Эолипил Герона представляет собой простейшую форму реактивной паровой турбины.
Другой прибор, в котором работа производилась за счет кинетической энергии пара, известен под названием машины Бранка. Она описана в труде Джованни Бранка, вышедшем в Риме в 1629 году. Машина Бранка состоит из парового котла, крышкой которому служит бюст человека с тонкой трубкой во рту. Вырывающийся из трубки пар направляется на лопатки горизонтального колеса с ячейками. Прямодействующая струя пара вращает это колесо со значительной скоростью.
Машина Бранка представляет собой простейший вид активной паровой турбины.
По этим двум старинным моделям изобретатели и техники, даже не имея никаких теоретических знаний, могли видеть, что скорость пара можно использовать для получения вращательного движения двояко: или действуя струей пара на колесо, или заставляя пар вытекать из колеса. Герои и Бранк не только указывали, каким путем можно обратить кинетическую энергию пара в механическую работу, но и предлагали опытные конструкции таких машин.
Тем не менее в продолжение многих лет машины Герона и Бранка оставались только моделями и игрушками. Вероятно, благодаря тому, что на эти модели все смотрели как на игрушки, и существовало мнение, упорное, хотя и неправильное, что скорость пара нельзя превратить в работу, нельзя получить на колесе сколько-нибудь прочное мощное движение.
Это, наверное, единственный случай в истории техники, когда отлично выполненные и хорошо действовавшие модели увели людей в сторону от правильного пути, а не привели к нему. Впрочем, виновато здесь не только влияние установившегося мнения, но и отсутствие теоретических познаний.
Большое значение могло иметь и другое обстоятельство. До поры до времени паровой двигатель удовлетворял промышленность, и никто не требовал лучшего. Но, как только пришло время и хозяйство стало ощущать нужду в быстроходном двигателе, взоры конструкторов обратились к старым двигателям с непосредственным вращательным движением, к моделям Герона и Бранка. Добавим, что к этому времени налицо были и научные знания о свойствах пара, и техническая возможность строить быстроходные машины.
Попыток создать турбину, главным образом реактивную, было немало, но турбостроение до Лаваля не могло справиться с огромными трудностями конструктивного характера. Трудности рождала как раз быстроходность этих машин.
Мысль об использовании скорости пара для получения вращательного движения с большим числом оборотов появилась у Лаваля действительно еще в 1876 году, во время его пребывания в Клостере. Как-то он производил опыты с пескоструйным аппаратом, из которого струя пара выбрасывала с большой силой измельченный песок. Аппарат употреблялся на заводе для очистки чугунных отливок. Лаваль надумал применить этот аппарат для бурения горных пород, придав выбрасываемой аппаратом струе вращательное движение. Он сделал винтообразный наконечник, который и насадил на трубку аппарата, выбрасывающую струю. К его великому удивлению, этот наконечник сам стал вращаться. Сначала Лаваль ничего не понял, проделал опыт несколько раз и вдруг догадался, что выходящая из насадки струя пара реактивной силой своей вращает его.
Тогда-то он и вспомнил о забытой всеми кинетической энергии пара и подумал о возможности использования скорости пара для создания быстроходных двигателей с вращательным движением.
Практически этой идеей он прежде всего воспользовался для того, чтобы вращать сепаратор.
В апреле 1883 года Лаваль взял патент на свою «турбину, работающую паром или водой», и вслед за тем построил турбинный сепаратор.
Турбина эта представляла собой S-образное колесо, состоящее из двух изогнутых труб. Колесо было насажено на ось сепаратора. Пар давлением до четырех атмосфер, вытекая из труб, реактивным действием струи вращал колесо.
Лаваль не придавал слишком большого значения этой своей работе и, демонстрируя турбинный сепаратор друзьям, сказал:
— Достоинство этой турбины — ее простота!
Но этого достоинства оказалось недостаточно для успеха. Турбина расходовала очень много пара.
Продолжая разрабатывать конструкцию турбины, Лаваль построил другое турбинное колесо. Оно состояло из прямых труб с конусообразными выходными насадками и с подводом пара через пустотелую ось. Но и с этим колесом сепараторы не имели практического успеха. Однако во время опытов с новым колесом молодой инженер сделал открытие, что конические насадки чрезвычайно повышают скорость пара. Благодаря разности давлений в начале и конце насадок потенциальная энергия пара вся сразу превращалась здесь в кинетическую энергию.
Воспользовавшись этим открытием, Лаваль решил построить активную турбину вроде машины Бранка, но пар направить на колесо из такой расширяющейся к концу трубки, получившей в технике название «сопло Лаваля».
Теперь уже речь шла не только о двигателе для сепаратора — Лаваль это отлично понимал. Перед ним стоял призрак нового универсального быстроходного двигателя, которого требовала прежде всего электротехника.
Материальные условия для развития деятельности Лаваля были в это время очень благоприятны. Человек скромных потребностей, интересовавшийся лишь тем, что имело непосредственное отношение к технике, он тратил все свои огромные средства только на оборудование мастерских и на производство опытов.
К моменту возникновения идеи турбины Лаваль имел прекрасную лабораторию и мастерские. У него работал штат инженеров и техников. Целый квартал между Пильгатаном и озером Мелар принадлежал Лавалю. Здесь находились мастерские и лаборатории, где производились самые разнообразные опыты и испытывались всевозможные модели, начиная от ветряных двигателей и кончая ацетиленовыми лампами.
Взяв в начале 1889 года патент на применение расширяющегося сопла к турбине, Лаваль перешел к решению всей проблемы. Этому предшествовали опыты в мастерских. Задача заключалась в том, чтобы превратить скорость пара в механическую работу колеса с одним рядом лопаток на нем.
Задача эта, легкая на первый взгляд, в действительности оказалась чрезвычайно трудной. Надо было обладать энергией, изобретательностью и смелостью Лаваля, чтобы преодолеть все трудности, стоявшие перед ним, несмотря на кажущуюся простоту и легкость конструкции. Технические трудности происходили из-за огромной скорости вращения колеса под действием струи пара: оно делало свыше тридцати тысяч оборотов в минуту. При такой скорости вращения колесо должно было быть не только очень прочным, но и математически точно уравновешенным во всех своих частях.
Возбужденный, небритый, нечесаный, питаясь одним черным кофе, Лаваль то просиживал целые ночи за письменным столом, то безвыходно, с медвежьим упрямством, трудился в мастерских. Иногда он бродил как помешанный, с пустыми глазами, по дому, снова садился за стол и считал и чертил, вновь пересчитывал и вновь перечерчивал.
Применять для турбинного колеса обыкновенный жесткий, мощный вал оказывалось невозможным: при опытах с такими валами машина начинала дрожать, вал изгибался, и немыслимо было добиться какой-нибудь надежности в работе. Опыты происходили в самых разнообразных условиях и не привели ни к чему. Надо было что-то изменить в самом корне, и Лаваль продолжал метаться по дому и мастерским в поисках выхода.
И, как это часто бывает в трудных положениях, выход был найден совсем не там, где искало его привычное мышление. Задача решалась не жесткостью, мощностью и прочностью системы, к чему стремился Лаваль сначала, а наоборот — ее чрезвычайной гибкостью и податливостью. Лаваль решил попробовать тонкий длинный, гибкий вал, так чтобы вся система при огромной скорости вращения уравновешивалась сама собой. Идея была очень смелой. Она противоречила привычному взгляду на вещи. Для людей, опиравшихся на грубый повседневный опыт, казалось бесплодным конструировать машину такого рода, и только уважение к изобретателю останавливало их от того, чтобы не сказать ему: «Ваши большие скорости неосуществимы, и надо все бросить, дорогой Густав! Существует критическая скорость в пять-шесть тысяч оборотов, за которой следует катастрофа».
Лаваль произвел предварительный опыт с камышовым стеблем, на который был насажен деревянный диск. Опыт принес Лавалю открытие. Стебель с диском стали вращать на станке, увеличивая скорость. Подходя к критической скорости, стебель дрожал, изгибался, вибрировал, но, к величайшему удивлению присутствующих, перейдя критическую скорость, камышовый вал перестал вибрировать, и вся система успокоилась. Испытанный вслед за тем деревянный негнущийся вал, дойдя до критической скорости, стал трещать и выбыл из строя.
Лаваль производит опыт с камышовым стеблем, на который насажен деревянный диск.
