3. Многоступенчатые турбины
Рато«Чтобы иметь успех и избежать ошибок в области прикладной механики, все ваши поиски должна сопровождать математика!»
Молодой человек, неустанно повторявший эти слова своим ученикам, был самым юным профессором в мире. Ему шел двадцать четвертый год, когда он начал читать лекции по аналитической механике, промышленной электротехнике и машиностроению в знаменитой Сент-Этьеннской горной школе. Лекции юного профессора поражали слушателей блестящим изложением, глубиной познаний, разносторонностью. Не прибегая ни к каким запискам и конспектам, опираясь на свою изумительную память и еще более на своеобразное математическое мышление, Огюст Рато увлекал своих слушателей; однако он уводил их не в отвлеченные рассуждения о теории, а в область искусства приложения теории для разрешения практических задач.
Он постоянно останавливал внимание учеников на создателе водяной турбины Бенуа Фурнейроне, чей огромный портрет украшал актовый зал школы. Именно по поводу Фурнейрона, самого замечательного воспитанника Сент-Этьеннской школы, Рато говорил:
— Теория — не все. Она только указывает путь, а не решает вопросов. Чтобы достигнуть успеха в области прикладной механики, нужно добавить понимание отдельных мелочей явления, нужно вносить поправки в теорию. Нужно уметь, как говорится, практикой проверять теорию!
Этим умением как раз и обладал в высшей степени сам Рато. В нем сочетались теоретик и практик, мыслитель и экспериментатор. Он был полным хозяином в области математических знаний и признавался друзьям, что может целые часы думать только одними формулами и числами, без единого слова. И этот же самый ум находил без затруднений практическое решение любой задачи, которую капиталистическое хозяйство ставило в данный момент перед техникой.
Рато давал теоретическое обоснование каждому новому опыту в турбостроении, едва лишь он начинался. Через десять лет он составил обширный научный трактат о турбомашинах, остающийся и до сих пор основным для всех интересующихся вопросом в полном объеме. Как практик он не только предложил тип практически совершенной паровой турбины, но еще и указал новый путь к максимальному использованию теплотворной способности топлива.
Рато вывел основные формулы для нахождения скорости истечения пара из отверстий и сопел, формулы для определения мощности турбины, формулы для расчета на прочность отдельных ее частей. Он исследовал массу вопросов и даже вопрос трения пара о колесо турбины.
Есть люди, одаренные абсолютным слухом и музыкальной памятью. Они читают ноты, как мы книги, — зажав уши, подперев голову руками. Математики так же читают трактаты, состоящие из одних только формул и чисел. Они видят машину, глядя на формулы, как музыкант слышит музыку, читая ноты. Рато был типичным математиком, с той разницей, что он не только видел свои машины, мысля формулами и чертежами, но и строил их.
Если бы он рос в других условиях, он, может быть, показывал бы в бродячем цирке пораженным зрителям свое искусство производить в уме сложнейшие вычисления с невероятной быстротой. Но родители его были почтенные, обеспеченные люди, и Рато стал профессором, академиком и даже «великим французом» в годы первой мировой войны.
Огюст Рато родился 13 октября 1863 года в маленьком Руайяне, расположенном близ впадения реки Жиронды в Атлантический океан. В этом городе, насчитывавшем всего пять-шесть тысяч жителей, отец Рато был организатором и начальником городских общественных работ.
Летом Руайян, привлекавший своим благоустроенным курортом десятки тысяч парижан, обращался в шумный, веселый город, развлекавший маленького школьника. Мальчик беспечно толкался в толпе курортников, гулявших по приморской набережной в весенние жаркие утра, и всячески избегал глядеть на башенные часы, строгие черные стрелки которых напоминали ему о приближающейся расплате за опоздание. Но зимой, когда привлекательные места для прогулок становились унылыми и скучными, маленький Рато всецело отдавался учебе, обнаруживая не только способности, но и трудолюбие.
Отец Рато, пользуясь своим общественным положением, добился приема сына в Парижскую политехническую школу, доступ в которую был столь затруднителен для рядовых французов.
Блестящий мундир и шпага, делавшие большеголового, но красивого юношу заметным во всяком обществе, никак не повлияли на образ жизни восемнадцатилетнего студента. Он окончил школу лучшим в своем выпуске. Отсюда его направили в Парижскую высшую горную школу.
Этот высокий, стройный брюнет с живыми карими глазами, необычайно располагавший к себе всех, кто с ним сталкивался, казалось, был создан вовсе не для научной карьеры. Однако по окончании Горной школы, прослужив всего лишь год в качестве инженера на каменноугольных копях в Родезе, Рато вернулся к научной работе. Он получил место профессора Горной школы в Сент-Этьенне.
Здесь он провел десять лет, занимаясь теоретическим исследованием работы турбомашин. Затем он перебрался в Париж, чтобы перейти от теоретических исследований к практическим выводам. С его научным авторитетом ему нетрудно было заинтересовать проектом своей паровой турбины один из лучших машиностроительных заводов в Париже — «Сотте-Гарле». Испробовав ряд опытных конструкций под руководством Рато, завод приступил к постройке турбины мощностью в 1000 лошадиных сил.
Это происходило в 1898 году. Постройку турбины не успели закончить к открытию Всемирной выставки, однако вера в точность расчетов Рато была у всех настолько велика, что выставочный комитет принял вместо турбины ее чертежи и отдельные части. Жюри выставки ознакомилось с построенной турбиной на заводе.
Теоретические расчеты Рато убедили его прежде всего в том, что активная турбина выгоднее реактивной и что для наивыгоднейшего использования скорости пара на колесе турбины лопатки колеса активной турбины должны двигаться со скоростью вдвое меньшей, чем скорость истекающего из сопла пара.
Но скорость истечения пара из сопла всецело зависит от разницы давлений и температур в начале и конце его расширения. Чем больше падение давления и температуры при расширении пара, тем выше его скорость. Давление пара в котле может доходить до двухсот атмосфер, а давление в конденсаторе, где кончается расширение, бывает значительно меньшим, чем обычное атмосферное давление. При такой разнице давлений в начале и конце процесса расширения пара скорость его чрезвычайно велика. Уже при выходе пара из котла с давлением в десять атмосфер на воздух через сопло Лаваля скорость его доходит почти до километра в секунду, а при выпуске такого же пара в конденсатор, где давление равно десятой доле атмосферного, скорость пара составляет 1167 метров в секунду. Пуля современной винтовки движется значительно медленнее.
Применяя перегретый пар, скорость его можно повысить еще больше. Если все падение давления происходит на одном колесе активной турбины, для полного использования скорости пара нужно было делать, как Лаваль, турбины с окружной скоростью колеса в триста — четыреста метров в секунду, дававшие до тридцати тысяч оборотов в минуту.
Для соединения такого быстроходного двигателя с исполнительным механизмом или с генератором электрического тока прибегали к зубчатым передачам системы Лаваля. Размеры этих передач значительно превышали размеры самой турбины. Для надежной работы турбины нужны были, кроме того, гибкий вал и диск равного сопротивления, изготовление которых давалось нелегко.
Но и преодолев все эти затруднения, Лавалю не удалось построить турбины мощностью свыше 500 лошадиных сил.
Задача сводилась к тому, чтобы дать такую конструкцию активной турбины, которая при сравнительно небольшом числе оборотов имела бы высокий коэффициент полезного действия, могла применяться для любых мощностей и изготовление отдельных частей которой не встречало бы затруднений.
Для Рато важно было установить задачу, разрешение же ее не представляло больших затруднений. Он решил, что разность давлений и температур в котле и конденсаторе должна преобразовываться в скорость пара в целом ряде систем, последовательно расположенных, состоящих из групп сопел и рабочего колеса.
Исходя из этого, Рато разделил цилиндр турбины на ряд камер специальными диафрагмами. В этих диафрагмах он укреплял направляющие лопатки, через которые пар проходил из одной камеры в другую. В каждой камере помещалось одно рабочее колесо. Разумеется, все колеса насаживались на один общий вал.
Таким образом, при переходе из одной камеры в другую пар расширялся в направляющих лопатках, заменявших сопла, и давление его падало постепенно.
Вал турбины Рато.
