Дело в том, что сжимать газ до 200 атмосфер можно только посредством поршня, двигающегося в цилиндре, и это также относится к расширению газа в детандере, а именно при больших количествах газа поршневые машины становятся очень дорогими и громоздкими. Тут те же проблемы, которые стояли лет 40—50 назад перед техникой получения механической работы из пара. Когда понадобилось получать десятки тысяч киловатт, то обыкновенная поршневая машина не могла уже выполнять задачу. Только паровая турбина, которая в десятки раз меньше по своим размерам, чем равносильная ей паровая машина, может дать экономично и надежно большие мощности. Можно почти с полной уверенностью сказать, что и для ожижения воздуха нужно перейти от поршневых компрессоров и детандеров к турбокомпрессорам и турбодетандерам. Но для этого надо найти метод ожижения воздуха при более низком давлении, при котором работают турбинные механизмы. Такие попытки делаются уже и во Франции, и в Германии, и у нас. Даже построены турбины, но они позволяют примерно только наполовину сократить размеры поршневых компрессоров в ректификационных установках, но все же они остаются нужны. С этими сложнейшими установками и получают ту затрату энергии 0,4 киловатта на кубометр чистого кислорода, о которой я говорил.
Два года тому назад, когда я изучал этот вопрос, я пришел к выводу, что одно простое, но существенное обстоятельство упускалось [из виду] при постройке турбинных машин для ожижения воздуха, и, приняв его, может быть, можно было бы отказаться от компрессоров и таким образом упростить и улучшить процесс обогащения воздуха.
Я поставил перед собой следующую задачу: осуществить машину, которая бы ожижала воздух, не прибегая к высоким давлениям и работала бы на турбине.
Здесь были сперва следующие трудности. Турбинами я никогда не занимался, знал их теоретически по книгам, поэтому я не чувствовал уверенности в себе и было бы неприятно, если бы одна из моих первых работ в Союзе была бы неудачной, поэтому я начал эту работу, не включая ее в официальный план работ института. Второе: хотя нашему институту и нужна была машина для получения жидкого воздуха, так как он является исходным продуктом для ожижения гелия и водорода, а наша промышленность нас снабжает жидким воздухом очень плохо (часты перебои, да и стоит он нам очень дорого — 60 000—70 000 рублей в год), но строить турбинный ожижитель для института было сопряжено со следующими затруднениями. Известно, что всякая турбина только тогда экономична, когда она работает с большим количеством газа. Происходит это оттого, что мощность турбины возрастает пропорционально ее объему, а большинство потерь увеличивается, как поверхность рабочих частей. Очевидно, что чем больше турбина, тем меньше отношение поверхности к объему и, следовательно, меньше относительные потери. Нашему же институту [нужна], сравнительно с промышленными масштабами, очень малая производительность, и, следовательно, турбина должна быть маленькой. Показать же на маленькой турбине справедливость моих идей еще труднее, и [это] заставило меня быть еще осторожнее.
Вот в чем заключалась моя идея, она исключительно проста. При конструировании прежних турбин, которые делали французы, немцы и Гипрогаз, в основу были положены принципы конструкции паровых турбин, и, по-моему, это было неправильно. Дело в том, что турбодетандер должен работать при —186 градусов [по Цельсию], а при этой температуре воздух становится тяжелее и его плотность во много раз превышает плотность пара. Поэтому, гораздо правильнее положить в основу конструкции турбины те принципы, на которых работает водяная турбина, т. е. использовать силы, возникающие при движении более тяжелой среды, поэтому при работе турбины не только использовать реакционные силы потока газа, но в кориолисовые силы[93]. На практике это достигается тем, что вместо аксиального пуска газа он делается радиальным. Можно показать теоретически, что такую турбину представляется возможным заставить работать с двойным перепадом давления и, по сравнению с прежними турбинами, при тех же потерях получать двойную мощность.
Два года тому назад мы взялись за эту работу, и, как всегда в исследовательской работе, затруднения пришли не с той стороны, откуда их ждали. Оказалось, что турбина при вращении в такой плотной среде, как воздух у точки ожижения, теряла свою устойчивость. Пришлось искать теоретические основания этой устойчивости. В библии современного турбостроения, [в] книге Стодолы (стр. 928, 6-е издание, 1924 г.)[94] говорится «что теория этих явлений чрезвычайно запутана и не разрешена...». Но, не имея теории, нельзя было найти пути для того, чтобы добиться устойчивости. Строя модели и экспериментируя, после 8—9 месяцев работы нам удалось найти теорию этого явления. Тогда все стало просто и легко, и, [когда мы] сделали соответствующие приспособления, турбина стала устойчива. Насколько наша турбина устойчива, видно из следующего: край ротора делает более 200 метров в секунду, т. е. скорость полета дроби из двустволки, а зазор между ротором и кожухом при этом немногим больше 1/10 миллиметра. Между прочим, эти методы стабилизации роторов, возможно, окажут влияние и на большие паровые турбины, там тоже полезно иметь большую устойчивость вращения ротора, чтобы уменьшить зазор между лопатками и кожухом, так как это повысит коэффициент полезного действия.
Было еще следующее затруднение. Для нужной нам производительности наша турбина получается очень маленькая — ротор ее свободно помещается на ладони и весит всего 300 грамм, хотя, чтобы снабжать се воздухом, нужен компрессор, который весит 4 тонны. (Это, между прочим, рисует соотношение габаритов поршневых и турбинных механизмов.) Наш ротор делает 46 000 оборотов в минуту. Вначале все подшипники у нас быстро разбалтывались. Изучая причину этого, мы нашли, что это происходит благодаря тому, что оси инерции турбины было невозможно достаточно точно центрировать; тогда был изобретен новый метод подвешивания ротора к оси. Сцепление ротора с осью осуществляется на трении и поэтому ротор становится самоцентрирующим. Возможно, что и этот метод крепления роторов найдет себе более широкое применение в [таких] быстро вращающихся механизмах, как центрифуги, гирокомпасы и пр.
[Когда мы] преодолели все эти трудности, после двух лет работы, третья по счету построенная турбина полностью подтвердила правильность основных идей, заложенных в пей. Несмотря на ее малый размер, коэффициент полезного действия ее больше 0,7, а при некоторых режимах доходит до 0.75—0,80, тогда как прежние турбодетапдеры, по литературным данным, не имели коэффициента [полезного действия], заметно больше 0,6—0,65, несмотря на то, что они гораздо больше по размерам, чем наша [турбина].
Специальной охладительной установкой, снабженной такой турбиной, мы теперь ожижаем воздух при давленый в 3 — 4 атмосферы вместо прежних 200 и этим осуществили поставленную задачу.
Вот еще некоторые цифры, характеризующие то, что мы достигли. Если сравнить нашу установку с прежними установками, равными по производительности, то для нашей установки стандартный компрессор низкого давления стоит по советским ценам 20 000 рублей, [а] для обычного ожижителя — 100 000 рублей. Далее, у нас отсутствует необходимость очищения воздуха от влаги и углекислоты: очистительные приспособления в прежних установках достигали размеров, больших, чем вся наша установка. Даже включая все расходы по двухлетнему экспериментированию, вся наша установка нам обошлась не более 100 000 р., в то время как эквивалентная ей стандартная установка завода ВАТ[95], честная копия немецкой, стоит 200 000 р.
93
Сила Кориолиса (по имени французского математика и инженера Г. Кориолиса (1792—1843) — сила инерции, с помощью которой учитывается влияние вращения системы отсчета на относительное движение материальной среды.