Экономичный двигатель | ТМ 1939-09

Инж. И. ПОЛЯШОВ

Современные паровые машины, турбины и двигатели внутреннего сгорания, несмотря на все своё совершенство, не удовлетворяют требованиям передовой техники. Наиболее передовая машина — двигатель внутреннего сгорания — сложна, капризна в работе и, хотя считается очень экономной, на самом деле пожирает огромное количество дорогого жидкого топлива; при этом больше двух третей горючего выбрасывается «на ветер» в виде выхлопных газов. Невелика и мощность этих двигателей. Так, например, бензиновые моторы, применяемые в авиации, наиболее крупные, имеют мощность не свыше 2 тыс. л. с. Между тем новейшие бомбардировщики нуждаются в гораздо более мощных двигателях. Правда, можно поставить на самолёт не один, а несколько моторов (и так нередко делают), но это не всегда даёт хорошие результаты. Многомоторный самолёт обладает значительно большим лобовым сопротивлением в сравнении с одномоторным, отличается сложной конструкцией и требует весьма тщательного ухода в полёте; он, как правило, менее устойчив, чем одномоторный самолёт. Недаром великий лётчик В. П. Чкалов говорил, что один мотор —  100% риска, а четыре мотора — 400% риска.

Площадь лобового сопротивления у четырехмоторного самолета значительно больше, чем у одномоторного.

Мощность наиболее крупного нефтяного дизель-мотора не превышает 30 тыс. л. с. А большие морские суда, особенно военные, нуждаются в мощности до 200 тыс. л. с. и больше. Создать двигатель внутреннего сгорания такой мощности нельзя. Если же ставить несколько двигателей, то они займут огромную площадь; между тем на морских судах площадь ценится очень дорого. Помимо этого, двигатели внутреннего сгорания во время работы вызывают дрожание корпуса судна, что на военных кораблях затрудняет точную наводку при артиллерийских и торпедных стрельбах.

Поэтому в военно-морском флоте предпочитают паровые турбины, хотя они не так экономичны, как двигатели внутреннего сгорания, и занимают много больше места. Паровая турбина может быть очень мощной; работает она спокойно, без вибрации, надёжна и проста в управлении. Но для неё требуется тяжёлая и громоздкая котельная; это обстоятельство не позволяет применить турбину в тех случаях, когда морскому кораблю (например, торпедному катеру) требуется двигатель мощный, но лёгкий и небольших размеров.

Вот почему в ряде стран изобретатели и конструкторы стремятся создать новый двигатель, который сочетал бы положительные качества дизеля (экономичность, быстроходность, небольшой вес) и паровой турбины (большая мощность, простота конструкции, спокойный ход, без толчков и вибраций). Подобным двигателем может быть турбина внутреннего сгорания.

В настоящее время существует уже несколько типов новых турбин, но все они пока ещё опытные; работа над ними не вышла из стадии лабораторных исследований и испытаний. Однако предварительные итоги их работы позволяют специалистам утверждать, что турбинам внутреннего сгорания принадлежит огромное будущее.

Каков же принцип действия нового двигателя? По существу, он сочетает в себе принципы работы паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания.

Схема работы турбины внутреннего сгорания.

В небольшой камере сгорания, расположенной около рабочей части турбины, сжигается топливо. В результате горения образуются газы, и давление в камере быстро возрастает. Газы устремляются в сопло (короткая трубка с узким выходным отверстием). Выходя из сопла, газы приобретают ещё большую скорость и направляются на лопатки рабочего колеса турбины. Под действием стремительных потоков газа колесо турбины начинает вращаться.

На этом рисунке слева видно рабочее колесо турбины внутреннего сгорания. Справа — компрессор, подающий воздух в камеру сгорания.

Чтобы обеспечить хорошее горение топлива, необходимо подавать в камеру свежий нагретый воздух. Подача воздуха осуществляется с помощью компрессора; по пути в камеру горения воздух прогревается отработанными газами.

Таким образом, в новом двигателе топливо сжигается так же, как в обычных двигателях внутреннего сгорания, а работа газа на лопатках ничем не отличается от действия струи пара на рабочее колесо паровой турбины.

Турбина внутреннего сгорания не нуждается в котельной; работает она спокойно, без всякой вибрации. Конструкция её также проста; такие громоздкие части, как кривошипный механизм и маховик, отсутствуют. Но наиболее ценными достоинствами нового двигателя являются его компактность и возможность получить в одном агрегате очень большую мощность.

Все эти положительные качества турбины внутреннего сгорания сулят ей широкое распространение в самых разнообразных областях техники — в промышленности, железнодорожном транспорте, морском флоте. Установка новых турбин на военных кораблях в несколько раз увеличит радиус их действия и позволит ставить более мощное, тяжёлое вооружение.

Особенное значение новый двигатель имеет для подводного флота, где усилия конструкторов давно уже направлены к тому, чтобы уменьшить вес двигателя.

Настоящий переворот сулит турбина внутреннего сгорания в авиации. Одной-двух таких мощных турбин будет вполне достаточно для самого большого самолёта. Чтобы использовать всю мощность этих двигателей, придётся ставить несколько винтов. Облегчение веса моторов даст возможность повысить полезную нагрузку самолёта и увеличить дальность полёта.

На больших высотах мощность бензиновых моторов быстро падает вследствие понижения плотности воздуха. Что касается турбины внутреннего сгорания, то до известной высоты (примерно до 10 километров) условия её работы будут улучшаться. Объясняется это тем, что благодаря падению температуры и давлению атмосферы охлаждение камеры сгорания и рабочего колеса улучшается. Это, в свою очередь, уменьшает расход энергии на работу компрессора.

Турбина внутреннего сгорания благодаря своей компактности сможет заменить поршневой двигатель в торпедах Уайтхеда. В Америке такие торпеды уже имеются. Они отличаются быстроходностью и большим зарядом.

Так примерно устроена торпеда с турбиной внутреннего сгорания (верхний рисунок). Внизу изображено схематическое устройство торпеды Уайтхеда с обычным двигателем.

Новый двигатель наиболее экономен из всех существующих типов тепловых двигателей. Теоретически он сможет превращать в полезную работу до 70% сжигаемого топлива. Только гидравлические двигатели обладают немного большим коэффициентом полезного действия. Из этого можно заключить, что в дальнейшем энергия, вырабатываемая турбиной внутреннего сгорания, приблизится по своей стоимости к самой дешёвой в мире энергии гидростанций.