1.2.8 Парогазовая турбина

В 1923 г. на Гамбургские верфи концерна "Вулкан" поступает выпускник технического училища Гельмут Вальтер (Hellmuth Walter, 1900-1980) - будущий создатель парогазотурбинных энергетических установок (ПГТУ) для подводных лодок, топливных насосов для баллистических ракет Фау-2 (A-4/V-2) и реактивных двигателей для истребителей перехватчиков.

18 октября 1925 г. Г. Вальтер (H. Walter) получает свой первый патент - "Осуществление термодинамического цикла, например в газовой турбине, при изотермическом сжатии горючих смесей".

В 1930 г. Вальтер заканчивает разработку однокомпонентных жидкостно-реактивных двигателей (ЖРД), использующих новое топливо - перекись водорода (H₂O₂), которая способна при наличии катализатора (перманганата калия) интенсивно, но управляемо (с заданной скоростью) разлагаться, вырабатывая перегретый газ с температурой до 700 С.

В 1933 г. Вальтер создает первые парогазовые турбины, работающие с дожиганием продуктов каталитического разложения топлива, а в 1934 г. демонстрирует морскому отделу экспериментальную турбину, обеспечивающую подводное движение.

8 июля 1942 г., после проведения около 70 испытаний, V80 с ПГТУ Вальтера развивает полную спецификационную скорость подводного хода - 26,5 узлов (49 км/час), абсолютный мировой рекорд до шестидесятых годов XX века (скорость первого судна с ПТУ "Turbinia" - 34.5 узла).

Характеристики проекта V80: водоизмещение - 73,24/76 т, длина - 22,05 м, ширина - 2,1 м, двигатель - 1 турбина мощностью 2000 л.с., максимальная частота вращения винта - 1000 об/мин, экипаж - от 3 до 4 чел.

6 мая 1944 г. на верфях Киля и Гамбурга открываются заказы на строительство лодок серии Typ XXVI (Walter U-Boote). В конце 1944 г. первая и единственная лодка серии U-4501 показала на испытаниях скорость 21 уз, но времени на выяснение причин недобора скорости и доводку корабля не оставалось. Характеристики лодок серии Typ XXVI: водоизмещение - 853 / 938 т., мощность ПГТУ - 6500 л.с., скорость / длительность подводного хода - 24 узла / - 6 час., запас перекиси водорода - 97 т. Мощность дизель-электрической установки - 1400 / 198 л. с., скорость надводного / подводного хода - 11 / 7 уз, дальность плавания 7300 / 100 миль. Экипаж - 33 матроса и 3 офицера. Вооружение - шесть носовых и шесть бортовых торпедных аппаратов.

В истории флота лодки Вальтера (Hellmuth Walter, 1900-1980) занимают такое же положение, как и первые линейные пароходы Дж. Фитча (John Fitchs, 1743-1798) и "Turbinia" Чалза А. Парсонса (1854-1931). По существу, именно разработки Вальтера лежат в основе проектов будущих атомных подводных лодок (АПЛ), создание которых было бы невозможно без технологий судостроения, разработанных Вальтером в середине 40-х годов XX века.

1.2.9 ГТУ

Первый практический ГТД ("газопароход") с турбиной радиального действия построил и испытал в 1892 году капитан Павел Дмитриевич Кузьминский (1840-1900 гг.), до 1884 года инженер-механик российского военного флота.

В 1893 г. П. Д. Кузьминский, друг и современник А. Ф. Можайского, предложил Военному министерству проект воздушного корабля (дирижабля) с турбинным двигателем собственной конструкции, но предложение осталось без ответа. П. Д. Кузьминский готовил свой двигатель к показу на Всемирной выставке в Париже 1900 года, но его неожиданная смерть вывела на первое место двигатель Рудольфа Дизеля, а ГТД почти на 30 лет остался лишь игрушкой для изобретателей.

В 1903 г. норвежский инженер Агилдус Эллинг (Aegidius Elling) построил работоспособную газотурбинную установку, использующую центробежные компрессоры, находящиеся на одной оси с турбиной.

В 1906 г. в России инженером В. В. Караводиным (Caravodine) был изобретен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД), на что ему была дана "привилегия" за № 15375.

В 1913 г. инженер М. Н. Никольский спроектировал и впервые построил ГТД с трехступенчатой газовой турбиной мощностью 118 кВт (160 л.c.), а в 1914 - Чарльз Куртис (Charles Curtis) регистрирует первый патент на практическое применение газотурбинного двигателя.

В 1916 г. Огюст Рато (Rateau) создает первый турбокомпрессор к авиационному двигателю, приводимый в действие энергией выхлопных газов. Его изобретение быстро было оценено авиастроителями США, и после проведения соответствующих работ Стэнли Мосс в 1918 г. получил на двигателе «Либерти» с компрессором мощность в 366 л.с. на высоте, где «нормальный» мотор развивал мощность только в 230 л.с.

В 1918 г. "Всеобщая (в смысле общедоступная) электрическая компания (General Electric)" США создает отделение по проектированию авиационных центробежных компрессоров в качестве турбонагнетателей ДВС, а в 1920 г. доктор А. A. Гриффит (Dr. A. A. Griffith) формулирует основы теории проектирования газовых турбин, использующих энергию выхлопных газов.

В 1921 г. французский инженер Максим Гийом (Guillaume) запатентовал авиационный турбореактивный двигатель, снабженный камерой сгорания, компрессором и турбиной, приводимой в движение выхлопными газами. Однако ему не удалось заинтересовать авиастроителей этой идеей, т. к. поршневые моторы пока еще с избытком перекрывали потребности деревянно-металлических конструкций низкоскоростных самолетов, а реактивный двигатель рассматривался как игрушка для экспериментов, не имеющая практического значения.

В 1925 году профессор В. М. Маковский издает книгу "Опыт исследования турбин внутреннего сгорания". Позднее, в 1939 году, в руководимой им лаборатории в Харькове был изготовлен ГТД мощностью 740 кВт (1000 л. с.).

В 1931 г. итальянская фирма "Thermojet Campini" создала первый авиационный ГТД, основу проекта которого составляла разработка английского инженера Джона Харриса (J. S. Harris), предложившего в 1917 г. использовать поршневой двигатель для привода компрессора газотурбинного двигателя.

10 ноября 1935 г. аспирант Геттингенского университета Ганс Иоахим Пабст фон Охайн (Hans-Joachim Pabst von Ohain, 14.12.1911 - 13.03.1998), руководство докторской диссертацией которого осуществляли профессора Л. Прандтль (L. Prandtl) и Р. В. Поль (R.W. Pohl). запатентовал разработанную им конструкцию турбореактивного двигателя (патент № 317/38).

В 1936 г. начинаются практические исследования действующей модели ГТД, собранной Гансом Охайном (Hans von Ohian) и Максом Ханом (Max Hahn) в гараже фирмы "Бартелс унд Беккер", и вскоре оба первопроходца получают предложение о сотрудничестве с фирмой Эрнста Хейнкеля, который к этому времени уже финансировал разработку самолета с жидкостно-реактивным двигателем.

В марте 1937 г. группа Охайна представила опытный экземпляр двигателя HeS 2A с тягой 1,33 кН (80 кг), испытания которого начались в сентябре того же года. Успех нового двигателя, масса которого была в 3-4 раза меньше, чем у эквивалентного "поршневика", привлекли внимание моторостроительного подразделения Jumo компании Junkers и фирмы БМВ (BMW GmbH), приступивших в 1937 г. к разработке аналогичных двигателей.

В 1942 - доктор (PhD) Франц Анслем (Dr. Franz Anslem) разрабатывает промышленный вариант турбореактивного двигателя с осевым компрессором - Junkers Jumo 004, ставший впоследствии (с 1943 г.) основным двигателем серийных реактивных самолетов - Me 262.

Следующие модификации Jumo 004 (C, D-4 &E) развивали конструктивные решения и включали регулирование воздухоподачи, двухступенчатый впрыск топлива, увеличенную тягу и т. д. Массовое производство двигателей планировалось начать летом 1943 г., но по ряду причин было отложено до осени 1944 г. К маю 1945 г. было произведено свыше 5000 двигателей, устанавливаемых в основном на Me 262 и Ar 234.

В СССР проектирование авиационных ГТД было начато в 1938 г. А.М. Люлькой на базе Харьковского авиационного института. Двигатели предназначались для установки на реактивный истребитель М.И. Гудкова (Gu-VRD), проект которого был закончен 10 марта 1943. Первые два промышленных образца турбореактивных двигателей РДТ-1/ВРД-1 (RDT-1/VDR-2) с осевым компрессором и с тягой в 700 кг были готовы в середине 1943 г., но дальнейшие работы над реактивной машиной были прекращены по решению Государственного Комитета Обороны (ГКО) СССР. Уровень готовности самолета к этому времени составлял 70%. Поэтому после войны промышленная база германского ГТД Jumo была вывезена в СССР и стала основой для создания осевых турбореактивных двигателей РД-10 (RD-10), установленных на первых советских реактивных истребителях Як-15.

С 1943 г. к развитию промышленных технологий, реактивной авиации в том числе, и проектированию ГТД приступает фирма "Роллс-Ройс" (Rolls-Royce). Перед фирмой стояла задача создать турбореактивный двигатель для самолетов Havilland H-1 ("Вампир"), и в июле 1943 г. начинаются его стендовые испытания, на которых он сразу показал тягу в 2000 lb (ок. 900 кг).

Двигатель получил наименование "Derwent", и в январе 1944 г. начинается его установка на истребителях Gloster "Meteor Mk III". В марте 1944 г. начинаются летные испытания усовершенствованного двигателя "Derwent I", а 12 июля 1944 г. в королевских ВВС формируется первая эскадрилья реактивных истребителей Gloster "F.I Meteor", последние образцы которых - Gloster "Mark IV" были уже оснащены двигателем "Derwent I", обеспечивающим тягу в 2450 lb (1100 кг.).

Современные газовые турбины (ГТ) по конструктивной схеме и принципу действия в целом идентичны паровой турбине. Отличия газовых турбин от паровых обусловливаются сравнительно невысокими давлениями рабочего тела на входе (до 2 МПа) и его высокой температурой (до 850 °С). КПД современных ГТ составляет 89-92 %. Дальнейшее развитие ГТД связывается с освоением более высоких температур рабочего тела, для чего требуется создание более жаропрочных материалов и повышение эффективности систем охлаждения. Решение первой из поставленных задач было начато в 2003 г., введением в конструкцию турбины элементов металлокерамики.

Газотурбинный двигатель (ГТД) являлся в XX веке наиболее эффективной энергетической установкой, технологией изготовления которого овладели только наиболее технически развитые страны мира.