Зверь лютый Книга 34. Движуха

Такое требует определённых качеств, которые не у всех.

* * *

Наконец, поток идей, как явно бредовых, так и выглядевших просто сомнительными, несколько ослабел. А подчёркнуто скучающе-презрительная физиономия Прокуя меня достала.

— Так, ребятки. Старших по топке, трубкам, холодильникам, перегревальникам — видите. У кого мысля вдруг рОдится — отловили и сказали. Не ленитесь, а то стыдно будет. Если сказал глупость — быват. Повод понять и поумнеть. Промолчал — так дураком и остался. А если с умностью промолчал... другие придумают. А ты струсил. Или — никто не додумался. Кучу работы, железа вбили, а зря. А ты знал и молчал. И кто ты после этого? Или дурак, или сволочь.

С мотивировкой понятно? — Чисто морально. Материально... они и сами постоянно видят. "Честь — по труду". Конфликты, конечно, бывают. Но — меритократия — есть объективные оценки результатов.

— А пока дальше. Пар летит-летит и прилетает... Вот к примеру, новая турбина прокуёвая. Четырёхвенцовая.

* * *

У нас — "зверинец". Нет двух одинаковых турбин. Есть аксиальные — поток пара движется вдоль оси турбины. Есть радиальные — поток пара перпендикулярен, лопатки расположены параллельно оси вращения.

Я про полный перебор — уже...? — Во-от. Вдоль вала — есть. Поперёк вала — есть. А ещё? Как в секс-частушке: "Снизу слева по косой"?

В новой "игрушке" поток пара будет идти в обе стороны от середины вала к торцам.

Не ново. С вт.пол.19 в. — минимум.

Не ново — для меня. И я очень рад, что Прокуй сам до этого додумался.

КПД турбины становится максимальным когда скорость лопаток примерно равна половине скорости пара; поэтому первые турбины (в РИ) имели очень высокие скорости вращения. У Лаваля скорость пара выше 1 км/сек, давление 4 атм.

Чисто для сравнения: скорость звука — 0.331 км/сек. При росте давления и температуры — растёт. У Лаваля примерно 2 Маха. Сверхзвук. Хотя, конечно, ещё не гипер.

Причина: эм-ве-квадрат-попалам. Кинетическая энергия струи пара. Котлы маломощные, "эм" — маленькое. И Лаваль придумал своё сопло, чтобы повысить скорость, чтобы разогнать пар. "Сделать из дерьма конфетку" в части газодинамики.

Дальше — КПД. Хочешь КПД — позволь турбине крутится быстро.

"Быстро" — хорошо. Но — плохо: опасность разрушения вращающихся частей под действием центробежных сил.

Для сравнения. Одна из серийно выпускавшихся турбин Лаваля (тираж — от четверти миллиона шт.): 20 см — диаметр диска, 5 мм — высота лопаток, 30 тыс.об/мин. Мощность — 20 л.с.

Линейная скорость обода V = 2?R/T = 2?*0.1/(1/(30000/60))=314 м/сек.

Центробежное ускорение: aц = V2/R = (314)2/0.1 =985960 м/сек2.

Т.е. ~100 тыс. g.

Через десять лет Лаваль стал строить турбины в 500 л.с. при 10 000 об/мин.

Для сравнения: Lexus LFA (V10, 4.805 куб.см, 560 л. с.) — 9 тыс. об/мин.

Лаваль изначально использовал обычные стали. Видимо, бессемеровские. Сваренные по "шведскому способу", который сам же и придумал чуть раньше.

Скорость пара пропорциональна отношению давлений на входе и на выходе. Максимальная скорость в суживающемся сопле — при отношении, приблизительно равном двум; дальнейшее повышение перепада давления уже не влияет.

А вообще-то он делал сепаратор для молока. Крутил рукоять (ручной привод, 40 об/мин), получая на выходе 7 тыс.об/мин. Как-то ему пришлось целое лето этим заниматься.

Тема из недавних моих подсказок Прокую. Сопла-то он поставил. Но начал играться с их конфигурацией. При расширении сопла больше 8-12® идёт срыв струи пара в турбулентность. По простому: моща падает.

Турбины бывают активные и реактивные.

"Шар Герона" — реактивный.

Чарльз Парсонс пошёл другим путём.

В его турбине пар расширяется проходя 15 ступеней, каждая из которых состоит из пары венцов лопаток: один — неподвижный (направляющие лопатки на корпусе турбины), другой — подвижный (рабочие лопатки на валу).

Венцы — медные кольца с лопатками под 45® в противоположные стороны.

Пар расширяется в междулопаточных каналах неподвижных лопаток, скорость его растёт, он отклоняется, попадает на подвижные лопатки и заставляет их вращаться. В междулопаточных каналах подвижных лопаток пар также расширятся, на выходе — ускоренная струя.

При многих венцах высокая скорость вращения не нужна. На каждой ступени давление падало на 10%, максимальная скорость пара — 1/5 скорости струи в турбине с одной ступенью.

"Турбины Парсонса были такой же эпохальной отличительной чертой "Дредноута", как и орудия большого калибра".

Тут есть продолжение. У Парсонса все лопатки плоские, только фаски на краях сняты. А я знаю, что подвижные и неподвижные лопатки — разные. Первые — ковшом, вторые... в плане на запятую похожи.

Я Прокую об этом толковал — пропустил мимо ушей. А зря: средние венцы на его новом аппарате — неподвижные. Туда бы "запятые" и поставить. И, конечно, венечных пар должно быть больше.

Будет, наверное. Если не пришибу своего "глав.меха".

Недостаток лавалевых турбин в их достоинстве — высокая скорость. Потому что рабочие машины — медленные. Для корабельных винтов (1-2 тыс.об/мин) нужно строить громоздкую зубчатую передачу. Подсобный механизм раз в пять больше основной части машины.

Я всё жду, когда ж мои умники сделают следующий шаг. Или для этого надо быть не механиком, а адвокатом, как Чарльз-Гордон Кертис?

В 1896 г. Кертис объединил турбины Лаваля и Парсонса в многоступенчатую импульсную. Кпд ниже, чем у Парсонса, однако сама намного меньше и проще по конструкции — более пригодна для простых и мобильных приложений.

"Мобильные приложения" здесь — не в Apple AppStore, Google Play и пр.

Другая тема, которая пойдёт в новую турбину Прокуя и, может быть, во все остальные — виброгаситель. Он же — подшипник Парсонса.

Каждый вал имеет свою критическую скорость вращения, при которой даже небольшой разбаланс создает значительное изгибающее усилие. Связана с собственной частотой поперечных вибраций вала (резонирует и разрушается). А на скоростях, больших критической, вал вращается устойчиво. Но разбаланс все-таки приводит к отклонению вала. Чтобы избежать повреждений, вал устанавливают в подшипниках, допускающих небольшие смещения.

Подшипник Парсонса допускает боковые смещения и гасит вибрации. Чередующиеся кольца: одни плотно охватывают вкладыш (внутри которого вал), не касаясь корпуса турбины, другие плотно прижаты к корпусу, не касаясь вкладыша. Весь набор колец поджат пружиной. Винтовой насос нагнетает масло в подшипник.

Похоже на подшипники с масляным клином, которые мы используем. Но вот пружина... Интересно попробовать.

Ещё одна идея: впуск пара не с торца, а середины вала.

Эту идею Прокуй и должен проверить в своём очередном изделии.

Пар подводится к средней части. Здесь поток разделяется и идёт к концам. Объем пара одинаков. Каждая струя проходит через равное количество венцов.

Одно из преимуществ: продольные силы, возникающие за счет давления пара на лопатки турбины, в точности уравновешиваются. Отпадает необходимость в упорном (осевом) подшипнике.

Забавно сравнивать изобретателей. Оба понимали в теплотехнике: в отличие от Уатта, в их время уже была кое-какая теория. Но дальше Лаваль больше увлекался механикой, а Парсонс — управлением. Хотя наиболее эффективным оказался Кертис: изучал и комбинировал патенты.

* * *

— Прокуй делает турбины. Большие, тяжёлые, мощные. Это дело основное. За это — честь ему и хвала.

Обрадовался. Моей публичной похвале. Честолюбив мой глав.мех. Только... мы ж с тобой столько лет вместе — неужели не запомнил, что не все мои похвалы чисто "боженька пяточками по душе"?

— Кроме его лопаточных турбин есть и другие. Где она у меня тут? Ага. Турбина Теслы.

* * *

Факеншит! От знатоков ожидаются вопли "О!" и легенды веером. Разной направленности.

Сам Тесла лично обещал 5 л.с. с фунта веса. В контексте: как всё это будет здорово работать в авиации.

У меня в 12 в. самолёты не летают, задачи другие.

* * *

— Это... это для плотников?

— ???!

— Ну, ежели там теслы... Тесать же?

Мда. Логично.

Тесло — плотницкий инструмент, род топора с поперечным лезвием, как у мотыги. Теслы на "Святой Руси" многочисленны и разнообразны. Я больше с бондарными знаком. Был в первую осень на Стрелке эпизод, когда у нас бочара убили, а бочкотары надо было много. Пришлось чуток в руках и тесло подержать. Такое... с выпуклым лезвием.

— Нет. Был мужик. По прозванию Тесла. Вот он такое и придумал.

Коля! Прости! Что мужиком назвал. Или правильнее по-сербски: извинявам се? Хотя в конструкции: "настоящий мужик"... Скорее — комплимент. И есть за что: столько раз кидали, насмехались, топили, а всегда поднимался.

Показываю, рассказываю. Выжимка из патента US 1061206:

"Да будет понятно, что я, Никола Тесла, гражданин США, живущий в Нью-Йорке, изобрёл новое и полезное усовершенствование в Роторных движках и Турбинах, которое описываю ниже".

Патентного права в этом мире нет, до рождения правообладателя ещё семь веков — толкаю как своё.

Идея вязкости, "прилипания" частиц жидкости или газа к твёрдой поверхности, воспринимается спокойно.

— Стопочка дисков, дуем сбоку. Они крутятся. Понятно?

На уровне идей — никаких вопросов. Потом пошли подробности. Канавки на крышках корпуса, профили сопла, профили окон для "слива" рабочего тела, точность обработки поверхностей диска, выступы, шайбы (лучше крестовидные), давление на входе.

* * *

Чисто например: ротор — 21 диск, диаметр 186 мм, толщина 1,5 мм, торцевые диски — толщина 3 мм, разделяющие шайбы толщиной 0,5 мм. Вал — диаметр 15 мм, ступенчато сужается на концах до 12 мм. Вес ротора 20 фунтов, вес собранного агрегата — пуд с четвертью.

"Крутящий момент турбины прямо пропорционален квадрату скорости среды относительно ротора и площади дисков, и обратно пропорционален расстоянию между ними. Поэтому важно минимальное расстояние между дисками".

Для этого — выступы. Не надо "громких слов" — просто не пробитые до конца отверстия в дисках.

"Отступив ~15 мм от края диска, прочертить окружность с обеих сторон. Окружность поделить на 8 равных частей. В этих точках пробить небольшие лунки. Молотком и кернером. На другой стороне диска — то же самое, точки должны оказаться между уже пробитыми выступами. Имеем диск с шестнадцатью выступами, по восемь с каждой стороны. Высота выступа равна, или чуть меньше, расстоянию между дисками. Выступы делаются не на всех дисках, а через один. Центральный диск гладкий, потом два с выступами, опять два гладких и т.д. Крайние диски гладкие. Расстояние между дисками 0,5 мм".

Куда проще святорусской ювелирки.

Чем меньше конструкция, тем выше необходимая точность. Минимальные зазоры между дисками, их равномерное распределение, зазор между дисками и стенками турбины...

Сопло Лаваля. Говорят, что использовать сверхзвуковую струю в турбине Тесла нельзя: поток переходит из ламинарного состояния в турбулентный.

Опять: "это ж все знают!".

Да. Но далеко не во всех условиях.

Даже при значении числа Рейнольдса = 5000 поток между двумя параллельными пластинами остается ламинарным. Значение имеет не только свойства струи, но и конфигурация и шероховатости поверхностей.

Температура — чем выше, тем лучше. Балансировка ротора. Для получения большого крутящего момента и мощности — использовать несколько сопел.

Четыре-восемь по окружности, диаметр сопла 3-9 мм.

Степень порциальности: отношение эффективных площадей соплового аппарата к площади окружности, которую они занимают. Степень порциальности стараются доводить до максимума. В отличие от лопастной, дисковая турбина не так остро реагирует на низкую степень порциальности, эффективность хоть и снижается, но не на много. Для дисковой турбины оптимум порциальности много ниже, чем для лопастной.

Разгон ротора до 3000 об/мин — 4 сек, до 10000 об/мин — 17 сек.

Максимальный КПД на ~20 тыс. об/мин, при давлении перед соплом 5-6 атм.

КПД при давлении 1,8 ат — 21%, 2,5 ат — 33%, 3,5 ат — 49%. Дальше — больше.

* * *

— Итого: температура на входе — 237®С, на выходе — 178®С, мощность — полторы лошади, расход пара — 200 фн/ч. Все цифирьки — примеры. Как будет в конкретной установке — надо смотреть. Важно: низкие давления, невысокие температуры, приемлемые скорости. Сделать маленькую, в пядь диаметром, с одним соплом. Потом — подымать. Размеры, число дисков и сопел, давление...

— Да на кой она нужна?!

— Ты даже не представляешь сколько у неё применений. Кстати. Принцип обращения движения помнишь? Если вал крутить снаружи, то устройство работает как насос. Это отдельная тема, но насосов нужно немало. Кто возьмётся? — Вижу, очень хорошо. Запомни сразу: турбины Теслы неплохо взрываются. Это не взрыв котла, где пар работает, не разлёт лопаток. Диск рвёт. А делать их надо минимальной толщины с утонением по краю. Так что... головы берегите.

Мда. На "кирасном" железе таких дисков не сделать — неоднородно.

Забавно: вот дует ветерок над Окой, налетает на Дятловы горы. Сквознячок раздувает домну. Получаем пристойную однородность железа. Можно сделать этакую красотку от Теслы.

Связка не очевидна: есть горка — можно турбинку.

Но гарантий... Есть стандартные приёмы обеспечения безопасности испытаний. Пока был жив Квасура... Теперь придётся назначить отдельного инспектора по ТБ.

Глава 695

— Ещё одна турбина.

— Да сколько же их у тебя!

— Когда человек работает мозгами — он находит решений. Много. А тупой просто стучит головой в стенку в одном месте.

Я никаких имён не назвал. Но все поняли. Ты, Прокуй, своё раздражение попридержи. Все эти игрушки могли быть твоими. Если бы умел вести себя с людьми правильно.

— Гидропаровая турбина. Смесь воды и пара. Понятно? Почти всё, что мы тут прежде городили — не нужно. Особо горячая топка, паросепаратор, пароперегреватель, котёл высокого давления... Не нужно. Нужны две вещи: кипение — только в расширяющейся части сопла, до узкого сечения — ни кавитации, ни локального пара. И за соплом — никаких движущихся частей. А то сотрёт нафиг.

— Э... но... а как же? Лопатки же... ну, или диски-теслы... оно ж давить должно!

— А вот послушай. "Перегретая вода поступает в ротор турбины через полый вал. И там двигается сначала вдоль его оси, а затем к соплам на периферии".

* * *

Турбина Зысина. Не путать с его же холодильником. Работает на самом дрянном паре вместе с водой. Обороты 1500-3000. Выглядит как два больших таза с соплами и полым валом для подачи пара. Нет уплотнений, не страшны утечки.

Тема... интересна и в 21 в. "Определение влияния двухфазного потока на характеристики сегнерова колеса" — продолжается. Гидропаровые турбины работают, по сути, с отходами пара более мощных установок. Позволяя повысить эффективность "углеродного следа".

Про "сегнерово колесо" и ругань Эйлера по этому поводу — рассказать отдельно. И вообще оно водяное. Но "сумма идей" меня привлекает.