются машины.

Машинное здание всегда сооружается на мощном бетонном основании, как бы на искусственной скале. Внутри этой скалы-фундамента проделываются специальные колодцы-кратеры для турбин. Там же, в глубине бетонного массива, проходят каналы; один – для подачи к турбинам воды; другие – для того, чтобы отработанную воду выбрасывать наружу… Разве можно обойтись без фундамента-скалы?

"Можно, – решили строители. – Надо лишь оторвать машинный зал от берега и перетащить на плотину. Сама плотина будет ему фундаментом!"

Это было красивое и смелое инженерное решение. Выигрыш получался двойной: и в деньгах, и в ускорении постройки.

Однако что скажут те, кто готовят для станции турбины?

И строители отрядили в Ленинград на завод гонца.

Профессор, рассмотрев чертежи, изменился в лице.

– Так вот с чем пожаловали… – Требование волжан его возмутило.

Когда здание у берега, на самостоятельном фундаменте, турбостроительство вольготно: проектируй машины любого размера, какой тебе больше с руки. Помехи не будет: береговое здание все вместит.

А тут вместо здания – плотина… Турбины, спроектированные для берега, в плотине не поместятся. Надо уменьшать их размер.

Разгневанный профессор запротестовал против переделки проекта.

Всего несколько ночей, как он спал спокойно, спал дома, а не на заводе, приткнувшись где-нибудь на часок в углу. Напряжение первоначальных поисков конструкции рабочего колеса с неуверенными, а подчас и неверными шагами разрядилось. Ученые восполнили пробел в математике. Плоды их усилий были заключены в тоненькой папке. Всего несколько листков, испещренных математическими знаками, но как это было много для науки! Эти листки сразу обогатили могучую крону тысячелетнего дерева, что зовется математикой, И конструктор Белов с волнением и благодарностью из рук в руки принял новые формулы, которые позволяли без промедления закончить расчет турбины-великана. Уже достигнут решающий успех – а тут…

Профессор хмуро сказал гостю:

– Ваше требование равносильно бомбе, подкладываемой под конструкторское бюро… Но полетим вверх тормашками не только мы здесь в Ленинграде, но и вы у себя на Волге! Все сделанное конструкторами пойдет прахом. Надо заново садиться за проект… О пятилетнем сроке после этого и говорить не придется!

Волжанин встал и раскрыл объятия, как бы показывая, что все огорчения он готов принять на свою могучую грудь.

– Совмещение станции и плотины, – сказал он, – сохранит государству полтора миллиона рублей. Или для профессора Белова это безразлично? А именно так, не в пользу Белова, расценят на берегу Волги его отказ присоединиться к новаторскому решению…

Спор продолжался. Но все заметнее и заметнее гость брал верх. Наконец утомленный профессор прервал разговор и позвонил. Вошла девушка из буфета.

– Пожалуйста, чаю, – сказал профессор. – Мне, как обычно, покрепче, а ему… – он ткнул в сторону гостя, – послу от живучей еще разинской вольницы, самого сусла! Они, волжане, чаевники.

Гость встал, причесался у зеркала, опять сел.

– Что до меня, – сказал он, потирая от удовольствия руки, – то я еще и самоварник!

Профессор указал девушке место для подноса.

– Это уж извините! – повернулся он к гостю. – Самоваров на заводе не строим. Довольно с вас того, что беремся переработать проект турбины!

Он верил, что коэффициент К даже теперь не подведет его.