Создатели двигателей

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 дара 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.

Турбина Рато имела немало преимуществ перед турбинами Парсонса и Лаваля. Однако конструкторское бюро Рато и его маленький завод не скоро получили заказы.

Когда в 1902 году Рато установил свою первую турбину на каменноугольных копях в Брюа, он сознавался одному из своих приятелей:

«Директор копей не очень-то уверен, что сделал выгодное дело! Он согласился на это только из уважения ко мне».

Первый период исключительно практической деятельности Рато, после десятилетней профессуры в Сент-Этьенне продолжался четыре года: за это время он разработал конструкцию турбины нового типа, положил начало серийному производству этой турбины, сделал первые установки на производстве, выпустил первые турбовентиляторы своей системы и, наконец, создал тепловой аккумулятор. Это изобретение имело крупное значение для развития турбостроения и, главное, указало практический путь для разрешения одной из основных проблем энергетической техники — наибольшего использования теплотворной способности топлива.

Горный инженер, представлявший собой редкостное соединение больших знаний и практического опыта, Рато, конечно, не мог не заметить, посещая рудники, что шахтные подъемные паровые машины работают без конденсаторов, выпуская отработавший пар на воздух. Из-за неудобств, связанных с установкой конденсатора, подобным же образом работали прокатные машины, паровые молоты, воздуходувки.

Вал турбины Рато.

Общий вид турбины Рато.

Этот выбрасываемый на воздух пар не давал спать молодому инженеру. При наличии турбин, решил он, отработавший в паровой машине пар возможно и выгодно использовать в паровой турбине с конденсатором, которая может работать паром низкого давления.

Что могло мешать осуществлению этой простой идеи? Затруднение состояло в том, что паровые машины такого рода работают неравномерно, давая то много, то мало отработавшего пара, в то время как турбине нужен равномерный приток пара, особенно если она вращает генератор электрического тока.

В противоположность Лавалю, решавшему задачи, в которых было слишком много неизвестных, и вследствие того часто терпевшему неудачи, Рато, как истый математик, прежде всего стремился правильно ставить задачу. Разрешение ее при достаточном количестве данных не представляло труда.

Практическое решение вопроса, вставшего перед ним в рудниках, сводилось к тому, чтобы между турбиной низкого давления и паровой машиной установить аккумулятор. Аккумулятор запасал бы излишнюю теплоту отработавшего пара во время усиленной работы и отдавал бы ее турбине в периоды слабой работы паровой машины. При наличии такого аккумулятора пар, неравномерно поступающий из машин, должен пойти в турбину совершенно равномерно.

Такой аккумулятор и построил Рато. Он представлял собой железный резервуар, наполненный внутри чугунными сосудами с водой. При избытке пара чугун и вода отнимали у него теплоту, и часть пара конденсировалась в воду. При недостатке пара из машин давление в аккумуляторе падало, точка кипения, естественно, понижалась, часть воды превращалась в пар, и этот пар прибавлялся к отработавшему пару, проходящему через аккумулятор в турбину.

Аппарат был рассчитан так, что запаса теплоты хватало на обычные периоды остановки или слабой работы паровых машин, продолжающихся не более одной-двух минут. Если машины останавливались на больший срок, в аккумулятор автоматически добавлялся свежий пар непосредственно из котла.

Тепловой аккумулятор давал возможность предприятиям с переменным расходом пара значительно повысить использование теплотворной способности топлива.

Сначала предложением Рато воспользовались судостроители. Они начали сооружать на судах комбинированные установки паровых двигателей и турбин. Первым судном подобного типа был пароход «Отаки», вслед за которым был построен еще ряд таких судов. К ним принадлежали известные трансатлантические гиганты «Титаник» и «Олимпик». Все эти суда строились по такой системе: два внешних гребных вала приводились в движение паровыми машинами, а средний вал обслуживался паровой турбиной. В турбину подводился отработавший в паровых двигателях пар, имевший при поступлении сюда давление в две атмосферы. Из турбины он шел в конденсатор.

«Титаник» несколько лет спустя погиб в Атлантическом океане, столкнувшись с плавучей льдиной огромных размеров. Разумеется, в этой катастрофе система его машин нисколько не повинна.

Как ни велико было значение практической деятельности Рато, она не принесла ему материальных выгод за эти годы. Основанные им предприятия не могли существовать, опираясь на одно «уважение» заказчиков к имени ученого и его авторитету. К тому же сам Рато почувствовал необходимость вернуться к теоретическим исследованиям. Все эти обстоятельства заставили его занять кафедру промышленной электротехники в Парижской высшей горной школе и возвратиться к профессуре.

По-прежнему он оставался блестящим лектором и оказывал на слушателей огромное влияние. Секрет влияния заключался еще и в том, что Рато видел в своих учениках будущих работников отечественной промышленности и относился к ним скорее как к сотрудникам своего предприятия, нежели как к случайным слушателям, будущее которых его не касается. Он был особенно внимателен к обращавшимся к нему за помощью студентам, и они платили ему привязанностью, столь несвойственной вообще отношениям, существовавшим между профессурой и студенчеством казенных школ.