Юный техник, 2000 № 11 - страница 11

Выход из положения — позволить газу продолжать течение в условиях, когда плотность его может уменьшаться. Для этого вслед за сужением надо бы установить расширяющийся раструб.

Такие рассуждения и приводят нас к соплу Лаваля. В нем скорость газа может в несколько раз превысить скорость звука. А его кинетическая энергия на 95–98 % соответствует той части тепла, которая теоретически может перейти в работу (рис. 2).

А теперь небольшое отвлечение. В 1990 году издательство «Знание» выпустило книгу «Огонь в упряжке», авторы А. Моравский и М. Файн. В ней говорится, что сопло такого типа было изобретено еще в 1848 году ван Ратеном (английский патент № 11800). Лавалю тогда было около трех лет. А свою турбину он создал лишь через сорок лет. Стало быть, сопло он изобрел хоть и самостоятельно, но заново. Однако надо учесть, что за такой срок авторские права перестают действовать, а заключенная в патенте идея становится достоянием всего человечества.

Так что сопло назвала именем Лаваля молва человеческая.

Ван Ратен в свое время не нашел полезного применения своему соплу. Во всяком случае, турбину на его основе он не создал. И вот. видимо, почему.

Скорость истечения пара из его сопла достигала 700–800 метров в секунду. Для того чтобы использовать эту энергию, такой же должна была быть и окружная скорость турбинного колеса. Но материалов, которые могли бы ее выдержать, не было в помине. Не появились они и во времена Лаваля. Однако он эту проблему сумел преодолеть.

Начал он с того, что придал лопаткам турбины особую форму. Теперь она могла «поймать» всю кинетическую энергию пара даже при скорости, в два раза меньшей.

Но и такую скорость обычный цилиндрический диск выдержать не мог. Тогда Лаваль додумался придать ему особую форму, при которой разрывающие его центробежные силы минимальны. Теперь ротор турбины мог выдерживать окружную скорость в 440 м/с. Но турбина еще не была работоспособна. При изготовлении ротора центр его масс всегда оказывался не на оси вращения, а где-то сбоку. Это приводило к вибрации, которая быстро разрушала вал. Казалось бы, отсюда следовало сделать вал как можно толще. Но Лаваль поступил наоборот. Насадил ротор на очень тонкий гибкий вал. И когда ротор начинал вращаться, вал изгибался до тех пор, пока центр масс не оказывался на оси вращения. Вибрация прекращалась.

Было в турбину заложено и много других технических хитростей. В свое время она производила большое впечатление на современников. И казалось, она должна была изменить мир. Но из-за громадных скоростей вращения места ей в большой энергетике так и не нашлось. Вероятно, турбина Лаваля стала бы со временем диковинным устройством. Однако многое изменилось, когда пришло время ракетной техники. Первым нашел применение соплу Лаваля К.Э.Циолковский в 1898 году, предложив космическую ракету с жидкостным реактивным двигателем.

Существовавшие в то время пороховые ракеты использовали простое сужающееся сопло. В результате скорость истечения продуктов сгорания была в 2–3 раза, а дальность полета в 4–9 раз ниже возможных. Использование же сопла Лаваля в ракетных снарядах наших «катюш» стало одной из главных причин успеха этого оружия.

Такими соплами оснащаются и все жидкостные реактивные двигатели. Правда, их форма несколько отличается от классического сопла Лаваля. Что позволяет уберечь их от расплавления и более полно использовать энергию продуктов сгорания (рис. 3).

Рис. 3

Ракетный двигатель — это, в сущности, комбинация камеры и сопла. Мощность одиночного двигателя большой ракеты может достигать 36 миллионов кВт при весе менее одной тонны! Мощность турбонасосного агрегата для подачи в него кислородно-водородного топлива более 80 000 кВт. Это крохотное, размером с ведро, устройство состоит из центробежного насоса и турбины Лаваля. Вот где она нашла себе достойное применение!

Огромная мощность реактивного двигателя, в сущности, мощность покидающего его потока газов. Он отдает ее ракете полностью, когда та движется со скоростью истечения газов. Сам поток в этом случае относительно Земли неподвижен. Но ракета, особенно космическая, использует двигатели только для разгона. Скорость ее постоянно меняется. По этой и другим причинам на пользу дела идет лишь небольшая часть энергии двигателей. КПД ракеты меньше, чем у паровоза.