Лаваль производит опыт с камышовым стеблем, на который насажен деревянный диск.
17 февраля 1889 года Лаваль отметил в своей записной книжке:
«Опыт с камышом удался».
Теперь, когда решена была труднейшая часть задачи, легче было решить и остальные ее части. Математика пригодилась изобретателю при расчете диска равного сопротивления для турбинного колеса. Как металлург он нашел специальные материалы для изготовления дисков и лопаток, а также и зубчатой передачи. Зубчатая передача снижала число оборотов турбинного колеса до нужного динамо-машине.
В 1890 году Лаваль выпустил на рынок свои первые турбины, соединенные с динамо-машинами. Широкая техническая общественность познакомилась с ними, однако, позднее — только в 1893 году, на Всемирной выставке в Чикаго. За это время Лаваль внес много усовершенствований в конструкцию и, в частности, взял патент на применение к паровой турбине конденсатора. В турбине, где возможно устроить широкое сообщение с конденсатором и не надо прибегать к клапанам, как в паровом двигателе, имеется возможность использовать очень глубокий вакуум. Применение конденсатора у турбины сразу же повысило коэффициент ее полезного действия.
Внеся все эти усовершенствования, Лаваль перешел к постройке более мощных турбин. Они стали применяться не только для вращения динамо-машин. Их использовали и как обычные двигатели.
Это были активные, одноступенчатые турбины. К турбинному колесу, сидящему на тонкой горизонтальной оси, пар подводился по нескольким, установленным под острым углом к плоскости колеса соплам с коническим расширением на конце. Число сопел зависело от мощности турбины и давления пара. Они прикреплялись к закрытой кольцеобразной трубе, присоединенной к главному паропроводу.
Колеса турбин состояли из двух крепких стальных дисков, между которыми были укреплены отдельные лопатки. Диаметр колеса в турбинах мощностью в 100 лошадиных сил не превышал полуметра. Турбинное колесо помещалось на тонком длинном валу. Так, у двадцатисильной турбины толщина вала равнялась всего только 12–13 миллиметрам. Этот гибкий вал при вращении сам по себе приходил в строго центральное положение, которое и удерживал при любой скорости. Чтобы вибрация системы при переходе через критическую скорость не привела к аварии, Лаваль окружил вал «ограничительными кольцами».
Число оборотов колеса достигало тринадцати тысяч в минуту. Посредством зубчатой передачи скорость уменьшалась в десять — тридцать раз на валу, который соединялся с рабочей машиной. Забавно, что размеры зубчатой передачи во много раз превышали размеры турбинного колеса и придавали турбине довольно странный вид.
Коэффициент полезного действия турбин Лаваля оказался очень значительным, и при высоких давлениях пара он еще более повышался. Простота конструкции турбин, их обслуживания и установки по сравнению с поршневыми паровыми машинами обеспечивала новому двигателю распространение.
Как только выяснились преимущества новых двигателей, к постройке турбин по лицензиям Лаваля приступили машиностроительные заводы Германии и Франции. В Стокгольме было организовано «Акционерное общество паровых турбин Лаваля», построившее большой турбостроительный завод.
Сам изобретатель немедленно перешел к опытам с паром очень высокого давления, явившимся продолжением его работ над повышением экономичности турбин. Эти эксперименты закончились появлением на Стокгольмской выставке 1897 года сконструированного Лавалем первого котла высокого давления пара с автоматическим регулированием.
Именно здесь более чем где-либо проявился во всем блеске гений шведского изобретателя. В своих идеях Лаваль шел впереди современников. Он предвидел пути развития техники на полвека вперед и угадывал их направление. Только в 20-х годах нашего века произошел повсеместно переворот в области техники паровых котлов, более решительный, чем все предыдущие, на основе выдвинутой Лавалем идеи применения высоких давлений пара.
Правда, и ранее находились смельчаки, пытавшиеся применять такой пар. Так, немецкий инженер Альбан еще в середине прошлого века сконструировал котел с давлением пара в сорок атмосфер. Но при практическом его выполнении он потерпел неудачу, и мысль о применении пара таких высоких давлений была оставлена надолго. Только в 1921 году появился работоспособный котел Шмидта с давлением пара в шестьдесят атмосфер.
Таким образом, у Лаваля, в сущности говоря, не было предшественников в этой области и, во всяком случае, не было накопленного технического опыта. Между тем Лаваль с присущей ему смелостью решил сразу перейти от применявшихся в его время на практике давлений в десять атмосфер к давлениям в сто десять и даже двести двадцать атмосфер, практически достигнутых лишь в настоящее время. Он сделал колоссальный скачок вперед, и сделал его в правильном направлении, как это показало дальнейшее развитие вопроса, стоящего и сегодня в центре внимания паровой техники.
Лавалевский паровой котел, выставленный в Стокгольме, вместе с обслуживавшимся им турбогенератором, дававшим ток для освещения выставки, представлял собой единственную в своем роде установку, являющуюся прототипом самых больших и экономичных современных установок.
Этот котел, высотой около трех метров, состоял из одной длинной спиральной трубки небольшого сечения, свернутой во множество витков, обогреваемых газами из топки. Вода накачивалась насосом с одного конца змеевика, а пар отбирался с другого его конца. Установка представляла собой органическое целое. Топливо и питательная вода подавались автоматически, так же автоматически регулировалось давление пара при входе в турбину. Давление пара в этом первом в мире прямоточном котле высокого давления держалось на уровне 120 атмосфер.
Турбина, выставленная в Стокгольме, отличалась от прежних турбин тем, что имела два ряда лопаток. Это был новый тип турбины, с двумя ступенями скорости. Отработавший в первом ряду лопаток пар направлялся на второй, сидящий на том же диске. Таким образом, его энергия использовалась на двух рядах лопаток, благодаря чему вдвое уменьшалась скорость колеса. Ступени скорости позволили снизить в самой турбине число оборотов до тринадцати тысяч в минуту. Турбина вращала динамо-машину и приводила в действие автоматические устройства котла. Отработавший в турбине пар шел в конденсатор. Вся установка занимала площадь в 20 квадратных метров и отличалась компактностью, изяществом и простотой.
Котел работал, к полному удовольствию устроителей, но по ночам Лавалю частенько приходилось возиться с починкой змеевика, который не выдерживал длительной эксплуатации из-за несовершенства примененного материала. Лаваль понимал, конечно, что для практического успеха котла понадобится еще немало времени, труда, опытов и терпения, но заниматься им он уже больше не мог.
Этот человек, очень мало заботившийся о своем деловом достоинстве, без сомнений и колебаний отдававшийся во власть бесчисленного множества охватывавших его идей, предоставлял другим доделывать то, что он начинал. Сам он спешил идти дальше, к разрешению новых задач.
Живая фантазия изобретателя охватывала все области техники и науки. В различные периоды своей жизни он интересовался самолетами и извлечением золота из морской воды, сепарированием газов и ферросплавами; он конструировал доильные машины и электрические печи для выплавки чугуна, построил воздухообволакиваемое судно и установку для обезвоживания торфа. Он занимался, множеством других вещей, о чем говорят заметки в его записных книжках и сломанные модели в пыльных складах мастерских на Пильгатане. Но ни одно из его предприятий не было, в сущности, доведено до окончательного практического успеха.
Этот год от году толстевший добродушный, веселый, проворный человек, теперь внешне походивший на пастора, при всех достоинствах имел в глазах предпринимателей один поистине все убивающий недостаток: он совершенно не умел устраивать свои материальные дела и все чаще и чаще стоял на краю банкротства.
Когда ему советовали сократить расходы на опыты, он резко отвечал:
— Мои эксперименты стоят тех средств, которые я на них трачу!
На эту самоуверенность Лаваль, конечно, имел право. Турбина Лаваля, правда, оказалась сама по себе неспособной к дальнейшему развитию и скоро была вытеснена из крупной промышленности турбинами других систем. Но только благодаря практическому разрешению Лавалем основных вопросов турбостроения оно достигло теперь своего блестящего развития. Десятки ученых разрабатывали в технической литературе вопросы о расширяющемся сопле Лаваля, о гибкой оси его турбин, о форме дисков. Эти исследования повели к созданию метода расчетов отдельных частей турбин и положили начало созданию теории паровой турбины.
