Попытки построить настоящую газовую турбину начались очень давно.
Со времени первого патента на газовую турбину, выданного в Англии в 1791 году, до начала XX века разрешение проблем, связанных с газовой турбиной, привлекало внимание многих изобретателей.
Из этих попыток осуществления турбины внутреннего сгорания заслуживала серьезного внимания только турбина Гольцварта. Более ранние конструкции турбин, например Караводина, не получили дальнейшего развития. Турбина Караводина имела мощность, равную только двум лошадиным силам, и работала с очень низким коэффициентом полезного действия.
Гольцварт избрал тип турбины, работающей отдельными взрывами, без предварительного сжатия. В его опытной турбине было введено небольшое предварительное сжатие, причем давление взрыва дошло до 9 атмосфер. В новой опытной турбине Гольцварта первоначальное сжатие было повышено, вследствие чего и давление взрыва повысилось до 12–14 атмосфер. Кроме того, введены были некоторые конструктивные усовершенствования. Результаты испытаний этой турбины были более удовлетворительны, чем предыдущей, но все же полный экономический коэффициент полезного действия этой турбины не превосходил 13 процентов, то есть не доходил даже до величины, получаемой у хороших паровых машин.
Опыты с турбиной Гольцварта продолжались и далее, с затратой больших денежных средств, но технические трудности построения удовлетворительно работающей газовой турбины не были преодолены, и опыты пришлось прекратить.
Большая доля заслуг в создании турбин внутреннего сгорания принадлежит русским инженерам и ученым. В конце прошлого века инженер-механик русского флота П. Д. Кузьминский сконструировал такую машину в качестве корабельного двигателя. Было немало и других интересных попыток. В 1912 году А. Н. Шелест указал на новый принцип работы тепловых машин, в виде механического генератора газов.
Шелест спроектировал даже локомотив с газовой турбиной постоянного давления. Он предусматривал возможность работы турбин на пылеобразном твердом топливе.
Теорию газовых турбин и современную газотурбинную установку с горением при постоянном давлении разработал советский ученый профессор В. М. Маковский.
Газовая турбина состоит в основном из центробежного воздушного компрессора, камеры сгорания, турбины смонтированной на общем валу с компрессором, и какого-либо вспомогательного двигателя для запуска турбины.
Введением в схему газовой турбины регенератора — подогревателя сжатого воздуха за счет тепла отработавших газов — повышается ее коэффициент полезного действия.
Хотя все перечисленные выше основные элементы газотурбинной установки были давно известны, инженеры, работавшие в этой области техники, натолкнулись на весьма серьезные практические трудности. В то время еще не было жаропрочных материалов, способных выдержать действие высоких температур, неизбежных в двигателе этого типа. В то же время коэффициент полезного действия как компрессоров, так и турбин был слишком низок, чтобы обеспечить получение удовлетворительных результатов.
Большинство инженеров считало эти трудности непреодолимыми, что вынудило некоторых из них обратиться к двигателям взрывного типа, как, например, турбина Гольцварта.
Характерная особенность турбины внутреннего сгорания заключается в том, что в ней механической работе предшествует преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую.
Другая особенность этой турбины состоит в разделении процессов сжатия и расширения газа по отдельным агрегатам. В самой турбине совершается расширение газа, сжатие же производится в компрессоре. Образование рабочего тела (газа) также происходит в отдельном агрегате — камере сгорания.
Турбина внутреннего сгорания оставляет далеко позади паровую машину с ее поршневым механизмом, громоздким паровым котлом и конденсационным устройством. Отсутствие котла и всей паровой аппаратуры ставит ее также впереди паровой турбины, а отсутствие поршня и кривошипно-шатунного механизма является существенным преимуществом по сравнению с двигателем внутреннего сгорания.
Таким образом, газовая турбина представляет собой новый и наиболее совершенный тип теплового двигателя, обладающего всеми преимуществами своих предшественников и свободного от их недостатков. От паровой турбины в ней заимствована идея преобразования потенциальной энергии газа в равномерное вращательное движение рабочего колеса без промежуточных механизмов. От двигателя внутреннего сгорания заимствована идея непосредственного преобразования топлива в рабочее тело путем сжигания его в камере сгорания.
Недостатком простейших турбин, работающих по открытой схеме, является невысокий коэффициент полезного действия. Турбины с регенерацией тепла, промежуточным охлаждением воздуха и повторным подогревом газа обладают повышенной экономичностью, хотя теряют простоту и компактность конструкции из-за наличия больших теплообменных поверхностей.
Создание эффективных газовых турбин стало возможным лишь после того, как металлургия освоила производство сплавов, способных более или менее длительное время работать с большими напряжениями и при высокой температуре.
Сейчас металлургическая промышленность поставляет жаропрочные сплавы для газовых турбин, которые работают при температурах 700–800 градусов и выше. В то же время успехи аэродинамики дали возможность изготовлять компрессоры с высоким коэффициентом полезного действия. Они дают значительное увеличение отношения полезной работы к потерянной на компрессоре.
Для повышения экономичности газотурбинных установок применяются регенераторы где часть тепла рабочего тела, выходящего из турбины, отдается рабочему телу, поступающему в камеру сгорания.
Можно без преувеличения сказать, что создание газовой турбины явилось одним из основных условий, обеспечивших развитие турбореактивных и турбовинтовых двигателей, находящих широкое применение в современной авиации. Газовые турбины турбореактивных двигателей отличаются исключительной несложностью конструкции. Турбина в них используется непосредственно для создания тяги.
Однако газовые турбины в стационарных установках и на транспорте применяются еще очень мало.
В авиации насчитываются тысячи газовых турбин. Стационарных газовых турбин во всех странах имеется не более двухсот, а газотурбовозов — лишь несколько десятков.
Коэффициент полезного действия газовой турбины зависит от температуры газа перед соплами: чем выше температура, тем выше коэффициент. Однако по условиям жаропрочности применяемых сплавов современные турбины не допускают высоких температур газа, что приводит к сравнительно невысоким коэффициентам полезного действия. По этим причинам развитие стационарных и транспортных газовых турбин задерживается.
Другим препятствием развитию газотурбостроения служат малоэффективные способы сжигания твердого топлива в камерах турбин.
До сего времени как промышленные, так и транспортные газотурбинные установки работают или на жидком топливе, или на природном газе. Результаты проведенных повсюду опытов сжигания твердого топлива в газотурбинных установках внушают надежду на успех. Надо только усилить исследовательскую и конструкторскую работу в этой области, что и делается в настоящее время с большим размахом.
Газообразное топливо — одно из самых удобных топлив как для поршневого двигателя внутреннего сгорания, так и для газовой турбины. Но с точки зрения тепловой экономичности использование газогенераторного газа в цилиндре двигателя более рационально, чем в камере газовой турбины при низких температурах перед турбиной.
Иное дело непосредственное сжигание угля в камерах газовых турбин. Попытки сжигания угля непосредственно в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания к успеху не привели.
Дизель, проектируя свой двигатель, рассчитывал питать его угольной пылью, но не достиг успеха. Ближайший его сотрудник, Рудольф Павликовский, в течение сорока лет после Дизеля продолжал работать над созданием угольного двигателя, работающего по циклу Дизеля. Накануне войны ему удалось построить такой двигатель, названный им «рупамотор», то есть мотором Рудольфа Павликовского. Секрет оказался будто бы не в слабой прочности материалов, не в плохой конструкции, а в недостаточной размельченности угольной пыли, которую применял Дизель.
Однако дальнейших известий о рупамоторе не появилось. Совершенно ясно, что соединение процессов сжатия, сгорания и расширения в одном цилиндре, удачное для жидкого и газообразного топлива, оказалось непригодным для твердого. Разделение процессов должно оказаться благоприятным при использовании твердого топлива в газовой турбине.
Разделение процессов позволяет осуществить и очистку газов перед их расширением и избежать износа рабочих органов турбины, что помешало использованию угля в цилиндрах двигателей. Газовых турбин на твердом топливе еще нет, имеются только проекты в США, Англии и СССР. Силовые установки такого рода в США и Англии испытываются на стендах уже в течение многих лет, но трудности поставленной задачи не преодолены, и работы не вышли из стадии экспериментов.
Однако при подземной газификации угля, быстро развивающейся у нас в Советском Союзе, вопрос о газовых турбинах на твердом топливе теряет свою остроту.
Газовые турбины нашли широкое применение в авиации в виде так называемых турбореактивных двигателей. Они работают по простому циклу и отличаются исключительной несложностью конструкции.
Самолеты с турбореактивными двигателями.
Двигатели внутреннего сгорания поршневого типа по экономичности и другим показателям работы приобрели сейчас сильнейших конкурентов в виде газовой турбины и компрессорного турбореактивного двигателя. Советское правительство приняло меры к широкому развитию производства подобных двигателей, особенно газовых турбин для стационарных и транспортных установок, а также для морских и речных судов.
В Советском Союзе уже работает Шатская газотурбинная электростанция, первая в мире установка на подземной газификации угля.